Kurz gefasst: Simulation in 3 Minuten

Sie möchten eine neue Maschine in Ihre Produktionsanalage integrieren. Doch wo würde sich diese am besten einfügen? Mithilfe von Simulationen können Sie verschiedene Positionen und damit zusammenhängende Parameter überprüfen. Sie können so nachvollziehen, wie die neue Gerätschaft den Materialfluss beeinflusst, ohne die laufende Produktion zu stören. Die Methode der Simulation hat lange Tradition in Zusammenhang mit komplexen Prozessen. Mithilfe von künstlicher Intelligenz (KI) können Sachverhalten noch schneller und effektiver simuliert werden.

Was ist eine Simulation?

Per Definition ist eine Simulation eine:

Nachbildung eines dynamischen Prozesses in einem System mit Hilfe eines experimentierfähigen Modells, um zu Erkenntnissen zu gelangen, die auf die Wirklichkeit übertragbar sind.

Verein deutscher Ingenieure (VDI): VDI Richtlinie 3633

Dabei unterscheidet man zwischen:

• Laborexperimenten: Hervorrufen von bestimmten Verhalten unter inszenierten, kontrollierten Bedingungen
• Physikalischen Simulationen: exakte, maßstabgetreue Nachbildung von realen Objekten
• Computergestützten Simulationen: digitale Nachbildung von Eigenschaften und Zusammenhängen realer Objekte

Der Beitrag beschäftigt sich nachfolgend mit computergestützten Simulationen.

Computergestützte Simulationen bilden anhand von Modellen Vorgänge wie beispielsweise Arbeitsprozesse oder Produktionsabläufe nach. Durch die Simulation lassen sich Modellannahmen prüfen und Prognosen aufstellen (Predictive Analytics). Die Vorgänge können beliebig komplex abgebildet werden. Basierend auf den ausgewählten Parametern berechnet die Simulation mithilfe statistischer Verfahren das zu erwartende Ergebnis. Bisher gaben Simulationen den Nutzer vor allem Verteilungslogiken in Form von Entscheidungsbäumen an die Hand. Die Kalkulationen sind je nach Komplexität der Parameter sehr aufwendig, so dass die Berechnungen mehrere Stunden in Anspruch nehmen konnten. Mithilfe von künstlicher Intelligenz kann dieser Prozess verkürzt werden.

Was sind KI-Simulationen?

Bei computergestützten Simulationen wird immer stärker auf KI gesetzt. Die Algorithmen-basierte Ablauflogik ist mit einem Steuermodul versehen, über das Parameter vorgegeben werden können. Die KI arbeitet mit neuronalen Netzen, die an die kognitiven Prozesse des menschlichen Gehirns angelehnt sind. Die künstliche Intelligenz bestimmt nicht zu 100 Prozent genau, wie das Szenario ablaufen wird, sondern arbeitet mit Näherungswerten. Das erlaubt, bis zu 3.000 Mal schnellere Simulationsberechnungen durchzuführen, als es mit nicht KI-gestützten Systemen möglich ist.

Anwendung

Simulationen sind für die Industrie insbesondere im Prototyping und in der Produktentwicklung von besonderer Bedeutung. Die KI-Simulationen helfen dabei, Fehler zu reduzieren und sparen Kosten und Zeit. Sie ermöglichen ein Echtzeit-Feedback für Veränderungen an Produkten und Prozessen und können für das Testing herangezogen werden, beispielsweise für das Planen und Gestalten von Fertigungs- und Materialflusssystemen. Soll beispielsweise eine neue Maschine in die Produktionsanlage integriert werden, können KI-Simulationen bereits in der Bauplanung die bestmögliche Position und Produkionsintervalle berechnen.

In der Fertigung ist die Methode der Simulation ein oft genutztes Werkzeug. Sie tragen zur Gewährleistung einer möglichst hohen Wertschöpfung bei. Nehmen wir zum Beispiel die Massivumformung von Werkstücken beim Schmieden. Die Bauteile können durch Punkte und Knoten am Computer modelliert werden. Dabei können mechanische Kennzahlen, die Schmiedetemperatur, Reibungsbedingungen und Werkstoffspezifik berücksichtigt werden. Die Umformung kann am Rechner simuliert werden. Besonders bei Spezialanfertigungen lässt sich hier viel Zeit und Material sparen. Die künstliche Intelligenz kann zum Beispiel auch dabei helfen, die Verwendung der Werkrückstände zu kalkulieren und so zu einer nachhaltigeren Produktion beitragen.

Simulationen können auch dienlich sein, um die Produktivität von Maschinen zu überwachen. Dafür wird ein digitaler Zwilling der Produktionskette angelegt. Die KI-Simulation berechnet, wie viel die Maschinen unter bestimmten Bedingungen produzieren könnten. Diese Kennzahl dient als Vergleichsnormal. Das bedeutet, die Simulation läuft in Echtzeit mit, wird der Ist-Produktion gegenübergestellt und kann so Hinweise auf Fehler und Stillstände geben. Bereits in der Planung kann die Simulation zum Testing herangezogen werden, um Fehler im Real-Betrieb zu vermeiden.

Aber auch für die Wissenschaft sind KI-Simulation von großer Bedeutung. Forscher der Universität Princeton haben mithilfe von künstlicher Intelligenz eine Simulation entwickelt, die die Entstehung des Universums in 3D nachstellt. Die Algorithmen sollen dabei helfen, Lücken in der Weltraumforschung zu schließen. Der KI war es bereits möglich, dunkle Materie zu erkennen, obwohl sie nicht mit Daten zu dieser trainiert wurde. Die Forscher hoffen, dass sich aus der Berechnung der Parameter und Relationen weitere Erkenntnisse aus der Simulation ergeben.

Ausblick

KI-Simulationen werden in der Industrie und auch in anderen Branchen mit komplexen Prozessabläufen an Bedeutung gewinnen. Alles was in der Simulation getestet werden kann, muss nicht im Regelbetrieb überprüft werden.

Bisher war für Simulationen eine hohe Rechenleistung nötig. Der Aufwand und die Dauer der Simulationsberechnungen waren oft ein Argument gegen die Methode. Durch die KI-Einbindung wird weniger Rechenaufwand benötigt. Die Berechnungen können in kürzester Zeit erfolgen, sodass die Methode auch für andere Bereiche interessant werden können.

In der Corona-Krise hat die Universität Trier eine kognitive Sozialsimulation für die regionale Ausbreitung des Virus anhand von ortspezifischen, demografischen und sozialen Faktoren erstellt.Dieses Modell steht politischen Entscheidern unterstützend zur Seite, um über Lockerungen oder Eindämmungsmaßnahmen zu bestimmen Das Projekt wurde von Professor Ingo Timm geleitet, mit dem wir im Rahmen eines Interviews über das Modell gesprochen haben.

Neben der Ausweitung der Methode in andere Fachgebiete wird sich auch die Verknüpfung mit 3D-Daten und die Übertragung in Virtual und Augmented Reality-Anwendungen immer weiter verstärken. Die Simulationen werden visuell unterstützt und erlebbar gemacht und geben so ein möglichst realistisches Abbild der echten Prozesse.

Was Sie sich mit Blick auf Simulationen merken sollten:

1. Eine Simulation bildet mithilfe eines Modells einen Prozess nach.
2. Man unterscheidet zwischen physikalischen Simulationen, Laborexperimenten und computergestützten Simulationen.
3. Durch künstliche Intelligenz können computergestützte Simulationen beschleunigt und der Rechenaufwand reduziert werden.