百度飛槳利用 NVIDIA Modulus 加速 AI 預測汽車風阻

案例簡介

NVIDIA 與百度飛槳雙方技術(shù)團隊通過在數(shù)據(jù)、算法、模型等多個方面的合作，共同打造了一款適用于車輛空氣動力學數(shù)值模擬的 3D 高精度汽車風阻預測模型——DNNFluid-Car。經(jīng)過訓練的 DNNFluid-Car 模型的計算速度比傳統(tǒng)數(shù)值計算的速度快至少 2-3 個數(shù)量級，有效減少了對數(shù)以千計的 CPU 計算資源的依賴。

使用 AI 方法提升仿真效率

自汽車行業(yè)誕生之初，降低風阻系數(shù)一直是行業(yè)的重要目標之一。數(shù)據(jù)顯示，汽車行駛過程中為克服氣動阻力而消耗的能量占整車能耗的 20% 左右。通常工程師會利用計算流體力學（CFD）軟件來計算不同汽車外形的流場信息，識別并改進高阻力區(qū)域，如車身前端、車頂和尾部。而通常 CFD 通過外流場空氣動力學模擬計算風阻需要大量的計算時間和計算資源，以一個千萬級網(wǎng)格計算為例，完成一個設計版本的模擬使用約 2000 CPU 核*時的計算資源。

當前汽車行業(yè)車型高速迭代的趨勢對整車氣動阻力優(yōu)化工作提出了更高的效率要求，快速提供高精度的 CFD 數(shù)值模擬結(jié)果是滿足這一需求的重要途徑。基于物理模型和傳統(tǒng)數(shù)值計算方法的低階矩湍流模型在實際工程 CFD 計算中得到了廣泛的應用，但其仿真速度不足以有效支撐當前汽車外形快速概念設計和全空間氣動優(yōu)化的需求。

值得我們關(guān)注的是，近年來，AI 模型等相關(guān)技術(shù)在科學和工程領(lǐng)域的快速發(fā)展為滿足這一需求注入了希望。NVIDIA 和百度飛槳團隊通過 AI 的方法，基于工業(yè)級汽車空氣動力學仿真數(shù)據(jù)，訓練出可以秒級計算任意車型幾何設計的風阻系數(shù)模型，為加速汽車設計仿真提供新的方案。

NVIDIA Modulus 助力風阻預測模型實現(xiàn)

近些年，利用 AI 模型預測風阻已有很多探索，但之前的模型絕大部分未考慮太多物理信息。NVIDIA Modulus?正是基于物理的機器學習神經(jīng)網(wǎng)絡框架，其中集成了可以處理流體力學、傳熱學、結(jié)構(gòu)力學等物理問題的神經(jīng)網(wǎng)絡模型、算子等。

DNNFluid-Car 正是基于 NVIDIA Modulus，其中核心模型基于幾何信息神經(jīng)算子（Geometry-informed neural operator, GINO）網(wǎng)絡，通過純數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法實現(xiàn)對汽車表面壓力和壁面剪切應力分布的預測，進而預測相應幾何的汽車的風阻系數(shù)。GINO 網(wǎng)絡解決了以往單純卷積神經(jīng)網(wǎng)絡（CNN）和傅立葉神經(jīng)算子（FNO）難以適應大規(guī)模汽車不規(guī)則幾何外形的難題。另外，與 CNN 相比，F(xiàn)NO 具有全局感受野、高效性和網(wǎng)格無關(guān)性，這使得基于 FNO 中間層的 GINO 網(wǎng)絡具有更好的泛化性和更高的精度、計算效率及空間分辨率。

在 DNNFluid-Car 模型開發(fā)過程中，NVIDIA 和百度一起，結(jié)合 DNNFluid-Car 模型特點，基于飛槳進行了端到端的深度加速，模型訓練效果與優(yōu)化前相比，訓練速度提升了 10 倍，顯存占用降低了 50%。事實上，基于飛槳框架適配的 Modulus，能夠充分利用飛槳的高階自動微分機制和編譯優(yōu)化技術(shù)，部分案例在飛槳后端的訓練和推理效率已初步超越了 PyTorch 后端。

另外，作為純數(shù)據(jù)驅(qū)動的模型，DNNFluid-Car 模型的訓練數(shù)據(jù)為 CFD 數(shù)值模擬數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)的生成過程包括幾何生成、網(wǎng)格劃分、數(shù)值模擬和后處理。DNNFluid-Car 針對以上內(nèi)容分別進行了汽車幾何生成和修復、數(shù)據(jù)下采樣優(yōu)化。

利用 DNNFluid-Car 模型能夠?qū)崿F(xiàn)對未知車型的表面壓力預測，在?NVIDIA Tensor Core GPU?環(huán)境下，數(shù)秒內(nèi)即可得到汽車表面的壓力分布、風阻系數(shù)等關(guān)鍵信息。如果僅考慮模型推理時間，DNNFluid-Car 模型的計算速度比傳統(tǒng)數(shù)值計算的速度快至少 2-3 個數(shù)量級，有效減少了對數(shù)以千計的 CPU 計算資源的依賴。

百度杰出架構(gòu)師胡曉光表示：“DNNFluid-Car 模型充分利用了百度飛槳深度學習框架及 NVIDIA Modulus 在模型訓練和模型開發(fā)等方面的便捷性與高性能的特點，為當前快速預測汽車風阻系數(shù)提供了可行的解決方案?！?/p>

持續(xù)優(yōu)化 AI 精度和推理速度

當前，NVIDIA 和百度飛槳團隊正在攜手與高?？蒲泻推嚬I(yè)用戶共同優(yōu)化現(xiàn)有模型。提升模型在用戶實際場景下的精度和實用性要求。同時，針對模型推理與部署中計算資源需求大的問題，研發(fā)團隊基于框架推理優(yōu)化技術(shù)，也將進行模型剪枝、量化等相應的優(yōu)化，使 DNNFluid-Car 模型能更加靈活地應用到多種部署環(huán)境中。未來，結(jié)合?NVIDIA Omniverse??數(shù)字孿生平臺，可以打造交互式、實時汽車氣動力學仿真應用。