Simulationen

1.Definition:

Eine Simulation ist die Nachbildung eines physikalischen Vorgangs oder Objekts durch ein Programm. Dabei werden mathematische Methoden eingesetzt, um ein Computersystem auf Daten und Veränderungen von Bedingungen ebenso reagieren zu lassen, als handle es sich um den Vorgang oder das Objekt selbst.

2.Modelle:

Drahtmodell:

Ein Drahtmodell ist eine Darstellung dreidimensionaler Objekte mittels einzelner Linien, die wie bei einem Drahtgitter miteinander verbunden sind.

Zweidimensionales Modell:

Dies ist eine Computersimulation eines räumlichen Objekts, bei der Länge und Breite reale Attribute darstellen, nicht jedoch die Tiefe. Ein Modell mit  x- und y-Achsen.

Dreidimensionales Modell:

Dies ist die Computersimulation eines realen Objekts, wobei Länge, Breite und Tiefe echte Attribute sind. Im allgemeinen bezeichnet dieser Begriff ein Modell mit x, y und z-Achsen, das sich drehen läßt, um unterschiedliche Betrachtungswinkel zu realisieren.

Volumenmodell:

Dies ist eine geometrische Form oder Konstruktion mit Längen-, Breiten- und Tiefenausdehnung, die von einem Programm so behandelt wird, als würde sie sowohl eine Oberfläche, als auch eine innere Substanz aufweisen.

3.Modellierung:

Die Modellierung ist der Einsatz von Computern für die Beschreibung des Verhaltens eines Systems.

Im CAD-Bereich bezeichnet der Ausdruck den Einsatz von Computern zur Beschreibung von Objekten und der räumlichen Beziehung dieser Objekte untereinander. Mit CAD-Programmen lassen sich z.B. Bildschirmdarstellungen von Objekten wie Werkzeuge, Bürogebäude, komplexe Moleküle oder Autos erstellen. Geometrische Modelle stützen sich auf Gleichungen, um Linien, Kurven und andere Figuren zu erzeugen und diese Formen in genauer Beziehung untereinander und zu dem Raum anzuordnen, in dem sie gezeichnet werden.

4.Künstliches Leben:

Dieser Zweig der Informatik beschäftigt sich mit der Nachbildung bestimmter Aspekte des Verhaltens lebender Organismen. Künstliches Leben schließt Systeme ein, in denen Programme versuchen, bestimmte Aufgaben im Wettbewerb mit anderen Programmen durchzuführen, wobei sich ein Erfolg positiv auf die eigene Reproduktion auswirkt. Die Nachkommen sind die Reproduktion des Vorgänger-Programmcodes, in den zufällige Abweichungen eingebaut werden, so daß die Reproduktion einem ständigen Wandel unterworfen ist. Die Programme treten dabei so lange mit immer neuen Modifikationen in Verbindung, bis eine Lösung gefunden ist.

5.Grundbegriffe:

Headtracker:

Der ,Headtracker' erfaßt alle Bewegungen, die von einer mit Sensoren gespickter Mütze ausgehen, die sich der Anwender aufsetzen muß. Er stellt sicher. daß im Rückspiegel immer das dargestellt wird, was der Fahrer gerade sehen würde.

Echtzeit:

Das Sichtfeld muß  mit der Bewegungsrichtung und der Geschwindigkeit übereinstimmen, das heißt, wenn der Benutzer den Steuerhebel nach links bewegt, muß sich das Sichtfeld im selben Augenblick analog ändern. Doch nur superschnelle Computer können diese Aufgabe meistern, denn sie müssen alle zwanzig Millisekunden ein neues Bild berechnen.

5.Anwendungen:

U-Boot-Simulator:

Dies war der Vorläufer für die moderne Computersimulation, der 1975 für militärische Zwecke gebaut wurde.

Flugsimulator:

Das Grundgerüst dieses Simulators liegt wie bei allen Trainings-Simulatoren in den hydraulischen Beinen und der Fahrerkabine. In diesem Fall ruht die Pilotenkabine auf sechs hydraulischen Beinen, die für die drei Flugzeugachsen und ihre Bewegungen mit den sogenannten sechs Freiheitsgraden zuständig sind. Das Cockpit kann also nicht nur vor und zurück, nach rechts, links, oben und unten schaukeln, sondern auch um seine Achsen rollen, sowie Kipp- und Nickbewegungen ausführen. Bei Bewegungen der Kolbenstangen der Zylinder läßt sich das Gleichgewichtssystem des Menschen überlisten, wodurch Unwetter, Start, Landung und dergleichen vorgetäuscht werden.

Damit auch das Sichtsystem so realistisch wie möglich ist, wird das Computer Generated Image (CGI) verwendet, denn es soll ein möglichst übergangsloses, plastisches und tiefenscharfes Bild aufgebaut werden. Dies ist mit einem federleichten Hohlspiegel vor den Cockpitfenstern gelungen. Drei Monitore auf dem Dach des Simulators werfen das Bild darauf, wobei der Strahlengang so perfekt ist, daß sich sogar der Entfernungsmesser überlisten läßt.

LKW-Verkehrs-Trainingssimulator:

Der LVTS wird von zwei Rechnersystemen gesteuert, wodurch die Scheinwelt der Wirklichkeit so natürlich wie möglich nachgebildet wird. Das eine System ist der ,Headtracker', der die Kopfbewegungen des Fahrers erfaßt und sie an den Rechner weiterleitet und das andere Rechnersystem erfaßt über Sensoren an Pedalen, Lenkrad und Schalthebel alle Aktionen des Fahrers und sorgt für die entsprechenden Reaktionen des digitalen Sichtsystem DISI 4. Doch ohne die Hydraulik wäre auch dieser Simulator nicht vollkommen.

Schiffsführungs- und Simulationsanlage:

Das Herzstück dieser Anlage ist eine acht mal acht Meter große, originalgetreu ausgestattete Schiffsbrücke, von der die Besatzung eine Rundsicht von 250 Grad hat. Elf Video-großbildprojektoren werfen vom Dach der Brücke das computererzeugte Bild der Außenwelt auf die kreisförmig gebogene Leinwand und durch die Hydraulik und das ,Crash-Programm' wird die künstliche Welt immer realistischer. Das ,Crash-Programm' sorgt bei stürmischer See für ohrenbetäubendes Krachen und bringt die Brücke ins Wackeln.

Feuerwehr-Simulator:

Bei dieser Art der Simulation ist die Virtual Reality ein wichtiger Bestandteil. Virtual Reality ist eine vom Rechner erzeugte dreidimensionale Kunstwelt, die zwar nur in den Regelkreisen der Chips funktioniert, aber für den Benutzer tatsächlich erfahrbar ist. Dazu muß man sich jedoch richtig kleiden: Wichtigstes Utensil ist eine Art High-Tech-Maske, die man sich über den Kopf stülpt. Diese Kombination aus Helm und Brille schaltet die Wahrnehmung der realen Umgebung aus. Eingebaut sind Stereokopfhörer und zwei winzige Farbmonitore. Darauf erscheinen bewegte Bilder aus dem Computer, die mit Speziallinsen vor die Augen des Betrachters projiziert werden. Der Trick, der die dreidimensionale Welt ,real' erscheinen läßt, wird vom ,Headtracker' auf dem Helm erzeugt: dreht man den Kopf, so verändern sich blitzschnell die Bilder der Kunstwelt. Gleichzeitig hört man aus den Kopfhörern die passenden Geräusche. Den ,Dataglove', ein verkabelter Datenhandschuh, benötigt man, um Gegenstände und Personen scheinbar anzufassen und zu bewegen.

Nuklearkraftwerk-Simulator:

In dieser originalgetreuen Nachbildung der Leitwarte einer 1300-Megawatt-Anlage, kann man Hunderte unterschiedlicher Zwischenfälle solange durchspielen, bis das Personal sie routinemäßig beherrscht.

Vegetations-Simulation:

Hierbei wird das natürliche Leben der Pflanzen im Computer nachgeahmt. Aus der Zahl der Blüten, dem Prozentsatz der Blütenstände, die später Früchte tragen werden und aus der Wachstumsgeschwindigkeit, lassen sich zum Beispiel Vorhersagen über den Nutzen einer Art machen. Dieses Resultat ermöglicht es dann, ertragreichere Sorten gezielter als bisher zu züchten.

Berechnungen bei Risiko-Geburten:

Nach Eingabe der Beckenmaße der Frau sowie der Größe des Kindes, entsteht nach zweistündiger Rechenzeit im Supercomputer Cray Y-MP 132 ein dreidimensionales Bild von den, während der Geburt, bei Mutter und Kind auftretenden Kräften.

Anwendungen in der Medizin:

Der Chirurgie-Simulator ermöglicht es, einen virtuellen Körper mit virtuellen Instrumenten zu operieren und dient somit als Übungsplatz und Planungsmöglichkeit für gefährliche Eingriffe.

Auch Biochemikern kann bei der Entwicklung neuer Arzneimittel geholfen werden: Er dreht und wendet ein simuliertes Molekül per Datenhandschuh solange, bis es einwandfrei in ein Rezeptor-Protein hineinpaßt.

Telepräsenz:

Dies ist ein Projekt der Weltraumbehörde NASA, der einen Roboter auf fremden Sternen laufen läßt, welcher von einem ,Cybernauten' auf der Erde mit Hilfe von Datenbrille und Datenhandschuh synchron bewegt wird. Dabei sieht und hört der lenkende Mensch alles so, als sei er selbst die Maschine.

Diese moderne Fernsteuerung, kann auch dazu dienen, den Meeresboden in großer Tiefe zu erkunden, die Entsorgung von Giftmüll zu lösen oder verstrahlte Kernkraftwerke zu reparieren.

Weitere Anwendungen:

Weitere Einsatzmöglichkeiten von Simulatoren sind in der Architektur, Stadtplanung, Landschaftsgärtnerei, in der Erstellung des eigenen Traumhauses und vielem mehr.