Computational Complex Systems
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Planning Dynamic Communities

Komplexe Infrastruktursysteme generieren immer komplexere Prozesse und neue Fragestellungen. Flughäfen, Bahnhöfe, Krankenhäuser, Einkaufszentren oder Industrieanlagen bestehen aus einer Vielzahl unterschiedlicher Teilsysteme und Teilprozesse. Diese in allen Planungsphasen zu analysieren, zu  vernetzen und als Gesamtsystem zu modellieren birgt großes Potential, etwa im Bereich der Ressourcen und Energieoptimierung, aber auch in der Verbesserung der Nutzungsabläufe. Notwendig sind integrierte Lösungen [KOV14a], die aber durch die zunehmende Anzahl der Planungsbeteiligten, deren unterschiedliche Werkzeuge und heterogene Datenlandschaften schwierig umzusetzen sind. Aktuelle Planungs- und Managementwerkzeuge sind zu starr, die Schnittstellen für die reibungslose interdisziplinäre Datenübertragung funktionieren nur bedingt, was wiederum zu Fragmentierung der Praxis beiträgt und die umfassende Datenbasis für den Gebäudebetrieb geht verloren [KOV14b].

Ein wichtiger Aspekt ist in allen Planungs- und Betriebsphasen die Intensivierung der Betrachtung der dynamischen Prozesse in der Infrastruktur. Das bauliche Konzept wird dabei Seite an Seite mit den Arbeitsabläufen definiert, wobei Simulation zum Durchspielen im räumlichen Kontext dient. Dabei werden reale Ablaufdaten (z.B. Patientenströme im Krankenhaus; Arbeitsprozesse des Personals [WUR10] direkt als Datengrundlage verwendet, ein Umstand der schon jetzt am Zentrum einzigartig ist und durch die Zusammenarbeit vertieft wird.

Im Zentrum werden z.B. Instrumente für die Frühphasenplanung entwickelt, da hier der Forschungsbedarf am höchsten und das Optimierungspotential am größten ist. Für die strategische Planung und die Vor- und Zielplanung [WUR12] verspricht der Einsatz hybrider Simulationsansätze [WUR13] hohes Potential. Die Einbettung des Forschungsansatzes in die Planung wurde in diversen Projekten bereits erprobt(z.B. Projekte LKH Vöcklabruck, 2009-2010, LK Wiener Neustadt, 2012, MODYPLAN, 2012-2015, Stable-AIR, Stable-HBO, 2013) und wird im Zentrum weiter entwickelt.

Federführend werden hier die Institute 234 und 259 arbeiten. Die Entwicklung von Modellen und Simulationswerkzeugen wird dabei durch die Zusammenarbeit mit den Instituten 105 und 188 (Umgang mit heterogenen Datenquellen), sowie 101 (Kopplung unterschiedlicher Teilsimulationen, Entwicklung von Schnittstellen) vervollständigt. Wichtige Forschungsfragen stellen darüber hinaus die Verbesserung der Integration von Betriebsorganisation und Funktionsplanung sowie algorithmische Grundrissgenerierung dar. So wurde etwa schon sehr früh die Möglichkeit entwickelt mittels algorithmischer Grundrissgenerierung [ELE01, ELE02] mögliche Grundrissvarianten unter dem Aspekt verschiedener Nutzungen durchzuspielen. Im Zentrum werden sich ergebende räumliche Struktur in Zukunft mittels Simulation auf Eignung im Sinne des Prozesses getestet werden. Weitere Tasks werden Prozess-Integration durch „System Oriented Design“, also durch die Übertragung des Wissens aus anderen Disziplinen (z.B. Software-Development) sowie der Entwicklung von Schnittstellen [ODO14] darstellen. Durch das Zentrum werden darüber hinaus die Entwicklung professioneller Prozesse (188), z.b. die Entwicklung von Customised Apps, welche einen einfachen und maßgeschneiderten Datenaustausch entsprechend dem jeweiligen Domänenwissen ermöglichen und innovativer Visualisierungskonzepte (186) ermöglicht.

Funktionalbauten stellen durch die notwendige zusätzliche Abbildung von maschinenbaulichen verfahrenstechnischen und energetischen Prozessen in der Modellierung eine weitere, besondere Herausforderung dar. Im Forschungsbereich Thermodynamik und Wärmetechnik wurde in den vergangenen Jahren mit anderen Partnern des neuen Zentrums über mehrere Projekte Expertise in den Forschungsgebieten Energiesysteme im Gebäudeumfeld (ADRES, Gebin, ÖNORM+, INFO, SmartCi- tyGrid:CoOpt) und gekoppelte Simulationen (INFO, SmartCityGrid:CoOpt, BaMa) systematisch aufgebaut. Methoden- und Modellentwicklungen und die Anpassung und Umsetzung an reale Anwendungen (Anlagen, Prozesse) erfordern vor-optimierte Systeme durch Prozessintegration mit Echtzeit-Datenabgleich. Ziel ist die Systeme in Bezug auf Flexibilität, Zuverlässigkeit und Sicherheit bei gleichbleibender Verfügbarkeit zu verbessern und somit eine Steigerung der Wirtschaftlichkeit zu erreichen. Beispiele sind hier die intelligente Nutzung von Abwärme Potenzialen, optimierte Integration von innovativen Systemen in industrielle Prozesse, Emissionsreduktion, Steigerung der Energieeffizienz, Einsatz erneuerbarer Energieträger, innovative Regelungskonzepte und Betriebsstrategien und Prozessverbesserung durch Anpassung des Nutzungsverhaltens. Speziell am neu gegründeten Fachbereich industrielle Energiesysteme wird ein Fokus auf den Ausbau grundlegender Methoden [HOF12] gelegt sowie darauf vorhandene Lösungen und Expertisen auf dem Gebiet der vernetzten Simulation [ORE13, HEI13] an Anwendungspartner heranzutragen. Dabei ist für die Maximierung der Betriebseffizienz bzw. Leistungsbewertung ist das Zusammenspiel unterschiedlicher Fachbereiche (Energie, Produktion, Elektrotechnik, Informatik, Mathematik usf.) besonders notwendig und wichtig  [BLE14].

Die Gruppe des Institutes 302 wird den Fokus auf Vergleiche zwischen Co-Simulationslösungen [HAF13] und der Zusammenführung in Tools, die Einbindung von Simulation in laufende Planungs-, Steuer-, Regelprozesse (Anforderungen für diese Aufgabengebiete) legen. Darüber hinaus stehen  Kommunikationsprozesse und -werkzeuge für domänenübergreifende Simulationsvorhaben, die Modularisierung und Wiederverwertbarkeit von Modellen sowie den wirtschaftlichen Einsatz von Simulationen (Leistbarkeit, Zeitbedarf) im Zentrum der Untersuchungen. Auf Basis der Forschung von 183 in den Bereichen Industrie- und Gebäudeautomation, Informationsmodellierung und Softwareentwicklung für verteilte/vernetzte Automationssysteme [SAU12], [VAZ13] wird das Zentrum Software-Frameworks basierend auf den komplexen Simulationsmodellen erforschen mit dem Ziel diese mit Hardware-in-the-Loop zu verbinden. Parallel dazu sollen passende Informationsmodelle [KOF12], [GRA12] zur strukturellen (Meta-)Beschreibung von heterogenen  Simulationsmodellen und Modellkomponenten erstellt werden. Ziel ist es, den iterativen Prozess der Modellentwicklung und Modellnutzung (Szenariensimulationen, Parametrisierungen, etc.) zu unterstützen. [FER14], [HEI14]. Mögliche Anwendungen liegen z.B. in der energetischen Simulation von physikalischen Systemen und der Anbindung von Simulationsmodellen an Realsysteme als Hardware-in-the-Loop.

Ein weiterer Aspekt wird die Wechselwirkung beschriebener Systeme mit logistischen Prozessen sein, wobei hier bisher v.a. ereignisorientierte Simulationen (DES) eingesetzt werden [SOB14]. Aus systemischen Vereinfachungen resultieren hier bisher bei der Verknüpfung ungenaue Simulationsergebnisse und damit Planungsfehler und Ineffizienz. Auch hier ist interdisziplinäre Arbeit mit Experten verschiedener Domänen und eine effektivere Integration heterogener großer Datenflüsse notwendig um effektive Optimierungswerkzeuge umsetzen zu können. Die Gruppe von Institut 330 setzt ereignisorientierte Simulation (DES) als Werkzeug im Bereich der Logistikplanung und Materialflussoptimierung ein (Projekte ZuBeLo, KoKa). Im Zentrum können Erfahrung und Forschungskompetenzen in der Entwicklung neuer Simulatoren mit den Herausforderungen aus den Projekten kombiniert werden, um zukünftig leistungsfähigere Verfahren für die Simulation im Rahmen von Planungsaufgaben zu entwickeln. Auch hier ist geplant weitere Teilsysteme komplexer Systeme mit Co-Simulation anzuknüpfen. Dabei ist die Reduktion der langen Simulationsdauer für große Systemen eines der Ziele. Dies ist notwendig um eine größere Zahl an  Planungsoptionen zu testen, wobei die Methodik dennoch für die Planungspraxis verfügbar sein muss. Das Finden geeigneter Lösungsansätze für diese komplexen Simulationsmodelle und die nachfolgende Anpassung und Implementierung der Ansätze in Simulationsmethoden hält großes Potential für die Verbesserung der Planungsqualität bereit und kann nur in Zusammenarbeit mit Simulationsexperten und ICT Experten, die an den Ansätzen forschen und entwickeln, umgesetzt werden.

Analyse und Modellierung von Gebäudeinfrastruktur in Verbindung mit dynamischen Nutzerprozessen, maschinenbaulichen verfahrenstechnischen, energetischen und logistischen Prozessen, sowie deren Abbildung mittels Co-Simulation und deren informatische Umsetzung inkl. Anbindung an Realsysteme stellt eine optimale Vernetzung der TU Wien Kompetenzen für den Bereich Smart Communities & Technology dar. Schrittweise lassen sich Technologien und Teilsysteme zu Anlagen, Prozessen, Räumen, Gebäuden, Netzen und ganzen Stadtteilen vergrößern. Komplexität entsteht durch die Verbindung betrachteter Infrastruktur und ablaufender Prozesse, wobei die Skalen zwischen kurzfristigen energetischen Abläufen über die beeinflussten und beeinflussenden technologischen und logistischen Prozesse bis zu Finanzierungsplänen von Großprojekten liegen, die für mehrere Jahrzehnte entwickelt werden [GLO15] . Darüber hinaus werden auch weitere Aspekte wie langfristige demographische Änderungen [DAL08] einen entscheidenden Aspekt darstellen, der im Zentrum erforscht wird.

Darüber hinaus besteht großes Potential für weitere Kooperationen mit Instituten und Zentren an der TU Wien selbst. Die methodischen Erkenntnisse von COCOS können direkt vom Forschungszentrum für Energie & Umwelt genutzt werden, mit dem “Center for Geometry and Computational Design” besteht durch zwei in beiden Zentren beteiligten Instituten und die jeweilige Koordination über die Fakultät für Mathematik und Geoinformation großes Potential das Knowhow synergetisch und auf kurzem Wege zu nutzen. . Weitere Institute können etwa in den Bereichen Industrie 4.0, energetische Gebäudebewertung oder die Integration raumplanerischer Aspekte. COCOS wird im Bereich Smart Communities & Technology national (z.B. Complexity Science Hub Vienna, AIT) und internationale Kooperationen (Fraunhofer, Universität Wismar, Universität Ljubljana) sowohl im Forschungs-, wie auch im Industriebereich betreiben.

Die Ansätze stellen einen weiteren Benefit für die praxisnahe Ausbildung zukünftiger PlanerInnen dar, welche in der Lehre beispielsweise bereits über das Modul "Algorithmische Planung und Analyse" (Architektur) sowie "Räumlich Prozessmodellierung, -simulation und -visualisierung" (Raumplanung) vermittelt werden und jetzt vertieft werden sollen.

Als Beispiel für den Aufbau eines neuen Forschungsfeldes kann Simulation im Kontext der Archäologie mit dem Naturhistorischen Museum Wien (Prähistorische Abteilung - Archäologische Grabung Hallstatt)  genannte werden. In der Ausbildung von "digitalen Archäologen" zum Thema Agentensimulation ist die Abteilung des Instituts 259  international bekannt (z.B. Agents in Archaeology Workshop 2011 Wien,  Topoi Summer School 2013 Berlin, MathMod 2013 Workshop Wien, Social Simulation Conference 2014, Barcelona), siehe auch zuletzt im Springer Verlag erschienen [WUR15] mit Beiträgen der Gruppen von 101 und 259. Als Forschungsfelder können z.B. die Kopplung räumlicher Prozess Simulation und agentenbasierter Modelle [KOW09], [TAN13] mit physikalischen Modellen [HEI12] genannt werden. Dabei verspricht die Intensivierung einer Zusammenarbeit durch den Transfer von TU Wien Kernkompetenzen in andere Anwendungsbereiche neue wissenschaftliche Erkenntnisse und das Potential von Publikationen in neuen Bereichen mit hohem Impact Faktor.