Refactoring NTNU TBM to accommodate for Monte Carlo simulation

Abstract

NTNU TBM er en webapplikasjon som har blitt utviklet i to tidligere bacheloroppgaver ved Instittuttet for datateknologi og informatikk ved NTNU (NTNU IDI). NTNU TBM er en applikasjon som implementerer NTNU tunnelboremaskin (TBM) prediksjonsmodellen utviklet av fakultetet for ingeniørvitenskap ved NTNU (NTNU IVT). NTNU TBM-modellen forutsier inndrift og kostnad ved boring av hardt berg ved hjelp av tunnelboremaskiner. Den første webapplikasjonen som implementerte denne modellen ble laget i 2017 (Røen and Farstad, 2017).

I 2023-bacheloroppgaven ble webapplikasjonen laget fra bunnen av, og var etterfølgeren av 2017-applikasjonen. Versjonen som Pedersen et al., 2023 lagde, har grunnleggende funksjonalitet for modellen. Denne funksjonaliteten inkluderer beregning av inndrift og slitasje på tunnelboremaskiner.

Vårt prosjekt er den tredje bacheloroppgaven på NTNU TBM, og er en videreutvikling av 2023-bacheloroppgaven. Vår oppgave er å bygge videre på fundamentet ved å legge til usikkerheter i modellen. Usikkerheter er viktige siden inngangsparametere i virkeligheten kan være usikre. Å ha muligheten til å legge til usikkerhet om for eksempel geologien til prosjektet, kan gi et bedre inntrykk av modellens prediksjoner i virkelige scenarier. Vår løsning oppnår dette ved å bruke Monte Carlo simulering for å prøve mange mulige utfall.

De tidligere bachelorprosjektene på NTNU TBM valgte å skape noe nytt fra bunnen av. I vårt prosjekt prøver vi en annen tilnærming. Gjennom literaturstudie om overtakelse av eksisterende systemer og refaktorering, utarbeider vi en strategi for å refaktorere, utvide og tilpasse den eksisterende koden til å implementere ny funksjonalitet. Ved å bruke en tilnærming der vi kan gjenbruke så mye kode som mulig, streber vi etter å skape en bærekraftig plattform for fremtidige utviklere av NTNU TBM. Vi diskuterer også de brukte refaktoreringsstrategiene, en prosess som kan være nyttig både for NTNU TBM-utviklere og andre utviklere som tilpasser og jobber med eksisterende løsninger.

I tillegg fikser vi eksisterende implementasjonsfeil i modellen gjennom metodologier basert på testing. Til slutt setter vi opp applikasjonen for produksjonsbruk, og gjør applikasjonen fritt tilgjengelig for personer innen TBM-industrien.

NTNU TBM is a web application that has been developed in two previous B.Sc at the Department of Computer Science at NTNU (NTNU IDI). NTNU TBM is an application that implements the Norwegian University of Science and Technology (NTNU) tunnel boring machine (TBM) prediction model, developed by the Faculty for Engineering at NTNU (NTNU IVT). The NTNU TBM model predicts advance rate and cost of hard rock tunnel boring using TBMs. The first web application that implemented this model was created in 2017 (Røen and Farstad, 2017).

In the 2023 B.Sc, the application was created from the ground up, creating the successor to the 2017 application. The version that Pedersen et al., 2023 created, has basic functionality of the model. This functionality includes calculating advance rate and wear on the TBM.

Our project is the third B.Sc on the NTNU TBM and builds upon the foundation created in 2023 by add uncertainties to the model. Uncertainties are important since input parameters might not be known exactly. Having the ability to add uncertainty on for example the geology of the project, can give a better insight of the model predictions in real world scenarios. Our solution achieves this by using Monte Carlo simulation to sample many possible outcomes.

The previous NTNU TBM bachelor projects mostly focused on creating something new from the ground up. In our project we try to take a different approach. Through literature review on taking over an existing system and refactoring, we devise a strategy to refactor, extend and adapt the existing code to implement new features. By using an approach where we can re-use as much code as possible, we strive to create a sustainable platform for future developers of NTNU TBM. We also discuss the refactoring strategies used, a process that can be both helpful for NTNU TBM developers, and other developers adapting and working on existing solutions.

We also fix preexisting implementation errors and implement new additions to the model through methodologies relying on testing. Finally, we set up the application for production use, making the application freely accessible for people within the TBM industry.