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Computersimulationen: Ganz nah an der Wirklichkeit

Schneller, kostengünstiger und besser - das sind die Gründe, warum immer häufiger am Computer simuliert wird. Sei es in der Entwicklung neuer Produkte, der Risikoberechnung oder für die Klimavorhersage. Simulationen können allerdings nur so gut sein, wie die Annahmen, die den Berechnungen zugrunde liegen.

Von Peter Ilg

Audi setzt bei Crash-Simulationen einen völlig neuen Super-Computer ein. Das ist ein Verbund aus 320 Rechnern von Hewlett-Packard, der eine Rechnerleistung von 15 Teraflops hat. Das entspricht 15 Billionen Rechenoperationen pro Sekunde. Damit handelt es sich um einen der leistungsstärksten Computer-Cluster in der Automobilindustrie und einen der 150 schnellsten weltweit. Dennoch: Abhängig von der Komplexität des simulierten Unfalls kann die Berechnung zwischen 30 Minuten und einer Woche dauern. Die gewaltige Datenmenge, die dabei verarbeitet wird, dient der Sicherheit der Fahrzeuge und ist eine deutlich günstigere Variante, als regelmäßig Autos gegen die Wand zu klatschen. Denn ein Modell des Automobilbauers durchläuft bis zum ersten physischen rund 100.000 virtuelle Crashs am Computer. Doch Simulationen dienen nicht nur der Sicherheit im Auto. Es gibt kaum mehr einen Bereich, in dem nicht simuliert wird. Tendenz: steigend.

Bei Simulationen werden Experimente an einem Modell durchgeführt, um Erkenntnisse über das reale System zu gewinnen. Die Wettervorhersage ist eine der bekanntesten Anwendungen. Das Wetter wird aufgrund unterschiedlicher Parameter wie Luftdruck, Temperatur und Feuchte berechnet. Bei einer Vorhersage bis zu drei Tagen liegt die Trefferquote bei etwa 90 Prozent. Je langfristiger die Vorhersage, umso geringer die Quote. Das Beispiel zeigt, wie abhängig brauchbare Simulationen von den getätigten Annahmen sind.

Auch Versicherungen simulieren

Die Allianz nutzt Computersimulationen in sämtlichen Geschäftsbereichen des Unternehmens, etwa bei Tarifkalkulationen in der Lebensversicherung. Einen besonderen Stellenwert nimmt sie im Bereich des Risikomanagements von Naturgefahren ein. Die Auswirkungen von Naturkatastrophen sind extrem teuer. Sie können ein Versicherungsunternehmen leicht in den Ruin treiben. Deshalb sorgt die Allianz vor und betreibt ihrerseits Risikominimierung, indem sie Teile ihres Risikos auf andere Institute wie Rückversicherungen überträgt.

Dafür werden die Gefährdungen weltweit analysiert, die aus Erdbeben, Fluten, Stürmen und anderen Naturgefahren resultieren. Einzelne Ereignisse werden anschließend in gewaltigen Simulationsszenarien abgebildet, die Rechnerei mithilfe von Computerprogrammen zig-tausendmal wiederholt, bis klar ist, welche Risikoabschätzung in welcher Region der Erde abgegeben werden sollte. Zum Schutz des Unternehmens selbst.

Alles nur Modelle

"Trotz des technischen Fortschritts darf man nicht vergessen, dass hier mit Modellen gearbeitet wird", mahnt Dr. Olaf Novak, Leiter Risikomanagement Naturgefahren bei der Allianz in München. Der Anspruch bei Simulationen von Naturkatastrophen sei nicht eine genaue Vorhersage zu machen, sondern viel mehr Wahrscheinlichkeiten zu ermitteln. Deshalb arbeiten in den Teams, die sich mit dem Thema beschäftigen, Naturwissenschaftler wie Meteorologen, Seismologen und Hydrologen. Sie können beurteilen, ob ein im Modell abgebildetes Ereignis physikalisch sinnvoll ist oder nicht. Durchgeführt werden die Simulationen dann häufig von Mathematikern mittels entsprechender Softwareprogramme. Wie wichtig Simulationen für das Unternehmen sind, zeigt schon allein die Anzahl an Mathematikern, die bei der Allianz beschäftigt sind: zurzeit sind es rund 800.

"Seit wir Menschen gelernt haben zu denken, simulieren wir unser Leben in Gedankenspielen", sagt Dr. Wolfgang Konen, Professor am Institut für Informatik an der Fachhochschule in Köln und Spezialist für Computersimulationen. Heute übernimmt der Computer häufig diese Aufgabe, weil unser Leben deutlich komplexer geworden ist. Simulationen sind eine Mischung aus Mathematik und Informatik - und ihr Ergebnis ist immer nur so gut wie die zugrundeliegenden Annahmen. In der Berechnung werden unterschiedliche Abläufe durchgespielt: Wie reagiert das Personal bei einer drohenden Kernschmelze im Atomkraftwerk, wie verhalten sich die Deiche bei steigendem Meeresspiegel?

Koppelung an virtuelle Realität

Konen geht davon aus, dass Simulationen weiter zunehmen werden: "Die Rechnerleistung ist vorhanden, und die Wirtschaft hat das Potential dieser Möglichkeiten erkannt." So kostet die Beseitigung eines Fehlers am Bildschirm nur ein Zehntel von dem, was in der realen Welt fällig wird. Die Kopplung von Simulationen mit Virtual Reality hält der Professor für wichtig, "weil nicht nur abstrakt gerechnet, sondern die Lösungen begreiflich gemacht werden sollten". Die Hannover-Messe lieferte mit ihrer digitalen Fabrik ein Beispiel dafür.

"Mit Virtual-Reality-Technologie versucht man, eine virtuelle, logisch im Computer vorliegende Umgebung über Geräte auszugeben", so Konen. Diese sollen die menschlichen Sinne stimulieren, um dem Benutzer das Gefühl zu geben, in die virtuelle Umgebung integriert zu sein. Mit Eingabegeräten kann der Benutzer in die virtuelle Realität eingreifen. So können Fabrikplaner ihre Ideen am Computerbildschirm Kosten sparend überprüfen und Alternativen ausprobieren, bevor sie in die reale Produktion gehen.