DE102023117183A1 - Method and system for improving the system behavior of a technical entity - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung des Systemverhaltens einer technischen Entität (10) in einem Szenario, wie insbesondere eines Fahrzeugs in einer Fahrsituation, umfassend:
- Erzeugen eines Simulationsmodells (350) zur Simulation des Systemverhaltens der technischen Entität (10) in einem Simulationsszenario und Trainieren mit Trainingsdatensätzen;
- Bereitstellen von Eingabedaten (240) über eine Benutzerschnittstelle (220) oder aus einer Datenbank (290), wobei die Eingabedaten (240) Parameter (pi), Parameterwerte und/oder Eigenschaften (ei) der Entität (10) umfassen;
- Durchführen einer Simulation unter Verwendung der Eingabedaten (240) und des trainierten Simulationsmodells (450) von einem Simulationsmodul (400) für die Simulationsaufgabe;
- Erzeugen von Simulationsergebnissen (340);
- Weitergeben der Simulationsergebnisse (340) an ein Lernverstärkungsmodul (400);
- Berechnen von modellierten Werten für die Parameter (pi), Parameterwerte und/oder Eigenschaften (ei) der Entität (10) aus den Simulationsergebnissen (340) zur Erzielung eines verbesserten Systemverhaltens der Entität (10);
- Erzeugen und Ausgeben von Ausgabedaten (550) durch ein Ausgabemodul (500), wobei die Ausgabedaten (550) optimierte Ergebnisse insbesondere in Form der modellierten Werte für die Parameter (pi), Parameterwerte und/oder Eigenschaften (ei) der Entität (10) enthalten.
The invention relates to a method for improving the system behavior of a technical entity (10) in a scenario, such as in particular a vehicle in a driving situation, comprising:
- generating a simulation model (350) for simulating the system behavior of the technical entity (10) in a simulation scenario and training with training data sets;
- providing input data (240) via a user interface (220) or from a database (290), wherein the input data (240) comprise parameters (p i ), parameter values and/or properties (e i ) of the entity (10);
- performing a simulation using the input data (240) and the trained simulation model (450) from a simulation module (400) for the simulation task;
- Generating simulation results (340);
- passing the simulation results (340) to a learning reinforcement module (400);
- Calculating modeled values for the parameters (p i ), parameter values and/or properties (e i ) of the entity (10) from the simulation results (340) to achieve an improved system behavior of the entity (10);
- generating and outputting output data (550) by an output module (500), wherein the output data (550) contain optimized results, in particular in the form of the modeled values for the parameters (p i ), parameter values and/or properties (e i ) of the entity (10).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren, ein System und ein Computerprogrammprodukt zur Verbesserung des Systemverhaltens einer technischen Entität in einem Szenario, wie insbesondere eines Fahrzeugs in einer Fahrsituation.The invention relates to a method, a system and a computer program product for improving the system behavior of a technical entity in a scenario, such as in particular a vehicle in a driving situation.
Die passive Fahrzeugsicherheit bezieht sich auf Technologien und Eigenschaften eines Fahrzeugs, die dazu beitragen, die Insassen bei einem Unfall zu schützen und Verletzungen zu minimieren. Dazu gehören beispielsweise Airbags, Sicherheitsgurte, Kopfstützen und verstärkte Fahrgastzellen. Im Gegensatz dazu bezieht sich die aktive Fahrzeugsicherheit auf Technologien, die dazu beitragen, Unfälle zu vermeiden oder deren Folgen zu mindern, wie z.B. Antiblockiersysteme (ABS) und elektronische Stabilitätskontrolle (ESC).Passive vehicle safety refers to technologies and features of a vehicle that help protect occupants and minimize injuries in the event of an accident. These include, for example, airbags, seat belts, head restraints and reinforced passenger cells. In contrast, active vehicle safety refers to technologies that help prevent accidents or mitigate their consequences, such as anti-lock braking systems (ABS) and electronic stability control (ESC).
Die Crashsimulation dient der Vorhersage des Verhaltens einer Struktur oder eines technischen Bauteils oder Systems, z. B. eines Fahrzeugs mit einem Dummy im Innenraum, bei einem Aufprall oder Crash. Dazu wird ein Computermodell der Struktur oder des Bauteils erstellt, die Eigenschaften der in der Konstruktion verwendeten Werkstoffe werden festgelegt und die Auswirkungen eines Aufpralls auf das Modell werden simuliert. Die Crashsimulation ist daher ein wichtiges Werkzeug für die Produktentwicklung in verschiedenen Branchen, darunter die Automobil- sowie die Luft- und Raumfahrtindustrie. In der Automobilindustrie wird die Crashsimulation eingesetzt, um die Sicherheit von Fahrzeugkonstruktionen zu bewerten und zu optimieren. In der Luft- und Raumfahrt wird die Crashsimulation beispielsweise eingesetzt, um die Festigkeit und Haltbarkeit von Flugzeugkomponenten zu bewerten.Crash simulation is used to predict the behavior of a structure or a technical component or system, e.g. a vehicle with a dummy in the interior, in the event of an impact or crash. This is done by creating a computer model of the structure or component, specifying the properties of the materials used in the construction and simulating the effects of an impact on the model. Crash simulation is therefore an important tool for product development in various industries, including the automotive and aerospace industries. In the automotive industry, crash simulation is used to evaluate and optimize the safety of vehicle designs. In aerospace, crash simulation is used, for example, to evaluate the strength and durability of aircraft components.
Die Ergebnisse der Crashsimulation ermöglichen es, potenzielle Schwachstellen zu erkennen und die Leistung von Strukturen oder technischen Systemen zu verbessern, bevor diese gebaut und unter realen Bedingungen getestet werden. Dies spart Kosten und Zeit und erhöht vor allem die Sicherheit der Insassen und Benutzer.The results of the crash simulation make it possible to identify potential weak points and improve the performance of structures or technical systems before they are built and tested under real conditions. This saves costs and time and, above all, increases the safety of occupants and users.
Insbesondere die Finite-Elemente-Methode (FEM) wird in der Crashsimulation eingesetzt, um das Verhalten von Bauteilen, Strukturen und Systemen bei einem Aufprall zu modellieren und vorherzusagen. FEM-Software kann das Verhalten von Materialien unter verschiedenen Spannungs- und Verformungsbedingungen berechnen und die resultierenden Kräfte und Beschleunigungen in der Struktur analysieren. Der Vorteil der Anwendung der Finite-Elemente-Methode in der Crashsimulation ist die Möglichkeit der Simulation des Verhaltens und der Reaktionen von Bauteilen oder Strukturen unter verschiedenen Crash-Szenarien. Dies kann helfen, Fehler und Schwachstellen in bestehenden Konstruktionen zu finden und Neuentwicklungen zu verbessern.In particular, the finite element method (FEM) is used in crash simulation to model and predict the behavior of components, structures and systems in an impact. FEM software can calculate the behavior of materials under different stress and deformation conditions and analyze the resulting forces and accelerations in the structure. The advantage of applying the finite element method in crash simulation is the ability to simulate the behavior and reactions of components or structures under different crash scenarios. This can help to find errors and weak points in existing designs and improve new developments.
Die Finite-Elemente-Methode (FEM) ist eine Methode zur numerischen Lösung partieller Differentialgleichungen in der Mechanik. Sie dient zur Berechnung der Spannungen und Verformungen von Bauteilen unter statischer oder dynamischer Belastung. Bei der FEM-Simulation wird das zu analysierende System oder Bauteil in eine endliche Anzahl von Elementen diskretisiert, wobei jedes Element durch einen Satz von Gleichungen repräsentiert wird, die auf seiner Geometrie, seinen Materialeigenschaften und seinen Randbedingungen basieren.The finite element method (FEM) is a method for the numerical solution of partial differential equations in mechanics. It is used to calculate the stresses and deformations of components under static or dynamic loading. In FEM simulation, the system or component to be analyzed is discretized into a finite number of elements, with each element represented by a set of equations based on its geometry, material properties and boundary conditions.
Um den Aufprall eines Fahrzeugs mit einem Dummy zu simulieren, gibt der Benutzer die Parameter des Crashtest-Szenarios wie Geschwindigkeit und Aufprallwinkel ein und startet die Simulation. Die Software erzeugt eine digitale Animation des Aufpralls, die zeigt, wie sich das Fahrzeug und der Dummy während des Aufpralls verhalten. Die Simulation kann auch detaillierte Daten über die auf den Dummy wirkenden Kräfte und Belastungen liefern, die zur Bewertung der Fahrzeugsicherheit und zur Verbesserung der Fahrzeugkonstruktion verwendet werden können.To simulate the impact of a vehicle with a dummy, the user enters the crash test scenario parameters such as speed and impact angle and starts the simulation. The software generates a digital animation of the impact, showing how the vehicle and dummy behave during the impact. The simulation can also provide detailed data on the forces and loads acting on the dummy, which can be used to evaluate vehicle safety and improve vehicle design.
Die Durchführung von Crashsimulationen auf Basis der FEM-Simulation erfordert jedoch viel Erfahrung und Know-how. Zudem müssen alle relevanten Parameter - von der Fahrzeuggeometrie über die Art der Aufprallbelastung bis hin zu den Materialdaten - berücksichtigt werden. Darüber hinaus ist die FEM-Simulation nur so genau wie die Annahmen und Daten, die in die Analyse einfließen. Simulationen für das gleiche technische System oder Bauteil können daher zu unterschiedlichen Ergebnissen führen. Außerdem handelt es sich bei einem Aufprall um ein komplexes und nichtlineares Systemverhalten, so dass kein proportionaler Zusammenhang zwischen den auftretenden Kräften und den Auswirkungen besteht. Dies bedeutet, dass eine kleine Änderung in einem Aufprallszenario große Auswirkungen auf das Systemverhalten haben kann.However, carrying out crash simulations based on FEM simulation requires a lot of experience and know-how. In addition, all relevant parameters - from the vehicle geometry to the type of impact load to the material data - must be taken into account. In addition, the FEM simulation is only as accurate as the assumptions and data that go into the analysis. Simulations for the same technical system or component can therefore lead to different results. In addition, an impact is a complex and non-linear system behavior, so there is no proportional relationship between the forces that occur and the effects. This means that a small change in an impact scenario can have a major impact on the system behavior.
Die wiederholte Durchführung von Simulationen zur Ermittlung optimaler Parameter, z.B. für ein Rückhaltesystem im Fahrzeug, ist daher sehr zeit- und rechenintensiv. Da die Parameteränderungen typischerweise von einem Ingenieur eingegeben werden, kann es aufgrund des komplexen Systemverhaltens und der hochgradig nichtlinearen Abhängigkeiten der Parameter sehr lange dauern, bis eine optimale Parameterkonfiguration gefunden ist.Repeatedly running simulations to determine optimal parameters, e.g. for a vehicle restraint system, is therefore very time-consuming and computationally intensive. Since the parameter changes are typically entered by an engineer, it can take a very long time to find an optimal parameter configuration due to the complex system behavior and the highly nonlinear dependencies of the parameters.
Daher ist es wünschenswert, eine Strukturoptimierung durchzuführen, um die Struktur eines Systems, insbesondere eines Fahrzeugs, so zu verbessern, dass die gewünschten Sicherheitseigenschaften schneller erreicht werden. Die Anwendung bekannter Optimierungsalgorithmen wie Gradientenverfahren, Evolutionsalgorithmen, Annealingverfahren oder Partikelschwarmoptimierung führt jedoch häufig zu ungeeigneten oder ungenauen Ergebnissen, da die Anzahl der Parameter zu groß ist und das Abhängigkeitsverhalten der Parameter nicht exakt abgebildet werden kann.Therefore, it is desirable to perform a structural optimization to determine the structure of a System, especially a vehicle, so that the desired safety properties are achieved more quickly. However, the application of known optimization algorithms such as gradient methods, evolution algorithms, annealing methods or particle swarm optimization often leads to unsuitable or inaccurate results because the number of parameters is too large and the dependency behavior of the parameters cannot be accurately mapped.
Die
Die
In der
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, Möglichkeiten zur Verbesserung des Systemverhaltens einer Entität wie eines technischen Systems oder einer Komponente in einem Szenario, insbesondere für ein Rückhaltesystem in einem Fahrzeug in einer Fahrsituation, aufzuzeigen und damit die Voraussetzung für eine verbesserte Strukturoptimierung der Entität zu schaffen.The invention is based on the object of demonstrating possibilities for improving the system behavior of an entity such as a technical system or a component in a scenario, in particular for a restraint system in a vehicle in a driving situation, and thus creating the prerequisite for an improved structural optimization of the entity.
Durch die vorliegende Erfindung können Parameter, Parameterwerte und/oder Eigenschaften einer Entität, wie z.B. eines Rückhaltesystems in einem Fahrzeug, hinsichtlich des Systemverhaltens in einem bestimmten Szenario, wie z.B. einer Aufprallsituation, optimiert werden. Durch die Kopplung eines vortrainierten Simulationsmodells mit einem Lernverstärkungsmodul können optimierte Werte für Parameter, Parameterwerte und/oder Eigenschaften der Entität berechnet werden, ohne dass eine Vielzahl von Simulationen mit jeweils veränderten Simulationsdaten durchgeführt werden muss. Da z.B. das Systemverhalten eines Fahrzeugs mit einem Dummy im Innenraum komplex und hochgradig nichtlinear ist, ist es für einen Ingenieur schwierig zu entscheiden, welche Parameter, Parameterwerte und/oder Eigenschaften und in welchem Ausmaß verändert werden sollen, um ein akzeptables Systemverhalten der Entität, z.B. des Fahrzeugs, zu erreichen.The present invention enables parameters, parameter values and/or properties of an entity, such as a restraint system in a vehicle, to be optimized with regard to the system behavior in a specific scenario, such as an impact situation. By coupling a pre-trained simulation model with a learning reinforcement module, optimized values for parameters, parameter values and/or properties of the entity can be calculated without having to carry out a large number of simulations, each with modified simulation data. Since, for example, the system behavior of a vehicle with a dummy in the interior is complex and highly nonlinear, it is difficult for an engineer to decide which parameters, parameter values and/or properties should be changed and to what extent in order to achieve acceptable system behavior of the entity, e.g. the vehicle.
Durch die Erfindung kann daher eine optimale Konfiguration von Parametern, Parameterwerten und/oder Eigenschaften einer Entität für das Systemverhalten in einem bestimmten Szenario ermittelt werden, so dass in nachfolgenden Simulationen nur noch eine Feinabstimmung der Parameter, Parameterwerte und/oder Eigenschaften erforderlich ist. Dadurch kann die Durchführung einer großen Anzahl von Simulationen reduziert werden, wodurch Rechenzeit und damit Kosten und Energie eingespart werden können. Insbesondere kann ein vortrainiertes Simulationsmodell verwendet werden, um Finite-Elemente-Methoden direkt in einem Lernverstärkungsmodul einzusetzen. Die Erfindung kann somit dazu beitragen, die Sicherheit und Leistungsfähigkeit einer Entität zu erhöhen und zu verbessern.The invention can therefore determine an optimal configuration of parameters, parameter values and/or properties of an entity for the system behavior in a specific scenario, so that in subsequent simulations only a fine-tuning of the parameters, parameter values and/or properties is required. This can reduce the execution of a large number of simulations, which can save computing time and thus costs and energy. In particular, a pre-trained simulation model can be used to use finite element methods directly in a learning reinforcement module. The invention can thus help to increase and improve the safety and performance of an entity.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich eines Verfahrens durch die Merkmale des Patentanspruchs 1, hinsichtlich eines Systems durch die Merkmale des Patentanspruchs 11, und hinsichtlich eines Computerprogrammprodukts durch die Merkmale des Patentanspruchs 15 erfindungsgemäß gelöst. Die weiteren Ansprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.This object is achieved according to the invention with regard to a method by the features of patent claim 1, with regard to a system by the features of patent claim 11, and with regard to a computer program product by the features of patent claim 15. The further claims relate to preferred embodiments of the invention.
Gemäß einem ersten Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zur Verbesserung des Systemverhaltens einer technischen Entität in einem Szenario, wie insbesondere eines Fahrzeugs in einer Fahrsituation, bereit. Das Verfahren umfasst die Verfahrensschritte:
- - Erzeugen eines Simulationsmodells zur Simulation des Systemverhaltens der technischen Entität in einem Simulationsszenario und Trainieren des Simulationsmodells mit Trainingsdatensätzen, wobei die Trainingsdatensätze Messignale von Sensoren enthalten;
- - Bereitstellen von Eingabedaten über eine Benutzerschnittstelle oder aus einer Datenbank, wobei die Eingabedaten insbesondere Parameter, Parameterwerte und/oder Eigenschaften der Entität für eine bestimmte Simulationsaufgabe hinsichtlich des Systemverhaltens in einem bestimmten Szenario umfassen;
- - Durchführen einer Simulation unter Verwendung der Eingabedaten und des trainierten Simulationsmodells von einem Simulationsmodul für die Simulationsaufgabe;
- - Erzeugen von Simulationsergebnissen, wobei die Simulationsergebnisse das Systemverhalten der Entität in dem Simulationsszenario wiedergeben;
- - Weitergeben der Simulationsergebnisse an ein Lernverstärkungsmodul;
- - Berechnen von modellierten Werten für die Parameter, Parameterwerte und/oder Eigenschaften der Entität aus den Simulationsergebnissen zur Erzielung eines verbesserten Systemverhaltens der Entität in dem Simulationsszenario;
- - Erzeugen und Ausgeben von Ausgabedaten durch ein Ausgabemodul, wobei die Ausgabedaten optimierte Ergebnisse insbesondere in Form der modellierten Werte für die Parameter, Parameterwerte und/oder Eigenschaften der Entität enthalten.
- - Generating a simulation model for simulating the system behavior of the technical entity in a simulation scenario and training the simulation model with training data sets, wherein the training data sets contain measurement signals from sensors;
- - Providing input data via a user interface or from a database, wherein the input data comprises in particular parameters, parameter values and/or properties of the entity for a specific simulation task with regard to the system behaviour in a specific scenario;
- - Performing a simulation using the input data and the trained simulation model from a simulation module for the simulation task;
- - generating simulation results, the simulation results representing the system behaviour of the entity in the simulation scenario;
- - Passing the simulation results to a learning reinforcement module;
- - Calculate modeled values for the parameters, parameter values and/or eigen properties of the entity from the simulation results to achieve improved system behavior of the entity in the simulation scenario;
- - Generating and outputting output data by an output module, wherein the output data contains optimized results, in particular in the form of the modeled values for the parameters, parameter values and/or properties of the entity.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Trainingsdaten für das Simulationsmodell Ein- und/oder Ausgabedaten einer FEM-Simulation wie insbesondere Parameter, Zeitseriendaten und Finite-Element Attribute darstellen, wobei Finite-Elemente-Attribute Knotenpositionen von Finiten Elementen im 3-dimensionalen Raum sind.In an advantageous embodiment, it is provided that the training data for the simulation model represent input and/or output data of a FEM simulation such as in particular parameters, time series data and finite element attributes, wherein finite element attributes are node positions of finite elements in 3-dimensional space.
In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass bei uneinheitlichen Datenformaten der Ein- und Ausgabedaten der FEM-Simulation eine Angleichung durch eine Transformation in ein einheitliches Voxelgitter durchgeführt wird.In a further development, it is planned that in the case of inconsistent data formats of the input and output data of the FEM simulation, an adjustment is carried out by a transformation into a uniform voxel grid.
In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Lernverstärkungsmodul zumindest einen Lernverstärkungs-Agenten, ein Aktionsmodul, ein Umgebungsmodul, ein Zustandsmodul und ein Belohnungsmodul umfasst.In a further development, it is provided that the learning reinforcement module comprises at least one learning reinforcement agent, an action module, an environment module, a state module and a reward module.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Zustand der Entität durch das Zustandsmodul bestimmt wird, wobei ein Zustand durch Parameter und/oder Parameterwerte und/oder eine Eigenschaft der Entität bestimmt wird.In an advantageous embodiment, it is provided that a state of the entity is determined by the state module, wherein a state is determined by parameters and/or parameter values and/or a property of the entity.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Simulationsmodell als Algorithmus zumindest ein neuronales Netz, insbesondere rekurrente neuronale Netze oder gefaltete neuronale Netze (Convolutional Neural Networks), oder Gradient Tree Boosting verwendet.In a further embodiment, it is provided that the simulation model uses at least one neural network, in particular recurrent neural networks or convolutional neural networks, or gradient tree boosting as algorithm.
Insbesondere ist der Algorithmus des verstärkenden Lernens des Lernverstärkungsmoduls als Markov-Entscheidungsprozess oder als Temporal Difference Learning (TD-Learning) oder als Q-Learning oder als SARSA oder als Monte-Carlo-Simulation oder als Actor-Critic oder als Proximal Policy Optimization ausgebildet.In particular, the reinforcement learning algorithm of the learning reinforcement module is designed as a Markov decision process or as Temporal Difference Learning (TD-Learning) or as Q-Learning or as SARSA or as Monte Carlo simulation or as Actor-Critic or as Proximal Policy Optimization.
Vorteilhafterweise stellt zumindest ein Parameter und/oder ein Parameterwert und/oder eine Eigenschaft Entität eine Position, eine Dimension, ein Material, eine Formgebung, einen Kennwert, einen Messwert, einen Sicherheitsfaktor, eine Geschwindigkeit, eine Beschleunigung, eine Kraft, ein Drehmoment, eine Drehzahl, einen Ladezustand, einen spezifischen Kraftstoffverbrauch, einen thermischen Widerstand, einen elektrischen Widerstand, eine Leitfähigkeit, eine Festigkeit, ein Bruchverhalten, eine Dichte, eine plastische Verformung, einen Spannungs-, Druck,- Biegungswiderstand, eine Werkstoffeigenschaft oder eine Oberflächeneigenschaft dar.Advantageously, at least one parameter and/or one parameter value and/or one property entity represents a position, a dimension, a material, a shape, a characteristic value, a measured value, a safety factor, a speed, an acceleration, a force, a torque, a rotational speed, a state of charge, a specific fuel consumption, a thermal resistance, an electrical resistance, a conductivity, a strength, a fracture behavior, a density, a plastic deformation, a stress, pressure, bending resistance, a material property or a surface property.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Berechnungsfunktion und/oder eine Aktion basierend auf einer Richtlinie für den Zustand ausgewählt wird für die Modifizierung zumindest eines Parameters und/oder eines Parameterwertes und/oder einer Eigenschaft der Entität von dem Lernverstärkungs-Agenten; wobei ein neuer Zustand von dem Umgebungsmodul aufgrund des modifizierten Wertes für den Parameter und/oder den Parameterwert und/oder die Eigenschaft berechnet wird; wobei der neue Zustand mit einem Ziel-Zustand verglichen wird und eine Abweichung für ein Vergleichsergebnis in dem Zustandsmodul berechnet wird; wobei eine Belohnung von dem Belohnungsmodul für das Vergleichsergebnis ermittelt wird; und wobei die Zustände und/oder Aktionen solange geändert werden, bis der Ziel-Zustand erreicht ist.In a further embodiment, it is provided that a calculation function and/or an action is selected based on a policy for the state for modifying at least one parameter and/or a parameter value and/or a property of the entity by the learning reinforcement agent; wherein a new state is calculated by the environment module based on the modified value for the parameter and/or the parameter value and/or the property; wherein the new state is compared with a target state and a deviation for a comparison result is calculated in the state module; wherein a reward is determined by the reward module for the comparison result; and wherein the states and/or actions are changed until the target state is reached.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die Ausgabedaten Konstruktionspläne, Bilder und Graphiken, Videosequenzen, akustische Sequenzen, Hologramme, Kennzahlen, Diagramme, mathematische Formeln und/oder Power-Point Präsentationen, etc. enthalten.In particular, it is intended that the output data contain design plans, images and graphics, video sequences, acoustic sequences, holograms, key figures, diagrams, mathematical formulas and/or Power Point presentations, etc.
In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Umgebungsmodul eine Softwareapplikation zur Simulation des Systemverhaltens der Entität mittels einer Finite-Elemente-Methode umfasst und die Ergebnisse der FEM-Simulation direkt an das Zustandsmodul weitergeleitet werden.In a further development, it is planned that the environment module includes a software application for simulating the system behavior of the entity using a finite element method and that the results of the FEM simulation are forwarded directly to the state module.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Lernverstärkungsmodul eine multifunktionale Geometrieoptimierung durch eine Vielzahl von Iterationen durchführt.In a further embodiment, the learning reinforcement module performs a multifunctional geometry optimization through a plurality of iterations.
Gemäß einem zweiten Aspekt stellt die Erfindung ein System zur Verbesserung des Systemverhaltens einer technischen Entität in einem Szenario, wie insbesondere eines Fahrzeugs in einer Fahrsituation, bereit. Das System umfasst ein Eingabemodul, ein Simulationsmodul, ein Lernverstärkungsmodul und ein Ausgabemodul. Das Simulationsmodell ist ausgebildet, ein Simulationsmodell zur Simulation des Systemverhaltens der technischen Entität in einem Simulationsszenario durch Trainieren mit Trainingsdatensätzen zu erzeugen, wobei die Daten der Trainingsdatensätze Messignale von Sensoren enthalten. Das Eingabemodul ist ausgebildet, Eingabedaten über eine Benutzerschnittstelle oder aus einer Datenbank bereitzustellen, wobei die Eingabedaten insbesondere Parameter, Parameterwerte und/oder Eigenschaften der Entität für eine bestimmte Simulationsaufgabe wie das Systemverhalten in einem bestimmten Szenario umfassen. Das Simulationsmodul ist des Weiteren ausgebildet, eine Simulation unter Verwendung der Eingabedaten und des trainierten Simulationsmodells für die Simulationsaufgabe durchzuführen und Simulationsergebnisse zu erzeugen, wobei die Simulationsergebnisse das Systemverhalten der Entität in dem Simulationsszenario wiedergeben. Das Lernverstärkungsmodul ist ausgebildet, aus den Simulationsergebnissen modellierte Werte für die Parameter, Parameterwerte und/oder Eigenschaften der Entität zur Erzielung eines verbesserten Systemverhaltens der Entität in dem Simulationsszenario zu berechnen. Das Ausgabemodul ist ausgebildet ist, Ausgabedaten zu erzeugen und auszugeben, wobei die Ausgabedaten optimierte Ergebnisse insbesondere in Form der modellierten Werte für die Parameter, Parameterwerte und/oder Eigenschaften der Entität enthalten.According to a second aspect, the invention provides a system for improving the system behavior of a technical entity in a scenario, such as in particular a vehicle in a driving situation. The system comprises an input module, a simulation module, a learning reinforcement module and an output module. The simulation model is designed to generate a simulation model for simulating the system behavior of the technical entity in a simulation scenario by training with training data sets, wherein the data of the training data sets contain measurement signals from sensors. The input module is designed to provide input data via a user interface or from a database, wherein the input data in particular parameters, parameter values and/or properties of the entity for a specific simulation task such as the system behavior in a specific scenario. The simulation module is further designed to carry out a simulation using the input data and the trained simulation model for the simulation task and to generate simulation results, wherein the simulation results reflect the system behavior of the entity in the simulation scenario. The learning reinforcement module is designed to calculate modeled values for the parameters, parameter values and/or properties of the entity from the simulation results in order to achieve improved system behavior of the entity in the simulation scenario. The output module is designed to generate and output output data, wherein the output data contains optimized results, in particular in the form of the modeled values for the parameters, parameter values and/or properties of the entity.
In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Lernverstärkungsmodul zumindest einen Lernverstärkungs-Agenten, ein Aktionsmodul, ein Umgebungsmodul, ein Zustandsmodul und ein Belohnungsmodul umfasst.In a further development, it is provided that the learning reinforcement module comprises at least one learning reinforcement agent, an action module, an environment module, a state module and a reward module.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Umgebungsmodul eine Softwareapplikation zur Simulation des Systemverhaltens der Entität mittels einer Finite-Elemente-Methode umfasst und die Ergebnisse der FEM-Simulation direkt an das Zustandsmodul weitergeleitet werden.In a further embodiment, it is provided that the environment module comprises a software application for simulating the system behavior of the entity by means of a finite element method and the results of the FEM simulation are forwarded directly to the state module.
Vorteilhafterweise verwendet das Simulationsmodell als Algorithmus zumindest ein neuronales Netz, insbesondere rekurrente neuronale Netze oder gefaltete neuronale Netze (Convolutional Neural Networks), oder Gradient Tree Boosting.Advantageously, the simulation model uses at least one neural network as an algorithm, in particular recurrent neural networks or convolutional neural networks, or gradient tree boosting.
Insbesondere stellt zumindest ein Parameter und/oder ein Parameterwert und/oder eine Eigenschaft der Entität eine Position, eine Dimension, ein Material, eine Formgebung, einen Kennwert, einen Messwert, einen Sicherheitsfaktor, eine Geschwindigkeit, eine Beschleunigung, eine Kraft, ein Drehmoment, eine Drehzahl, einen Ladezustand, einen spezifischen Kraftstoffverbrauch, einen thermischen Widerstand, einen elektrischen Widerstand, eine Leitfähigkeit, eine Festigkeit, ein Bruchverhalten, eine Dichte, eine plastische Verformung, einen Spannungs-, Druck,- Biegungswiderstand, eine Werkstoffeigenschaft oder eine Oberflächeneigenschaft dar.In particular, at least one parameter and/or a parameter value and/or a property of the entity represents a position, a dimension, a material, a shape, a characteristic value, a measured value, a safety factor, a speed, an acceleration, a force, a torque, a rotational speed, a state of charge, a specific fuel consumption, a thermal resistance, an electrical resistance, a conductivity, a strength, a fracture behavior, a density, a plastic deformation, a stress, pressure, bending resistance, a material property or a surface property.
Gemäß einem dritten Aspekt stellt die Erfindung ein Computerprogrammprodukt bereit, das einen ausführbaren Programmcode umfasst, der so konfiguriert ist, dass er bei seiner Ausführung das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt ausführt.According to a third aspect, the invention provides a computer program product comprising executable program code configured to carry out the method according to the first aspect when executed.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to embodiments shown in the drawing.
Dabei zeigt:
-
1 ein Blockdiagramm zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Systems; -
2 eine Darstellung eines Lernverstärkungsmoduls; -
3 ein Flussdiagramm zur Erläuterung der einzelnen Verfahrensschritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens; -
4 ein Blockdiagramm eines Computerprogrammprodukt gemäß einer Ausführungsform des dritten Aspekts der Erfindung.
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1 a block diagram for explaining an embodiment of a system according to the invention; -
2 a representation of a learning reinforcement module; -
3 a flow chart explaining the individual process steps of a process according to the invention; -
4 a block diagram of a computer program product according to an embodiment of the third aspect of the invention.
Zusätzliche Kennzeichen, Aspekte und Vorteile der Erfindung oder ihrer Ausführungsbeispiele werden durch die ausführliche Beschreibung in Verbindung mit den Ansprüchen ersichtlich.Additional features, aspects and advantages of the invention or embodiments thereof will become apparent from the detailed description taken in conjunction with the claims.
Ein Rückhaltesystem im Fahrzeugbau ist ein Sicherheitsmechanismus, der dazu dient, die Insassen im Falle eines Unfalls oder einer starken Bremsung zu schützen. Es umfasst in der Regel Sicherheitsgurte, Airbags und Kopfstützen, die dazu beitragen, die Insassen im Fahrzeug zu halten und Verletzungen zu minimieren. Ein leistungsfähiges Rückhaltesystem ist ein wichtiger Bestandteil der Sicherheitsausstattung jedes modernen Fahrzeugs. Um das Verhalten des menschlichen Körpers bei einem Unfall oder einer anderen Kollision zu simulieren, werden bei der Prüfung von Rückhaltesystemen in Fahrzeugen in der Regel Dummys eingesetzt. Sie sind speziell dafür ausgelegt, die Kräfte und Belastungen zu messen, denen der Körper bei einem Unfall ausgesetzt ist, und liefern wertvolle Daten. Die Dummys sind mit Sensoren ausgestattet, die am ganzen Körper angebracht sind und die bei einem Unfall auftretenden Kräfte und Belastungen messen. Die Sensoren in einem Crashtest-Dummy erfassen Daten über die Bewegungen des Dummys und die Kräfte, die während eines Unfalls auf ihn einwirken. Diese Daten werden dann ausgewertet, um die Sicherheit des getesteten Fahrzeugs zu beurteilen. Die Daten werden genutzt, um die Konstruktion des Fahrzeugs oder die Sicherheitsausstattung zu verbessern.A restraint system in automotive engineering is a safety mechanism designed to protect occupants in the event of an accident or heavy braking. It typically includes seat belts, airbags, and head restraints that help keep occupants in the vehicle and minimize injuries. A capable restraint system is an important part of the safety equipment of any modern vehicle. To simulate the behavior of the human body in an accident or other collision, dummies are usually used when testing restraint systems in vehicles. They are specifically designed to measure the forces and loads the body is subjected to in an accident and provide valuable data. The dummies are equipped with sensors that are attached all over the body and measure the forces and loads that occur in an accident. The sensors in a crash test dummy collect data about the movements of the dummy and the forces acting on it during an accident. This data is then evaluated to assess the safety of the vehicle being tested. The data is used to improve the vehicle design or safety equipment.
Eine Computersimulation mit einem Crashtest-Dummy in einem Fahrzeug ist ein virtuelles Modell eines Crashtests, das mit Hilfe von Computersoftware, häufig auf der Grundlage der Finite-Elemente-Methode, erstellt wird. Die Simulation umfasst in der Regel eine digitale Darstellung eines Fahrzeugs, eines Crashtest-Dummys und anderer Objekte und Umgebungsfaktoren, die für das Testszenario relevant sind. Die Simulation ermöglicht es, das Verhalten des Fahrzeugs und des Dummys während eines Aufpralls zu analysieren, ohne einen physischen Test durchführen zu müssen. Die Simulationssoftware ist in der Regel so konzipiert, dass sie die physikalischen Vorgänge eines realen Aufpralls so genau wie möglich nachbildet. Sie berücksichtigt Faktoren wie Geschwindigkeit, Gewicht und Abmessungen des Fahrzeugs sowie die Eigenschaften des Crashtest-Dummys und aller anderen Objekte in der Simulation. Die Software enthält Algorithmen, die die Kräfte und Belastungen simulieren, denen der Dummy während des Aufpralls ausgesetzt ist.A computer simulation with a crash test dummy in a vehicle is a virtual model of a crash test created using computer software, often based on the finite element method. The simulation includes usually a digital representation of a vehicle, a crash test dummy, and other objects and environmental factors relevant to the test scenario. The simulation makes it possible to analyze the behavior of the vehicle and dummy during an impact without having to conduct a physical test. The simulation software is usually designed to replicate the physics of a real impact as closely as possible, taking into account factors such as the speed, weight and dimensions of the vehicle, as well as the characteristics of the crash test dummy and any other objects in the simulation. The software contains algorithms that simulate the forces and loads the dummy is subjected to during the impact.
Um die Simulation durchzuführen, gibt der Benutzer die Parameter des Crashtest-Szenarios ein, z. B. Geschwindigkeit und Aufprallwinkel, und startet die Simulation. Die Software erzeugt eine digitale Animation des Aufpralls, die zeigt, wie sich das Fahrzeug und der Dummy während des Aufpralls verhalten. Die wiederholte Durchführung von Simulationen zur Ermittlung optimaler Parameter, z. B. für ein Rückhaltesystem im Fahrzeug, ist jedoch sehr zeit- und rechenintensiv. Da die Parameteränderungen typischerweise von einem Ingenieur eingegeben werden, kann es aufgrund des komplexen Systemverhaltens und der stark nichtlinearen Abhängigkeiten der Parameter sehr lange dauern, bis eine optimale Parameterkonfiguration gefunden ist.To perform the simulation, the user enters the parameters of the crash test scenario, such as speed and impact angle, and starts the simulation. The software generates a digital animation of the impact, showing how the vehicle and dummy behave during the impact. However, repeatedly running simulations to determine optimal parameters, e.g. for a restraint system in the vehicle, is very time- and computationally intensive. Since the parameter changes are typically entered by an engineer, it can take a very long time to find an optimal parameter configuration due to the complex system behavior and the highly nonlinear dependencies of the parameters.
Das erfindungsgemäße System 100 basiert auf Methoden des verstärkenden Lernens und ist in
Die Entität 10 kann durch Parameter pi und/oder Parameterwerte und/oder Eigenschaften ei beschrieben werden. Bei einem Parameter pi und/oder einem Parameterwert und/oder einer Eigenschaft ei kann es sich um eine Position, eine Dimension, ein Material, eine Formgebung, einen Kennwert, einen Messwert, einen Sicherheitsfaktor, eine Geschwindigkeit, eine Beschleunigung, eine Kraft, ein Drehmoment, eine Drehzahl, einen Ladezustand, einen spezifischen Kraftstoffverbrauch, einen thermischen Widerstand, einen elektrischen Widerstand, eine Leitfähigkeit, eine Festigkeit, ein Bruchverhalten, eine Dichte, eine plastische Verformung, einen Spannungs-, Druck,- Biegungswiderstand, eine Werkstoffeigenschaft oder eine Oberflächeneigenschaft handeln.The entity 10 can be described by parameters p i and/or parameter values and/or properties e i . A parameter p i and/or a parameter value and/or a property e i can be a position, a dimension, a material, a shape, a characteristic value, a measured value, a safety factor, a speed, an acceleration, a force, a torque, a rotational speed, a state of charge, a specific fuel consumption, a thermal resistance, an electrical resistance, a conductivity, a strength, a fracture behavior, a density, a plastic deformation, a stress, pressure, bending resistance, a material property or a surface property.
Das Eingabemodul 200, das Simulationsmodul 300, das Lernverstärkungsmodul 400 und das Ausgabemodul 500 können als selbstständige Rechnereinheiten oder als cloudbasierte Lösung ausgebildet sein. Insbesondere können sie jeweils mit einem Prozessor und/oder einer Speichereinheit versehen sein.The
Unter einem „Prozessor“ kann im Zusammenhang mit der Erfindung beispielsweise eine Maschine oder eine elektronische Schaltung verstanden werden. Ein Prozessor kann insbesondere ein Hauptprozessor (engl. Central Processing Unit, CPU), ein Mikroprozessor oder ein Mikrocontroller sein, z.B. ein anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis oder ein digitaler Signalprozessor, ggf. in Kombination mit einer Speichereinheit zum Speichern von Programmbefehlen etc. Ein Prozessor kann auch ein virtualisierter Prozessor, eine virtuelle Maschine oder eine Soft-CPU sein. Es kann sich beispielsweise auch um einen programmierbaren Prozessor handeln, der mit Konfigurationsschritten zur Ausführung des genannten erfindungsgemäßen Verfahrens ausgestattet ist oder mit Konfigurationsschritten derart konfiguriert ist, dass der programmierbare Prozessor die erfindungsgemäßen Merkmale des Verfahrens, der Entität, der Module oder anderer Aspekte und/oder Teilaspekte der Erfindung realisiert. Insbesondere kann der Prozessor hochparallele Recheneinheiten und leistungsfähige Grafikmodule enthalten.In the context of the invention, a “processor” can be understood to mean, for example, a machine or an electronic circuit. A processor can in particular be a main processor (Central Processing Unit, CPU), a microprocessor or a microcontroller, e.g. an application-specific integrated circuit or a digital signal processor, possibly in combination with a memory unit for storing program instructions, etc. A processor can also be a virtualized processor, a virtual machine or a soft CPU. It can also be, for example, a programmable processor that is equipped with configuration steps for carrying out the aforementioned method according to the invention or is configured with configuration steps such that the programmable processor implements the inventive features of the method, the entity, the modules or other aspects and/or partial aspects of the invention. In particular, the processor can contain highly parallel computing units and powerful graphics modules.
Unter einer „Speichereinheit“ oder einem „Speichermodul“ und dergleichen kann im Zusammenhang mit der Erfindung beispielsweise ein flüchtiger Speicher in Form eines Arbeitsspeichers (engl. Random Access Memory, RAM) oder ein permanenter Speicher wie eine Festplatte oder ein Datenträger oder beispielsweise ein auswechselbares Speichermodul verstanden werden. Das Speichermodul kann auch eine Cloud-basierte Speicherlösung sein.In the context of the invention, a "memory unit" or a "memory module" and the like can be understood to mean, for example, a volatile memory in the form of a random access memory (RAM) or a permanent memory such as a hard disk or a data carrier or, for example, a removable memory module. The memory module can also be a cloud-based storage solution.
Unter einem „Modul“ kann im Zusammenhang mit der Erfindung beispielsweise ein Prozessor und/oder eine Speichereinheit zum Speichern von Programmbefehlen verstanden werden. Beispielsweise ist der Prozessor speziell dafür eingerichtet, die Programmbefehle so auszuführen, dass der Prozessor und/oder die Steuereinheit Funktionen ausführt, um das erfindungsgemäße Verfahren oder einen Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen oder zu realisieren.In the context of the invention, a “module” can be understood as, for example, a processor and/or a memory unit for storing program instructions. For example, the processor is specially designed to execute the program instructions in such a way that the processor and/or the control unit executes functions in order to implement the method or to carry out or implement a step of the method according to the invention.
Das Simulationsmodell 350 ist dafür ausgelegt, das Systemverhalten der Entität 10 in einem Szenario auf der Grundlage von Eingabedaten zu simulieren. Ein Szenario ist eine bestimmte Situation oder eine zeitliche Entwicklung, in der Kräfte auf die Entität 10 einwirken, die ein bestimmtes Systemverhalten der Entität 10 auslösen, wie beispielsweise eine Aufprallsituation in einem Fahrzeug. Beispielsweise kann das Verhalten eines Crashtest-Dummys in einem Fahrzeug bei einem Aufprall anhand der Parameter eines Rückhaltesystems, wie z. B. eines Airbags, vorhergesagt werden. Bei einem Airbag können die Schwellwerte für den Auslösemechanismus, die Anzahl der auslösenden Airbags und die Aufblasgeschwindigkeit der Airbags variiert werden. Darüber hinaus können Sensoren und/oder Algorithmen eingesetzt werden, um die Notwendigkeit und den genauen Zeitpunkt der Auslösung zu bestimmen und ein individuelles Auslöseverhalten zu ermöglichen. Diese Sensoren und Algorithmen werden dann ebenfalls als digitale Modelle in der Simulation verwendet.The
Das Simulationsmodell 350 umfasst insbesondere neuronale Netze, die mit geeigneten Trainingsdatensätzen trainiert wurden. Es können aber auch andere Algorithmen wie z. B. Gradient Tree Boosting verwendet werden, um Vorhersagen über das Verhalten eines Systems zu treffen.The
Ein neuronales Netz besteht aus Neuronen, die in mehreren Schichten angeordnet und auf verschiedene Weise miteinander verbunden sind. Ein Neuron ist in der Lage, an seinem Eingang Informationen von außen oder von einem anderen Neuron zu empfangen, diese in einer bestimmten Weise zu bewerten und in veränderter Form am Ausgang des Neurons an ein anderes Neuron weiterzugeben oder als Endergebnis auszugeben. Zwischen den Eingangsneuronen und den Ausgangsneuronen befinden sich die Hidden Neuronen. Je nach Art des Netzes kann es mehrere Schichten von Hidden Neuronen geben. Sie sorgen für die Weiterleitung und Verarbeitung der Informationen. Ausgangsneuronen liefern schließlich ein Ergebnis und geben es an die Außenwelt weiter. Durch die Anordnung und Verschaltung der Neuronen entstehen verschiedene Arten von neuronalen Netzen, wie z.B. Feed-Forward-Netze, rekurrente Netze oder gefaltete neuronale Netze (engl. Convolutional Neural Networks). Die Netze können durch unüberwachtes oder überwachtes Lernen trainiert werden.A neural network consists of neurons that are arranged in several layers and connected to one another in different ways. A neuron is able to receive information from outside or from another neuron at its input, evaluate it in a certain way and pass it on in a modified form to another neuron at the neuron's output or output it as the final result. Hidden neurons are located between the input neurons and the output neurons. Depending on the type of network, there can be several layers of hidden neurons. They ensure that the information is forwarded and processed. Output neurons finally provide a result and pass it on to the outside world. The arrangement and interconnection of the neurons creates different types of neural networks, such as feed-forward networks, recurrent networks or convolutional neural networks. The networks can be trained using unsupervised or supervised learning.
Das Convolutional Neural Network (CNN) ist eine spezielle Form eines künstlichen neuronalen Netzes. Es besitzt mehrere Faltungsschichten und eignet sich sehr gut für maschinelles Lernen und Anwendungen der Künstlichen Intelligenz (KI) im Bereich der Mustererkennung. Die einzelnen Schichten des CNN sind die Faltungsschicht, die Poolingschicht und die vollständig verknüpfte Schicht. Die Convolutional Schicht ist die eigentliche Faltungsschicht und ist in der Lage, einzelne Merkmale in den Eingabedaten zu erkennen und zu extrahieren. In der Muster- und Bilderkennung können dies Merkmale wie Linien, Kanten oder bestimmte Formen sein. Die Verarbeitung der Eingabedaten erfolgt in Form von Tensoren wie einer Matrix oder Vektoren. Die Pooling-Schicht, auch Subsampling-Schicht genannt, verdichtet und reduziert die Auflösung der erkannten Merkmale durch geeignete Filterfunktionen. Durch die reduzierte Datenmenge erhöht sich die Rechengeschwindigkeit. Da das CNN in mehrere lokale, teilvernetzte Schichten aufgeteilt ist, benötigt es deutlich weniger Speicherplatz als vollvernetzte neuronale Netze. Auch die Trainingszeit des Convolutional Neural Network ist deutlich kürzer. Durch den Einsatz moderner Grafikprozessoren können CNNs sehr effizient trainiert werden.The convolutional neural network (CNN) is a special form of an artificial neural network. It has several convolutional layers and is very suitable for machine learning and applications of artificial intelligence (AI) in the field of pattern recognition. The individual layers of the CNN are the convolutional layer, the pooling layer and the fully linked layer. The convolutional layer is the actual convolutional layer and is able to recognize and extract individual features in the input data. In pattern and image recognition, these can be features such as lines, edges or certain shapes. The input data is processed in the form of tensors such as a matrix or vectors. The pooling layer, also called the subsampling layer, condenses and reduces the resolution of the recognized features using suitable filter functions. The reduced amount of data increases the computing speed. Since the CNN is divided into several local, partially networked layers, it requires significantly less storage space than fully networked neural networks. The training time of the convolutional neural network is also significantly shorter. By using modern graphics processors, CNNs can be trained very efficiently.
Gradient Tree Boosting (GBT) ist ein Algorithmus für maschinelles Lernen, der die Konzepte von Gradient Boosting und Entscheidungsbäumen miteinander verbindet. Es handelt sich um eine leistungsfähige Technik zur Lösung von Regressions- und Klassifikationsaufgaben. Beim Gradient Tree Boosting erzeugt der Algorithmus iterativ einen Satz von Entscheidungsbäumen. Jeder Baum wird so konstruiert, dass er die Fehler der vorhergehenden Bäume im Ensemble korrigiert. Auf diese Weise wird eine Verlustfunktion minimiert, indem die Vorhersagen des Modells auf der Grundlage des Gradienten der Verlustfunktion angepasst werden.Gradient Tree Boosting (GBT) is a machine learning algorithm that combines the concepts of gradient boosting and decision trees. It is a powerful technique for solving regression and classification tasks. In gradient tree boosting, the algorithm iteratively generates a set of decision trees. Each tree is constructed to correct the errors of the previous trees in the ensemble. In this way, a loss function is minimized by adjusting the model's predictions based on the gradient of the loss function.
Für eine zuverlässige Vorhersage ist insbesondere die Regressionsanalyse ein wichtiger Aspekt des Simulationsmodells 350. Es handelt sich um ein Verfahren zur Schätzung einer unbekannten Funktion anhand von Daten, um Vorhersagen zu treffen oder Muster in den Daten zu erkennen. Die Regressionsanalyse ist eine statistische Methode, um eine Funktion zu finden, die den Zusammenhang zwischen einer abhängigen Variablen und einer oder mehreren unabhängigen Variablen beschreibt. Sie wird hauptsächlich verwendet, um den Wert einer kontinuierlichen Zielvariablen auf der Grundlage der Werte anderer Variablen zu verstehen und vorherzusagen. In der Regressionsanalyse ist die abhängige Variable, die auch als Reaktionsvariable oder Zielvariable bezeichnet wird, die Variable von Interesse, deren Verhalten vorhergesagt werden soll. Die unabhängigen Variablen, auch Prädiktorvariablen oder Merkmale genannt, sind die Variablen, von denen angenommen wird, dass sie mit der abhängigen Variable zusammenhängen und die bei der Vorhersage helfen können.In particular, for reliable prediction, regression analysis is an important aspect of
Ziel der Regressionsanalyse ist es, die Parameter des Regressionsmodells zu schätzen, die die Beziehung zwischen der abhängigen Variablen und den unabhängigen Variablen am besten beschreiben. Die Parameter sind die Koeffizienten oder Gewichte, die jeder unabhängigen Variablen zugewiesen werden und die Stärke und Richtung ihres Einflusses auf die abhängige Variable angeben. Es gibt verschiedene Arten der Regressionsanalyse, insbesondere die einfache lineare Regression mit einer einzigen unabhängigen Variablen, die multiple lineare Regression mit mehreren unabhängigen Variablen und die polynomiale Regression, die nichtlineare Beziehungen berücksichtigt.The goal of regression analysis is to estimate the parameters of the regression model that best describe the relationship between the dependent variable and the independent variables. The parameters are the coefficients or weights assigned to each independent variable that indicate the strength and direction of its influence on the dependent variable. There are several types of regression analysis, notably simple linear regression with a single independent variable, multiple linear regression with several independent variables, and polynomial regression, which takes into account nonlinear relationships.
Bei der Regressionsanalyse werden die Parameter des Regressionsmodells mit verschiedenen statistischen Verfahren geschätzt, z. B. mit der Methode der kleinsten Quadrate (OLS) oder der Maximum-Likelihood-Schätzung. Sobald das Modell trainiert ist, kann es zur Vorhersage neuer Eingabedaten verwendet werden.In regression analysis, the parameters of the regression model are estimated using various statistical techniques, such as ordinary least squares (OLS) or maximum likelihood estimation. Once the model is trained, it can be used to predict new input data.
Das Eingabemodul 200 kann in einen Computer, ein Tablet, ein Smartphone etc. integriert sein und weist eine Benutzerschnittstelle 220 zur Eingabe von Eingabedaten 240 auf, wie beispielsweise Parameter eines Airbags. Die Benutzerschnittstelle 220 ist insbesondere als Touchscreen ausgebildet, über den numerische Werte, eine Zeichnung oder ein Diagramm und weitere Eingaben eingegeben werden können. Das Eingabemodul 200 kann zusätzlich eine Tastatur, ein Mikrofon und/oder eine Kamera aufweisen. Der Touchscreen ist insbesondere als resistives, kapazitives oder induktives System ausgebildet. Es können jedoch auch andere Technologien zum Einsatz kommen. Insbesondere weist das Eingabemodul 200 eine Eingabesoftwareapplikation 250 zur Eingabe der Eingabedaten 240 zur Durchführung einer Simulation mit dem Simulationsmodell 350 auf.The
Ferner kann das Eingabemodul 200 mit Sensoren 280 verbunden sein, die Messsignale als Eingabedaten 240 von einem System, wie beispielsweise einem Fahrzeug mit einem Dummy, an das Eingabemodul 200 übertragen. Die Sensoren 280 können insbesondere als Drucksensoren, Piezosensoren, Drehmomentsensoren, Drehzahlsensoren, Beschleunigungssensoren, Geschwindigkeitssensoren, kapazitive Sensoren, induktive Sensoren, Temperatursensoren, bildaufnehmende Kameras und/oder optische Abstands- und Geschwindigkeitsmesssysteme ausgebildet sein. Die von den Sensoren aufgenommenen Messdaten sind Bilder und/oder Daten über physikalische oder chemische Prozesse.Furthermore, the
Ferner kann das Eingabemodul 200 und/oder das Simulationsmodul 300 mit mindestens einer Datenbank 290 verbunden sein. Der Begriff „Datenbank“ bezieht sich sowohl auf einen Speicheralgorithmus als auch auf die Hardware in Form einer Speichereinheit. Insbesondere kann die Datenbank 290 als Cloud-Computing-Infrastruktur ausgebildet sein.Furthermore, the
In der Datenbank 290 sind insbesondere historische Daten in Form von Bildern, Grafiken, Zeitreihen, Kenngrößen etc. gespeichert. Beispielsweise können Soll- und Zielwerte, die einen Sicherheitsstandard definieren, in der Datenbank 290 hinterlegt sein. Darüber hinaus kann ein digitaler Zwilling einer Systemkomponente der Entität 10, z.B. einer Säule in einem Fahrzeug oder eines Airbags, in der Datenbank 290 gespeichert sein. Ein digitaler Zwilling stellt ein digitales Modell in der virtuellen Welt dar und enthält Simulationen und Algorithmen, die die Eigenschaften und das Verhalten eines Objekts beschreiben. Zusätzlich können Simulationsergebnisse von Bauteil- oder Systemsimulationen in der Datenbank 290 gespeichert sein. Bei den Simulationen handelt es sich insbesondere um die Crashsimulationen mit einem Fahrzeug und einem im Innenraum befindlichen Dummy, wobei Simulationsparameter wie die Fahrzeuggeschwindigkeit, die Eigenschaften des Hindernisses, die Sitzposition des Dummys, die Sitzkonstruktion, Einbauten im Fahrzeuginnenraum, Sicherheitseinrichtungen wie Airbag und Sicherheitsgurte variieren können.In particular, historical data in the form of images, graphics, time series, parameters, etc. are stored in the
Die Eingabedaten 240 können durch das Eingabemodul 200 weiterverarbeitet oder direkt an das Simulationsmodul 300 übergeben werden. Insbesondere kann eine Codierung der eingegebenen Daten vorgesehen sein, um eine bessere Verarbeitung der Eingabedaten 240 durch das Simulationsmodul 300 zu ermöglichen. Beispielsweise kann das Eingabemodul 200 ein Transformermodul mit einem Encoder und einem Decoder aufweisen, um die eingegebenen Daten in eine andere Zeichenfolge zu übersetzen. Dabei verwenden der Encoder und der Decoder Algorithmen der künstlichen Intelligenz wie Deep Learning und maschinelle Bildanalyse, um beispielsweise eine Extraktion und Klassifikation von für die Simulation relevanten Merkmalen zu ermöglichen. Als Algorithmen werden tiefe neuronale Netze und/oder rekurrente neuronale Netze und/oder gefaltete neuronale Netze (engl. Convolutional Neural Networks) eingesetzt. Insbesondere werden Aufmerksamkeitsalgorithmen verwendet, die kognitive Aufmerksamkeit nachahmen und gefaltete neuronale Netze verwenden. Das Transformermodul wird mit Trainingsdaten entsprechend trainiert.The
Wenn das Eingabemodul 200 und das Simulationsmodul 300 nicht in derselben Recheneinheit integriert sind, können für die Übertragung der Eingabedaten 240 Kommunikationsverbindungen wie beispielsweise ein CAN-Bus-System (Controller Area Network) oder drahtlose Verbindungen vorgesehen sein. Eine drahtlose Kommunikationsverbindung ist insbesondere als Mobilfunkverbindung und/oder Nahfeldkommunikationsverbindung wie Bluetooth®, Ethernet, NFC (engl. near field communication) oder Wi-Fi® ausgebildet.If the
Es kann vorgesehen sein, das Eingabemodul 200 mit Mobilfunkmodulen des 5G- oder 6G-Standards auszustatten. 5G ist der Mobilfunkstandard der fünften Generation und zeichnet sich gegenüber dem Mobilfunkstandard 4G durch höhere Datenraten von bis zu 10 Gbit/sec, die Nutzung höherer Frequenzbereiche wie z.B. 2100, 2600 oder 3600 Megahertz, eine höhere Frequenzkapazität und damit einen höheren Datendurchsatz aus. Die Latenzzeiten sind mit wenigen Millisekunden bis unter 1 ms sehr kurz, so dass eine Echtzeitübertragung von Daten und Berechnungsergebnissen möglich ist.It can be planned to equip the
Die hohe Geschwindigkeit der Datenübertragung ist vorteilhaft, wenn cloudbasierte Lösungen für die Datenverarbeitung genutzt werden. Cloudbasierte Lösungen bieten den Vorteil hoher und damit schneller Rechenleistung. Wenn das Simulationsmodul 300 und/oder das Lernverstärkungsmodul 400 in die Cloud-Computing-Infrastruktur 700 integriert sind, können die von dem Eingabemodul 200 übermittelten Eingabedaten 240 in Echtzeit an das Simulationsmodul 300 gesendet werden. In der Cloud-Computing-Infrastruktur kann dann die Simulation mit dem Simulationsmodell 350 durchgeführt werden.The high speed of data transmission is advantageous when cloud-based solutions are used for data processing. Cloud-based solutions offer the advantage of high and therefore fast computing power. If the
Zum Schutz der Kommunikation mit der Cloud-Computing-Infrastruktur über eine Mobilfunkverbindung können kryptographische Verschlüsselungsverfahren vorgesehen sein. Insbesondere sind kryptographische Verschlüsselungsverfahren für die Verbindung zwischen dem Eingabemodul 200 und dem Simulationsmodul 300 und/oder für die Verbindung zwischen dem Lernverstärkungsmodul 400 und dem Ausgabemodul 500 vorgesehen.Cryptographic encryption methods can be provided to protect communication with the cloud computing infrastructure via a mobile radio connection. In particular, cryptographic encryption methods are provided for the connection between the
Die Eingabedaten 240 können zumindest teilweise Datenformate mit Voxelgittern (Voxel Grid) enthalten. Ein Voxelgitter ist ein dreidimensionales Gitter, das aus Voxeln (Volumenelementen) besteht. Jedes Voxel repräsentiert einen kleinen Teil des 3D-Raums und enthält Informationen wie Farbe, Material oder Textur des Objekts, das sich an dieser Gitterzelle im Raum befindet. Voxelgitter werden häufig in der Computergrafik verwendet, um komplexe 3D-Szenen zu berechnen oder zu simulieren.The
Während in der Finite-Elemente-Methode (FEM) die Geometrie in ein Netz finiter Elemente zerlegt wird und diese Elemente typischerweise als Dreiecke oder Tetraeder in 2D- oder 3D-Analysen dargestellt werden, werden Voxelgitter üblicherweise in voxelbasierten Modellierungs- und Simulationstechniken wie voxelbasierten Finite-Differenzen-Methoden oder voxelbasierten Finite-Volumen-Methoden verwendet. Bei diesen Methoden wird das interessierende Gebiet in ein regelmäßiges Gitter aus kubischen Zellen, den so genannten Voxeln, diskretisiert. Voxelbasierte Methoden eignen sich besonders für die Modellierung komplexer Geometrien. Ein voxelbasierter Ansatz ist daher insbesondere für die Topologieoptimierung des Gesamtfahrzeugs interessant, da die gesamte Geometrie sehr homogen abgebildet werden kann.While in the finite element method (FEM) the geometry is decomposed into a network of finite elements and these elements are typically represented as triangles or tetrahedra in 2D or 3D analyses, voxel grids are commonly used in voxel-based modelling and simulation techniques such as voxel-based finite difference methods or voxel-based finite volume methods. In these methods, the area of interest is discretised into a regular grid of cubic cells, the so-called voxels. Voxel-based methods are particularly suitable for modelling complex geometries. A voxel-based approach is therefore particularly interesting for the topology optimization of the entire vehicle, since the entire geometry can be mapped very homogeneously.
Obwohl die voxelbasierte Modellierung und die FEM einige Gemeinsamkeiten aufweisen, wie z.B. die Diskretisierung und die numerische Analyse, handelt es sich um unterschiedliche Methoden mit unterschiedlichen Anwendungen. Die FEM wird eher mit traditionellen netzwerkbasierten Ansätzen in Verbindung gebracht, während voxelbasierte Techniken häufig in Bereichen eingesetzt werden, in denen dynamische Prozesse untersucht werden, wie z. B. bei der Analyse von Strömungen in porösen Medien. Das Voxelgitter kann jedoch durch verschiedene Techniken in ein Finite-Elemente-Netz umgewandelt werden, um eine Finite-Elemente-Analyse zu ermöglichen.Although voxel-based modeling and FEM share some similarities, such as discretization and numerical analysis, they are different methods with different applications. FEM is more associated with traditional network-based approaches, while voxel-based techniques are often used in areas where dynamic processes are studied, such as the analysis of flows in porous media. However, the voxel grid can be converted to a finite element mesh by various techniques to enable finite element analysis.
Das Simulationsmodul 300 berechnet mit Hilfe des Simulationsmodells 350 Simulationsergebnisse 340, die eine Vorhersage des Systemverhaltens der Entität 10 in einem Szenario beinhalten, wie beispielsweise die Bewegung des Dummys während des Aufpralls und die Verformung des Fahrzeugs in einer Aufprallsituation.The
Erfindungsgemäß werden die Eingabedaten 240 und die berechneten Simulationsergebnisse 340 an das Lernverstärkungsmodul 400 übergeben. Wie in
In dem Lernverstärkungsmodul 400 wählt der Lernverstärkungs-Agent 410 einen bestimmten Zustand si ∈ S aus einer Menge verfügbarer Zustände für zumindest eine Aktion ai ∈ 4 aus einer Menge verfügbarer Aktionen aus. Bei den Aktionen ai handelt es sich erfindungsgemäß um die Parameter pi der Eingabedaten 240. Für die ausgewählte Aktion ai erhält der LV-Agent 410 eine Belohnung, die positiv, neutral oder negativ sein kann. Die Zustände si erhält der LV-Agent 410 von dem Zustandsmodul 440, das die Zustände si aus den Simulationsergebnissen 340 ableitet. Ein Zustand si ∈ S wird durch die Auswahl von bestimmten Parametern pi, Parameterwerte und/oder Eigenschaften ei der Entität 10 bestimmt. Zudem können weitere Daten von den verschiedenen Sensoren 280 und/oder der Datenbank 290 verarbeitet werden. Diesen verarbeiteten Daten werden Zustände si zuordnet, auf die der LV-Agent 410 zugreifen kann.In the
Die Wahl der ausgewählten Aktion ai basiert auf einer Strategie bzw. Richtlinie (engl.: policy). Für die ausgewählte Aktion ai erhält der Agent 410 eine Belohnung (engl.: reward) ri ∈ ℝ von dem Belohnungsmodul 450. Die Strategie wiederum verändert sich, da sie auf der Grundlage der erhaltenen Belohnungen ri angepasst wird. Mittels der Strategie wird festgelegt, welche Aktion ai ∈ A aus der Menge verfügbarer Aktionen für einen bestimmten Zustand si ∈ S aus der Menge verfügbarer Zustände ausgewählt werden soll. Hierdurch wird ein neuer Zustand si+1 erzeugt, für den der LV-Agent 410 eine Belohnung ri erhält. Eine Strategie legt somit die Zuordnung zwischen einem Zustand si und einer Aktion ai fest und gibt somit an, welche auszuführende Aktion ai für einen Zustand si auszuwählen ist. Das Ziel des LV-Agenten 410 besteht darin, die erzielten Belohnungen ri zu maximieren.The choice of the selected action a i is based on a strategy or policy. For the selected action a i, the
Im Aktionsmodul 420 werden die vom LV-Agenten 410 ausgewählten Aktionen ai ausgeführt. Durch eine Aktion ai wird eine Anpassung eines Parameters pi und/oder eines Parameterwertes und/oder einer Eigenschaft ei der Entität 10 vorgenommen. Vorzugsweise handelt es sich bei einer Aktion ai um eine der drei Aktionen A(+), A(0) und A(-). Eine positive Aktion A(+) bezeichnet eine Aktion, die den Wert für einen Parameter pi erhöht, eine neutrale Aktion A(0) ist eine Aktion, bei der der Wert des Parameters pi gleich bleibt, und bei einer negativen Aktion A(-) wird der Wert des Parameters pi verringert.In the
Das Umgebungsmodul 430 berechnet aufgrund der gewählten Aktion ai und unter Berücksichtigung der durch die Simulationsergebnissen 340 festgelegten Anforderungen und Randbedingungen (engl.: constraints) die Zustände si. Zudem kann vorgesehen sein, dass weitere Randbedingungen beispielsweise hinsichtlich der Kostenstruktur, der Energiekosten, der Umweltbilanz, der Verfügbarkeit oder der Liefersituation berücksichtigt werden. Diese Randbedingungen können separat dem Lernverstärkungsmodul 400 übermittelt werden.The
In dem Belohnungsmodul 450 wird dem Grad der Abweichung Δ zwischen dem berechneten Wert für den Zustand si und dem Zielwert eines Ziel-Zustands st eine Belohnung ri zugeordnet. Da der Grad der Abweichung Δ von der Auswahl der jeweiligen Aktion ai abhängig ist, wird vorzugsweise in einer Matrix oder einer Datenbank die Belohnung ri für die jeweils ausgewählte Aktion ai gespeichert. Eine Belohnung ri weist vorzugsweise die Werte +1 und -1 auf, wobei eine geringe oder positive Abweichung Δ zwischen dem berechneten Zustand si und dem Ziel-Zustand st mit +1 belohnt wird und somit verstärkt wird, während eine erhebliche negative Abweichung Δ mit -1 belohnt wird und somit negativ bewertet wird. Es ist aber auch denkbar, dass Werte > 1 und Werte < 1 verwendet werden. Der Ergebniszustand ist erreicht, wenn die berechneten Zustände si gleich oder größer als der Ziel-Zustand st sind.In the
Vorzugsweise wird als Algorithmus für den LV-Agenten 410 ein Markov-Entscheidungsprozess verwendet. Es kann aber auch vorgesehen sind, einen Temporal Difference Learning (TD-Learning)-Algorithmus zu verwenden. Der LV-Agent 410 mit einem TD-Learning-Algorithmus nimmt die Anpassung der Aktionen ai aus nicht erst dann vor, wenn er die Belohnung erhält, sondern nach jeder Aktion ai auf Basis einer geschätzten erwarteten Belohnung. Des Weiteren sind auch Algorithmen wie Q-Learning und SARSA denkbar oder Actor-Critic oder auch Monte-Carlo-Simulationen, mit denen eine dynamische Programmierung und eine Anpassung der Strategie durch Iterationsverfahren möglich ist.Preferably, a Markov decision process is used as the algorithm for the
Darüber hinaus enthält/enthalten der LV-Agent 410 und/oder das Aktionsmodul 420 und/oder das Umgebungsmodul 430 und/oder das Zustandsmodul 440 und/oder das Belohnungsmodul 450 Berechnungsverfahren und Algorithmen fi für mathematische Regressionsverfahren oder physikalische Modellberechnungen, die eine Korrelation zwischen ausgewählten Parametern pi und einem Ziel-Zustand st beschreiben. Bei den mathematischen Funktionen fi kann es sich um statistische Verfahren wie Mittelwerte, Minimal- und Maximalwerte, Lookup Tabellen, Modelle zu Erwartungswerten, lineare Regressionsverfahren oder Gauß-Prozesse, um Fast Fourier Transformationen, Integral- und Differentialrechnungen, Markov-Verfahren, Wahrscheinlichkeitsverfahren wie Monte Carlo-Verfahren, Temporal Difference Learning, aber auch um erweiterte Kalman-Filter, radiale Basisfunktionen, Datenfelder, konvergente neuronale Netzwerke, tiefe neuronale Netzwerke, und/oder rückgekoppelte neuronale Netzwerke handeln. Basierend auf den Aktionen ai und den Belohnungen ri wählt/wählen der LV-Agent 410 und/oder das Aktionsmodul 420 und/oder das Umgebungsmodul 430 und/oder das Zustandsmodul 440 und/oder das Umgehungsmodul 430 für einen Zustand si eine oder mehrere dieser Berechnungsfunktionen fi aus.In addition, the
Nun beginnt ein zweiter Zyklus zum Optimieren der Parameter pi und/oder Parameterwerte und/oder Eigenschaften ei der Entität 10. Hierbei kann der LV-Agent 410 eine andere Aktion ai+1 und/oder eine andere Berechnungsfunktion fi+1 und/oder einen anderen Parameter pi+1 auswählen entsprechend der festgelegten Strategie bzw. Richtlinie. Das Ergebnis wird wiederum dem Zustandsmodul 440 zugeführt und das Ergebnis des Vergleichs im Belohnungsmodul 450 bewertet. Der LV-Agent 410 wiederholt den Optimierungsvorgang für alle vorgesehenen Aktionen ai, Berechnungsfunktionen fi und Parameter pi, solange, bis eine größtmögliche Übereinstimmung zwischen einem berechneten Zustand si und einem Ziel-Zustand st erreicht ist. Vorzugsweise ist der Ergebniszustand der Optimierung der Entität 10 erreicht, wenn die Abweichung Δ im Bereich von +/- 5% liegt. Der LV-Agent 410 optimiert somit sein Verhalten und damit die Strategie, mit der eine Aktion ai ausgewählt wird, solange, bis die berechneten Zustände si konvergieren. Das optimierte Ergebnis der Ausgestaltung der Entität 10 durch modifizierte Parameter pi und/oder Parameterwerte und/oder Eigenschaften ei wird in Form von Ausgabedaten 550 von dem Ausgabemodul 500 ausgegeben. Now a second cycle begins to optimize the parameters p i and/or parameter values and/or properties e i of the entity 10. Here, the
Im optimierten Ergebniszustand sind die optimierten Werte für die Parameter pi und/oder Parameterwerte und/oder Eigenschaften ei der Entität 10 festgelegt, mit denen ein bestimmtes Verhalten der Entität 10, wie beispielsweise ein bestimmtes Sicherheitskriterium bei einem Aufprall eines Fahrzeugs mit einem Dummy erreicht werden kann. Hat die Simulation des Simulationsmodells 350 beispielsweise ergeben, dass die Beschleunigung, die bei einem Aufprall auf einen Dummy-Kopf wirkt, zu groß ist, so werden die Parameter pi und/oder Parameterwerte und/oder Eigenschaften ei der Entität 10 durch das Lernverstärkungsmodul 400 so lange modifiziert und angepasst, bis ein akzeptabler Beschleunigungswert erreicht ist.In the optimized result state, the optimized values for the parameters p i and/or parameter values and/or properties e i of the entity 10 are defined, with which a specific behavior of the entity 10, such as a specific safety criterion in the event of a collision between a vehicle and a dummy, can be achieved. If the simulation of the
In einer Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass das Simulationsmodul 300 nur zum Vortrainieren des Lernverstärkungsmoduls 400 verwendet wird. In diesem Fall verfügt das Umgebungsmodul 430 des Lernverstärkungsmoduls 400 über eine Simulationssoftware 435, die insbesondere für die Durchführung von Finite-Elemente-Simulationen ausgebildet ist. Die Ergebnisse der Finite-Elemente-Simulation werden dann direkt dem Zustandsmodul 440 zugeführt, das daraus die entsprechenden Zustände si ableitet, auf die der Lernverstärkungsagent 410 zugreifen kann.In a further development, it can be provided that the
Das vortrainierte Lernverstärkungsmodul 400 wird somit erfindungsgemäß zur Lösung ähnlicher Optimierungsaufgaben verwendet. Beispielsweise kann das Gewicht eines Dummys variiert werden. Wurde das Lernverstärkungsmodul 400 mit einem Dummy mit einem Körpergewicht von 90 kg trainiert, so kann nun das Rückhaltesystem für einen Dummy mit einem Körpergewicht von 55 kg optimiert werden, ohne dass hierzu Simulationsergebnisse 340 durch das Simulationsmodul 300 berechnet werden müssen. In diesem Fall werden die Vorschläge des RV-Agenten 410 direkt von der Simulationssoftware 435 des Umgebungsmoduls 430 nachgerechnet zur Bestimmung von neuen Zuständen si.The pre-trained
Das Ausgabemodul 500 ist zur Ausgabe der optimierten Ergebnisse in Form von Ausgabedaten 550 ausgebildet. Das Ausgabemodul 500 kann ebenfalls in einem Hardwaregerät wie einem Computer, einem Tablet, einem Smartphone, etc. integriert sein, wobei insbesondere das Hardwaregerät für das Eingabemodul 200 und das Hardwaregerät für das Ausgabemodul 500 identisch sein können.The
Die optimierten Ergebnisse in Form von Ausgabedaten 550 können direkt von dem Ausgabemodul 500 ausgegeben werden. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass das Ausgabemodul 500 über ein Ausgabe-Transformermodul verfügt, welches die von dem Lernverstärkungsagenten 400 berechneten optimierten Ergebnisse in ein für einen Benutzer zugängliches Datenformat übersetzt. Bei den Datenformaten kann es sich beispielsweise um Konstruktionspläne, Bilder und Graphiken, Videosequenzen, akustische Sequenzen, Hologramme, Kennzahlen, Diagramme, mathematische Formeln, Power-Point Präsentationen, etc. handeln. Hierzu kann das Ausgabe-Transformermodul ebenfalls zumindest einen Encoder und einen Decoder bzw. in Reihe geschaltete Encoder und Decoder aufweisen.The optimized results in the form of
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Berechnungsergebnisse in Form von Zuständen, Aktionen, Belohnungen und Strategien in der Cloud-Computing-Infrastruktur gespeichert werden und jeweils über das Internet verfügbar sind. Der LV-Agent 410, das Aktionsmodul 420, das Umgebungsmodul 430, das Zustandsmodul 440 und das Belohnungsmodul 450 verfügen hierzu über die erforderlichen technischen Schnittstellen und Protokolle für den Zugang zu der Cloud-Computing-Infrastruktur. Hierdurch kann die Recheneffizienz gesteigert werden, da die Zugriffsmöglichkeiten und die Zugriffsgeschwindigkeiten zu bereits berechneten Zuständen, Aktionen, Belohnungen und Strategien vereinfacht ist.In particular, it can be provided that the calculation results are stored in the form of states, actions, rewards and strategies in the cloud computing infrastructure and are available via the Internet. The
Da häufig ein schnelles Berechnungsergebnis angestrebt wird, ist für die Vielzahl von Rechenoperationen in dem Simulationsmodul 300 und dem Lernverstärkungsmodul 400 die Rechengeschwindigkeit entscheidend. Um eine Durchführung der Rechenoperationen in Echtzeit zu ermöglichen, ist daher die Verwendung der Cloud-Computing-Infrastruktur vorteilhaft, da hierdurch eine schnelle Berechnung gewährleistet werden kann.Since a fast calculation result is often desired, the computing speed is crucial for the large number of computing operations in the
In einer Weiterbildung kann auch vorgesehen sein, das erfindungsgemäße System 100 für eine multifunktionale Geometrieoptimierung, insbesondere eines Fahrzeugs, einzusetzen. Beispielsweise ergeben sich für einen Seitenaufprall andere geometrische Anforderungen an die Steifigkeit als für einen Frontaufprall oder einen Heckaufprall. Durch eine gegenseitige Optimierung kann mit Hilfe des Lernverstärkungsalgorithmus 410 eine optimale Lösung gefunden werden, die eine Vielzahl von Szenarien so abdeckt, dass ein optimales ganzheitliches Ergebnis gefunden wird. Dabei ist es auch möglich, die Wahrscheinlichkeiten der verschiedenen Aufprallszenarien z.B. mittels Key Performance Indices (KPIs) zu gewichten und diese Gewichtung bei der Berechnung der Optimierungsparameter durch den Lernverstärkungsagenten 410 zu berücksichtigen.In a further development, it can also be provided to use the
Für die multifunktionale Geometrieoptimierung werden auf Basis von Finiten-Elementen vereinheitlichte Datenformate, insbesondere Voxelgitter oder Parameter, als Eingabedaten 240 für das Umgebungsmodul 430 verwendet. Zusätzlich umfasst das Umgebungsmodul 430 zur Verarbeitung der auf Basis von Finiten-Elementen vereinheitlichte Datenformate, insbesondere Voxelgitter oder Parameter, mindestens ein Neuronales Netz, da dieses besonders geeignet ist, Zusammenhänge in hochdimensionalen Daten zu erlernen.For the multifunctional geometry optimization, standardized data formats based on finite elements, in particular voxel grids or parameters, are used as
In
In einem Schritt S10 wird ein Simulationsmodell 350 zur Simulation des Systemverhaltens der technischen Entität 10 in einem Simulationsszenario und Trainieren des Simulationsmodelles 350 mit Trainingsdatensätzen, wobei die Daten der Trainingsdatensätze Messsignale von Sensoren 280 enthalten.In a step S10, a
In einem Schritt S20 werden Eingabedaten 240 über eine Benutzerschnittstelle 220 oder aus einer Datenbank 290 bereitgestellt, wobei die Eingabedaten 240 Parameter pi, Parameterwerte und/oder Eigenschaften ei der Entität 10 für eine bestimmte Simulationsaufgabe wie das Systemverhalten in einem bestimmten Szenario umfassen.In a step S20,
In einem Schritt S30 wird eine Simulation unter Verwendung der Eingabedaten 240 und des trainierten Simulationsmodells 450 von einem Simulationsmodul 400 für die Simulationsaufgabe durchgeführt.In a step S30, a simulation is performed using the
In einem Schritt S40 werden Simulationsergebnisse 340 erzeugt, wobei die Simulationsergebnisse 340 das Systemverhalten der Entität 10 in dem Simulationsszenario wiedergeben.In a step S40, simulation results 340 are generated, wherein the simulation results 340 reflect the system behavior of the entity 10 in the simulation scenario.
In einem Schritt S50 werden die Simulationsergebnisse 340 an ein Lernverstärkungsmodul 400 weitergegeben.In a step S50, the simulation results 340 are passed on to a
In einem Schritt S60 werden modellierte Werte für die Parameter pi, Parameterwerte und/oder Eigenschaften ei der Entität aus den Simulationsergebnissen zur Erzielung eines verbesserten Systemverhaltens der Entität 10 in dem Simulationsszenario berechnet.In a step S60, modeled values for the parameters p i , parameter values and/or properties e i of the entity are calculated from the simulation results in order to achieve an improved system behavior of the entity 10 in the simulation scenario.
In einem Schritt S70 werden Ausgabedaten 550 von einem Ausgabemodul 500 erzeugt und ausgegeben, wobei die Ausgabedaten 550 optimierte Ergebnisse insbesondere in Form der modellierten Werte für die Parameter pi, Parameterwerte und/oder Eigenschaften ei der Entität 10 enthalten.In a step S70,
Durch die Erfindung können Parameter, Parameterwerte und/oder Eigenschaften einer Entität, wie z.B. eines Rückhaltesystems in einem Fahrzeug, hinsichtlich des Systemverhaltens in einem bestimmten Szenario, wie z.B. einer Aufprallsituation, optimiert werden. Durch die Kopplung eines vortrainierten Simulationsmodells mit einem Lernverstärkungsmodul können optimierte Werte für Parameter, Parameterwerte und/oder Eigenschaften der Entität berechnet werden, ohne dass eine Vielzahl von Simulationen mit jeweils veränderten Simulationsdaten durchgeführt werden muss. Da z.B. das Systemverhalten eines Fahrzeugs mit einem Dummy im Innenraum komplex und hochgradig nichtlinear ist, ist es für einen Ingenieur schwierig zu entscheiden, welche Parameter, Parameterwerte und/oder Eigenschaften und in welchem Ausmaß verändert werden sollen, um ein akzeptables Systemverhalten der Entität, wie z.B. des Fahrzeugs, zu erreichen.The invention enables parameters, parameter values and/or properties of an entity, such as a restraint system in a vehicle, to be optimized with regard to the system behavior in a specific scenario, such as an impact situation. By coupling a pre-trained simulation model with a learning reinforcement module, optimized values for parameters, parameter values and/or properties of the entity can be calculated without having to carry out a large number of simulations, each with modified simulation data. Since, for example, the system behavior of a vehicle with a dummy in the interior is complex and highly nonlinear, it is difficult for an engineer to decide which parameters, parameter values and/or properties should be changed and to what extent in order to achieve acceptable system behavior of the entity, such as the vehicle.
Durch die Erfindung kann daher eine optimale Konfiguration von Parametern, Parameterwerten und/oder Eigenschaften einer Entität für das Systemverhalten in einem bestimmten Szenario ermittelt werden, so dass in nachfolgenden Simulationen nur noch eine Feinabstimmung der Parameter, Parameterwerte und/oder Eigenschaften erforderlich ist. Dadurch kann die Durchführung einer großen Anzahl von Simulationen reduziert werden, wodurch Rechenzeit und damit Kosten und Energie eingespart werden können. Insbesondere kann ein vortrainiertes Simulationsmodell verwendet werden, um Finite-Elemente-Methoden direkt in einem Lernverstärkungsmodul einzusetzen. Die Erfindung kann somit dazu beitragen, die Sicherheit und Leistungsfähigkeit einer Entität zu erhöhen und zu verbessern.The invention can therefore determine an optimal configuration of parameters, parameter values and/or properties of an entity for the system behavior in a specific scenario, so that in subsequent simulations only a fine-tuning of the parameters, parameter values and/or properties is required. This can reduce the execution of a large number of simulations, which can save computing time and thus costs and energy. In particular, a pre-trained simulation model can be used to use finite element methods directly in a learning reinforcement module. The invention can thus help to increase and improve the safety and performance of an entity.
Bezugszeichenreference sign
- 1010
- Entitätentity
- 100100
- Systemsystem
- 200200
- Eingabemodulinput module
- 220220
- Benutzerschnittstelleuser interface
- 240240
- Eingabedateninput data
- 250250
- Eingabesoftwareapplikationinput software application
- 280280
- Sensorensensors
- 290290
- Datenbankdatabase
- 300300
- Simulationsmodulsimulation module
- 340340
- Simulationsergebnissesimulation results
- 350350
- Simulationsmodellsimulation model
- 400400
- Lernverstärkungsmodullearning reinforcement module
- 410410
- Lernverstärkungsagentlearning reinforcement agent
- 420420
- Aktionsmodulaction module
- 430430
- Umgebungsmodulenvironment module
- 435435
- Softwareapplikationsoftware application
- 440440
- Zustandsmodulstate module
- 450450
- Belohnungsmodulreward module
- 500500
- Ausgabemoduloutput module
- 550550
- Ausgabedatenoutput data
- 900900
- Computerprogrammproduktcomputer program product
- 950950
- Programmcodeprogram code
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 6 850 821 B1 [0011]US 6 850 821 B1 [0011]
- DE 10 202020 128 881 A1 [0012]DE 10 202020 128 881 A1 [0012]
- EP 4 060 443 A1 [0013]EP 4 060 443 A1 [0013]
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- 2023-06-29 DE DE102023117183.6A patent/DE102023117183A1/en active Pending
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