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30.10.1992 - 

Kommt das elektronische Heinzelmännchen für Ingenieure?

Ein Hitachi-Programm übernimmt die mathematischen Simulationen

Ingenieure träumen schon lange von einer Maschine, der sie nur mitteilen müssen, welches technische Problem sie haben, worauf ihnen dasselbe prompt gelöst wird. Ganz so einfach wird es wohl nie werden - aber ein Computerprogramm, das Forscher von Hitachi jetzt entwickeln, kann den frommen Wunsch immerhin teilweise erfüllen.

Mathematische Modelle sind ein Allzweckmittel. Mit ihnen lassen sich praktisch beliebige Vorgänge simulieren: die Fahrt eines Schnellzugs durch einen Tunnel, die Belastung eines Daches mit soundsovielte Schnee, das Wettergeschehen der nächsten fünf Tage etc.

Zugegeben, die damit verbundene Rechenarbeit ist immens. Aber heute braucht die ja niemand mehr von Hand zu machen - dafür ist der Computer da. Und der erledigt nicht nur das Numerische zuverlässig und in akzeptabler Zeit - er präsentiert auch die Resultate in appetitlicher Form: als farbige Grafiken oder, noch anschaulicher, in bewegten Bildern, die manchmal selbst gestandene Fachleute von den Sitzen reißen .

Trotzdem sind viele Anwender noch nicht zufrieden, denn der Rechner nimmt ihnen nur die zweite, einfachere Hälfte der Arbeit ab: die Verarbeitung der Daten gemäß dem vorher eingegebenen mathematischen Modell. Der schwierige erste Teil, die Kreation dieses Modells, ist nach wie vor Sache des Ingenieurs, und da hapert es manchmal erheblich. Häufig fehlt einfach die Zeit, um ein angemessenes Modell zu entwickeln, ebensooft aber auch die nötige Sachkenntnis. Simulationen, die viel zur Klärung eines Sachverhalts beitragen könnten, finden daher oft entweder gar nicht oder anhand fehlerhafter Modelle statt.

Diese unbefriedigende Situation wird sich erst ändern, wenn Ingenieure auch bei der Modellentwicklung auf tatkräftige Unterstützung zählen können. Bisher waren sie dafür auf menschliche Spezialisten angewiesen - in Zukunft soll ihnen ein Computer-Expertensystem auf die Sprünge helfen, das Wissenschaftler des japanischen Großkonzerns Hitachi entwickeln.

Der erste Prototyp dieser Software namens "Artificial Intelligence Differential Equation Solver Language" (Ai-Deqsol) stammt nicht aus Japan, sondern aus dem irischen Dublin, wo Hitachi seit 1989 ein kleines Forschungslabor betreibt.

"Klein" bezieht sich dabei nur auf die Räumlichkeiten und den Personalstand. Was die zwölf irischen und drei japanischen Wissenschaftler in einem unscheinbaren Nebengebäude des Trinity College leisten, braucht den Vergleich mit den Resultaten sehr viel größerer Forschungsinstitute keineswegs zu scheuen. Ai-Deqsol zum Beispiel wurde anfangs 1991 nach nur drei Mannjahren Entwicklungszeit bereits auf einem internationalen Technologieseminar in London vorgestellt, wo es auf breites Interesse stieß. "Und dies", so einer der beteiligten Forscher, "obschon das Programm damals erst 20 Prozent der Funktionen aufwies, die wir einbauen möchten".

In der Zwischenzeit haben die Dubliner das Projekt so vielversprechend vorangetrieben, daß es die Hitachi-Manager ans zentrale Forschungslabor nach Japan holten, wo es weiterentwickelt und kommerzialisiert wird.

Wenn das Produkt 1995 auf den Markt kommt, wird es noch keinesfalls voll ausgereift sein. Aber das ist typisch japanisch: Statt neue Technologien jahrelang nach den Ideen der Entwickler zu perfektionieren, um dann unter Umständen feststellen zu müssen, daß man an den Kundenwünschen vorbeigezielt hat, bringen die Japaner Neues schon sehr früh auf den Markt und reagieren dann sensibel auf die Erfahrungen der Anwender.

Mit Ai-Deqsol wird Hitachi nicht anders vorgehen: Im Moment ist das Programm noch eine Blackbox, in die der Anwender nicht eingreifen kann. Eine raffiniertere Version, die dem Benutzer verschiedene Lösungsvarianten anbietet und ihm bei der Auswahl hilft, ist noch im Entwicklungsstadium.. Statt zu warten, bis diese fertig ist, will der Konzern mit der einfacheren Version schon einmal den Markt ausloten.

Doch nun zum ehrgeizigen Vorhaben selbst. Ausgangspunkt waren existierende und praxiserprobte Bausteinprogramme für numerische Simulationen wie Deqsol (vgl. Umetani 1985, Kon'no 1986), Ellpack (vgl. Rice 1985) und Fidisol (vgl. Schnepf 1987). Diese Softwarepakete eignen sich für Probleme der Wärmetechnik, der Flüssigkeitsdynamik und die Berechnung elektrischer Felder. Sie nehmen dem Anwender einen großen Teil der aufwendigen Codierarbeit ab, die er hätte, wenn er selber ein Programm in Fortran oder C schreiben würde. Allerdings erfordern auch sie fundierte mathematische Kenntnisse.

An Versuchen, die Eintrittsschwelle zu senken, hat es nicht gefehlt: Die Forscher der Numerical Algorithms Group zum Beispiel entwickelten ein wissensbasiertes Auswahlverfahren für numerische Modelle; ein System namens EVE hilft dem Benutzer, Differentialgleichungen aus einfachen mathematischen Komponenten zusammenzustellen (vgl. Barras 1990) .Doch auch diese Programme sind für Nichtmathematiker immer noch zu schwierig.

Das Dubliner Hitachi-Team hingegen setzte sich zum Ziel, einen Modellbaukasten zu entwickeln, den Anwender mit unterschiedlichsten Vorkenntnissen - vom mathematisch unbelasteten Ingenieur bis zum Numerikspezialisten - gleichermaßen benutzen können. Das Resultat war Ai-Deqsol, eine intelligente Vorstufe für das oben erwähnte rein numerische Programm Deqsol. Mit anderen Worten: Aus gängigen Begriffen der Ingenieurswelt und allgemeinen Parametern, die das reale Problem beschreiben, konstruiert das Hitachi System den Input für ein entsprechendes Simulationsprogramm, das dann mit Deqsol durchgerechnet wird.

Ein Beispiel zeigt, was alles dazugehört: Ein Architekt, der die Wärmeverteilung in einem Wintergarten ermitteln will, muß als erstes für die reale Konstellation ein physikalisches Modell entwickeln, dann die wärmetechnischen Vorgänge mathematisch beschreiben sowie in eine computergerechte Form bringen und schließlich vom Rechner verarbeiten lassen.

Falls der Architekt mit Ai-Deqsol operiert, muß er nur noch das physikalische Muster selbst erarbeiten (Spätere Versionen von Ai-Deqsol sollen den Anwender auch dabei noch unterstützen). Das Programm konvertiert dann das physikalische Modell automatisch in ein mathematisches und weiter in verschiedene numerische Modelle aus denen der Architekt mit Hilfe von Ai -Deqsol eines auswählen muß. Der Rest ist dann reine Computerroutine.

Wie zuverlässig ein solches System ist, läßt sich erst in der Praxis beurteilen - und da gibt es noch wenig Erfahrungen. Sicher ist nur, daß es zwei Sorten von Fehlern geben kann: numerische Fehler und Modellfehler, wobei die letzteren wohl schwerer zu entdecken und auszumerzen sind - vor allem, solange das System eine Blackbox ist und die Anwender physikalisch-mathematische Laien sind. Wenn die technischen Vorgänge verborgen bleiben, tappen nicht nur Anfänger, sondern auch Fachleute im dunkeln. Geplante Weiterentwicklungen des Programms sollen das Geschehen transparenter machen: Der Anwender soll die einzelnen Schritte nachvollziehen und, falls er es für nötig hält, auch modifizieren können.

Das Hitachi-Labor

in Dublin

Um die Konzernforschung weltweit zu diversifizieren, hat Hitachi 1989 auch in Irland ein Labor eröffnet (Hitachi-Labore gibt es schon in Japan, England, Deutschland und den USA), und zwar auf dem Gelände des 400 Jahre alten Trinity College in Dublin. Zur Zeit betreiben dort zehn irische und drei japanische Wissenschaftler grundlegende und angewandte Informatikforschung, und zwar auf den Gebieten Numerische Analysis (Ai-Deqsol), neuronale Netze (Schrifterkennung und Verfolgung bewegter Objekte), maschinelles Lernen (Wissensaneignung aus Texten) und optische Neurocomputer.

Die Nähe zum Trinity College ist nicht zufällig: Es bestehen zahlreiche Querverbindungen zu Forschungsprojekten der Universität, so zum Beispiel auf den Sektoren Mustererkennung, Datenbanken und Optoelektronik.