Simulation

Simulation ist eine Vorgehensweise zur Analyse dynamischer Systeme. Bei der Simulation werden Experimente an einem Modell der Realität durchgeführt, um Erkenntnisse über die reale Situation zu gewinnen. Dabei konzentriert man sich auf die Aspekte, die für die Erkenntnisgewinnung von besonderem Interesse sind. Andere Aspekte des simulierten Systems hingegen, die für die zu beantwortende Fragestellung (vermutlich) nur eine geringe Rolle spielen, werden in der Simulation vereinfacht oder weggelassen. Im Zusammenhang mit Simulation spricht man von dem zu simulierenden System und von einem Simulationsmodell, welches eine Abstraktion des zu simulierenden Systems darstellt.

Ein Auto-Crashtest beispielsweise ist ein Simulationsmodell für eine reale Verkehrssituation, in der ein Auto in einen Verkehrsunfall verwickelt ist. Dabei wird die Vorgeschichte des Unfalls, die Verkehrssituation und die genaue Beschaffenheit des Unfallgegners stark vereinfacht. Auch werden keine Personen in den simulierten Unfall involviert, sondern es werden stattdessen Crashtest-Dummies eingesetzt, die mit realen Menschen gewisse mechanische Eigenschaften gemeinsam haben. Ein Simulationsmodell hat also nur ganz bestimmte Aspekte mit einem realen Unfall gemeinsam. Welche Aspekte dies sind, hängt maßgeblich von der Fragestellung ab, die mit der Simulation beantwortet werden soll.

Gründe für den Einsatz

Für den Einsatz von Simulationen kann es mehrere Gründe geben:

• Eine Untersuchung am realen System wäre zu aufwändig, zu teuer oder zu gefährlich. Beispiele:
  • Crashtest (zu gefährlich in der Realität)
  • Simulation von Fertigungsanlagen vor einem Umbau (mehrfacher Umbau der Anlage in der Realität wäre zu aufwändig und zu teuer)
• Das reale System existiert (noch) nicht. Beispiel: Windkanalexperimente mit Flugzeugmodellen, bevor das Flugzeug gefertigt wird
• Das reale System lässt sich nicht direkt beobachten
  • Systembedingt. Beispiel: Simulation einzelner Moleküle in einer Flüssigkeit
  • Das reale System arbeitet zu schnell. Beispiel: Simulation von Schaltkreisen
  • Das reale System arbeitet zu langsam. Beispiel: Simulation geologischer Prozesse
• Für Experimente kann ein Simulationsmodell wesentlich leichter modifiziert werden, als das reale System. Beispiel: Modellbau in der Stadtplanung
• Gefahrlose und kostengünstige Ausbildung. Beispiel: Flugsimulation
• Spiel und Spaß an simulierten Szenarien

Heutzutage werden Simulationen mehr und mehr durch Computer realisiert, weil Computer ein ideales und sehr flexibles Umfeld für fast alle Arten der Simulation bieten (siehe auch Computersimulation).

Typen und Bereiche von Simulationen

Grundsätzlich muss man zwischen Simulationen mit und ohne Computer unterscheiden. Eine Simulation ist ein "Als ob"-Durchspielen von Prozessen; das kann man auch ohne Computer tun. Wenn heute von "Simulation" die Rede ist, meint man allerdings fast immer Computersimulationen. Letztere gliedern sich in die Bereiche

1. Spielsimulationen, z.B. Flugsimulatoren, Wirtschaftssimulationen
2. Technische Simulationen, z.B. Schaltungssimulationen, Atomwaffensimulationen, Windkanalsimulationen u.v.m.
   Bei kleinen Systemen bietet sich hier auch mittels Model Checking eine Verifikation an, die, im Gegensatz zur Simulation, garantiert alle Fälle abdeckt, aber einen hohen Rechenaufwand hat.
3. Wissenschaftliche Simulationen. Sie gibt es in fast allen Natur- und Gesellschaftswissenschaften:
   • Metereologische Simulation zur Wettervorhersage
   • Physikalische Simulation und astrophysikalische Simulation
   • Chemische Simulation
   • Biologische Simulationen, z.B. Simulation neuronaler Netze (siehe neuronales Netz)
   • Sozioökonomische Simulation, z.B. Multiagentensysteme
   • u.v.m.

Typen von Simulationen

Viel zu tun...

Hier sei nur erwähnt:

• Kontinuierliche Simulation und Ereignisorientierte Simulation
• Makrosimulation und Mikrosimulation
• Materialflusssimulation (DES Discrete Material Flow Simulation)
• Statistische Simulation, insbesondere Monte-Carlo-Simulation
• Numerische Simulation
• Multi-Agenten-Simulation

Theorie, Modell und Simulation

Eine Computersimulation besteht im Kern aus einem Programm. Hier werden die Regeln der Prozesse definiert. Man spricht analog zu den "Verhaltensgleichungen" eines mathematisch definierten Systems von den "Verhaltensalgorithmen". Ihre Gesamtheit stellt das Modell dar, das die Simulation realisiert, falls diese Simulation die Realität abbilden soll. (Was z.B. bei Spielsimulationen i.a. nicht im Vordergrund steht). Modelle können ad hoc erfunden werden, sie können aber auch aus empirischen Befunden oder aus einer Theorie abgeleitet werden. Z.B. werden die Wettermodelle aus der Theorie der Hydrodynamik abgeleitet, die einzelnen Verhaltensgleichungen bestehen aus Navier Stokes-Gleichungen (oder Weiterentwicklungen davon).

Weblinks

• http://www.soc.surrey.ac.uk/research/simsoc/ CRESS - Center for Research in Social Simulation
• http://www.askos.de Büro für Analyse und Simulation komplexer Systeme
• http://www.envi-met.com Mikroklimatisches, dreidimensionales Modell

Siehe auch: Emulator