仿真+AI 創(chuàng)建基礎設施的新未來
來源：中國能源新聞網(wǎng) 時間：2024-06-25 16:27
吳付標
大漠風電，深遠海平臺，一帶一路上的高鐵、電站……
在新一輪的基礎設施建設浪潮中，項目與結構變得越來越復雜，碳中和與可持續(xù)發(fā)展的要求越來越高，仿真分析技術應運而生。
在最近召開的Bentley軟件2024創(chuàng)新智旅—仿真分析產(chǎn)品技術峰會上，諸多創(chuàng)新實例令人矚目。
深遠海工程的突破：海洋石油工程股份有限公司利用仿真技術精確設計亞洲最深水導管架“?；枴保瑯O大提升了石油產(chǎn)業(yè)的深遠海作業(yè)能力。
風電設施的創(chuàng)新：福建永福電力設計股份有限公司運用仿真技術在福建長樂打造世界級海上風電項目，平均水深達31米~45米。
“一帶一路”的風景：在巴基斯坦燃煤發(fā)電項目中，仿真技術幫助解決了復雜的地上與地下結構融合問題。
大型橋梁工程的精確預測：在港珠澳大橋項目中，仿真技術用于模擬人工島的穩(wěn)定性和變形，提供了土體與結構互作用的精確數(shù)據(jù)。
重大場館的安全通達：在第19屆亞運會主會場杭州奧體中心，交通仿真技術助力設計進場、散場以及緊急疏散方案，保障亞運會的有序進行。
……
從中國基礎設施的建設者們的分享中，在與Bentley軟件工程仿真業(yè)務高級產(chǎn)品總監(jiān)Josh Taylor的對話中，我看見了基礎設施數(shù)智化的一個新趨勢和新能力—仿真分析+AI，及其所帶來的前所未有的精度、效率、韌性和可持續(xù)發(fā)展前景。
仿真分析：解鎖復雜工程的新維度
仿真技術不僅解決了傳統(tǒng)工程難題，還開辟了解決新挑戰(zhàn)的途徑。
海洋石油工程股份有限公司設計院借力海工仿真分析技術，在深遠海成功建造海基二號。3月12日，中央電視臺報道了亞洲第一深水導管架——“?；枴痹谥楹＝ㄔ焱旯?，這意味著將助力推動中國石油產(chǎn)業(yè)穩(wěn)步走向深遠海。然而，這一建造項目所挑戰(zhàn)的各種困難逼近新極限。導管架總高338.5米，總重達37000噸，用鋼量接近“鳥巢”國家體育場。導管架作業(yè)海域平均水深約324米，這一深度帶來的不僅是環(huán)境載荷的急劇增加，還有內(nèi)波流、臺風等惡劣海況的更大影響。中國海油的建設者們不僅做到了，而且使得項目成功減重5000噸，節(jié)省了上億元的材料及船舶改造費用。這離不開它們創(chuàng)新提出并實現(xiàn)的“智能導管架”設計建造方案，也離不開數(shù)字化仿真分析技術。
談及仿真技術的應用，海洋石油工程股份有限公司設計院袁玉杰說：“我們長期使用SACS和MOSES等Bentley海工結構分析軟件。從渤海到南海所有的導管架的設計方案，為我們解決了很多工程難題，也成功地使我國三座?；钏畬Ч芗芤倭⒂谀虾ｊ懫聟^(qū)。我們很榮幸為能源的開發(fā)貢獻了智慧方案?！?/p>
山東電力建設第三工程有限公司以結構仿真分析技術成就一帶一路項目。該公司參與過摩洛哥、印尼、阿曼、巴基斯坦、緬甸、烏茲別克斯坦等不同國家不同類型的美標設計項目。該公司工程咨詢院結構專業(yè)工程師王健談到，在巴基斯坦Lucky 1*66萬千瓦燃煤電站工程中，有一些結構復雜的輸煤轉運站結構，其上部是鋼結構框架，下部是混凝土池體結構，應用STAAD Pro無需分開建模，只建一個模型，即可實現(xiàn)整體結構的效果分析，大幅提升了精度和效率。
中國有色金屬工業(yè)西安勘察設計研究院利用巖土仿真分析技術，解決深達400米礦山建設難題。該院總工程師、首席數(shù)字官趙曉峰談到，在有色金屬礦山和露天礦邊坡的建造中，有些工程深達400米，長度超過2.2千米。通過巖土類仿真分析軟件PLAXIS的三維建模和應力應變分析功能，工程師能夠?qū)碗s的地質(zhì)結構進行精確分析，為決策提供強有力的技術支持。他特別提到，PLAXIS支持直接從鉆孔數(shù)據(jù)建模，與其他CAD軟件兼容，使其在建模和分析過程中更加高效和精確。
要說的案例還有許許多多，但有一點很清晰。Bentley技術經(jīng)理孟文談到，一個典型基礎設施行業(yè)項目，往往包含多個不同的專業(yè)以及不同專業(yè)之間數(shù)據(jù)協(xié)同問題。比如海洋工程項目中的結構與巖土專業(yè)，石油石化項目中的管道與結構專業(yè)，結構與巖土專業(yè)等等。在傳統(tǒng)的設計中，項目中不同專業(yè)的工程師都是基于人為假定的邊界條件進行數(shù)據(jù)傳遞，這樣不僅效率低下，而且容易造成仿真分析精度的丟失。行業(yè)需要更加全面且高效的仿真解決方案，以幫助用戶更好地在不同專業(yè)間協(xié)同，來提升仿真精度和效率。
深度融合：仿真分析的殺手锏
Bentley廣泛的產(chǎn)品組合、高級的集成能力、強大的仿真與建模能力給越來越復雜、要求越來越高的工程帶來了最優(yōu)解。
Bentley軟件工程仿真業(yè)務高級產(chǎn)品總監(jiān)Josh Taylor強調(diào)了公司產(chǎn)品之間卓越的互聯(lián)互通和互操作性能力的重要性。他說：“我們團隊的一大優(yōu)勢是跨專業(yè)領域的整合工作方式。例如，海上結構產(chǎn)品SACS模擬的平臺與巖土分析軟件PLAXIS模擬的土壤之間不是獨立操作，而是相互影響和互動，從而實現(xiàn)更準確地設計解決方案。”
他也談到了結構仿真分析軟件STAAD和壓力管道仿真分析軟件AutoPIPE之間的互動。在處理工廠中承受高壓和高溫的管道系統(tǒng)時，這些系統(tǒng)往往位于鋼結構或管道架上。因此，即使管道工程師專注于管道，而結構工程師專注于結構，他們實際上需要考慮這兩者之間的互動，以便更準確、更精確地評估整個系統(tǒng)。這種跨軟件的結構與管道互動不僅是Bentley的一大優(yōu)勢，也是整個工程行業(yè)未來發(fā)展的趨勢。
更值得一提的是，公司在近年收購了一款先進的有限元分析軟件：Adina。這一收購不僅增強了Bentley在有限元模擬仿真方面的能力，還提升了其在高級分析領域的競爭優(yōu)勢，使其能夠處理更加復雜和嚴苛的工程問題。這也展現(xiàn)了Bentley持續(xù)構建其強大仿真分析軟件組合的企圖心。
在仿真分析產(chǎn)品峰會上，我遇見了鄭州大學仿真實驗室負責人、研究生導師郭攀，他告訴筆者他對仿真分析技術研究了20來年。他談到，經(jīng)過近30年的商業(yè)化開發(fā)，ADINA已經(jīng)成為全球重要的非線性求解軟件，被廣泛應用于各個工業(yè)領域的工程仿真計算，包括土木建筑、交通運輸、石油化工、機械制造、航空航天、汽車、國防軍工、船舶以及科學研究等各個領域。ADINA在計算理論和求解問題的廣泛性方面處于領先地位，尤其針對結構非線性、流/固耦合等復雜問題的求解具有強大優(yōu)勢，被業(yè)內(nèi)人士認為是非線性有限元發(fā)展方向的先導。
Bentley也加強了中國本土化進程。針對新興的深遠海漂浮式風電，Bentley與中國電建華東勘測設計研究院強強聯(lián)合，歷時數(shù)年，合作推出了OpenWindPower Floating HDEC全新漂浮式風機一體化設計仿真產(chǎn)品。依賴于雙方在海上風電工程開發(fā)與軟件仿真技術數(shù)十載的探索與積累，OpenWindPower Floating HDEC產(chǎn)品擁有行業(yè)領先的浮式風機仿真與分析能力，致力于為全球客戶提供漂浮式風電最佳設計仿真解決方案。
與AI融合：創(chuàng)造無限可能
仿真分析技術不僅通過內(nèi)在的融合以及與CAD、CAE、數(shù)字孿生融合創(chuàng)造更高的價值。其與AI包括生成式AI的融合，正在創(chuàng)造基礎設施建設的新未來。
筆者在2023年縱覽基礎設施大會上，注意到韓國Hyundai Engineering的一個獲獎項目。該公司在智能工廠的建設中與Bentley合作，通過集成STAAD軟件與AI，極大地推動了項目設計和建設的智能化。這一合作使設計工作流得以簡化并自動化，利用AI算法自動導入不同專業(yè)的重量數(shù)據(jù)，從而避免了手動數(shù)據(jù)輸入的需求。尤其值得一提的是，STAAD軟件與AI的融合創(chuàng)建了包含1,680個場景的數(shù)據(jù)庫，并生成了2700萬個預測模型。這些模型不僅加快了工作流程、降低了成本，還提高了項目的擴展性和標準化，為未來項目奠定了堅實的基礎。
AI無處不在。在《華爾街日報》梳理2023年生成式AI興起及其應用的一篇文章中，列舉了五個案例，其中一個就是Bentley。
談及AI的發(fā)展，Josh Taylor說AI在結構工程領域的應用是一個新興、有趣且很有前景的話題。AI的引入，特別是在設計過程中，能夠幫助工程師從一個較為成熟的起點開始工作，而不是完全從零開始。它可以通過預建的模型和參數(shù)調(diào)整，加快設計過程，減少重復工作，提高項目效率?？偟膩碚f，雖然AI在結構工程中的應用前景令人期待。但它的作用應是輔助而非替代，真正的設計仍將依賴于工程師的專業(yè)判斷和創(chuàng)造力。
這也讓他想起了往事。就像20世紀90年代中期軟件開始廣泛使用時存在的爭議一樣，當前對于AI的利用也引發(fā)了類似的討論。工程界一直認為，雖然技術可以提高效率和精度，但不應取代工程師的基本判斷力。正如工程師應能獨立于軟件驗證其計算一樣，AI也應作為輔助工具賦能工程師，而非替代工程師的專長。
結語：走向明天 探索新未來
在參加了仿真分析產(chǎn)品峰會并結束與Josh Taylor的對話之后，這幾句話深深印在了我的腦海：
基礎設施工程越來越復雜，要解決的問題也越來越復雜，不論是大漠高山、深遠海和一帶一路工程的建造，還是奔向零碳目標的使命；
仿真分析技術是解決這些疑難問題的一把金鑰匙，而只有融合解決方案才能帶來最優(yōu)解；
數(shù)字仿真技術+AI創(chuàng)造無限可能，繪制可持續(xù)發(fā)展的新愿景。
責任編輯：楊娜
