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DE102023117183A1 - Method and system for improving the system behavior of a technical entity - Google Patents

Method and system for improving the system behavior of a technical entity Download PDF

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DE102023117183A1
DE102023117183A1 DE102023117183.6A DE102023117183A DE102023117183A1 DE 102023117183 A1 DE102023117183 A1 DE 102023117183A1 DE 102023117183 A DE102023117183 A DE 102023117183A DE 102023117183 A1 DE102023117183 A1 DE 102023117183A1
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DE
Germany
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simulation
module
entity
state
learning
Prior art date
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Application number
DE102023117183.6A
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German (de)
Inventor
Janis Mathieu
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Dr Ing HCF Porsche AG
Original Assignee
Dr Ing HCF Porsche AG
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Publication date
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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.

Figure DE102023117183A1_0000
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).
Figure DE102023117183A1_0000

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 US 6 850 821 B1 beschreibt ein Verfahren zur Kaskadierung von Zielvorgaben auf Systemebene zu Entwurfszielen auf Komponentenebene unter Verwendung von maschinellen Lern- und Entwurfssynthesetechniken. Dabei werden Ersatzmodelle aus Simulationsergebnissen, Testergebnissen oder Benchmarking-Daten erstellt.The US 6 850 821 B1 describes a method for cascading system-level objectives to component-level design objectives using machine learning and design synthesis techniques. Surrogate models are created from simulation results, test results, or benchmarking data.

Die DE 10 202020 128 881 A1 offenbart eine verbesserte Dimensionierung von Komponenten, indem Histogramme von Betriebsparametern und Umgebungsdaten des Testfahrzeugs in ein maschinelles Lernprogramm eingegeben werden, das eine Klassifizierung ausgibt, die wiederum von einem prädiktiven Komponentenmodell verwendet wird.The DE 10 202020 128 881 A1 discloses improved component sizing by inputting histograms of operating parameters and environmental data of the test vehicle into a machine learning program that outputs a classification that is in turn used by a predictive component model.

In der EP 4 060 443 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung einer Verbundstruktur offenbart, bei dem neuronale Netze zur Klassifizierung von Inkonsistenzen verwendet werden.In the EP 4 060 443 A1 A method for producing a composite structure is disclosed in which neural networks are used to classify inconsistencies.

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.
According to a first aspect, the invention provides a method for improving the system behavior of a technical entity in a scenario, such as in particular a vehicle in a driving situation. The method comprises the method steps:
  • - 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.
It shows:
  • 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 1 dargestellt. Das System 100 umfasst ein Eingabemodul 200, ein Simulationsmodul 300, ein Lernverstärkungsmodul 400 und ein Ausgabemodul 500. Das Simulationsmodul 300 umfasst ein Simulationsmodell 350 mit einer Software zur Durchführung einer Simulation des Systemverhaltens einer technischen Entität 10. Die Entität 10 kann ein Bauteil, eine Komponente oder ein technisches System sein. Insbesondere kann es sich bei der Entität 10 um ein Fahrzeug mit einem Dummy im Innenraum handeln, so dass beispielsweise zur Analyse des Rückhaltesystems ein simulierter Crashtest mit dem Fahrzeug und dem Crashtest-Dummy durchgeführt wird. Die technische Entität 10 kann aber auch ein Flugzeug, eine Drohne, ein Motorrad, ein Fahrrad, ein Haushaltsgerät, ein Elektromotor, eine Solaranlage, eine Windkraftanlage, eine Produktionsanlage usw. sein.The system 100 according to the invention is based on reinforcement learning methods and is in 1 The system 100 comprises an input module 200, a simulation module 300, a learning reinforcement module 400 and an output module 500. The simulation module 300 comprises a simulation model 350 with software for carrying out a simulation of the system behavior of a technical entity 10. The entity 10 can be a part, a component or a technical system. In particular, the entity 10 can be a vehicle with a dummy in the interior, so that, for example, to analyze the restraint system, a simulated crash test is carried out with the vehicle and the crash test dummy. The technical entity 10 can also be an aircraft, a drone, a motorcycle, a bicycle, a household appliance, an electric motor, a solar system, a wind turbine, a production plant, etc.

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 input module 200, the simulation module 300, the learning reinforcement module 400 and the output module 500 can be designed as independent computer units or as a cloud-based solution. In particular, they can each be provided with a processor and/or a memory unit.

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 simulation model 350 is designed to simulate the system behavior of the entity 10 in a scenario based on input data. A scenario is a specific situation or a temporal development in which forces act on the entity 10 that trigger a specific system behavior of the entity 10, such as an impact situation in a vehicle. For example, the behavior of a crash test dummy in a vehicle in an impact can be predicted based on the parameters of a restraint system, such as an airbag. For an airbag, the threshold values for the triggering mechanism, the number of airbags that trigger, and the inflation speed of the airbags can be varied. In addition, sensors and/or algorithms can be used to determine the need for and the exact time of triggering and to enable individual triggering behavior. These sensors and algorithms are then also used as digital models in the simulation.

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 simulation model 350 includes in particular neural networks that have been trained with suitable training data sets. However, other algorithms such as gradient tree boosting can also be used to make predictions about the behavior of a system.

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 simulation model 350. It is a procedure of estimating an unknown function from data in order to make predictions or identify patterns in the data. Regression analysis is a statistical method to find a function that describes the relationship between a dependent variable and one or more independent variables. It is mainly used to understand and predict the value of a continuous target variable based on the values of other variables. In regression analysis, the dependent variable, also called the response variable or target variable, is the variable of interest whose behavior is to be predicted. The independent variables, also called predictor variables or features, are the variables that are believed to be related to the dependent variable and can help in prediction.

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 input module 200 can be integrated into a computer, a tablet, a smartphone, etc. and has a user interface 220 for entering input data 240, such as parameters of an airbag. The user interface 220 is designed in particular as a touchscreen, via which numerical values, a drawing or a diagram and other inputs can be entered. The input module 200 can additionally have a keyboard, a microphone and/or a camera. The touchscreen is designed in particular as a resistive, capacitive or inductive system. However, other technologies can also be used. In particular, the input module 200 has an input software application 250 for entering the input data 240 to carry out a simulation with the simulation model 350.

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 input module 200 can be connected to sensors 280, which transmit measurement signals as input data 240 from a system, such as a vehicle with a dummy, to the input module 200. The sensors 280 can be designed in particular as pressure sensors, piezo sensors, torque sensors, rotational speed sensors, acceleration sensors, speed sensors, capacitive sensors, inductive sensors, temperature sensors, image-recording cameras and/or optical distance and speed measuring systems. The measurement data recorded by the sensors are images and/or data about physical or chemical processes.

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 input module 200 and/or the simulation module 300 can be connected to at least one database 290. The term "database" refers both to a storage algorithm and to the hardware in the form of a storage unit. In particular, the database 290 can be designed as a cloud computing infrastructure.

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 database 290. For example, target and target values that define a safety standard can be stored in the database 290. In addition, a digital twin of a system component of the entity 10, e.g. a pillar in a vehicle or an airbag, can be stored in the database 290. A digital twin represents a digital model in the virtual world and contains simulations and algorithms that describe the properties and behavior of an object. In addition, simulation results from component or system simulations can be stored in the database 290. The simulations are in particular crash simulations with a vehicle and a dummy in the interior, whereby simulation parameters such as the vehicle speed, the properties of the obstacle, the seating position of the dummy, the seat construction, fittings in the vehicle interior, safety devices such as airbags and seat belts can vary.

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 input data 240 can be further processed by the input module 200 or passed directly to the simulation module 300. In particular, coding of the input data can be provided to enable better processing of the input data 240 by the simulation module 300. For example, the input module 200 can have a transformer module with an encoder and a decoder to translate the input data into another character string. The encoder and the decoder use artificial intelligence algorithms such as deep learning and machine image analysis to enable, for example, extraction and classification of features relevant to the simulation. Deep neural networks and/or recurrent neural networks and/or convolutional neural networks are used as algorithms. In particular, attention algorithms are used that mimic cognitive attention and use convolutional neural networks. The transformer module is trained accordingly with training data.

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 input module 200 and the simulation module 300 are not integrated in the same computing unit, communication connections such as a CAN bus system (controller Area Network) or wireless connections can be provided. A wireless communication connection is designed in particular as a mobile radio connection and/or near field communication connection such as Bluetooth®, Ethernet, NFC (near field communication) or Wi-Fi®.

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 input module 200 with mobile radio modules of the 5G or 6G standard. 5G is the fifth generation mobile radio standard and is characterized by higher data rates of up to 10 Gbit/sec compared to the 4G mobile radio standard, the use of higher frequency ranges such as 2100, 2600 or 3600 megahertz, a higher frequency capacity and thus a higher data throughput. The latency times are very short at a few milliseconds to less than 1 ms, so that real-time transmission of data and calculation results is possible.

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 simulation module 300 and/or the learning reinforcement module 400 are integrated into the cloud computing infrastructure 700, the input data 240 transmitted by the input module 200 can be sent to the simulation module 300 in real time. The simulation can then be carried out in the cloud computing infrastructure using the simulation model 350.

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 input module 200 and the simulation module 300 and/or for the connection between the learning reinforcement module 400 and the output module 500.

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 input data 240 may at least partially include voxel grid data formats. A voxel grid is a three-dimensional grid composed of voxels (volume elements). Each voxel represents a small portion of 3D space and contains information such as color, material, or texture of the object located at that grid cell in space. Voxel grids are often used in computer graphics to calculate or simulate complex 3D scenes.

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 simulation module 300 uses the simulation model 350 to calculate simulation results 340 that include a prediction of the system behavior of the entity 10 in a scenario, such as the movement of the dummy during the impact and the deformation of the vehicle in an impact situation.

Erfindungsgemäß werden die Eingabedaten 240 und die berechneten Simulationsergebnisse 340 an das Lernverstärkungsmodul 400 übergeben. Wie in 2 dargestellt, umfasst das Lernverstärkungsmodul 400 einen Lernverstärkungsagenten (RV) (engl. Reinforcement Learning Agent) 410, ein Aktionsmodul 420, ein Umgebungsmodul 430, ein Zustandsmodul 440 und ein Belohnungsmodul 450.According to the invention, the input data 240 and the calculated simulation results 340 are transferred to the learning reinforcement module 400. As in 2 As shown, the reinforcement learning module 400 includes a reinforcement learning agent (RV) 410, an action module 420, an environment module 430, a state module 440, and a reward module 450.

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 learning reinforcement module 400, the learning reinforcement agent 410 selects a specific state s i ∈ S from a set of available states for at least one action a i ∈ 4 from a set of available actions. According to the invention, the actions a i are the parameters p i of the input data 240. For the selected action a i, the LV agent 410 receives a reward that can be positive, neutral or negative. The states s i are obtained by the LV agent 410 from the state module 440, which derives the states s i from the simulation results 340. A state s i ∈ S is determined by the selection of specific parameters p i , parameter values and/or properties e i of the entity 10. In addition, further data can be obtained from the various various sensors 280 and/or the database 290. These processed data are assigned states s i which the LV agent 410 can access.

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 agent 410 receives a reward r i ∈ ℝ from the reward module 450. The strategy in turn changes because it is adapted on the basis of the rewards r i received. The strategy is used to determine which action a i ∈ A is to be selected from the set of available actions for a specific state s i ∈ S from the set of available states. This creates a new state s i+1 for which the LV agent 410 receives a reward r i . A strategy thus determines the assignment between a state s i and an action a i and thus specifies which action a i to be carried out is to be selected for a state s i . The goal of the LV agent 410 is to maximize the rewards r i achieved.

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 action module 420, the actions a i selected by the LV agent 410 are executed. An action a i adjusts a parameter p i and/or a parameter value and/or a property e i of the entity 10. Preferably, an action a i is one of the three actions A(+), A(0) and A(-). A positive action A(+) refers to an action that increases the value for a parameter p i , a neutral action A(0) is an action in which the value of the parameter p i remains the same, and a negative action A(-) reduces the value of the parameter p i .

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 environment module 430 calculates the states s i based on the selected action a i and taking into account the requirements and constraints determined by the simulation results 340. In addition, it can be provided that further constraints are taken into account, for example with regard to the cost structure, energy costs, environmental balance, availability or the delivery situation. These constraints can be transmitted separately to the learning reinforcement module 400.

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 reward module 450, a reward r i is assigned to the degree of deviation Δ between the calculated value for the state s i and the target value of a target state s t . Since the degree of deviation Δ depends on the selection of the respective action a i , the reward r i for the respectively selected action a i is preferably stored in a matrix or a database. A reward r i preferably has the values +1 and -1, whereby a small or positive deviation Δ between the calculated state s i and the target state s t is rewarded with +1 and is thus reinforced, while a significant negative deviation Δ is rewarded with -1 and is thus negatively evaluated. However, it is also conceivable that values > 1 and values < 1 are used. The result state is reached when the calculated states s i are equal to or greater than the target state s t .

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 LV agent 410. However, it can also be provided to use a temporal difference learning (TD learning) algorithm. The LV agent 410 with a TD learning algorithm does not adjust the actions a i only when it receives the reward, but after each action a i on the basis of an estimated expected reward. Furthermore, algorithms such as Q-learning and SARSA are also conceivable, or Actor-Critic or Monte Carlo simulations, with which dynamic programming and adjustment of the strategy by iteration processes is possible.

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 LV agent 410 and/or the action module 420 and/or the environment module 430 and/or the state module 440 and/or the reward module 450 contain calculation methods and algorithms f i for mathematical regression methods or physical model calculations that describe a correlation between selected parameters p i and a target state s t . The mathematical functions f i can be statistical methods such as mean values, minimum and maximum values, lookup tables, models for expected values, linear regression methods or Gaussian processes, fast Fourier transformations, integral and differential calculus, Markov methods, probability methods such as Monte Carlo methods, temporal difference learning, but also extended Kalman filters, radial basis functions, data fields, convergent neural networks, deep neural networks, and/or feedback neural networks. Based on the actions a i and the rewards r i , the LV agent 410 and/or the action module 420 and/or the environment module 430 and/or the state module 440 and/or the bypass module 430 selects one or more of these computation functions f i for a state s i .

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 LV agent 410 can select another action a i+1 and/or another calculation function f i+1 and/or another parameter p i+1 according to the defined strategy or guideline. The result is again fed to the state model dul 440 and the result of the comparison is evaluated in the reward module 450. The LV agent 410 repeats the optimization process for all intended actions a i , calculation functions f i and parameters p i until the greatest possible agreement between a calculated state s i and a target state s t is achieved. Preferably, the result state of the optimization of the entity 10 is reached when the deviation Δ is in the range of +/- 5%. The LV agent 410 thus optimizes its behavior and thus the strategy with which an action a i is selected until the calculated states s i converge. The optimized result of the design of the entity 10 by modified parameters p i and/or parameter values and/or properties e i is output in the form of output data 550 by the output module 500.

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 simulation model 350 has shown, for example, that the acceleration acting on a dummy head in the event of an impact is too great, the parameters p i and/or parameter values and/or properties e i of the entity 10 are modified and adapted by the learning reinforcement module 400 until an acceptable acceleration value is reached.

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 simulation module 300 is only used for pre-training the learning reinforcement module 400. In this case, the environment module 430 of the learning reinforcement module 400 has a simulation software 435 that is designed in particular for carrying out finite element simulations. The results of the finite element simulation are then fed directly to the state module 440, which derives the corresponding states s i from them, which the learning reinforcement agent 410 can access.

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 learning reinforcement module 400 is thus used according to the invention to solve similar optimization tasks. For example, the weight of a dummy can be varied. If the learning reinforcement module 400 was trained with a dummy with a body weight of 90 kg, the restraint system can now be optimized for a dummy with a body weight of 55 kg without the simulation results 340 having to be calculated by the simulation module 300. In this case, the suggestions of the RV agent 410 are recalculated directly by the simulation software 435 of the environment module 430 to determine new states s i .

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 output module 500 is designed to output the optimized results in the form of output data 550. The output module 500 can also be integrated in a hardware device such as a computer, a tablet, a smartphone, etc., wherein in particular the hardware device for the input module 200 and the hardware device for the output module 500 can be identical.

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 output data 550 can be output directly by the output module 500. However, it can also be provided that the output module 500 has an output transformer module which translates the optimized results calculated by the learning reinforcement agent 400 into a data format accessible to a user. The data formats can be, for example, design plans, images and graphics, video sequences, acoustic sequences, holograms, key figures, diagrams, mathematical formulas, Power Point presentations, etc. For this purpose, the output transformer module can also have at least one encoder and one decoder or encoders and decoders connected in series.

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 LV agent 410, the action module 420, the environment module 430, the state module 440 and the reward module 450 have the necessary technical interfaces and protocols for accessing the cloud computing infrastructure. This can increase computing efficiency because the access options and access speeds to already calculated states, actions, rewards and strategies are simplified.

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 simulation module 300 and the learning reinforcement module 400. In order to enable the computing operations to be carried out in real time, the use of the cloud computing infrastructure is therefore advantageous, as this can ensure fast calculation.

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 system 100 according to the invention for a multifunctional geometry optimization, in particular of a vehicle. Example For example, different geometric requirements for stiffness arise for a side impact than for a front impact or a rear impact. Through mutual optimization, an optimal solution can be found with the help of the learning reinforcement algorithm 410 that covers a large number of scenarios in such a way that an optimal holistic result is found. It is also possible to weight the probabilities of the various impact scenarios, e.g. using key performance indices (KPIs), and to take this weighting into account when calculating the optimization parameters by the learning reinforcement agent 410.

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 input data 240 for the environment module 430. In addition, the environment module 430 comprises at least one neural network for processing the standardized data formats based on finite elements, in particular voxel grids or parameters, since this is particularly suitable for learning relationships in high-dimensional data.

In 3 sind die Verfahrensschritte zur Verbesserung des Systemverhaltens einer technischen Entität 10 in einem Szenario, wie insbesondere eines Fahrzeugs in einer Fahrsituation, dargestellt.In 3 the method steps for improving the system behavior of a technical entity 10 in a scenario, such as in particular a vehicle in a driving situation, are shown.

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 simulation model 350 is used to simulate the system behavior of the technical entity 10 in a simulation scenario and to train the simulation model 350 with training data sets, wherein the data of the training data sets contain measurement signals from sensors 280.

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, input data 240 is provided via a user interface 220 or from a database 290, wherein the input data 240 comprises parameters p i , parameter values and/or properties e i of the entity 10 for a specific simulation task such as the system behavior in a specific scenario.

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 input data 240 and the trained simulation model 450 by a simulation module 400 for the simulation task.

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 learning reinforcement module 400.

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, output data 550 are generated and output by an output module 500, wherein the output data 550 contains 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.

4 stellt schematisch ein Computerprogrammprodukt 900 dar, das einen ausführbaren Programmcode 950 umfasst, der konfiguriert ist, um das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung auszuführen. 4 schematically illustrates a computer program product 900 comprising an executable program code 950 configured to carry out the method according to the first aspect of the present invention.

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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Claims (15)

Verfahren zur Verbesserung des Systemverhaltens einer technischen Entität (10) in einem Szenario, wie insbesondere eines Fahrzeugs in einer Fahrsituation, umfassend: - Erzeugen (S10) eines Simulationsmodells (350) zur Simulation des Systemverhaltens der technischen Entität (10) in einem Simulationsszenario und Trainieren des Simulationsmodells (350) mit Trainingsdatensätzen wobei die Trainingsdatensätze Messignale von Sensoren (280) enthalten; - Bereitstellen (S20) 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) für eine bestimmte Simulationsaufgabe wie das Systemverhalten in einem bestimmten Szenario umfassen; - Durchführen (S30) einer Simulation unter Verwendung der Eingabedaten (240) und des trainierten Simulationsmodells (450) von einem Simulationsmodul (400) für die Simulationsaufgabe; - Erzeugen (S40) von Simulationsergebnissen (340), wobei die Simulationsergebnisse (340) das Systemverhalten der Entität (10) in dem Simulationsszenario wiedergeben; - Weitergeben (S50) der Simulationsergebnisse (340) an ein Lernverstärkungsmodul (400); - Berechnen (S60) 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) in dem Simulationsszenario; - Erzeugen und Ausgeben (S70) 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. 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 (S10) a simulation model (350) for simulating the system behavior of the technical entity (10) in a simulation scenario and training the simulation model (350) with training data sets, wherein the training data sets contain measurement signals from sensors (280); - providing (S20) 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) for a specific simulation task such as the system behavior in a specific scenario; - carrying out (S30) a simulation using the input data (240) and the trained simulation model (450) from a simulation module (400) for the simulation task; - generating (S40) simulation results (340), wherein the simulation results (340) reflect the system behavior of the entity (10) in the simulation scenario; - forwarding (S50) the simulation results (340) to a learning reinforcement module (400); - calculating (S60) modeled values for the parameters (p i ), parameter values and/or properties (e i ) of the entity (10) from the simulation results (340) in order to achieve improved system behavior of the entity (10) in the simulation scenario; - generating and outputting (S70) 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). Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Lernverstärkungsmodul (400) zumindest einen Lernverstärkungs-Agenten (410), ein Aktionsmodul (420), ein Umgebungsmodul (430), ein Zustandsmodul (440) und ein Belohnungsmodul (450) umfasst.procedure according to claim 1 , wherein the learning reinforcement module (400) comprises at least one learning reinforcement agent (410), an action module (420), an environment module (430), a state module (440) and a reward module (450). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Zustand (si) der Entität (10) durch das Zustandsmodul (440) bestimmt wird, wobei ein Zustand (si) durch Parameter (pi) und/oder Parameterwerte und/oder eine Eigenschaft (ei) der Entität (10) bestimmt wird.procedure according to claim 1 or 2 , wherein a state (s i ) of the entity (10) is determined by the state module (440), wherein a state (s i ) is determined by parameters (p i ) and/or parameter values and/or a property (e i ) of the entity (10). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Simulationsmodell (350) als Algorithmus zumindest ein neuronales Netz, insbesondere rekurrente neuronale Netze oder gefaltete neuronale Netze (Convolutional Neural Networks, oder Gradient Tree Boosting verwendet.Method according to one of the Claims 1 until 3 , wherein the simulation model (350) uses at least one neural network as algorithm, in particular recurrent neural networks or convolutional neural networks (convolutional neural networks) or gradient tree boosting. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Algorithmus des verstärkenden Lernens des Lernverstärkungsmoduls (400) 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 ist.Method according to one of the Claims 1 until 4 , wherein the reinforcement learning algorithm of the learning reinforcement module (400) 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. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei zumindest ein Parameter (pi) und/oder ein Parameterwert und/oder eine Eigenschaft (ei) der Entität (10) 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 darstellt.Method according to one of the Claims 1 until 5 , wherein at least one parameter (p i ) and/or a parameter value and/or a property (e i ) of the entity (10) 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. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei eine Berechnungsfunktion (fi) und/oder eine Aktion (̇ai) basierend auf einer Richtlinie für den Zustand (si) ausgewählt wird für die Modifizierung zumindest eines Parameters (pi) und/oder eines Parameterwertes und/oder einer Eigenschaft (ei) der Entität (10) von dem Lernverstärkungs-Agenten (410); wobei ein neuer Zustand (si+1) von dem Umgebungsmodul (430) aufgrund des modifizierten Wertes für den Parameter (pi) und/oder den Parameterwert und/oder die Eigenschaft (ei) berechnet wird; wobei der neue Zustand (si+1) mit einem Ziel-Zustand (st) verglichen wird und eine Abweichung (Δ) für ein Vergleichsergebnis in dem Zustandsmodul (440) berechnet wird; wobei eine Belohnung (ri) von dem Belohnungsmodul (450) für das Vergleichsergebnis ermittelt wird; und wobei die Zustände (si) und/oder Aktionen (ai) solange geändert werden, bis der Ziel-Zustand (st) erreicht ist.Method according to one of the Claims 2 until 6 , wherein a calculation function (f i ) and/or an action (̇a i ) is selected based on a policy for the state (s i ) for modifying at least one parameter (p i ) and/or a parameter value and/or a property (e i ) of the entity (10) by the learning reinforcement agent (410); wherein a new state (s i+1 ) is calculated by the environment module (430) based on the modified value for the parameter (p i ) and/or the parameter value and/or the property (e i ); wherein the new state (s i+1 ) is compared with a target state (s t ) and a deviation (Δ) for a comparison result is calculated in the state module (440); wherein a reward (r i ) is determined by the reward module (450) for the comparison result; and wherein the states (s i ) and/or actions (a i ) are changed until the target state (s t ) is reached. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Ausgabedaten (550) Konstruktionspläne, Bilder und Graphiken, Videosequenzen, akustische Sequenzen, Hologramme, Kennzahlen, Diagramme, mathematische Formeln und/oder Power-Point Präsentationen, etc. enthalten.Method according to one of the Claims 1 until 7 , wherein the output data (550) contains design plans, images and graphics, video sequences, acoustic sequences, holograms, key figures, diagrams, mathematical formulas and/or Power Point presentations, etc. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei das Umgebungsmodul (430) eine Softwareapplikation (435) zur Simulation des Systemverhaltens der Entität (10) mittels einer Finite-Elemente-Methode umfasst und die Ergebnisse der FEM-Simulation direkt an das Zustandsmodul (440) weitergeleitet werden.Method according to one of the Claims 2 until 8 , wherein the environment module (430) comprises a software application (435) for simulating the system behavior of the entity (10) by means of a finite element method and the results of the FEM simulation can be forwarded directly to the state module (440). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Lernverstärkungsmodul (400) eine multifunktionale Geometrieoptimierung durch eine Vielzahl von Iterationen durchführt.Method according to one of the Claims 1 until 9 , wherein the learning reinforcement module (400) performs a multifunctional geometry optimization through a plurality of iterations. System (100) zur Verbesserung des Systemverhaltens einer technischen Entität (10) in einem Szenario, wie insbesondere eines Fahrzeugs in einer Fahrsituation, umfassend ein Eingabemodul (200), ein Simulationsmodul (300), ein Lernverstärkungsmodul (400) und ein Ausgabemodul (500), wobei das Simulationsmodul (300) ausgebildet ist, ein Simulationsmodell (350) zur Simulation des Systemverhaltens der technischen Entität (10) in einem Simulationsszenario durch Trainieren mit Trainingsdatensätzen, zu erzeugen, wobei die Daten der Trainingsdatensätze Messignale von Sensoren (280) enthalten; wobei das Eingabemodul (200) ausgebildet ist, Eingabedaten (240) über eine Benutzerschnittstelle (220) oder aus einer Datenbank (290) bereitzustellen, wobei die Eingabedaten (240) insbesondere Parameter (pi), Parameterwerte und/oder Eigenschaften (ei) der Entität (10) für eine bestimmte Simulationsaufgabe wie das Systemverhalten in einem bestimmten Szenario umfassen; wobei das Simulationsmodul (300) ausgebildet ist, eine Simulation unter Verwendung der Eingabedaten (240) und des trainierten Simulationsmodells (450) für die Simulationsaufgabe durchzuführen und Simulationsergebnissen(340) zu erzeugen, wobei die Simulationsergebnisse (340) das Systemverhalten der Entität (10) in dem Simulationsszenario wiedergeben; wobei das Lernverstärkungsmodul (400) ausgebildet ist, aus den Simulationsergebnissen (340) modellierte Werte für die Parameter (pi), Parameterwerte und/oder Eigenschaften (ei) der Entität (10) zur Erzielung eines verbesserten Systemverhaltens der Entität (10) in dem Simulationsszenario zu berechnen; wobei das Ausgabemodul (500) ausgebildet ist, Ausgabedaten (550) zu erzeugen und auszugeben, 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.System (100) for improving the system behavior of a technical entity (10) in a scenario, such as in particular a vehicle in a driving situation, comprising an input module (200), a simulation module (300), a learning reinforcement module (400) and an output module (500), wherein the simulation module (300) is designed to generate a simulation model (350) for simulating the system behavior of the technical entity (10) in a simulation scenario by training with training data sets, wherein the data of the training data sets contain measurement signals from sensors (280); wherein the input module (200) is designed to provide input data (240) via a user interface (220) or from a database (290), wherein the input data (240) in particular comprise parameters (p i ), parameter values and/or properties (e i ) of the entity (10) for a specific simulation task such as the system behavior in a specific scenario; wherein the simulation module (300) is designed to carry out a simulation using the input data (240) and the trained simulation model (450) for the simulation task and to generate simulation results (340), wherein the simulation results (340) reflect the system behavior of the entity (10) in the simulation scenario; wherein the learning reinforcement module (400) is designed to calculate modeled values for the parameters (p i ), parameter values and/or properties (e i ) of the entity (10) from the simulation results (340) in order to achieve improved system behavior of the entity (10) in the simulation scenario; wherein the output module (500) is designed to generate and output output data (550), 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). System (100) nach Anspruch 11, wobei das Lernverstärkungsmodul (400) zumindest einen Lernverstärkungs-Agenten (410), ein Aktionsmodul (420), ein Umgebungsmodul (430), ein Zustandsmodul (440) und ein Belohnungsmodul (450) umfasst, und wobei das Umgebungsmodul (430) eine Softwareapplikation (435) zur Simulation des Systemverhaltens der Entität (10) mittels einer Finite-Elemente-Methode umfasst und die Ergebnisse der FEM-Simulation direkt an das Zustandsmodul (440) weitergeleitet werden.System (100) after claim 11 , wherein the learning reinforcement module (400) comprises at least one learning reinforcement agent (410), an action module (420), an environment module (430), a state module (440) and a reward module (450), and wherein the environment module (430) comprises a software application (435) for simulating the system behavior of the entity (10) by means of a finite element method and the results of the FEM simulation are forwarded directly to the state module (440). System (100) nach Anspruch 11 oder 12, wobei das Simulationsmodell (350) als Algorithmus zumindest ein neuronales Netz, insbesondere rekurrente neuronale Netze oder gefaltete neuronale Netze (Convolutional Neural Networks), oder Gradient Tree Boosting verwendet.System (100) after claim 11 or 12 , wherein the simulation model (350) uses at least one neural network, in particular recurrent neural networks or convolutional neural networks, or gradient tree boosting as algorithm. System (100) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei zumindest ein Parameter (pi) und/oder ein Parameterwert und/oder eine Eigenschaft (ei) der Entität (10) 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 darstellt.System (100) according to one of the Claims 11 until 13 , wherein at least one parameter (p i ) and/or a parameter value and/or a property (e i ) of the entity (10) 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. Computerprogrammprodukt (900), umfassend einen ausführbaren Programmcode (950), der so konfiguriert ist, dass er bei seiner Ausführung das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ausführt.Computer program product (900) comprising an executable program code (950) which is configured such that, when executed, it carries out the method according to one of the Claims 1 until 10 executes.
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