HLK-Netze mit Quantencomputern optimal auslegen

Beitrag von QuantumBasel · Erstveröffentlichung: 19. Dezember 2023

VINCI Energies hat sich zum Ziel gesetzt, der klimatischen Herausforderung durch innovative Lösungen zu begegnen, um seine Geschäftsbereiche zu transformieren und ökologischen Mehrwert zu schaffen (1). Die Teams des Unternehmens setzen Technologien ein und integrieren maßgeschneiderte, fachübergreifende Lösungen – vom Entwurf über die Umsetzung bis hin zum Betrieb und zur Instandhaltung. Mit seinen 1.900 Geschäftsstellen verbindet VINCI Energies lokale Verankerung mit einer agilen Struktur, um die Zuverlässigkeit, Effizienz und Nachhaltigkeit der Infrastruktur seiner Kunden zu verbessern und strebt dabei nach einer globalen Leistung, die dem Planeten, den Menschen und den lokalen Gemeinschaften zugutekommt.

Die Herausforderung

Beim Bau eines Gebäudes umfasst die Planung des Heizungs-, Lüftungs- und Klimatisierungsnetzes (HLK) mehrere Schritte. Einer der letzten Schritte im HLK-Planungsprozess wird als „Netzwerkgenerierung“ bezeichnet. Dieser Schritt stellt sicher, dass alle HLK-Elemente korrekt miteinander verbunden sind und gleichzeitig die Sicherheits- und Nachhaltigkeitsanforderungen erfüllt werden. Dieser Schritt ist von entscheidender Bedeutung. Er ist jedoch auch mit einem sehr hohen Rechenaufwand verbunden oder sogar unerschwinglich. Die Herausforderung besteht darin, die Planung von HLK-Kanalsystemen in Neubauten zu optimieren, indem die Kosten für die Kanalanordnung minimiert werden und gleichzeitig der erforderliche Luftstrom effizient bereitgestellt wird. Die derzeit von VINCI Energies verwendete halbautomatische Lösung ist arbeitsintensiv und kostspielig und erfordert einen erheblichen manuellen Aufwand seitens der Ingenieure.

Projektziel

Ziel dieses Projekts ist es, den manuellen Aufwand bei der Planung von HLK-Netzwerken zu reduzieren, indem eine effizientere, möglicherweise hybride quanten-klassische Lösung entwickelt wird, die die Kosten minimiert und VINCI Energies kurzfristig einen geschäftlichen Mehrwert bietet. In der Proof-of-Concept-Phase soll ein Prototyp einer Lösung erstellt werden, der Entwürfe liefert, die besser sind als die derzeitigen.

Dies wird anhand folgender Kriterien gemessen:

a) kürzere Zeit bis zur Lösungsfindung, b) maximaler Benutzerkomfort und maximale Effizienz, c) minimierte Umweltbelastung, Kraftstoffverbrauch und Emissionen, d) geringere Kosten durch einen geringeren Aufwand bei der Planung der Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik mit weniger Anschlüssen sowie einen geringeren Personal- und Rechenaufwand während der Erstellungsphase.

Kontext

1. Wir müssen in einem neuen Gebäude eine Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlage installieren.
2. Wir müssen entscheiden, wo die Leitungen verlegt werden sollen.

Ziel

Ermitteln Sie das kostengünstigste System, das den erforderlichen Luftstrom in jeden Raum gewährleistet.

Vorgehensweise

1. Wählen Sie aus einer großen Auswahl an Optionen aus, wo die Leitungen verlegt werden sollen
2. Wählen Sie die Größe der einzelnen Kanäle aus

HINWEIS: Die Erstellung von HLK-Netzwerken wurde ausgewählt, da dies für VINCI Construction einen anspruchsvollen Rechenengpass darstellt und gleichzeitig Erkenntnisse für strategische Anpassungen liefert.

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„Wir sind davon überzeugt, dass die heutige Quantentechnologie eine Schlüsselrolle bei der Gewährleistung eines optimalen und effizienten Baus und Betriebs von Gebäuden spielen kann, und freuen uns darauf, die Quantenlösungen von D-Wave zur Unterstützung dieser Bemühungen einzusetzen“ – Dr. Reinhard Schlemmer, Vorstandsmitglied bei VINCI Energies

Lösungsansatz

Als Teil der Lösung entwickelte D-Wave ein hybrides quanten-klassisches Modell, um das Problem der Auslegung des HLK-Kanalisationsnetzes von VINCI Energies zu lösen. QuantumBasel ermöglichte VINCI Energies den direkten Zugang zur Technologie von D-Wave und zu dessen Netzwerk. Dieser Ansatz nutzte die Fähigkeit des Quantencomputings, komplexe kombinatorische Optimierungsaufgaben zu lösen, indem verschiedene Konfigurationen der Kanalverlegung effizienter als mit herkömmlichen Methoden bewertet wurden. Im Mittelpunkt des Projekts stand die Nutzung der Stärken von D-Wave durch die Darstellung des Modells in Form quadratischer Formen. Im Laufe des Projekts wurden mehrere Modelle vorgeschlagen, und dasjenige, das Genauigkeit und Kosteneffizienz am besten in Einklang brachte, wurde ausgewählt und umgesetzt. Das ausgewählte Modell reduzierte den Aufwand durch die Integration verbesserter Modellierungstechniken und den Einsatz sowohl klassischer als auch quantenbasierter Rechenressourcen, um manuelle Ingenieursarbeiten zu verringern und Entwurfsparameter wie Kanallängen, Durchmesser, Verbindungen und Raumdurchquerungen zu optimieren. Bei einem repräsentativen Gebäudeplan übertraf die Lösung die bisherige halbautomatische Methode in allen Leistungskennzahlen und erzielte eine erhebliche Reduzierung der Kanalänge, was zu erheblichen Einsparungen bei Material, Baukosten und Planungszeit führte – ein Beleg für das Potenzial des hybriden quanten-klassischen Rechnens in praktischen ingenieurtechnischen Anwendungen.

Nächste Schritte

Dieser Prototyp, der im Rahmen der Proof-of-Concept-Phase entwickelt wurde, soll weiter in die Praxis umgesetzt werden. Das Projekt half VINCI Energies zudem dabei, die Machbarkeit des Einsatzes von Quantencomputern bei ähnlichen Optimierungsproblemen zu bewerten. Die gewonnenen Erkenntnisse werden VINCI Energies dabei helfen, gegebenenfalls notwendige Anpassungen an seiner übergeordneten Quantencomputer-Strategie vorzunehmen. VINCI Energies wird so in der Lage sein, weiterhin Innovationen bei der Optimierung komplexer Infrastrukturkonzepte voranzutreiben.

Detaillierte Informationen

qcPoC-Lösungen: Die qcPoC-Lösungen zeigen erhebliche Verbesserungen, die in erster Linie auf ihre Auswirkungen auf Material- und Baukosten bei gleichzeitiger Verbesserung der Ästhetik zurückzuführen sind. Durch die Optimierung dieser Faktoren erzielen die Lösungen ein kostengünstigeres und optisch ansprechenderes Ergebnis. Darüber hinaus zeichnet sich der neue Ansatz durch seine Effizienz und Skalierbarkeit aus – im Vergleich zu herkömmlichen MIP-Lösern (Mixed-Integer-Programme) (CQM-Formulierung) und Tools in der Produktion. Er identifiziert Lösungen zügig und ist damit eine potenziell robuste Wahl für größere, komplexere Projekte. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass die Leistungsgewinne noch nicht vollständig aufgeschlüsselt wurden und sich das Projekt weder auf die Leistungssteigerung mit klassischen MIP-Lösern (Mixed-Integer Programming) konzentriert noch alternative Methoden untersucht hat. So wurde im Rahmen des Projekts beispielsweise die hybride Beschleunigung, wie sie im Whitepaper „Hybrid Solvers for Quadratic Optimization“ von D-Wave beschrieben wird, nicht untersucht. Dies lässt Raum für weitere Untersuchungen und Optimierungen in diesen Bereichen, wodurch in Zukunft möglicherweise noch größere Effizienzsteigerungen und Verbesserungen erzielt werden können.