Insinööritieteen laskenta ja mallinnus Computation and Modeling in Engineering (CME) Kirsi Virrantaus Aalto-yliopisto Insinööritieteen korkeakoulu Rakennetun ympäristön laitos/geoinformatiikka 22.2.2016
Practicalities The course is in MyCourses course descriptions material exchange; lecture materials and exercise reports via MyCourses Lectures on Mondays and Wednesdays 14.15-16.00 Exercises depending on the lecture: basically on Tue and Thu mornings, 8.15-10.00; see the course schedule for guidelines 2
Professor-in-charge and other lecturers Prof. Kirsi Virrantaus is the professor-in-charge, so any questions to kirsi.virrantaus@aalto.fi Lecturers are professors, guest lecturers Jarkko Niiranen, assistant professor Antti Niemi, Dr., guest lecturer Jussi Nikander, Dr., Senior Scientist at Luke Anas altartouri, Dr., postdoc researcher Jarkko Männistö, project manager, Sito Ltd 3
Questions? Exercises Exams Reading materials 4
2-dimensioinen CAD malli alueesta Computer Assisted Design (Sonja Vilpas, d-työ; 2013) 3-dimensioinen BIM malli rakennuksesta Building Information Model 5
Fotogrammetrisesti mitatuista pisteistä luotu kappaleen 3d -malli (Martin Vermeer) Petri Rönnholm, TKK Mareografilla mitattu merenpinnan korkeuden muutos GIS pohjaisella tieverkon mallilla analysoitu suurtulvan vaikutus Antti Veijalainen, d-työ; 2008) 6
3 dimensioisia GIS pintamalleja: (Martin Vermeer) TIN (triangular irregular network) malli maanpinnasta Gridi -malli merenpohjasta (Outi Nyman,2011) 7
Renkaan mallinnus FEM menetelmällä FEM = Finite Element Model Kappalemallin muodostaminen matemaattisesti mallinnetuista kappaleista tai pinnoista (Sonja Vilpas,2013) 8
Esimerkkejä FEM malleista Finite Element Model Esimerkki FEM ja BEM mallin yhdistelmästä Boundary Element Model (Jani Romanoff, luentomateriaali, 2013) 9
Mallien rajapintoja: -Matemaattisista pinnoista koostuvasta kappalemallista FEM malliksi -FEM ja BEM yhdessä -3D malli rakennuksesta ja GIS maastomalli yhdessä (Jani Romanoff, luentomateriaali, 2013 10
Miksi laskennan ja mallinnuksen sivuaine? Why this CME minor? Laskennallisten menetelmien - analyysi, mallinnus, simulointi, tiedonhallinta avulla voidaan perehtyä asioiden riippuvuussuhteisiin; interdependencies hallita kokonaisuuksia; management of complex systems hallita riskejä ja epävarmuutta; managem,ent of risks and uncertainty Laskennallinen, teoreettinen ja kokeellinen tutkimus täydentävät toisiaan ja laskennallisia menetelmiä voitaisiin käyttää enemmän hyväksi Laskennallisten menetelmien käyttämisessä ja kehittämisessä tarvitaan sovellusalueen osaamista, siksi emme voi vain hyödyntää Perustieteiden Laskennallista tekniikkaa ja Informaatiotekniikkaa (lähde: OPM:n julkaisu: Laskennallisen tieteen kehittäminen Suomessa, 2007) 11
Mitä laskennallinen tiede on? Määritelmän mukaan, laskennallisen tieteen sisältö: Mallintamis- ja simulointiosaaminen, algoritmit ja ohjelmistot; modelling and simulation, algorithms and software Tietotekniikkaan liittyvä osaaminen, datan käsittely, laitteet, ohjelmistot ja tietoliikennetekniikka; data management, software, communications Tietotekniikan infrastruktuuriosaaminen; infrastructures Avainsanat: Mallinnus, Analyysi, Visualisointi, Simulointi, Tiedonhallinta Modelling, Analysis, Visualization, Sinulation, Data management Ennustaminen, Arviointi, Riskit, Päätöksenteko, Epävarmuus Predicting, Evaluation, Risks, Decision making, Uncertainty 12
Laskennallisen tieteen sovelluksia löytyy kaikilta AaltoENGin alueilta Esimerkkejä sovelluksista Liikenteen simulointi Epidemioiden leviämisen mallinnus Ympäristötiedon, bioenergia- ja raaka-ainevarojen mallinnus Rikollisuuden ja luonnononnettomuuksien ennustaminen Mittaus- ja instrumenttiteknologia sekä prosessien diagnostiikka Rakenteiden mitoitus elementtimenetelmällä Laivan kulkuvastuksen laskeminen virtauslaskennan avulla Sään ennustaminen, kelin ja liikenneonnettomuuksien ennakointi Sijoitussalkkujen hallinta ja johdannaisten hinnoittelu 13
Mallinnuksen ja laskennan opetuksen peruspilarit 5 kurssia, 5 pistettä/kurssi 1. Geometrinen mallinnus ; CAD, BIM, GIS, FEM ja kappalemallit, teoriat ja tekniset toteutukset 2. Todennäköisyysteoriaan ja tilastollisiin menetelmiin pohjautuvat mallinnus- ja analyysimenetelmät sekä epävarmuuden estimointi 3. Päätöksenteon tuki simuloinnin ja optimoinnin menetelmin; laskennalliset ja visualisoinnin menetelmät 4. Sovellusläheinen ohjelmointi 5. Projektityö ; laskennan ja mallinnuksen menetelmät integroituina teknologioihin kuten paikannus, kuvaus, tunnistus 14
Laskennallisten menetelmien oppimisen edellytykset ja tarpeet Insinööritieteen uuden kanditutkinnon kurssivalikoima takaa opiskelijoille tarvittavat matemaattiset, tilastotieteen ja tietotekniikan perusvalmiudet Kehittyvät infrastruktuuripalvelut yliopistossa takaa opetuksen tarvitsemat laite- ja datatarpeet Kehittyvä lukion opetus takaa opiskelijoille peruslähtökohdat ja motivaation Tehtyjen haastattelujen tulos: AaltoENGin laitoksilla tarvitaan ja kaivataan laskennan ja mallinnuksen perusmenetelmien opetusta kootusti 15
CME-sivuaineen asema opinnoissa CME-sivuaineen voi suorittaa kuka tahansa AaltoENGin kandiopiskelija CME-sivuaine soveltuu kaikkiin kolmeen kandipääaineeseen CME-sivuaine tukee maisteritason pääaineita Sivuaineen opinnot sijoittuvat toiseen ja kolmanteen kandiopiskeluvuoteen CME-sivuaine johdattelee perusteorioihin ja menetelmiin sovellusten kautta Sivuaineen toivotaan avaavan ovia ja herättävän kiinnostusta laskennallisen tieteen lisäopiskeluun ja hyödyntämiseen omalla alalla 16