Eksperimenterer med virkeligheten

Universitetet i Oslo har noen av verdens fremste forskningsmiljøer for simuleringer av naturvitenskapelige prosesser. Simuleringer brukes allerede i dag i mange fag. Men om noen tiår tar det skikkelig av, hevder professor Hans Petter Langtangen ved Institutt for informatikk.

VIKTIG: – Simuleringer er helt nødvendige for industriell virksomhet i Norge, forteller professor Hans Petter Langtangen ved Institutt for informatikk. Foto: Ola Sæther

- Hele vår moderne teknologi er basert på simuleringer. Simuleringer er helt nødvendige for industriell virksomhet i Norge. Uten slike simuleringer ville velferden og levestandarden definitivt gått ned, hevder professor Hans Petter Langtangen ved Institutt for informatikk ved Universitetet i Oslo. Han er for tiden tilknyttet Simula-senteret på Fornebu. Simuleringer er en teknikk som gjør det mulig å eksperimentere med virkeligheten. I simuleringer lager man algoritmer som etterlikner en fysisk prosess. De fleste simuleringene er bygd på matematiske likninger. Systemene er vanligvis så kompliserte at de matematiske likningene ikke lar seg løse med papir og blyant. Man bruker derfor kraftige datamaskiner til utregningene og for å vise frem løsningene i form av fargefigurer og animasjonsfilmer.

Olje og biler

Oljeindustrien har vært en drivende kraft for simuleringer i Norge. Skal man bore etter olje, nytter det ikke med prøve- og feilemetoden. - Man kan ikke bygge ut og drive et oljefelt uten å gjøre en rekke simuleringer på forhånd. Slik som simuleringer av styrken på plattformene, værforhold, strøm og bølger, flyt av blandinger med olje-vann-gass nede i reservoaret og transport av oljen gjennom rør og prosessanlegg.

- Resultatene fra simuleringene forteller hvor mange fat vi kan utvinne. Dette tallet går faktisk rett inn i statsbudsjettet, påpeker Hans Petter Langtangen. Også bilindustrien er bevandret med avanserte simuleringer. Det kreves ekstremt mange simuleringer for å konstruere en moderne bil med høy sikkerhet og lavt energiforbruk. Energiforbruket er avhengig av luftmotstanden og strømningsforholdene rundt bilen. Det er heller ikke tilfeldig hvordan en bil folder seg sammen i en kollisjon. Hvert element er optimalt designet for å ta til seg forskjellig typer energi. Ved hjelp av simuleringer kan man finne ut av hvordan motoren kan ødelegges og ikke menneskene inne i bilen.

Som legoklosser

De fleste simuleringsoppgavene Hans Petter Langtangen arbeider med, er bygd på det som matematikerne kaller et system av partielle differensialligninger. Dette er ligninger som beskriver hvordan den fysiske prosessen utvikler seg i tid og rom. Før datamaskinen kan regne ut løsningen av disse ligningene, må man bruke spesielle metoder for å omskape ligningene til en form som datamaskinen forstår. Veien fra partielle differensialligninger til et dataprogram som simulerer virkeligheten, er lang og tidkrevende. Årsaken til de høye kostnadene er at programvaren vanligvis er skreddersydd problemet.

- Utvikling av simuleringsprogrammene ute i industrien koster fort 50 - 100 millioner kroner, sier Langtangen. Men uansett om man skal simulere oljeutvinning, værvarsel eller asteroidekollisjon med Jorden, trenger man stort sett de samme byggeklossene fordi de matematiske formuleringene er svært like fra problem til problem. - Med de rette "legoklossene" kan vi bygge nye simuleringsprogrammer raskere og mer pålitelig. Dette er en problemstilling vi har jobbet med i femten år. Da vi startet i 1990, var det liten interesse for slike tanker, men nå er den internasjonale interessen stor, understreker informatikkprofessoren.

Elastiske "fiskegarn"

En annen type simulering kalles diskret stokastisk simulering. I stedet for å løse kompliserte partielle differensialligninger, utfører man relativt enkle regneoppskrifter flere millioner ganger. Målet til forskerne er å kombinere det beste fra disse to simuleringsmetodene.

Diskret stokastisk simulering brukes blant annet på et av sentrene for fremragende forskning ved Universitetet i Oslo, Physics of Geological Processes. De bruker metoden til å analysere deformerbare materialer slik som oppsprekking av bergarter. - Tradisjonelt har man brukt partielle differensialligninger til å beskrive hvordan materialer deformeres under belastninger. Men man kan også tenke seg at materialet er modellert som mange små partikler med fjærer imellom, som et slags elastisk fiskegarn. Dette gir en enklere regnemodell. Det fine er at man da kan legge inn statistisk usikkerhet i fjærstyrken og la fjærene ryke hvis de deformeres for mye. Resultatet kan være en modell som beskriver sprekkdannelsen av bergartene. Diskret stokastisk simulering brukes også til å forstå køer og transportproblemer. Rushtrafikken er et eksempel. Byen består av et nettverk med transportører. Mennesker flyttes rundt som objekter. Det den enkelte gjør, er tilfeldig. Så lager man en del hendelser i transportsystemet, som at en kollisjon fører til stengte veier og at sannsynligheten øker for at noen velger toget. Modellen kan da vise hvordan transportsystemet håndterer en feil. Den samme tankegangen kan også brukes til å simulere styring av store industriprosjekter og forutsi problemer før de dukker opp.

- Hele poenget er at dataprogrammet gjennomfører et stort antall enkelthendelser, akkurat som i virkeligheten, men hvor en enkelt hendelse er styrt av tilfeldigheter, akkurat som i virkeligheten. Ved å kjøre sannsynligheter på alle hendelser, kan man for eksempel forstå hvordan et samfunn virker ut fra et tilsynelatende kaotisk samvirke mellom mennesker.

Bare begynnelsen

Uten datamaskiner ville simuleringer hatt langt mindre betydning. Før simulerte man ved hjelp av ligninger, formler, papir og blyant. - Den innsikten ga oss den industrielle revolusjon og starten på velferdssamfunnet. Men med datamaskiner kan simuleringer brukes til å forstå mye mer av verden. I løpet av de siste 20-30 årene har det skjedd dramatiske fremskritt i maskinkapasitet og simuleringsmetoder. Og dette er bare begynnelsen. Om noen tiår kan vi kanskje simulere og forstå de fleste prosessene i naturen og få teknologi og medisinsk behandling vi knapt kan fantasere om i dag, slår professor Hans Petter Langtangen fast. Han mener at mange flere forskningsmiljøer ved Universitetet i Oslo kunne ha spesiell glede av matematiske modeller og simuleringer, spesielt innenfor biologi, geologi og medisin. Skrittet er ikke så stort som mange kan tro. Simulering bygger på matematikk, men det kan holde med femten vekttall i matematikk. Men man må kunne bruke denne matematikken forlengs og baklengs i naturfagene. Og så er det viktig at man er fortrolig med og tiltrukket av datamaskinen, slår professor Hans Petter Langtangen fast.

Milliardtabbe

Simuleringer krever stor matematisk og numerisk innsikt. Manglende forståelse kan føre til katastrofer. Under arbeid med Sleipner A-plattformen sommeren 1991 sank hele installasjonen på grunn av feilberegninger. To milliarder kroner gikk tapt i et gedigent plask i Gandsfjorden ved Stavanger. - Plattformen ble bygd på feil måte fordi det ble gjort en tabbe i simuleringene. På internasjonale konferanser om simulering trekkes katastrofen med Sleipner-A plattformen frem som et skrekkeksempel, sier professor Hans Petter Langtangen.

Emneord: Matematikk og naturvitenskap, Informasjons- og kommunikasjonsvitenskap, Matematisk modellering, Simulering, visualisering, signalbehandling, bildeanalyse Av Yngve Vogt
Publisert 1. feb. 2012 12:01
Legg til kommentar

Logg inn for å kommentere

Ikke UiO- eller Feide-bruker?
Opprett en WebID-bruker for å kommentere