Was ist Simulation?

Was bedeutet Simulation?

Eine Simulation ist ein Modell, das die Funktionsweise eines bestehenden oder geplanten Systems nachahmt und durch die Möglichkeit, verschiedene Szenarien oder Prozessänderungen zu testen, Entscheidungsgrundlagen liefert. Dies kann mit Virtual-Reality-Technologien gekoppelt werden, um ein noch intensiveres Erlebnis zu schaffen.

Simulationen können eingesetzt werden, um die Leistung zu verbessern, einen Prozess zu optimieren, die Sicherheit zu erhöhen, Theorien zu testen, Personal zu schulen und sogar zur Unterhaltung in Videospielen! Die wissenschaftliche Modellierung von Systemen ermöglicht es dem Benutzer, einen Einblick in die Auswirkungen verschiedener Bedingungen und Vorgehensweisen zu gewinnen.

Simulationen können auch dann eingesetzt werden, wenn das reale System nicht zugänglich oder zu gefährlich ist, um es zu beurteilen, oder wenn sich ein System noch in der Entwurfs- oder Theoriephase befindet.

Der Schlüssel zu jeder Simulation sind die Informationen, die zur Erstellung des Simulationsmodells verwendet werden, und die Protokolle für die Überprüfung und Validierung von Modellen werden immer noch erforscht und verfeinert, insbesondere im Hinblick auf die Computersimulation.

Wie funktioniert die Simulation?

Die Simulation funktioniert durch den Einsatz einer intuitiven Simulationssoftware zur Erstellung eines visuellen Modells eines Prozesses. Diese visuelle Simulation sollte Details zu Zeitabläufen, Regeln, Ressourcen und Beschränkungen enthalten, um den realen Prozess genau wiederzugeben.

Dies kann auf eine Reihe von Szenarien angewandt werden, z. B. können Sie einen Supermarkt und das wahrscheinliche Verhalten der Kunden modellieren, wie sie sich durch den Laden bewegen, wenn er voller wird. Dies kann als Entscheidungsgrundlage für den Personalbedarf, die Gestaltung der Verkaufsräume und die Anforderungen an die Lieferkette dienen.

Ein anderes Beispiel wäre eine Fertigungsumgebung, in der verschiedene Teile der Fertigungslinie simuliert werden können, um zu beurteilen, wie ihre Prozesse mit denen anderer Bereiche interagieren. Auf diese Weise lässt sich ein Überblick über die Leistung des gesamten Systems gewinnen, um innovative Methoden zur Leistungsverbesserung zu entwickeln.

Vorteile

Der Einsatz von Simulationen bringt eine Reihe von Vorteilen mit sich, darunter:

1. Geringeres finanzielles Risiko

Simulationen sind weniger kostspielig als reale Experimente. Die potenziellen Kosten für die Erprobung von Theorien über Systeme in der realen Welt können die Kosten für die Umstellung auf ein nicht erprobtes Verfahren, die Einstellung von Personal oder sogar den Kauf neuer Ausrüstung umfassen. Die Simulation ermöglicht es Ihnen, Theorien zu testen und kostspielige Fehler in der Realität zu vermeiden.

2. Exakte, wiederholbare Tests

Mit einer Simulation können Sie verschiedene Theorien und Innovationen immer wieder unter genau denselben Bedingungen testen. Das bedeutet, dass Sie verschiedene Ideen gründlich testen und vergleichen können, ohne dass es zu Abweichungen kommt.

3. Langfristige Auswirkungen untersuchen

Mit einer Simulation können Sie einen Blick in die Zukunft werfen, indem Sie die Auswirkungen jahrelanger Nutzung in nur wenigen Sekunden genau modellieren. Auf diese Weise können Sie sowohl die kurz- als auch die langfristigen Auswirkungen sehen, so dass Sie jetzt fundierte Investitionsentscheidungen treffen können, die Ihnen auch noch Jahre später Vorteile bringen.

4. Einblicke für Prozessverbesserungen gewinnen

Die Vorteile der Simulation zeigen sich nicht erst am Ende eines Projekts. Durch das Testen verschiedener Theorien können Verbesserungen in den gesamten Prozess integriert werden.

5. Bewertung von Zufallsereignissen

Eine Simulation kann auch verwendet werden, um zufällige Ereignisse wie unerwartete Personalausfälle oder Probleme in der Lieferkette zu bewerten.

6. Nicht-Standardverteilungen testen

Eine Simulation kann wechselnde und nicht standardisierte Verteilungen berücksichtigen, anstatt nur festgelegte Parameter zu wiederholen. Wenn Sie beispielsweise einen Supermarkt simulieren, können Sie verschiedene Kundentypen eingeben, die sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit durch den Laden bewegen. Eine junge Geschäftsfrau, die ein Sandwich kauft, wird sich anders durch den Laden bewegen als ein altes Ehepaar oder eine Mutter, die ihren Wocheneinkauf mit zwei Kindern im Schlepptau erledigt. Durch die Berücksichtigung solcher wechselnden Parameter kann eine Simulation die reale Welt besser nachahmen.

7. Ermutigung zu vertieftem Denken

Schon der Prozess der Entwicklung einer Simulation und der Festlegung der verschiedenen Parameter kann Lösungen bieten. Wenn man über einen Prozess oder ein Verfahren gründlich nachdenkt, kann man Lösungen oder Innovationen finden, ohne die endgültige Simulation zu verwenden.

8. Verbesserung der Akzeptanz durch Stakeholder

Eine visuelle Simulation kann auch dazu beitragen, die Akzeptanz bei Partnern, Mitarbeitern und Interessengruppen zu verbessern. Sie können die Ergebnisse von Prozessänderungen und die Art und Weise, wie sie erreicht wurden, visuell darstellen und so das Engagement interessierter Parteien verbessern oder sogar ein simulationsbasiertes Verkaufsgespräch ermöglichen.

Einschränkungen

Obwohl der Einsatz von Simulationen viele Vorteile bietet, gibt es im Vergleich zu anderen ähnlichen Techniken und Technologien, wie dem digitalen Zwilling, einige Einschränkungen.

Ein digitaler Zwilling erweitert die Simulation um Echtzeit-Feedback und einen Informationsfluss zwischen der virtuellen Simulation und einer oder mehreren realen Anlagen. Der Unterschied besteht darin, dass eine Simulation theoretisch ist, während ein digitaler Zwilling real ist.

Aus diesem Grund sind Simulationen nur bedingt geeignet, Situationen in der realen Welt zu beurteilen, wenn sie auftreten.

Warum wird die Simulation eingesetzt?

Simulationen werden eingesetzt, um die Auswirkungen von Prozessänderungen, neuen Verfahren und Investitionen in Anlagen zu bewerten. Ingenieure können mit Hilfe der Simulation die Leistung eines bestehenden Systems bewerten oder die Leistung eines geplanten Systems vorhersagen und dabei alternative Lösungen und Designs vergleichen.

Die Simulation wird als Alternative zum Testen von Theorien und Änderungen in der realen Welt eingesetzt, was kostspielig sein kann. Mit der Simulation lassen sich Faktoren wie Systemzykluszeiten, Durchsatz bei unterschiedlichen Belastungen, Ressourcenauslastung, Engpässe und Engstellen, Lagerbedarf, Personalbedarf, Wirksamkeit von Planungs- und Kontrollsystemen messen.

Was kann simuliert werden?

Jedes System oder jeder Prozess mit einem Fluss von Ereignissen kann simuliert werden. Generell gilt: Wenn Sie ein Flussdiagramm des Prozesses zeichnen können, können Sie ihn simulieren. Am effektivsten ist die Simulation jedoch bei Prozessen oder Anlagen, die sich im Laufe der Zeit ändern, d.h. wann sie variable Faktoren oder zufällige Eingaben haben. In unserem Supermarkt von vorhin gibt es zum Beispiel variable und zufällige Faktoren, die sich aus den Nutzungszeiten der Kunden, dem Bedarf und den Beständen ergeben.

Der Einsatz der Simulation zur Modellierung komplexer und veränderlicher dynamischer Systeme kann Einblicke bieten, die mit anderen Methoden nur schwer zu gewinnen sind.

Während die Simulation zur Verwaltung von Prozessen, Verfahren und Vermögenswerten eingesetzt werden kann, hat der schwedische Philosoph Nick Bostrom den Begriff der Simulation in seinem 2003 erschienenen Aufsatz „Are You Living in a Computer Simulation?“ weiter gefasst. Er argumentiert, dass durch die Hinzufügung eines künstlichen Bewusstseins zu Simulationen die Grenzen zwischen Realität und Simulation verwischt werden können, so dass es schwierig ist, zu erkennen, ob man in der Realität oder in einer Simulation lebt. Diese Simulationshypothese besagt, dass Ihre Erinnerungen von der Simulation bearbeitet werden könnten, wenn Sie merken, dass Ihre „Realität“ nicht wirklich „real“ war, so dass Sie sich nicht mehr bewusst sind, dass Sie eigentlich keine reale Person in der realen Welt sind!

Verlassen wir nun den Bereich der post-menschlichen Simulation und kehren wir zu einigen Simulationsarten der „realen Welt“ zurück...

Arten der Simulation

Simulationen lassen sich in drei übergreifende Arten unterteilen, und zwar wie folgt

1. Diskrete Ereignissimulation

Modellierung eines Systems im Laufe der Zeit, z. B.:

• Fabrikbetrieb (Stanzen, Drehen, Fräsen)
• Verkehrsanalyse (Straßen, Netzwerke, Warteschlangen)

2. Dynamische Simulation

Modellierung eines Systems in seinem räumlichen Verlauf, z. B.:

• Maschinenkinematik
• Menschliche Ergonomie
• Aerodynamische Tests
• Virtuelles Prototyping

3. Prozess-Simulation

Modellierung physikalischer Wechselwirkungen zwischen zwei oder mehreren Systemen, z. B.:

• Modellierung von in Betrieb befindlichen Produkten
• Modellierung von Produkten während der Herstellung
• Wettervorhersage

Beispiele

Es gibt viele Beispiele für Simulationen in der Industrie, in der Unterhaltung, im Bildungswesen und in anderen Bereichen. Hier sind ein paar bemerkenswerte Beispiele (alphabetisch sortiert):

Automobilindustrie

Die Simulation ermöglicht es, die Eigenschaften eines echten Fahrzeugs in einer virtuellen Umgebung nachzubilden, so dass der Fahrer das Gefühl hat, in einem echten Auto zu sitzen. Verschiedene Szenarien können nachgeahmt werden, so dass der Fahrer ein umfassendes Erlebnis hat. Diese Fahrsimulatoren können sowohl neue als auch erfahrene Fahrer ausbilden und bieten eine Möglichkeit, Fahrfertigkeiten zu vermitteln, die die Wartungs- und Kraftstoffkosten senken und die Sicherheit der Fahrer selbst gewährleisten können.

Biomechanik

Die Simulation kann in der Biomechanik zur Erstellung von Modellen menschlicher oder tierischer anatomischer Strukturen eingesetzt werden, um deren Funktion zu untersuchen und medizinische Behandlungen und Geräte zu entwickeln. Die biomechanische Simulation kann auch zur Untersuchung sportlicher Leistungen, zur Simulation chirurgischer Eingriffe und zur Bewertung von Gelenkbelastungen eingesetzt werden. Ein weiteres Beispiel ist die neuromechanische Simulation, die die Simulation neuronaler Netze mit der Biomechanik verbindet, um Hypothesen in einer virtuellen Umgebung zu testen.

Digitales Lebenszyklusdesign

Simulationen können bei der Produktentwicklung helfen, indem sie digitales Prototyping und Tests ermöglichen, um leistungsfähigere Produkte mit einer kürzeren Markteinführungszeit zu entwickeln und gleichzeitig den Lebenszyklus des fertigen Produkts zu bewerten.

Ergonomie

Die Simulation kann zur Analyse virtueller Produkte und Arbeitsumgebungen eingesetzt werden, die eine anthropometrische virtuelle Darstellung des Menschen, auch bekannt als Mannequin oder Digital Human Model (DHM), enthalten. Diese DHMs können die Leistungen und Fähigkeiten von Menschen in simulierten Umgebungen nachahmen. Diese Art der Simulation findet Anwendung von Fließbändern über Katastrophenmanagement und Videospiele bis hin zur Müllabfuhr.

Flugsimulation

Flugsimulatoren werden seit Jahren für die Ausbildung neuer Piloten in einer sicheren Umgebung eingesetzt. So können Piloten nicht nur sicher beurteilt werden, sondern auch Instrumentenausfälle und andere Probleme getestet werden, ohne den Piloten, den Ausbilder oder das Flugzeug zu gefährden. Außerdem lassen sich dieselben Szenarien, wie z. B. der Landeanflug auf eine Landebahn, unter anderen Bedingungen leicht wiederholen, ganz zu schweigen von den Einsparungen an Treibstoff und anderen Kosten im Vergleich zur tatsächlichen Flugzeit.

Katastrophenschutz

Mit Hilfe von Simulationen können Notfallsituationen nachgestellt werden, um die Katastrophenvorbereitung zu unterstützen, d. h. die Schulung und Planung von Reaktionen auf Ereignisse wie Naturkatastrophen, Pandemien oder Terroranschläge. Die Reaktionen können in der Simulation nachverfolgt und bewertet werden, um potenzielle Probleme und Bereiche aufzuzeigen, in denen die Einsatzkräfte noch weiter geschult werden müssen, und um sicherzustellen, dass Fehler in einer sicheren Umgebung vor einem realen Ereignis gemacht werden.

Militärische Anwendungen

Militärische Simulationen werden manchmal auch als „War Games“ (Kriegsspiele) bezeichnet und dienen dazu, militärische Pläne in einer virtuellen Umgebung anhand von Computermodellen zu testen. Sie können auch soziale und politische Faktoren einbeziehen und werden von Regierungen und militärischen Organisationen auf der ganzen Welt eingesetzt.

Netzwerksysteme

Simulationen werden bei Netzwerken und verteilten Systemen eingesetzt, um neue Algorithmen und Protokolle zu testen, bevor sie in reale Systeme implementiert werden. Diese können auf Anwendungen wie Content-Delivery-Netze, intelligente Städte und das Internet der Dinge angewendet werden.

Produktionssysteme

Produktionssysteme können mit Methoden wie der diskreten Ereignissimulation simuliert werden, um Fertigungsprozesse, Montagezeiten, Maschineneinstellungen und vieles mehr zu bewerten.

Projektverwaltung

Simulationen können für Projektmanagementanalysen und Schulungszwecke eingesetzt werden. Ob es um die Schulung von Managern oder die Analyse der Ergebnisse verschiedener Entscheidungen geht, Simulationen werden häufig mit Softwaretools durchgeführt.

Robotik

Mit Hilfe von Robotersimulationen werden Situationen nachgeahmt, die in der Realität aus Zeit-, Kosten- oder anderen Gründen nicht nachgestellt und getestet werden können. Die Ergebnisse dieser Tests können dann bewertet und auf reale Roboter übertragen werden.

Satelliten und Raumfahrt

Das Kennedy Space Centre setzte Simulationen ein, um Space-Shuttle-Ingenieure für Startvorgänge zu schulen. Dabei interagieren die Teilnehmer mit einer simulierten Raumfähre und der Bodenausrüstung. Simulationen werden auch für Satellitennavigationstests eingesetzt.

Sport

Statistiken werden im Rahmen von Sportsimulationen häufig verwendet, um den Ausgang von Veranstaltungen und die Leistung einzelner Sportler vorherzusagen. Sportsimulationen können auch zur Vorhersage des Ausgangs von Spielen und Veranstaltungen sowie für Fantasy-Sportligen verwendet werden. Biomechanische Modelle können auch zur Unterstützung des Trainings, zur Bewertung von Ermüdungszuständen und deren Auswirkungen auf die Leistung und mehr verwendet werden.

Stadtplanung

Mit Hilfe von Simulationen lassen sich neue Städte und städtische Umgebungen entwerfen, aber auch testen, wie sich bestehende städtische Gebiete infolge politischer Entscheidungen entwickeln können. Dazu gehören auch die städtische Infrastruktur und der Verkehrsfluss sowie andere mögliche Modelle.

Technische Systeme

Simulationen werden häufig für technische Systeme eingesetzt, um den Betrieb und die Funktionen von Geräten, Prozessen und Verfahren nachzuahmen. Bei technischen Simulationen können mathematische Modelle und computergestützte Simulationen zum Entwurf oder zur Verbesserung bestehender Prozesse kombiniert werden.

Vertrieb

Der Vertrieb kann simuliert werden, um den Ablauf von Transaktionen und Kundenaufträgen sowie Kosten, Arbeitszeiten und vieles mehr zu untersuchen.

Wasserfahrzeuge

Ähnlich wie bei der Flugsimulation ist es auch möglich, die Arbeit auf einem Schiff oder U-Boot zu simulieren. Zu den Simulatoren gehören solche, die die Brücke, die Maschinenräume, die Ladebuchten, die Kommunikation oder ferngesteuerte Fahrzeuge nachbilden. Diese werden in Ausbildungseinrichtungen, Hochschulen und bei der Marine eingesetzt.

Wetter

Bei der Wettervorhersage werden Simulationen auf der Grundlage von Daten aus der Vergangenheit verwendet, um extreme Wetterbedingungen wie Wirbelstürme oder Zyklone vorherzusagen.

Wirtschaft und Finanzen

Auch die Bereiche Wirtschaft, Makroökonomie und Finanzen profitieren von Simulationen. Ein mathematisches Modell der Wirtschaft kann beispielsweise anhand historischer Daten als Ersatz für die tatsächliche Wirtschaft getestet werden. Auf diese Weise lassen sich Inflation, Arbeitslosigkeit, Handelsbilanz und Haushalte bewerten, und Simulationen können die Börse nachbilden oder Finanzmodelle testen. Auch Banken nutzen Simulationen, um Zahlungs- und Wertpapierabwicklungssysteme nachzubilden.

 

Fazit

Simulationen werden für eine Reihe von Anwendungen in der gesamten Industrie eingesetzt. Sie sparen Zeit und Kosten und ermöglichen es, Theorien und Ideen zu testen, bevor sie in der realen Welt umgesetzt werden. Obwohl verwandte Techniken wie der digitale Zwilling aufgrund des dadurch ermöglichten wechselseitigen Informationsflusses zusätzliche Vorteile bieten, haben Simulationen nach wie vor eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten.

Ob es um das Testen von Theorien, die Bewertung von Verfahrensleistungen oder die Bestimmung des Lebenszyklus einer Anlage geht, Simulationen sind für viele Unternehmen und Organisationen ein nützliches Werkzeug.