Vorteil und Nutzen von Computersimulationen im 21. Jahrhundert

Der konkrete Nutzen von Computersimulationen wird immer fassbarer. Ein enormes Potential liegt bisher noch brach, aber die Voraussetzungen stehen ausgezeichnet, um es gewinnbringend auszuschöpfen. Simulations-Experte Dr. Schuler nennt Trends und Beispiele.

Computersimulation sollte man heute nicht mehr an einer einzigen, konkreten Situation festmachen, denn das Thema ist sehr interdisziplinär geworden. In einer Vielfalt von Verfahren und Modellen, in fast allen Wissenszweigen haben sich Computersimulationen etabliert: von «Aerodynamik» bis «Zugfahrplan» liesse sich sofort eine lange alphabetische Liste erstellen.

Unterscheiden wir der Einfachheit halber drei bestehende Simulations-Bereiche und nennen exemplarisch einige Beispiele:

• Abbildung, Visualisierung, Imagination
  z.B. Architekturmodelle, Wissensvermittlung (auch Simulatorentraining), Unterhaltungsindustrie
• Konstruktion oder Synthese
  z.B. Brückenbau, Maschinenbau, Pharmakologie
• Optimierung
  z.B. Aerodynamik, Logistik- und andere Prozesse, Versicherungsmodelle

Zunächst waren Anwendungen statisch, was allein mit der vorhandenen Rechenleistung erklärt werden kann. Um die Belastbarkeit einer neuen Brücke zu rechnen, reicht es, wenn die Brücke als Kräfteverlaufsgitter gerechnet und nicht noch ästhetisch dargestellt wird. Ein Architekt konnte vor zwanzig Jahren mit einzelnen Modell-Bildern eines Hauses beeindrucken, heute sind dazu raffinierte fotorealistische Montagen oder belebte Videobilder angesagt.

Oder die Modelle waren stark vereinfacht, oder die Grundlagen wie die messbaren Daten nicht vorhanden. Heute sind viele Messungen, dank Lasern, Satelliten, Computertomographen etc. selbstverständlich, von denen man Anfang des letzten Jahrhunderts nicht mal zu träumen gewagt hätte. Viele solche Apparate tragen zu einer ausreichenden Datenbasis für Start-Modelle für Simulationen bei.

Wohin diese Entwicklung führte und weiterhin führen wird, zeigt folgender universeller Ablauf, der sich nun in vielen Branchen wiederholt oder wiederholen wird:

Entwicklung von Computersimulationen

Die Folge davon sind heute zuverlässigere Wettervorhersagen - besonders für mehrere Tage - als noch vor zwanzig Jahren.

Der Nutzen dabei ist offensichtlich: «Eine zuverlässige Prognose ermöglicht bessere Entscheide und erspart Folgekosten von Fehlentscheiden!»

Doch wie gelangt man mit Computersimulationen zu erfolgversprechenden, das heisst korrekten Prognosen? Jede Simulation basiert auf einem Modell. Das Modell soll die Realität abbilden und vorhersagen können. Würde jemand ein immerwährend korrektes Modell für die Aktienkurse an der Börse finden, er könnte heute der reichste Mann der Welt sein - doch so einfach ist das eben nicht.

«Komplexe Probleme kann man nicht mit einfachen Modellen lösen.»

Ein steiniger, aber Erfolg versprechender Weg ist, dem Modell zunächst die nötige Tiefe zu geben! Gelingt es, mit erhöhter Rechenleistung und dynamischer Computersimulation in zeitliche oder anderweitig messbare Dimensionen vorzustossen, ist ein Abgleich mit der realen Welt möglich, d.h. das Modell kann fortwährend und interaktiv verbessert werden! Das Modell würde dann dazulernen, was die Simulation falsch prognostiziert hat und in Zukunft korrigieren muss.

Manchmal ist die Evaluation von in Realität einmaligen Ereignissen nur mit einer Simulation sinnvoll. Manchmal ist ein simulierbares Experiment in Realität kein einziges Mal durchführbar, da viel zu gefährlich. Eine derartige Simulation kann eine Menge nützlicher Informationen über Sicherheitsgrenzen preisgeben.

Das immense, sich erweiternde Potential sehen wir daher wie folgt: Computersimulationen stossen weiter in prognostische Dimensionen vor und helfen Kosten sparen!

Was wäre wenn?

Zukünftige Simulationen und Modelle werden die Was-wäre-wenn? Fragestellung erlauben und simulieren können, welche Konsequenzen Starkniederschläge, Stromunterbrüche oder Stresshormone haben und auf dem Tablett darreichen, wo der Hebel anzusetzen ist, noch bevor eine Katastrophe bereits passiert!

Ein Unwetter wie im August 2005 in der Schweiz mit 2,6 Mia. Folgekosten könnte sich so zwar immer noch gleichermassen abspielen, da wohl auch in Zukunft niemand Starkniederschläge vertreiben kann. Jedoch scheint es möglich, die Wasserhaushalte der Böden und Fliessgewässer zu simulieren, immer einen Schritt im voraus diverse Gefahrenlagen und Konsequenzen zu berechnen und zu betrachten und eine grössere Zahl der Infrastruktur und Bevölkerung konkret und korrekt zu alarmieren. Bildlich gesprochen stehen die Sandsäcke bereits und die Häuser sind evakuiert, bevor es für Betroffene zu spät ist.

Versicherungen und jeder Betroffene könnten davon enormen Nutzen ziehen.

Dr. Lukas Schuler
Geschäftsführer
xirrus GmbH

Dr. Schuler ist promovierter Naturwissenschafter und Inhaber eines didaktischen Fähigkeitsausweises der ETH Zürich. Er simulierte in der Physikalischen Chemie verschiedene Lipidaggregate auf molekularer Ebene und verbesserte das dazu eingesetzte Modell massgeblich. Er sammelte vier Jahre Erfahrung im Internet- und Webbereich als Mitinhaber der unabhängigen Firma xirrus GmbH, welche nun ihre Tätigkeit wiederum auf den Bereich Computersimulation fokussiert.

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