Wie können uns Simulationen bei der Entwicklung komplexer Systeme helfen?

Die Digitalisierung bringt ohne Frage viele Vorteile mit sich – sie hält aber auch neue Herausforderungen für uns bereit. Kombinierte Simulationen auf verschiedenen Ebenen, vom Gesamtsystem bis zur Komponente, sollen Antworten für Was-passiert-wenn-Fragen geben, die viele Variablen beinhalten, die sich gegenseitig beeinfl ussen. Solche Fragen tauchen beispielsweise im Bereich Verkehr auf. Was passiert, wenn das Fahren auf öff entlichen Verkehrswegen plötzlich Geld kostet? Oder was passiert mit dem Verkehr, wenn Innenstädte für Autos gesperrt werden? Wie beeinfl ussen Assistenzsysteme den Verkehrsfluss? Co-Simulationen spielen verschiedene Szenarien durch, bewerten sie und schaffen so ein verbessertes Systemverständnis. Sie sind ein wichtiges Werkzeug für die Absicherung von Systemeigenschaften.

Auch in der Energiewirtschaft sind solche Simulationssysteme hilfreich, denn hier sorgt zusätzlich die Energiewende für neue Strukturen und Anforderungen. Unsere Energie wird in zunehmendem Maße von kleinen dezentralen Erzeugern bereitgestellt, die die großen Kraftwerke als zentrale Energielieferanten ablösen. Das ehemals informationsarme Energieversorgungssystem wird zu einem dezentralen und hochkomplexen System, in dem Informationen dynamisch ausgetauscht werden. Für den Aufbau und die Integration der dafür notwendigen IKT-Infrastruktur werden Entwicklungsmethoden benötigt, die sowohl die Anforderungen an die Komplexität und Dynamik des künftigen Energieversorgungssystems erfüllen, als auch schneller und günstiger als herkömmliche Feldtests sind.

Möglich wird das mit komplexen Simulationssystemen, in denen mehrere Simulationen gleichzeitig auf verschiedenen Ebenen ablaufen. Bei diesen Co-Simulationen wird das Zusammenspiel einer größeren Zahl von Komponenten und Architekturen eines dynamischen Gesamtsystems virtuell analysiert.

Es werden Simulatoren gekoppelt, die jeweils unterschiedliche Detailierungsgrade und verschiedenste Systeme betrachten. Ein selbstfahrendes Auto ist als Mikrosystem bereits hochkomplex, doch noch komplexer wird es, wenn unterschiedliche Interessen und Ziele auf der Makroebene des Straßensystems aufeinandertreff en und gegeneinander abgewogen werden müssen. Hier muss zum Beispiel auf mehreren Ebenen simuliert werden, wie sich der Verkehrsfluss so optimieren lässt, dass zum Teil gegenläufige Zielsetzungen miteinander kooperieren. Individuelle Interessen wie schneller Transport von A nach B müssen mit allgemeinen Regeln und Zielen wie Sicherheit, Umweltschutz und Verkehrsfluss austariert werden. Gleichzeitig sollen die Systeme so gestaltet werden, dass persönliche Freiheiten der Individuen möglichst gewährleistet bleiben.

Komplexe Co-Simulationsmodelle können den Produktentwicklungsprozess stark verkürzen und Problemstellungen im Zusammenspiel vieler Funktionen und Komponenten frühzeitig anzeigen. Im Competence Cluster Multi-Scale Multi-Rate Simulation werden Prototypen virtuell getestet, Entwurfsprozesse optimiert und validiert sowie die Modellbildung deskriptiver Forschung überprüft. Darüber hinaus ist die Co-Simulation selbst auch Gegenstand der Forschung.