Wednesday, September 24, 2008

Android Has Arrived

Google's phone has plenty of potential, but some say its mechanism for delivering applications could lead to problems.

By Kate Greene

At a press conference in New York today, Google and T-Mobile showed off the long-anticipated G1, a powerful smartphone that runs Google's Android operating system for mobile devices.

The handset, priced at $179, will be available from T-Mobile on October 22. It boasts features to rank it at the top end of the smartphone market, and its software offers some neat surprises and tricks. At the same time, the G1 undoubtedly lacks the sparkle of the iPhone, probably its closest competitor. Furthermore, some experts question whether Google's scheme for delivering new applications for the phone--an online store called Android Market--could run into problems that slow down mass adoption.

As expected, the G1 has a touch screen and a pullout QWERTY keypad, which make it thicker than the iPhone and some other smartphones. It can make use of T-Mobile's faster 3G mobile network, and it has GPS and Wi-Fi capabilities built in. The G1 comes equipped with a 3.1 megapixel camera (but no video camera), an accelerometer to measure motion of the device and orientation of the screen, and a Bluetooth receiver for hands-free devices. The G1 also has one unusual hardware feature: a built-in compass that can determine the direction in which the phone is pointed.

Mobile move: T-Mobile’s G1 is the first phone that uses Google’s Android operating system.
Credit: Google/T-Mobile

While the G1's hardware doesn't make it stand out from the crowd, its software is already causing excitement. Android is designed to enable easy access to Google's Web applications--including its calendar, e-mail, and mapping services--and to instant messaging applications like Google Talk and AOL's Instant Messenger. The G1's Web browser, based on the same software used to make Google's recently released desktop browser, produces scaled-down Web pages that look, for the most part, as they do on a normal computer screen. And the phone's built-in compass has been integrated into Google Maps Street View to let users pan around a streetscape by moving the handset in the corresponding direction.

These applications come as standard, but Google and T-Mobile representatives say that third-party applications could take the device well beyond these basics. A slew of applications have already been released, and some have won funding via Google's Android Challenge, a competition to encourage software engineers to develop for the platform. Locale changes the phone's settings based on the time of day, the phone's location, and the owner's calendar, automatically turning the ringer off during meetings, for example. Another downloadable application, Shop Savvy, lets users take a picture of a product's barcode with the built-in camera and instantly compare prices from around the Web.

"Several years ago all phones were controlled by handset [makers] with requirements coming from carriers," says Rich Miner, vice president of mobile at Google. "First with Microsoft, then Apple, and now Google, you have people who really understand software and the user experience on these devices. You combine that with higher speed networks and better screen resolution, and all of a sudden, the mobile Internet is here."

Applications Galore: Owners of the G1 can download applications such as Locale and ShopSavvy for their phones. Locale (left three images) automatically changes the G1’s settings based on, for instance, the phone’s location, calendar events, and the time of day. ShopSavvy (right image) lets people compare prices of an item by scanning its bar code with the phone’s camera and checking other Web sources.
Credit: MIT/Big In Japan

Software apps will be available through Android Market, an online store that can be accessed via the phone. Android Market is similar to Apple's iPhone App Store, in that it is the main method of application distribution. But, crucially, Google will play no central role in vetting applications before they are posted. Instead, developers and users can vote and comment to let others know if an application works as promised or if it drains the phone's battery or makes it crash. According to some experts, this free-for-all approach might lead to quality-control issues in the near future.

"I'm totally cheering Android on," says Jonathan Zittrain, a professor of law at Harvard University. "But from what I can tell, [Android Market] is banking on a ratings/reputations systems and common sense for people to know what's okay and what's not."

Zittrain says the approach might even hinder Android's progress. "I think [Android Market] may work," he says, "but if there are a couple of well-publicized incidences of code run amok, that can really scare people away from the platform and into Apple's waiting arms."

Zittrain says a novel solution to quality control could come in the form of an application that warns users automatically. "I'd love to see an app that reports each phone's vital signs. We need some sense of a nervous system for this thing," he says, so that less tech-savvy people feel comfortable trying out different applications.

Minor is confident that the Android Market approach will pay off. "Look at YouTube," he says. "Good things bubble to the top, and if the apps are bad, they will float down to the bottom."

Minor adds that the Android platform has built-in security features to limit access to certain types of data and certain functions on the phone. "With Android, our philosophy was [to] make it easy for people to put apps up, but make it so when an app is on a platform, the user knows what functions it's going to be accessing."

The first Android phone may not surpass the iPhone in popularity, but its applications will play a vital role in the future of the platform. Within the next two years, says Zittrain, it should be clear whether or not Google's gamble has paid off.

Tuesday, September 23, 2008

Google phone to cost $179, debut Oct. 22

By Associated Press

NEW YORK (AP) _ The first cell phone running Google Inc.'s mobile software looks something like Apple Inc.'s iPhone and has a large touch screen, but it also packs a trackball, a slide-out keyboard and easy access to Google's e-mail and mapping programs.

Google made its debut as a cell phone software provider Tuesday at an event where wireless carrier T-Mobile said it will begin selling the G1 phone for $179 with a two-year contract. The device hits U.S. stores Oct. 22 and heads to Britain in November and other European countries early next year.

The phone will be sold in T-Mobile stores only in the U.S. cities where the company has rolled out its faster, third-generation wireless data network. By launch, that will be 21 cities, including New York, Los Angeles, Houston and Miami.

In other areas, people will be able to buy the phone from T-Mobile's Web site. The phone does work on T-Mobile's slower data network, but it's optimized for the faster networks. It can also connect at Wi-Fi hotspots.

The data plan for the phone will cost $25 per month on top of the calling service, at the low end of the range for data plans at U.S. wireless carriers. And at $179, the G1 is $20 less than the least expensive iPhone in the U.S.

Sergey Brin and Larry Page, Google's founders, made a surprise appearance at the launch event. "It's just very exciting for me as a computer geek to be able to have a phone that I can play with and modify and innovate upon just like I have with computers in the past," Brin said.

He said he'd written an application for Android already: When a user throws the phone into the air, the program records how long it takes until it lands, using the phone's built-in motion sensor. Brin acknowledged that the wisdom of including such a program with an expensive phone is dubious.

"We did not include that one by default," he said.

Page said the mobile phone industry, which sells 1 billion units a year worldwide, was a tremendous opportunity for Google.

Google is giving away Android, the software that underlies the G1, for free, and opening the operating system to third-party developers who can create their own programs. Google hopes that in turn, mobile phones will provide even more ways for people to interact with the company's advertising network.

Copyright 2008 The Associated Press.

Friday, September 19, 2008

Awaiting the Google Phone

Whether Google has succeeded in revolutionizing the cell phone may depend on who you ask.

By Kate Greene

In New York next week, Google and T-Mobile will unveil the long-awaited Google Phone. The device, made by the Taiwanese cell-phone company HTC, is expected to have a large touch screen, a QWERTY keypad, and a 3.1-megapixel camera, among other features. More significant than the gadget itself, however, is the software that it contains: a cell-phone operating system developed by Google called Android.

Google released a software development kit for Android in November 2007, at the same time founding the Open Handset Alliance--a consortium of hardware, software, and telecommunications companies charged with producing open standards for mobile gadgets. In developing Android, Google's goal has been simple: to revolutionize the mobile phone as we know it.

For programmers, Android is a big deal. Other cell-phone operating systems, such as Windows Mobile and Symbian, are notoriously tricky to write programs for and sometimes limit access to the underlying hardware, such as the camera or GPS chip. In contrast, Android has been designed to make it simple to build applications, and it gives programmers free rein over a phone's hardware.

Just ask Jasper Lin, who codeveloped an application that recently won $275,000 in a Google-backed Android competition. Lin's team, called Locale, wrote software that automatically changes a phone's settings, such as its ring volume, depending on the time of day, the user's location, and the events in her calendar. "Android is a really great platform from a developer's perspective," says Lin. "I've developed for Symbian, and that was quite arduous at times."

Although Android is not completely open source (the entire source code is expected to be released later this year), Lin says that it already gives developers much greater access to hardware than other devices do.

But for the average cell-phone user, the significance of Google's first phone may depend more on whether HTC's device is slicker and more desirable than other smart phones out there. Jack Gold, founding analyst of Jack Gold Associates, believes that the first Android phones will inevitably be compared to the iPhone and that they may fail to measure up. "All indications right now are that [the HTC device] is not another iPhone and that it's not going to take the market by storm," he says.

And first impressions will be vital, he believes. "If the first set of devices are not hits, will there be a second set? Mobile vendors and manufactures are not all that healthy. Most aren't making a whole lot of money."

Over the long term, however, the success of Android will also depend on the quality of its applications. And with a project as widely distributed as Android, the question of quality control--making sure that third-party applications work well and aren't malicious--arises. The iPhone App Store solves this problem by vetting each application as it comes in. Android's model, however, is more of a free-for-all, says Lin.

People who download Android applications will be able to try them out on their phone and then vote--on whether or not they work well or drain the phone's battery, for instance. "You give [users] the power, and the apps that don't work will be voted down," Lin says. This is an incentive for him to write Locale in a way that makes it extremely power efficient.

But whether this approach also translates into better applications remains to be seen, and this could be all-important. "It's not about what's powering the device," says Gold. "It's about what the device can empower a consumer to do."

Monday, September 22, 2008

T-Mobile set to launch first Google-powered phone

By Associated Press

NEW YORK (AP) -- Google Inc.'s announcement last year that it would give away software that could run cell phones was met by dizzy accolades from analysts who thought it would let the search engine company conquer the world of mobile advertising.

On Tuesday, a fruit of that announcement is set to drop: T-Mobile USA will reveal the first phone to use Android, Google's software platform, at a New York news conference.

But a lot has happened in the world of cell phone software in the intervening year, and Google looks set for an uphill battle in trying to capture the desires of consumers and wireless carriers.

Research firm Strategy Analytics estimates that T-Mobile could sell 400,000 phones this year, giving Google about 4 percent of the U.S. market for "smart" phones, a category dominated by Research in Motion Ltd.'s BlackBerry phones with tough competition from Apple Inc.'s iPhone, Palm Inc.'s Treos and Centros and various phones running Microsoft Corp.'s Windows Mobile software.

The new phone, called the G1 according to T-Mobile's invitation, is widely expected to be a design from HTC Corp. of Taiwan, which has made a name for itself by making smart phones that use Windows Mobile software. Based on previous Google demos of its software, it's assumed that it will have a touch screen and a slide-out, full-alphabet keyboard.

The Wall Street Journal reported last week, citing unnamed sources, that the phone would sell for $199 and carry the Google brand. It's likely that the phone will go on sale in a few weeks. Other details are scant, and it's not clear exactly what the phone will be capable of, but Web browsing and e-mail are safe bets.

"This is the right moment for Google to answer some of the big questions that have been outstanding since Android was announced almost a year ago," said Morgan Gillis, executive director of the LiMo Foundation, which has created a rival cell phone software platform. "What will the consumer do on this handset that can't be done on other handsets?"

The LiMo Foundation is behind one of the developments that has undermined the prospects for Android in the last year. In May, Verizon Wireless said LiMo, or Linux Mobile, would be the "preferred" software for its phones, starting next year, joining some European carriers.

Like Android, LiMo is based on Linux computer software, and is given away free to phone makers. But the LiMo Foundation is designed as consortium of industry participants to assuage their fears that a single company would dominate phone software, like Microsoft does on PCs. In contrast, while Google has tried to broaden its base by creating an Open Handset Alliance, Android is still very much identified as its project, and a "Google" brand on the phone will strengthen that image.

The world's largest supplier of software for smart phones is Symbian Ltd., used by Nokia Corp. In June, Nokia announced it was buying Symbian with a view to donating the software to a LiMo-like foundation, which will make it available for free.

That means there will soon be not one but two suites of software with strong industry support and a price tag of zero to compete with Android when manufacturers pick operating systems.

When it comes to getting carriers interested in Android, Google has an advantage its competitors lack: a world-beating advertising system that turned it into a multibillion-dollar company in the space of a few years. If Android can translate Google's success in Web advertising to the phone, carriers could get a cut of the revenue.

Wireless operators have been looking for more than a decade at making the cell phone an welcoming place for advertisers, said In-Stat analyst Bill Hughes. In particular, they want to make use of the ability of cell phones to locate their users and provide ads keyed to that location.

But the carriers "are not really set up, structurally or by temperament, to pursue that," Hughes said. "So it's basically remained: 'This is a really good idea that we're going to get to some day.'"

Now, he added, Google "can come to them and say 'Look, we've proven ourselves to be very successful in this application." By building an operating system from the ground up with this idea in mind, it could succeed where others have failed.

That prospect boosted Google's stock to its highest level ever, $747.24, on Nov. 7 last year, the day after Android was announced. Analyst Sandeep Aggarwal, then with Oppenheimer & Co., predicted then that Google could be harvesting as much as $4.8 billion in annual revenue from the mobile market within three years after Android appears. He put a 12-month price target of $850 on Google stock. But time has deflated some of the hopes around Android, and Google shares closed Monday at $430.14.

Among U.S. carriers, Sprint Nextel Corp. has apparently taken the bait along with T-Mobile, and is a member of the Open Handset Alliance. Verizon Wireless has not ruled out Android phones, but is putting its energy into LiMo. AT&T is holding off on making decisions about Android.

"We will look at it and see if it makes sense for our customers," said AT&T spokesman Mark Siegel.

___

On the Net:

http://www.openhandsetalliance.com

http://www.limofoundation.org

Copyright 2008 The Associated Press.

Paulson: Let's work together

Treasury Secretary Henry Paulson addresses the Senate Banking Committee's $700 billion bailout hearing.

Simulationen – Optimierung

Pictures of the Future

Simulationen – Optimierung

Mathematik weist den Weg zum Optimum

Mehr Produktivität bei geringeren Kosten – davon träumt jeder Manager. Doch die wenigsten wissen, dass sich viele Entscheidungsprozesse und Automatisierungsaufgaben mittels Mathematik optimieren lassen. Siemens hat dafür ein Fachzentrum bei Corporate Technology eingerichtet.

Dr. Johannes Nierwetberg zeigt, wie sich der Weg zum Ziel (blau) mathematisch optimieren lässt: Algorithmen berechnen die Ideallinie (dicke gelbe Linie), indem sie sich lokal jeweils für den besten der kurzen Wege entscheiden

Eigentlich ist die Regel klar: Zeigt die Ampel Rot, muss man halten, bei Grün darf man fahren. Und bei Gelb? Flotte Fahrer erfinden hier Farbschattierungen wie dunkelgelb oder hellorange, um mit einigermaßen reinem Gewissen über die Kreuzung rasen zu können. Der Fahrer trifft eine Entscheidung mit Konsequenzen – vielleicht ist er schneller am Ziel, oder er wird geblitzt und muss Strafe zahlen.

Für Mathematiker ist die Entscheidung an der Ampel ein klassisches Optimierungsproblem, bei dem die eingesparte Fahrzeit und die Kosten des Strafzettels abgewogen werden müssen. Auch in Firmen gilt es ständig, Entscheidungen zu treffen, nur dass diese – wenn sie sich als falsch erweisen – teurer kommen als ein Strafzettel. Zudem sind hier oft viele Lösungswege möglich, deren Zusammenhänge nicht mehr zu durchblicken sind. "In komplexen, vernetzten und dynamischen Situationen macht unser Gehirn Fehler", warnt der Bamberger Kognitionsforscher Prof. Dietrich Dörner.

Gut, dass uns elektronische Gehirne einen Teil der Last abnehmen. Gefüttert mit mathematischen Algorithmen optimieren Computer heute viele Prozesse. Einer der Pioniere dieser Disziplin ist Prof. Ulrich Lauther bei Siemens Corporate Technology (CT) in München. Der gelernte Elektrotechniker, der an den Universitäten Berkeley und Stuttgart gelehrt hat, bekam bei Siemens 1992 eine harte Nuss zu knacken. Lauther sollte das Telefonnetz der indischen Drei-Millionen-Stadt Pune optimieren. Das Rückgrat des Netzes sollte aus Glasfasern bestehen, die letzten 300 m zu den Häusern aus Kupferkabeln – dazwischen Verteiler (Multiplexer) für jeweils maximal 60 Leitungen. Lauthers Vorgabe: die Gesamtkosten für Leitungen, Multiplexer, Erdarbeiten und so weiter zu minimieren. Dank seiner Computeralgorithmen löste er die knifflige Aufgabe mit Bravour: 15 % Kostenersparnis im Vergleich zum herkömmlichen, von Hand gezeichneten Plan sprangen heraus. Außerdem war sein Resultat korrekt – im Gegensatz zum Plan auf Papier, bei dem an einem Multiplexer aus Versehen auch mal 70 Haushalte angeschlossen waren.

Offensichtliche Wettbewerbsvorteile. Der Erfolg sprach sich herum. Heute kümmern sich 20 Mitarbeiter, meist Mathematiker, im Fachzentrum "Diskrete Optimierung" bei Siemens CT um alles, was sich mathematisch optimieren lässt. "Das Tolle an der Optimierung ist, dass sie sich beim Kunden sofort als Wettbewerbsvorteil bemerkbar macht", sagt Dr. Johannes Nierwetberg, der das Fachzentrum leitet. Ein zweistelliger Prozentsatz bei Zeit- und Kostenersparnis sei fast immer drin. Nierwetbergs Abteilung hat dazu einen ganzen Werkzeugkasten mit Algorithmen entwickelt: Damit konnte etwa die Komponentenbereitstellung beim Bestücken von Leiterplatten optimiert werden, was den Durchsatz um 13 % erhöhte. Doch obwohl Nierwetberg die Vorteile auf Euro und Cent beziffern kann, fällt die "Evangelisierung" mitunter schwer. Seine Experten müssten oft den Managern erst klarmachen, dass sich viele ihrer Probleme mathematisch lösen lassen.

Für einen Kunden in der Stahlproduktion hat Siemens das Auswalzen von Rohstahlblöcken unter die Lupe genommen. Weil die Rotation der Walzen, die Transportzeiten, die Abkühlung der Blöcke, die Bearbeitungszeit und die Eingriffe der Bediener nicht genau vorhersagbar sind, muss ein Steuerprogramm, das den Durchsatz der Walzstraße erhöhen soll, diese Unwägbarkeiten einkalkulieren. "Wie ein Schachspieler berechnet unsere Software alle paar Sekunden die beste Strategie", sagt Nierwetberg. Meist reicht die Zeit für einen "optimalen Zug" aus, wenn nicht, dann macht die Software einen "sicheren Zug" und steuert den Durchlauf so, dass es zu keinen Problemen kommt. Die Software läuft mittlerweile erfolgreich in mehreren Stahlwerken: Das Produktionstempo wurde deutlich gesteigert.

Mathematik auf der Spitze: Wie labil der Zustand am mathematischen Optimum sein kann, zeigt Siemens-Forscher Prof. Albert Gilg. Wie auf einem Berggipfel droht hier nach allen Seiten die Gefahr, abzurutschen

Mit denselben mathematischen Prinzipien lässt sich auch die Datenübertragung über Kabel oder Funk beschleunigen. So werden bei automatischen Produktionsanlagen große Datenmengen zwischen Sensoren, Aktoren und Rechnern hin und her geschickt. Das Zusammenspiel klappt nur, wenn die richtigen Daten zur richtigen Zeit am richtigen Ort bereitstehen. Ein neues Konzept sieht vor, an Stelle spezieller Busleitungen Standard-Ethernetkabel einzusetzen. Doch beim klassischen Ethernet-Protokoll könnten Staus entstehen, wenn zu viele Datenpakete eine Leitung belegen – die Synchronisation der Antriebe in der Produktionsstraße würde aus dem Takt geraten. Daher müssen der Weg der Datenpakete und ihre zeitliche Abfolge vorab geplant werden. Solche "Scheduling"-Probleme, bei denen bestimmte Aktionen zu bestimmten Zeiten erfolgen müssen, kennt jeder aus dem Alltag. Bauherren können ein Lied von Handwerkern singen, die das Dach decken wollen, obwohl der Rohbau noch gar nicht steht.

Datenverkehr effizient planen. Auch Profinet RT, eine Automatisierungslösung des Siemens-Bereichs Automation and Drives, hatte mit diesen Einschränkungen zu kämpfen. Für die Version Profinet IRT hat Ulrich Lauther ein Software-Werkzeug zur Planung von Echtzeitnachrichten in einem Netz aus Ethernetkabeln und zeitsynchronisierten Knoten entwickelt – daher der Name Isochronous Real-Time (IRT). Es errechnet, wie und wann welche Daten über das Netzwerk geschickt werden, so dass der Zeittakt eingehalten und möglichst wenig Zeit pro Zyklus verbraucht wird. Die dank der effizienten Planung freigehaltenen Zeiten können für herkömmlichen TCP/IP-Verkehr, etwa für Browser oder Software-Downloads, genutzt werden. Das wichtigste Prinzip: Zeitkritische Daten haben Vorfahrt. Sie werden zu immer gleichen Zeiten in den Informationsfluss eingespeist und erreichen zuverlässig und fast in Echtzeit ihren Empfänger – weniger wichtige Daten teilen sich die übrige Bandbreite.

Zum Vergleich: Ein Befehlszyklus dauert bei Profinet IRT weniger als 1 ms, beim Vorgänger Profinet RT waren es 10, bei Standard-Internetverbindungen 100 ms. Die Optimierung dauert nur einen Wimpernschlag. Ein Netzwerk aus 124 Knoten – etwa Maschinenantrieben –, 465 Nachrichten und 576 Empfängern benötigt weniger als eine Sekunde Rechenzeit für einen Zeitplan, wann welche Nachricht über welchen Weg an welchen Empfänger geschickt wird.

Profinet IRT wird beim Pilotkunden MAN Roland, einem Hersteller von Druckmaschinen in Offenbach, bereits mit Erfolg eingesetzt. Die Walzen einer Illustrations-Druckmaschine rotieren so schnell, dass sie 90 000 Druckseiten pro Stunde schaffen. Dabei sind sie so präzise, dass sie die Farbpunkte auf 5 µm genau übereinander drucken. In der ganzen Anlage weichen die Signale jetzt nur noch 0,5 ms vom vorgegebenen Zeitplan ab. Das steigert das Drucktempo, erhöht die Präzision und beugt Papierriss vor. Alle künftigen Automatisierungslösungen von Siemens werden auf Profinet IRT basieren, das seit Frühjahr 2006 auf dem Markt ist. Mitgeliefert wird ein Engineering-Werkzeug mit dem Optimierungsalgorithmus von Ulrich Lauther.

Beschleunigung um Faktor 200. Noch kritischer, weil teurer, ist die Datenübertragung per Funk. So wird bei einem Satellitenmautsystem, wie es in Deutschland existiert, von Zeit zu Zeit neue Software in die On-Board-Units (OBU) der Fahrzeuge geladen, etwa wenn neue kostenpflichtige Straßen hinzukommen. Bislang mussten die Lkw in die Werkstatt, künftig soll neue Software automatisch per Mobilfunk aufgespielt werden. In Deutschland sind fast eine halbe Million OBU unterwegs, in anderen Ländern, die eine Maut für Pkw planen, werden es noch deutlich mehr sein. Jedes Mal die komplette Software mit etwa 2,5 Mbyte auszutauschen, wäre enorm teuer.

Ulrich Lauther hat ein Verfahren entwickelt, das die Software-Updates auf nur 12 kbyte und damit auf ein Zweihundertstel schrumpfen lässt. Die Datenübertragung ist so in Sekundenschnelle erledigt. Der Trick: Lauthers Algorithmus überträgt nur die Differenz aus zwei Dateien. Dabei errechnet der Algorithmus nicht irgendeinen Unterschied, etwa indem er einfach die geänderten Passagen in der Software ausschneidet, sondern er findet stets die kleinstmögliche Differenz zwischen altem und neuem Programmcode, was Lauther auch mathematisch beweisen kann.

Ein vergleichbares Projekt führt Lauther auch für BenQ, den neuen Besitzer der Siemens-Mobilfunksparte, durch. Die Software eines Handys verschlingt heute 25 Mbyte. Updates, die Fehler ausmerzen oder neue Funktionen enthalten, sollen aber nur wenige Kilobyte groß sein, weil sie künftig automatisch per Mobilfunk geladen werden sollen.

Auch mit den Mobilfunknetzen selbst beschäftigt sich das Fachzentrum. Dr. Hans Heller entwickelt Algorithmen, um die optimalen Standorte für Mobilfunkmasten zu finden, sodass die Netzabdeckung fast lückenlos und die Kosten dennoch gering sind. "Da ist noch eine Menge rauszuholen", verspricht der Mathematiker. Siemens möchte beim Aufbau von UMTS-Netzen möglichst die vorhandenen Masten der GSM-Infrastruktur nutzen, um den Kunden Kosten zu ersparen. Allerdings muss eine optimal platzierte GSM-Basisstation nicht unbedingt auch für UMTS optimal sein. Die Zeit drängt: Gerade baut Siemens in Shanghai ein UMTS-Netz auf, das Heller als Testfall durchspielt. Wenn die Ergebnisse überzeugen, wird Hellers Optimierungsalgorithmus in das Site-Selection-Programm integriert, das der Bereich Communications erstmals in Shanghai einsetzen will.
Bernd Müller

Gierig und tabu – Optimierungsverfahren

Der Koch einer Klinik soll mit vorgegebenen Lebensmittelnund wenig Geld eine ausgewogene Ernährung zusammenstellen. Diese Knobelei ist ein Klassiker der mathematischen Optimierung. Man bezeichnet diese Aufgabe als linear, weil die Variablen ohne Sprünge voneinander abhängen: doppelt so viel Orangensaft gleich doppelt so viele Vitamine. Die optimale Lösung findet der Koch vielleicht durch Wälzen von Nährwert- und Preistabellen. Doch in Produktionsprozessen lauern noch viel komplexere Optimierungsprobleme. In der 60-jährigen Geschichte der mathematischen Optimierung haben Mathematiker viele Algorithmen ausgetüftelt – die ersten linearen Verfahren dienten im Zweiten Weltkrieg zur Versorgungsplanung mit Ausrüstung und Lebensmitteln. Software für lineare Probleme gibt es heute quasi von der Stange zu kaufen.

Neuer sind Algorithmen der diskreten Optimierung, bei denen sich die Variablen nur in zählbaren (diskreten) Schritten ändern: Ein gekochtes Ei wird meist ganz oder gar nicht gegessen, das macht es für den Koch schwieriger, das richtige Maß an Eiweiß und Cholesterin zu treffen. Ein wichtiger Teil des Know-hows, das im Siemens-Fachzentrum "Diskrete Optimierung" gebündelt ist, besteht darin, aus den vielen Algorithmen den zu finden, der zum Problem passt. Um nicht jedes Mal das Rad neu erfinden zu müssen, hat Prof. Ulrich Lauther die C⁺⁺-Klassenbibliothek TURBO aufgebaut, einen Baukasten mit bekannten und weiterentwickelten Algorithmen zur diskreten Optimierung in der Programmiersprache C⁺⁺. "Die Algorithmen sind vielfach getestet und weitgehend fehlerfrei, was bei solchen komplexen mathematischen Werkzeugen keineswegs selbstverständlich ist", sagt Lauther. Er kenne kein anderes Unternehmen, das über einen so gut bestückten Werkzeugkasten zur Optimierung verfüge. Einen Universalalgorithmus, der alle Aufgaben mit einem Schlag erledigt, gibt es zwar nicht, doch viele Optimierungsaufgaben lassen sich in Teilprobleme zerlegen und mit den Algorithmen der TURBO-Bibliothek lösen. Dabei kommen in der Regel 70 % des Programmcodes aus der Bibliothek, 30 % müssen projektspezifisch neu erzeugt werden. Bei Profinet IRT stammen fast drei Viertel der 23 000 Programmzeilen des Optimierungsalgorithmus aus der Bibliothek. Hier eine kleine Auswahl von Strategien der diskreten Optimierung:

• Greedy: Bei diesem "gierigen" Algorithmus wählt man aus einem vorgegebenen Startzustand Schritt für Schritt den nächsten Zustand so, dass der Gewinn möglichst groß wird. Gut geeignet ist dies etwa für das Problem des Handlungsreisenden, bei dem man eine möglichst kurze Reiseroute durch mehrere Städte finden möchte und der auch beim Entwurf von Leiterbahnen auf Mikrochips zum Einsatz kommt. Nicht immer führt jedoch ein Greedy-Algorithmus zur optimalen Lösung. So kann es bei der Platzierung von Mobilfunkmasten vorteilhaft sein, einige Masten ungünstiger zu platzieren bei insgesamt dennoch besserer Netzabdeckung und geringeren Kosten.
• Tabu-Suche: Im Gegensatz zum Greedy-Algorithmus werden bei der Tabu-Suche auch – möglichst geringe – Verschlechterungen zugelassen. Damit sich das Verfahren nicht im Kreis dreht, werden die zuletzt durchgeführten Schritte als tabu markiert – sie dürfen nicht rückgängig gemacht werden. Damit findet man auch Lösungen außerhalb der Reichweite eines Greedy-Verfahrens.
• Simulated annealing: Mit diesem Algorithmus kann es gelingen, das "globale Minimum" eines Systems zu finden. Im Allgemeinen ähnelt die Abhängigkeit von vielen Parametern einer Hügellandschaft – eine herabrollende Kugel wird selten im globalen Minimum landen, weil sie vorher in einem der vielen lokalen Minima stecken bleibt. Der Annealing-Algorithmus verwendet eine Analogie aus der Festkörpertheorie – die Temperaturschwingung der Atome hilft, aus lokalen Minima zu entkommen. Beim langsamen Abkühlen landet das System vorzugsweise im globalen Minimum, analog zum Aushärten (annealing) von Metallen. Das Verfahren wird etwa benutzt, um die gegenseitige Beeinflussung von Mobilfunkfrequenzen in benachbarten Regionen zu minimieren.

Simulationen – Anwendungen

Pictures of the Future

Simulationen – Anwendungen

Ideale Strömung

Computersimulationen sind in der Industrie ein unerlässliches Werkzeug. Sie ersetzen eine ganze Reihe teurer Praxistests, beschleunigen Entwicklungszeiten und sparen Kosten – bei Wind- und Gasturbinen genauso wie bei Mikroreaktoren, Magnetresonanz-Tomographen und Airbags.

Manchmal ist Physik ganz einfach. Letzten Sommer zum Beispiel, beim Urlaub in Südtirol, warfen die Kinder von Dr. Arno Steckenborn Blätter in die Waale. Das sind Kanäle, die seit dem 13. Jahrhundert die Obstplantagen in Meran bewässern. Hinter jeder Ecke trudelte das Laub auf der Stelle und schwamm erst weiter, als die Kinder mit Stöcken nachhalfen. Der Vater der kleinen Naturforscher kannte das Phänomen der tanzenden Blätter schon, schließlich befasst sich der Physiker bei Siemens Corporate Technology (CT) in Berlin ebenfalls mit Kanälen. Die sind jedoch so dünn wie ein Haar und für Mikroreaktoren gedacht, in denen in Zukunft Chemikalien und Medikamente hergestellt werden sollen (siehe Beitrag Fab on a Chip in Pictures of the Future, Herbst 2002).

Für die Obstbauern ist das Laub ein Ärgernis, denn es verstopft die Siebe. Auch in den Lilliput-Leitungen im Berliner Labor bleiben mitunter Chemikalien hängen oder vermischen sich nicht so wie sie sollten. Weil man in Mikroreaktoren aber nicht hineinschauen kann, machen Arno Steckenborn und seine Kollegen die Strömung mit Computerhilfe sichtbar. In einem Simulationsprogramm bauen sie ein Modell, in das sie alle physikalischen Parameter wie Materialeigenschaften und Geometrie der Leitungen oder Zähigkeit und Temperatur der Flüssigkeit stecken. Das CFD-Programm (Computational Fluid Dynamics) liefert dann Strömungsprofile, Temperaturverteilungen – und so manche Überraschung: etwa bei einem Mikromischer, der zwei unterschiedlich warme Flüssigkeiten mixen sollte.

Die Simulation zeigt: Zwei Flüssigkeiten (rot und gelb, von oben kommend) vermischen sich aufgrund von Verwirbelung bei hoher Fließgeschwindigkeit (rechts) besser als bei langsamer (links)

Erst die Simulation zeigte, warum das nicht funktionierte: In der laminaren Strömung flossen beide Chemikalien nebeneinander her, wie Honig, der sich nicht homogen in der Tasse voll Milch verteilt. Während Wirbel ansonsten verpönt sind, waren sie hier der Schlüssel zur Lösung – sozusagen der Löffel in der Milch. Indem sie die eine Flüssigkeit etwas unter der anderen einströmen lassen, schaffte es Steckenborns Team, dass die eine Flüssigkeit etwas übers Ziel hinausschießt und sich mit der anderen verwirbelt. Am Ende des Mischers verzweigt sich der Kanal wieder in zwei getrennte Leitungen, in beiden zeigt die Simulation durch gleichmäßiges Grün völlig ausgeglichene Temperaturen.

Programmierte Wirklichkeit. "Simulation spart Zeit und Geld und zeigt uns, an welchen Parametern wir drehen können", sagt Arno Steckenborn. Die Vorteile kommen selbst dann zum Tragen, wenn der Entwurf eines physikalischen Modells im Computer mehrere Monate in Anspruch nimmt . Schließlich käme die Herstellung vieler Prototypen teurer und wäre noch aufwändiger. Eines können Simulationen aber nicht: Experimente ersetzen. Vielmehr dienen sie dazu, Praxistests vorzubereiten und zu entscheiden, wo sich Veränderungen lohnen. "Wir machen Ausfallschritte wie ein Basketballer und schauen im Modell, in welche Richtung wir den Ball spielen können", erläutert Steckenborn. Gefüttert wird das Mikromischer-Modell zunächst mit den Eigenschaften bekannter Medien wie Stickstoff oder Wasser. Erst wenn Modell und Wirklichkeit übereinstimmen, werden virtuell andere Fluide durch den Mikroreaktor geschickt – dann allerdings lassen sich nahezu beliebige Änderungen per Mausklick bewerkstelligen, z.B. die Geometrie des Mischers oder die Temperaturen der einströmenden Medien.

Eigentliche Aufgabe einer CFD-Software ist die Lösung der physikalischen Navier-Stokes-Gleichungen, die die Strömung in Flüssigkeiten und Gasen beschreiben. Zur Freude der Physiker sind diese so universell, dass sie in haarfeinen Kanälen ebenso gelten wie an den über 50 m langen Rotorblättern riesiger Windgeneratoren (siehe Windräder mit Fehlerquote Null). Daher startet auch Jesper Laursen, Ingenieur bei Siemens Wind Power im dänischen Brande, als erstes die mehrere 10 000 € teure CFD-Software. Es erscheinen die Konturen eines Rotorblatts, umhüllt von Linien, die den errechneten Weg der Luftmoleküle zeigen. An den äußeren zwei Dritteln des Blatts strömt die Luft den Rotor gleichmäßig an, wird von ihm gebremst und erzeugt einen Sog, der das Blatt seitwärts bewegt und damit den Generator antreibt.

"Um den inneren Teil des Rotors haben sich die Hersteller bisher noch zu wenig gekümmert", sagt Laursen und zeigt auf den Bereich, wo das Blatt an der Welle befestigt ist. Dort macht die Strömung Knicke und reißt ab, das kostet Energie. Laursen hat etliche Wochen gebraucht, um das Rotorblatt im Computer zu modellieren, doch diese Arbeit zahlt sich jetzt aus. Mit wenigen Mausklicks verändert er die Lage der zwei Millionen Punkte, die die Oberfläche des Rotors wie ein enges Netz umspannen und die in einer 1 Gbyte großen Datei gespeichert sind. Dann dauert es einen Tag, bis ein Cluster aus mehreren PC die Strömung an jedem Punkt neu berechnet hat.

Heiße Kandidaten für eine bessere Flügelform mit gleichmäßiger Strömung vom Stumpf bis zur Spitze hat Laursen im Computer gespeichert. Bei ihnen geht die scharfe hintere Flügelkante nicht mehr in einen zylinderförmigen Fuß über, sondern läuft leicht abgeflacht bis in die Halterung des Flügels auf der Welle. Heute setzen Windräder 45 % der Energie des Winds in Strom um – "zwei bis drei Prozentpunkte mehr Wirkungsgrad sind dank der neuen Rotorform drin", schätzt der Maschinenbau-Ingenieur. Das schlage sich übers Jahr gerechnet in einer um 500 MWh höheren Energieausbeute nieder – und das sei es, was die Kunden wirklich interessiere.

Mollig hat Vorteile im MR-Tomographen

Ob Kaliforniens Gouverneur Arnold Schwarzenegger nach seinem Motorradunfall im Januar 2006 im Magnetresonanz-Tomographen untersucht wurde, wissen wir nicht. Sicher ist aber, dass die absorbierte Hochfrequenzleistung beim ehemaligen Mister Universum relativ hoch gewesen wäre, denn "Muskeln haben eine hohe elektrische Leitfähigkeit und erhitzen sich stärker", weiß Dr. Dirk Diehl von Siemens Corporate Technology in Erlangen. Weil die spezifische Absorptionsrate (SAR, in Watt pro Kilogramm Körpergewicht) nicht überschritten werden darf, muss das Bedienpersonal eines MR-Tomographen vor jeder Untersuchung Größe und Gewicht des Patienten eingeben. Daraufhin begrenzt das Gerät die hochfrequenten elektromagnetischen Impulse, die das Gewebe zum Aussenden von Signalen anregen, aus denen dann das Bild errechnet wird. Weil Größe und Gewicht aber relativ wenig über die tatsächliche Konstitution des Patienten aussagen, hält das Gerät einen großen Sicherheitsabstand ein – doch der verlängert wiederum die Messzeit und kostet Bildschärfe. Um den Spielraum, den der gesetzliche Grenzwert vorgibt, besser auszunutzen, modelliert Diehl mit der Software Microwave Studio einen MR-Tomographen und legt virtuelle Menschen verschiedener Statur darunter. 40 verschiedene Gewebearten werden simuliert. Wo die Felder und der SAR-Wert und damit die Temperatur besonders hoch sind, erkennt der Physiker Diehl sofort an der roten Farbe: Hotspots gibt es im Gewebe etwa nahe der Röhrenwand und eben auch im Muskelgewebe. Mollige Menschen seien im Vorteil, sagt Diehl, denn "Fett absorbiert weniger Hochfrequenzleistung". Im Blick hat er auch die Homogenität der elektromagnetischen Felder. Bei den neuesten MR-Anlagen mit einer magnetischen Flussdichte von 3 T oder mehr schwankt die Intensität des Hochfrequenzfelds mit der Eindringtiefe ins Gewebe sehr stark. Dies muss das Steuerprogramm des Tomographen ausgleichen. Dank Simulation soll die Steuerung besser an den Patienten angepasst und damit die Feldverteilung homogener und die Bildqualität noch besser werden.

Gasturbinen ohne Brummen. Effizienz ist auch das A und O für die Betreiber von Gaskraftwerken – besonders seit die Erdgaspreise in die Höhe geschnellt sind. Die Energieversorger bestellen gerne bei Siemens, weil die Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerke (GuD) made by Siemens mit knapp 60 % Wirkungsgrad die effizientesten der Welt sind (Effiziente Kraftwerke). Großen Anteil daran hat die Form der Turbinenschaufeln. In enger Kooperation mit Siemens Power Generation (PG) simuliert das Kompetenzzentrum Simulation und Risikoanalyse bei CT in München die Schaufeln von Gas- und Dampfturbinen, weil sich dort noch einige Prozentpunkte Wirkungsgrad herauskitzeln lassen. Dabei geht das Team aus Ingenieuren und Mathematikern ähnlich vor wie die Kollegen in Dänemark bei den Windrotoren: Die Turbinenschaufeln werden durch ein engmaschiges Netz mathematisch beschrieben, und der Computer löst die Navier-Stokes-Gleichungen – Zielfunktion ist die Effizienz.

Strömung im Rechner: Welche Auswirkungen hat eine veränderte Flügelform des Rotorblatts auf die Luftströmung?

Ist das mathematische Modell erstellt, benötigt ein Cluster moderner Workstations eine Woche, um Parameter wie Schaufelbiegung oder -verdrillung durchzurechnen und die optimale Schaufelgeometrie zu finden. "Die meiste Zeit geht für die Simulation der Strömung drauf", sagt Dr. Utz Wever vom Kompetenzzentrum. Die Vorgaben sind allerdings eng, denn nicht alles, was mathematisch optimal wäre, kann in den Werkhallen von PG auch gefertigt werden. Schließlich müssen die Schaufeln extreme Gastemperaturen von über 1 500 °C aushalten, was die Wahl der Materialien und die zulässigen Formen begrenzt.

Noch ein anderes Problem bereitet den Turbinenbauern Kopfzerbrechen. Die Brennkammer mit den bis zu 24 Gasbrennern einer Gasturbine und das Gehäuse verhalten sich wie Saite und Korpus einer Geige – das rhythmische Oszillieren der Gasflammen kann laute Brummtöne zwischen 90 und 500 Hz erzeugen. Wenn deren Frequenz mit der Resonanzfrequenz des Gehäuses übereinstimmt, können sich die Schwingungen sogar derart aufschaukeln, dass die Turbine beschädigt wird – ein Phänomen, mit dem alle Hersteller von Gasturbinen zu kämpfen haben. Doch bevor dies passiert, wird die Gasturbine heruntergefahren. Befriedigend ist diese Lösung für die Betreiber jedoch nicht. Um schon während des Designs neuer Gasturbinen gegensteuern zu können, hat PG vor drei Jahren mit Kollegen des CT-Kompetenzzentrums begonnen, Simulationstools zu entwickeln, um die brummenden Turbinen zum Verstummen zu bringen.

Was ist die optimale Schaufelform von Turbinen? Wie stark oszilliert der Druck in der Brennkammer? Computersimulationen liefern die Antwort

Mittlerweile haben es die Experten mit einer zweistufigen Simulation geschafft, die Ringbrennkammer im Rechner nachzubilden und für verschiedene Gasturbinen vorherzusagen, warum und bei welcher Frequenz diese schwingen. Der erste Schritt, eine Akustiksimulation, wird in Mülheim ausgeführt. Sie simuliert mit einem Finite-Elemente-Verfahren die reine Akustik der Brennkammer bei thermischen Bedingungen, wie sie auch im Betrieb herrschen, allerdings ohne Berücksichtigung einer Flamme. So werden die Resonanzen der Brennkammer bestimmt – wie in einem Konzertsaal, dessen Akustik vermessen wird. Diese akustischen Daten stecken die Münchner Kollegen mit den Eigenschaften der Brenner und der Flammen in eine 3D-Stabilitätsanalyse, die den zeitlichen Druckverlauf in der Brennkammer errechnet. In der Software lässt sich die Geometrie leicht verändern und zum Beispiel der Einspritzpunkt des Gases verschieben. Die Simulation zeigt, wann die Einkopplung der Verbrennungsinstabilitäten in die Akustik gering ist – dann bleibt die Turbine stumm.

"Die Simulation trifft das Experiment sehr genau", sagt Dr. Sven Bethke, Fachmann für Thermoakustik bei Siemens in Mülheim an der Ruhr. Bis vor kurzem haben Bethke und Wever nur vorhandene Gasturbinentypen berechnet, um ein Gefühl dafür zu bekommen, wie die Ergebnisse der Simulation zu interpretieren sind. In diesem Jahr sollen nun einzelne Brenner und Brennkammern auf den Prüfstand, die mit Hilfe der Akustiksimulation ausgewertet und weiter optimiert werden. 2007 ist dann die erste Gasturbine einsatzbereit, bei der das neue 3D-Stabilitätsanalyseverfahren mit seinen Vorhersagen die thermoakustische Auslegung mitbestimmt hat. Das wird sich auch in der Leistung niederschlagen, denn durch die verringerte Brummneigung lässt sich der Betriebsbereich deutlich erweitern. "Das wird eine der leistungsstärksten Gasturbinen der Welt", verspricht Utz Wever. Das GuD-Kraftwerk Irsching (Effiziente Kraftwerke). wird mit dieser Turbine erstmals die magische Grenze von 60 % Wirkungsgrad erreichen.
Bernd Müller

Kissen vorm Kopf – Airbag-Simulation

Langsam schiebt sich der Gitterschädel nach vorn und schmiegt sich in das Plastikkissen. Dann lässt die Computersimulation den Modellkopf sanft zurückfedern. "Und so sieht es in der Realität aus", sagt Gerd Scholpp: Im Videofilm schießt der Kopf eines Dummys wie eine Kanonenkugel gegen die A-Säule des Fahrzeugs. Wäre es keine Puppe sondern ein Mensch, hätte der Kopf nun blaue Flecken – wenn er Glück hatte und die Polsterung der A-Säule bei Siemens Restraint Systems in Alzenau optimiert wurde. Andernfalls hätte der Aufprall böse enden können. Das Siemens-Entwicklungszentrum testet für die Automobilindustrie Rückhalte- und Sicherheitssysteme wie Sicherheitsgurte, Airbags oder einen Fußgängerschutz in künftigen Motorhauben. Ohne Simulation läuft hier nichts, denn die spart Zeit und Kosten. Um das Modell eines Crashs im Computer nachzubilden, sind zwei von Scholpps Mitarbeitern zwar mehrere Monate beschäftigt, doch einen realen Prototyp gegen die Wand zu fahren kostet noch weit mehr: bis zu 1 Mio. €. Zudem kann man die Simulationen beliebig oft wiederholen und an den Parametern drehen, um das beste Schutzsystem zu ermitteln. Dennoch finden in der 160 m langen Halle unter Scholpps Büro weiterhin täglich Crashversuche oder Schlittenexperimente statt. "Wir brauchen die realen Tests, um das Computer-Modell zu prüfen", sagt der Maschinenbauingenieur. Die Software-Werkzeuge sind heute so ausgefeilt, dass man die Belastung der Insassen oder die Gurtkräfte vorgeben kann, und die Simulation errechnet, wie das Rückhaltesystem ausgelegt werden muss. Die Geometrie des Fahrzeugs stammt dabei von den Autoherstellern, und die Alzenauer setzen ihre virtuellen Dummys hinein. Dabei geht der Trend weg von starren Dummymodellen aus zusammengesetzten Kugeln. Künftig werden auch Menschen mit der Methode der finiten Elemente modelliert, die eine Verformung des Gewebes oder das Brechen von Knochen mitsimuliert. Überrollversuche mit Testpersonen ergaben hier großen Entwicklungsbedarf. Ein virtueller Dummy verhält sich bisher wie ein Sandsack und rutscht einfach zur Seite – der seitliche Fensterairbag müsste daher möglichst schnell zünden. Tatsächlich aber spannen die Insassen instinktiv die Muskeln an und versuchen die Fahrzeugbewegung auszugleichen. Scholpp: "Das gibt uns einige Sekundenbruchteile mehr Zeit."

Simulationen – Siemens Airport Center

Pictures of the Future

Simulationen – Siemens Airport Center

Showtime für einen Flughafen

Systemlösungen für Flughäfen vorzuführen, ist schwierig. Denn die Kunden können nicht durch reale Passkontrollen, Gepäckanlagen oder über Rollfelder laufen und den Flugbetrieb stören. Mit dem Siemens Airport Center gibt es nun eine weltweit einzigartige Anlage zur Planung, Erprobung und Weiterentwicklung dieser Systeme – ein Simulationszentrum für Flughäfen.

Hinter den Kulissen eines Flughafens: Im Siemens Airport Center testen Besucher Innovationen wie den 3D-Gesichtsscanner, das Parkleitsystem sowie das Gepäckfördersystem, mal im Operation Center, mal als reale Anlage (von links oben nach rechts unten)

In einem unscheinbaren Gebäudekomplex an der Landstraße bei Fürth/Bislohe befindet sich der ungewöhnlichste Flughafen der Welt. Der Passagier, der hier eincheckt, wird mit ausgeklügelten biometrischen Verfahren identifiziert, seine Bordkarte ist eine SMS und die modernste Gepäckförderanlage Deutschlands transportiert seine Koffer. Aber wohin? Es gibt hier keine Flugzeuge, keine Landebahn, keinen Tower.

Das Siemens Airport Center (SAC) ist eine Simulations- und Trainingsanlage für die komplette technologische Infrastruktur eines Flughafens, wie es sie nirgendwo sonst gibt. Hier kann man Gepäckförderanlagen, Parkleitsysteme oder Andocksysteme für einen Flughafen in der Größe von London Heathrow betreiben. In nur acht Monaten Bauzeit hat Siemens das SAC errichtet und Ende 2005 eröffnet.

Darauf scheinen viele Kunden nur gewartet zu haben. "Die Zahl der Besucheranfragen ist enorm", sagt Helmut Pawlischek, Leiter des SAC. Die meisten wollen sehen, wie sich aus dem optimalen Zusammenspiel verschiedenster Systeme Zeit und Geld sparen lässt. Andere interessieren sich für neue Technologien, etwa das mobile Einchecken: Vielflieger können sich ein kleines Programm auf ihr Handy laden, mit dem sie bereits auf dem Weg zum Flughafen einchecken können. Die Fluggesellschaft schickt die Bordkarte als Barcode in Form einer SMS. Am Gate legt der Passagier sein Handy auf ein Lesegerät. Dann wird seine Bordkarte entweder ausgedruckt oder er identifiziert sich über seine zuvor gespeicherten biometrischen Daten und erhält völlig papierlos Zutritt zum Flugzeug. In Großraumflugzeuge wie den A380 von Airbus werden bis zu 800 Passagiere einsteigen – daher tüfteln Experten unter Hochdruck an schnellen Abfertigungssystemen.

Für Flughäfen – oft neue Projekte im asiatischen Raum – erwartet die Boston Consulting Group bis 2015 weltweit Investitionen in Höhe von 200 Mrd. $. "Aber auch viele bestehende Flughäfen in den USA und in Europa wollen modernisieren ", erklärt Pawlischek. Sie alle setzen auf integrierte Lösungen, also ineinander greifende Systeme. Hier ist Siemens Weltmarktführer. "Kleinere und mittlere Flughäfen verfügen oft nicht über die Expertise, aus dem vielfältigen Angebot die Einzelkomponenten optimal zu kombinieren", so Pawlischek. Aber auch für große Flughafenbetreiber ist es spannend, im SAC zu sehen, wie sich Synergien besser nutzen lassen.

"Wir können hier zeigen, dass die Systeme nur im Zusammenspiel wirklich effizient arbeiten", erklärt Günter Menden, Sprecher des Sector Development Boards für Flughäfen und Leiter des Geschäftsgebiets Airport Logistics im Bereich Industrial Solutions and Services (I&S) in Nürnberg. Wer Technik von Siemens für Flughäfen einsetzt, ist Kunde verschiedener Siemens-Bereiche. So stammen Biometrieverfahren, Sicherheitseinrichtungen und die Gebäudeautomatisierung von Building Technologies (SBT), das Fluginformationssystem von Siemens Business Services (SBS), Anlagen zur Energieversorgung von Power Transmission and Distribution (PTD), die Gepäckförderanlage von I&S, Komponenten dazu von Automation and Drives (A&D) und das Lichtführungssystem auf dem Rollfeld ebenfalls von I&S.

Menden zeigt auf die 27 Monitore im Airport Operation Center (AOC) – die Steuer- und Informationszentrale für alle Logistik- und Infrastruktur-Segmente des SAC. Hier werden alle Fäden gezogen, die den Betrieb am Laufen halten. Ob Flottenmanagement, Gebäudeautomatisierung, Fluginformations- oder Gepäckfördersystem – sie alle können betroffen sein, wenn sich eine Variable des hoch komplexen Flugbetriebs ändert. Kommt eine Maschine etwa mit zwei Stunden Verspätung an, müssen Wartungsfahrzeuge umdirigiert, Wachpersonal anders eingeteilt und Speicherkapazitäten des Gepäcksystems neu berechnet werden. "Das bekommt der für die Gebäudetechnik zuständige Kollege im AOC automatisch mit und fährt etwa die Raumtemperatur für den betreffenden Gebäudeteil gleich mal ein paar Grad runter", beschreibt Menden einen der Synergieeffekte, den er im AOC nachspielen kann.

Rasende Koffer. Wenn das AOC das Hirn eines Flughafens ist, so ist die Gepäckförderanlage der Bauch. Nur 3 m neben dem AOC gleiten Förderbänder fast lautlos durch mehrere Ebenen einer großen Halle. Im SAC steht nach den Flughäfen in Frankfurt und München die größte Anlage in Deutschland. Sie könnte Stunde für Stunde je 5 000 Koffer sortieren, doch jetzt liegen nur einige wenige ramponierte Exemplare auf den Transportschalen. "Um Vollauslastung zu simulieren, brauchen wir keine Koffer, sondern nur die RFID-Tags. Das sind Etiketten, die einen Chip mit den Daten über die Zielorte der Koffer tragen", erklärt Pawlischek.

Jeder Koffer erhält beim Einchecken einen Barcode und wird dann in einen Behälter der Förderanlage übergeben. An diesem befindet sich der Tag mit einem Mikrochip, auf den die Daten des Barcodes an einem Scannertor automatisch überspielt werden. Der Tag meldet der übergeordneten Informationstechnologie, wohin der Koffer transportiert werden soll. 10 m/s können die Gepäckstücke maximal zurücklegen, das ist zurzeit der weltweite Spitzenwert. Erstmals hat Siemens auch Steigungen bis zu 17 ° in der Förderanlage realisiert. "Solche Anlagen werden in Stockwerken unter der Erde betrieben", sagt Pawlischek, "denn beim Bau eines Flughafens wird aus Kostengründen der Flächen- und Raumverbrauch so klein wie möglich gehalten".

Damit die Choreographie von Bändern, Weichen und Kippschalen reibungslos funktioniert, wurden im SAC 1 200 Näherungsschalter und Lichtschranken sowie 545 Antriebe verbaut. Was hier mit tänzerisch anmutender Leichtigkeit vorgeführt wird, wiegt schwer in der Realität eines Flughafenbetriebs. Denn Fluggesellschaften wollen ihre Maschinen in der Luft sehen, nur dann verdienen sie Geld. Und Passagiere wollen möglichst schnell ihren Anschlussflug nehmen. Ihre Koffer müssen natürlich dabei sein. "Ein verspätetes oder verloren gegangenes Gepäckstück kostet viel Geld, vom Imageschaden gar nicht zu reden", erklärt Pawlischek. Die kürzestmögliche Umsteigezeit (minimum connecting time, MCT) ist daher eine der wichtigsten betriebswirtschaftlichen Größen. Diese MCT liegt z.B. am Flughafen München dank Siemens-Technologie unter 30 Minuten – ein weltweiter Rekord.

Um Zeit in Geld zu verwandeln, müssen Gepäckförderanlagen zudem sehr zuverlässig sein. So wird der Flughafen Peking mit einer neuen Siemens-Anlage am Terminal 3 seine Kapazität mehr als verdoppeln: von derzeit 28 auf 60 Millionen Passagiere. Das Zusammenspiel von Soft- und Hardware für diese riesige Anlage testen die Entwickler kontinuierlich im SAC – ein immenser Vorteil, weil so die spätere Inbetriebnahme in Peking wesentlich schneller vonstatten gehen kann. Das SAC dient den Kunden zudem als Trainingscenter. So werden künftig Dutzende von Mitarbeitern des Flughafens Peking hier in Franken verschiedenste Szenarien durchspielen und erste Erfahrungen sammeln.

Die elegante Test-Lounge im SAC ist meist verwaist. Doch in den realen Flughäfen dieser Welt halten sich immer mehr Menschen auf. Das stellt die Sicherheitssysteme vor große Herausforderungen. Nicht nur die Reisenden müssen beim Einchecken und Boarding zweifelsfrei identifiziert werden, auch das Personal muss ständig Zutrittsberechtigungen für bestimmte Bereiche nachweisen.

Gesichtskontur als Ausweis. Mit dem 3D- Gesichtsscanner zeigt das SAC, wie schnell und sicher das funktioniert: Forscher von Siemens Corporate Technology haben vor einigen Jahren dieses neuartige biometrische Erkennungssystem entwickelt, das nun in Zusammenarbeit mit der US-Firma Viisage auf den Markt gebracht wird (siehe Pictures of the Future, Frühjahr 2003, Biometrische Techniken). Ein farbiges Raster wird auf das Gesicht projiziert. Eine Videokamera erfasst die Abstände der durch das Raster bestimmten Gesichtspunkte, die bei jedem Menschen einmalig sind. Diese Referenzpunkte vergleicht das System mit den zuvor gespeicherten Daten. Störeffekte durch Beleuchtung oder Kopfhaltung, wie sie bei 2D-Verfahren bekannt sind, lassen sich so deutlich reduzieren.

Zwar gibt es im SAC keine Shopping Center, doch die Experten wissen sehr wohl, dass sich Flughäfen immer mehr zu Erlebniswelten mit ausgedehnten Einkaufs- und Freizeitarealen entwickeln. "Menschen in Flughäfen sollen möglichst wenig an Abfertigungspunkten warten, sondern Zeit gewinnen, um beispielsweise entspannt einzukaufen", entwirft Pawlischek das Zukunftsszenario. Und dabei sollen sie sich sicher fühlen. Im SAC testen die Entwickler neue Überwachungssysteme mit automatischer Erkennung möglicher Risikofaktoren. Dabei gleicht eine spezielle Software ständig die Daten, die sie von Kameras erhält, mit zuvor erlernten Gefahrensituationen ab. Das kann ein einsamer Koffer sein, aber auch eine Person, die am Boden liegt.

Auch auf dem Rollfeld ändern sich die Abläufe. Die Maschinen folgen heute dem Weg, der ihnen von Leuchtdioden angezeigt wird – gesteuert aus dem jeweiligen AOC. Beim Andocken an die Gangway filmt eine Videokamera das Flugzeug, eine Software berechnet laufend die Abstände und projiziert die Daten auf einen Monitor für den Piloten. Die Flugfeld-Beleuchtung führt das SAC-Team vorsichtshalber nur auf einer kleinen Fläche im Freien vor – mit einem Fahrzeug auf dem Parkplatz. Die Experten wollen verhindern, dass landende Flugzeuge sich in der Adresse irren. Schließlich ist der echte Nürnberger Flughafen nur wenige Kilometer entfernt.
Katrin Nikolaus

Simulationen – Virtual-Reality-Labor

Pictures of the Future

Simulationen – Virtual-Reality-Labor

Im Reich der virtuellen Produkte

Der globale Wettbewerb diktiert die Ziele: Immer schneller, hochwertiger und Kosten sparender sollen Produkte entwickelt und gefertigt werden. Simulationstechniken und Virtual Reality helfen dabei. Sie lassen Produkte und ganze Fertigungslinien virtuell entstehen, noch bevor eine Schraube oder Maschine real existiert.

Im VR-Labor verfolgen die Zuschauer interessiert den virtuellen Flug durchs Kraftwerk. Lok-Führerstände lassen sich ebenso simulieren wie ein ganzes Motorenwerk

Im Fachzentrum Virtual Engineering geht der Zug ab. Lokführer Armin Richter beschleunigt seinen Schnellzug auf dem Weg durch die Tauern in Osttirol, Österreich. Und doch kommt er keinen Meter voran. Er sitzt nämlich in einem 1:1-Modell des Führerstandes im Virtual-Reality-Labor von Siemens Corporate Technology (CT) in München. Beamer werfen die Fahrstrecke als realistisch wirkendes Stereobild auf eine Rundumleinwand. Der Lokführer sieht die Gleise, Bahnhöfe und Tunnel auf sich zufliegen. Fehlerlos steuert Richter seinen Zug über die kurvenreiche Strecke zwischen Schwarzach-St.Veit und Spittal an der Drau. Selbstverständlich ist das nicht. Denn er befindet sich in einem für ihn noch fremden Führerstand, genau wie die anderen 38 Testkollegen aus 13 Ländern. Im Rahmen des europäischen Förderprojekts European Driver’s Desk testeten sie bei Siemens ein neues Modell für einen europaweit einheitlichen Lok-Führerstand.

"Die Lokführer und die beteiligen europäischen Bahnhersteller waren von der Simulation begeistert", berichtet Bernd Friedrich, Kompetenzfeldleiter für virtuelle Produktentwicklung bei Siemens. Und Zugspezialist Uwe Mades, der für Siemens Transportion Systems in Erlangen das Projekt begleitete, schwärmt: "Wir konnten kostengünstig verschiedene Fahrzustände und Situationen testen. Jeder Lokführer fuhr unter den gleichen Bedingungen, was die Ergebnisse gut vergleichbar machte. Auf einem realen Zug wäre das so nicht möglich gewesen." Diesen vor zwei Jahren erstmals getesteten Einheitsführerstand gibt es zwar noch nicht. Aber im Projekt MODTRAIN, bei dem bis 2007 ein modulares Zugkonzept für die Europäische Union entworfen wird, ist das neue Steuerpult als Teilprojekt bereits integriert.

Natürlich hat Bernd Friedrich im VR-Labor nicht immer Europa zu Gast. Etwa 90 % der Kunden stammen aus Siemens-Bereichen wie Medical Solutions, Automation and Drives (A&D) oder Siemens VDO Automotive. "Sie kommen zu uns, weil wir mit digitalen, numerisch gestützten Methoden sowohl ihre Produktentwicklung als auch ihre Produktionsplanung unterstützen können", erklärt der Ingenieur. "Hier können sie Prototypen noch im frühen Entwicklungsstadium testen, bevor sie als Hardware gebaut werden." Selbst ganze Kraftwerke werden digitalisiert – komplett mit Maschinenpark, Rohrleitungen, Verkabelung und der Verfahrenstechnik bis hin zu Anlagen einschließlich der Fertigungsprozesse, was Fachleute als "digitale Fabrik" bezeichnen.

Friedrichs Kollege Carsten Selke hat beispielsweise zusammen mit Experten von A&D in Nürnberg eine komplette Fabrik für Elektromotoren digital aufgebaut. Die gesamte Montagelinie samt Materialfluss bis hin zur Fabriksteuerung wurde in einem 3D-Layout geplant und mit der Ablaufsimulation getestet. In der Realität wird dieses Motorenwerk gerade in China gebaut. Obwohl erst der Rohbau steht, wissen die Siemens-Fabrikplaner schon, wie der Materialfluss in der Fertigung ablaufen wird und ob die einzelnen Bearbeitungsschritte im richtigen Takt zueinander funktionieren.

Dr. Georg Nerowski, verantwortlich für das Projekt "Global Motor" bei A&D: "Wir sind mit dieser Unterstützung unserer Planungsarbeiten für das neue Werk in China sehr zufrieden. Besonders wichtig war das strukturierte Vorgehen bei der Prozessanalyse, aus der sich sehr übersichtlich die Anordnung der Ressourcen in der Fabrik erstellen lässt. Die Layout-Arbeiten konnten damit erheblich beschleunigt werden. Die Layout-Visualisierung und nachfolgende Simulation brachten Planungssicherheit darüber, wie viel wir investieren müssen."

Per Simulation Planungsfehler von Anfang an vermeiden: beim Luftmassen-Sensor (links) ebenso wie beim Head-up-Display fürs Auto

Noch ist Carsten Selke mit seinen Simulationswerkzeugen nicht ganz zufrieden: "Eigentlich ließe sich die digitale Fabrik noch weiter verfeinern bis hin zur Funktionssteuerung einzelner Maschinen." Zwar wird das Verhalten numerisch gesteuerter Werkzeugmaschinen von Experten bei A&D bereits simuliert, aber die Kopplung mit dem übrigen Produktionsprozess steht noch aus. "Es gibt noch zu viele unterschiedliche Datenmodelle je nach Hersteller der Software-Tools", sagt Selke. Methoden und Schnittstellen müssten branchenübergreifend standardisiert werden. Deshalb beteiligt sich Siemens unter anderem an Standardisierungs-Gremien wie ProSTEP, einer Interessengemeinschaft aus 200 führenden Unternehmen der Automobil-, Luftfahrt- und Raumfahrtindustrie sowie des Anlagenbaus und anderer Industriebranchen.

Flug durch einen Sensor. Im VR-Labor hat Friedrich eine Simulation vorbereitet. "Start frei für den Flug durch einen Luftmassen-Sensor – nicht größer als ein Cent-Stück", kündigt er an und drückt auf die Tastatur eines Computers, der sechs andere PCs steuert, die von einem Nebenraum aus die sechs Projektoren an der Decke des Virtual-Reality-Centers mit Bilddaten versorgen. Sie werfen die berechneten Stereobilder aus senkrecht und waagrecht polarisiertem Licht auf drei Projektionsschirme. Mit einer Polarisationsbrille vor den Augen sehen die Besucher dann alles in 3D. Sie können wie in einem Film verfolgen, wie die Luft – veranschaulicht durch Strömungslinien – durch den Sensor im Ansaugkanal eines Pkw-Motors gleitet.

Ein kurzer Klick mit der Maus, schon fühlt man sich im Luftstrom mitgenommen und fliegt in den Sensor hinein, wo das aktive Sensorelement die Luftmenge misst. Schwarze Partikelchen sausen heran – Ruß aus Dieselabgasen, der ebenfalls angesaugt wird und den Sensor verschmutzen könnte. Wieder mit einem Mausklick dreht Friedrich den Sensor und verändert den Luftstrom. "Hinter dieser Visualisierung stecken aufwändige strömungsmechanische Berechnungen, deren Ergebnisse wir hier in Echtzeit in Stereobilder umwandeln und ablaufen lassen können", erklärt Friedrich. "Unsere Kollegen bei Siemens VDO wollten etwa wissen, wie das Strömungsfeld aussieht, wie viel Luft tatsächlich durch den Sensor strömt und wie viele Schmutzpartikel den Sensor treffen. Eben die gesamte Funktion prüfen." Und das, lange bevor der Sensor in Hardware gebaut wurde.

Spieglein, Spieglein im Display. Oder ein anderes Beispiel: Für ein neuartiges Head-up-Display im Auto-Cockpit untersuchte das VR-Labor Konstruktions- und Montagetoleranzen. Zu simulieren waren verschiedene Spiegel im Display, die im Fahrzeug die Tacho- oder Navigationsinformationen scharf und kontrastreich auf die Windschutzscheibe werfen. Friedrichs Kollegen bei Siemens VDO in Babenhausen interessierte, welche Toleranzen in Form und Lage der Spiegel noch erlaubt sind, damit der Fahrer auf der Frontscheibe tatsächlich ein optimales Bild sieht. Wenn die Spiegel bei der Montage beispielsweise schief aufgeklebt werden, könnten die Anzeigen verzerrt sein.

Wieder springen die Projektoren an und werfen das 3D-Bild eines Head-up-Display-Spiegels auf die Leinwand. Kräfte, sichtbar durch Vektorpfeile, wirken auf ihn ein und verformen seine Oberfläche. "Unsere Ingenieure sehen dank dieser Animation intuitiv, wo die Knackpunkte liegen und wo sie die Konstruktion optimieren sollten", erläutert Friedrich und nennt einen der wichtigsten Vorteile, die sein VR-Lab bietet: "Durch unsere Simulationen lassen sich die Entwicklungszeiten um bis zu 30 % verkürzen." Damit gelangen neue Produkte nicht nur früher auf den Markt, sie sind auch ausgereifter, weil die Simulation viele Fehler frühzeitig aufdeckt. Gleichzeitig lassen sich der Serienanlauf und die Produktion in der Fabrik rascher umsetzen, da die benötigten Ressourcen und Materialien bereits vorab genau simuliert werden.

Um solche Simulationen durchzuführen, benötigt Friedrichs Team eine Menge Daten von den Konstrukteuren. Neben der reinen Geometrieform des CAD-Modells auch Informationen, aus welchem Material das Produkt besteht und welche Randbedingungen herrschen – etwa Angaben über sein elektrisches und mechanisches Umfeld. Mit all diesen Daten erstellen die Fachleute dann ein numerisches Simulationsmodell. Die Software-Werkzeuge dazu sind auf dem Markt erhältlich. "Wir entwickeln sie nicht selbst. Unsere Leistung ist aber, dass wir diese komplexen Werkzeuge sehr gut anwenden können", betont Friedrich.

Das ursprüngliche CAD-Modell wird dafür in der Regel zuerst vereinfacht und von Details befreit, die für die Simulation keine Rolle spielen. Das hält die Rechenzeit so kurz wie möglich. Danach wird das Modell in ein Netz aus vielen Millionen winzigen Dreieckskörpern zerlegt, so genannten finiten Elementen. Mittels numerischer Verfahren werden nun die mit physikalischen Randbedingungen wie Temperatur, Druck- oder Kraftwerten belegten finiten Elemente Stück um Stück berechnet. Da jeder dieser Werte auf Knopfdruck veränderbar ist, lassen sich problemlos "Was-wäre-wenn-Untersuchungen" anstellen. Komplexer wird die Simulation, wenn Werte aus unterschiedlichen physikalischen Bereichen zusammenwirken. Die Simulationsexperten haben etwa bereits Verfahren der Strömungsmechanik mit Akustik gekoppelt und so bei einem Stromabnehmer eines ICE-Zugs die Schallausbreitung von Luftwirbeln untersucht.

Ganzheitliche Simulation. "Die höchste Form der Kopplung, die wir anstreben, ist die mechatronische Simulation, bei der Mechanik, Elektronik und Software eines Produkts zusammenwirken", schildert Friedrich seine Vision vom virtuellen Prototypen. Bisher wird in der Regel zuerst die Mechanik eines Bauteils entwickelt und erst im Anschluss die passende Software. "Wir könnten die Produktentwicklung schneller vorantreiben, wenn wir die Software parallel zur Konstruktion entwickeln würden und beides zusammen testen könnten", erklärt Friedrich. Vorreiter sind seine Kollegen von A&D in Erlangen, die mit dem Sinumerik Machine Simulator (siehe Kasten) einen Schritt in diese Richtung gegangen sind. "Aber bis wir die komplette Integration sicher im Griff haben, wird es noch etwa zwei Jahre dauern. Wir arbeiten zur Zeit sehr intensiv an der Entwicklung der notwendigen Methoden undRechenverfahren."
Rolf Sterbak

Ich bin eine Werkzeugmaschine

Ein PC als virtuelle Werkzeugmaschine? Für Thomas Menzel, Produktmanager bei Siemens Automation and Drives in Erlangen, ist das kein Problem. Sein Sinumerik Machine Simulator genanntes Software-Programm demonstriert, wie diese wundersame Verwandlung funktioniert. Dazu wird der Computer an eine numerische Steuerung angeschlossen, wie sie bei Werkzeugmaschinen üblich ist. Dann startet Menzel das Programm auf seinem PC. Es beginnt, der angeschlossenen Steuerung alle Funktionen einer echten Maschine vorzugaukeln. Umgekehrt reagiert die automatische Steuerung so, als würde sie tatsächlich mit einer realen Maschine kommunizieren. "Unsere Kunden, die Maschinenbauer, können neue Maschinen damit bereits in der Konstruktionsphase testen und verbessern – ein Riesenvorteil", betont Menzel. Siemens liefert mit dem Sinumerik Machine Simulator eine Art Software-Baukasten an den Konstrukteur. In diesem Fundus sind bereits viele Komponenten in virtueller Form enthalten, aus denen eine Maschine besteht, etwa Verzögerungsglieder, mit denen typischerweise der Vorschub von Werkzeugmaschinen beschrieben wird. Weitere Komponenten kann sich der Konstrukteur flexibel generieren und in einer Modellbibliothek wiederverwendbar ablegen. Aus diesen Elementen setzt er dann seinen Maschinenentwurf per "drag & drop" zusammen. Schritt für Schritt entsteht so ein virtuelles Abbild, das genau dem Verhalten einer geplanten Werkzeug- oder Produktionsmaschine entspricht, noch bevor sie in Hardware aufgebaut ist. Passen Mechanik und Software zusammen? Leistet die künftige Maschine genau das, was man von ihr fordert? Wie schnell kann sie bohren, fräsen oder hobeln oder in welcher Güte fertigt sie die gewünschten Teile? Gefahrlos lassen sich auch die Grenzbereiche austesten: Was passiert, wenn eine Sensorik versagt? Schlimmstenfalls geht eine virtuelle Maschine kaputt; dieser "Schaden" kann auf Tastendruck repariert werden. Thomas Menzel: "Die Investitionen in den Sinumerik Machine Simulator amortisieren sich für den Kunden schon in weniger als einem Jahr. Die Qualität seiner Werkzeug- und Produktionsmaschinen steigt.

Sie lassen sich wesentlich schneller in Betrieb nehmen und ausliefern." Das bestätigt auch einer seiner Hauptkunden: Bernd Zapf, Entwicklungsleiter der Heller Maschinenfabrik aus Nürtingen, einem der führenden Hersteller von Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen für die Automobilindustrie. Die bisher gesammelten Erfahrungen mit dem Maschinensimulator seien so positiv, sagt er, "dass in Zukunft jede neue Maschine von uns darauf simuliert wird."

Zukunft der Fabriken – Workflow-Simulation

Pictures of the Future

Zukunft der Fabriken – Workflow-Simulation

Heilung nach Plan

Im Schwerionen-Therapiezentrum in Heidelberg werden ab 2008 Tumor-Patienten behandelt. Eine Simulation von Siemens optimiert die Behandlungsabläufe – mit Know-how aus der Prozesssteuerung moderner Fabriken.

Punktgenaue Tumorzerstörung: Eine Anlage für die Partikeltherapie (oben) ist ein extrem komplexes System. Damit die Behandlung (unten) in jeder Hinsicht effizient ist, werden die Arbeitsabläufe simuliert

Schnell, präzise und schmerzlos, das ist für die Behandlung von Tumorpatienten wichtig. Ein neues Verfahren für die Partikeltherapie bringt große Vorteile für Patienten und Klinikpersonal, beispielsweise bei der millimetergenauen Lagerung des Patienten für eine präzise Bestrahlung. Ein Roboterarm bringt die Liege mit dem Patienten vor dem Strahlrohr in Position. Nach fünf Minuten ist die schmerzlose Behandlung vorbei. Bei der zweiten Bestrahlung wird der Patient deutlich entspannter sein.

Noch existiert dieses Szenario nur virtuell – in einer Simulation von Siemens Medical Solutions (Med) in Erlangen. Doch schon Anfang 2008 werden Patienten im neuen Schwerionen-Therapiezentrum an der Heidelberger Uniklinik behandelt. Sie leiden an Tumoren, die sich operativ nur schlecht oder mit hohem Risiko entfernen lassen, wie etwa einige Gehirntumore. In Heidelberg werden sie mit Kohlenstoff-Ionen – den nackten Atomkernen des Kohlenstoffs – aus einem Teilchenbeschleuniger beschossen. Diese extrem schnellen Partikel dringen in den Körper des Patienten ein und zerstören punktgenau die Geschwulst, ohne das umliegende Gewebe stark zu schädigen (siehe Pictures of the Future, Frühjahr 2004, Partikeltherapie).

Entwickelt und getestet wurde das Verfahren von der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt. Weil deren Auftrag aber die Grundlagenforschung, nicht jedoch die Kommerzialisierung ist, suchte die GSI einen Industriepartner – und fand ihn mit Siemens. Das Unternehmen erwarb 2003 von der GSI und dem Deutschen Krebsforschungszentrum in Heidelberg wichtige Patente zur Schwerionen-Therapie und brachte die Methode mit hohem Aufwand zur Marktreife. Für das Heidelberger Zentrum liefert Siemens die komplette Technik rund um den Patienten, wie die patientennahe Strahlführung, die Patientenlagerung und die Behandlungssteuerung – "alles was am Ende des Beschleunigers hängt", sagt Klaus Staab, Projektleiter des Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrums, der die enge Kooperation mit Siemens begrüßt. Bei einem weiteren Therapiezentrum, dem Rhön-Klinikum in Marburg, für das im August 2007 der erste Spatenstich erfolgte, kommt sogar alles – bis auf das Gebäude – von Siemens, also auch der Teilchenbeschleuniger.

Neuland Klinikalltag. Dass die neue Therapie physikalisch und medizinisch funktioniert, haben die Forscher der GSI bereits an Patienten bewiesen – "aber wie die Ausgestaltung der Behandlungsschritte die Leistungsfähigkeit des Zentrums beeinflusst, dazu gibt es noch keine Erfahrungen", sagt Thomas Lepel von Siemens Corporate Technology (CT). Im Klinikalltag ist die Teilchentherapie völliges Neuland. Daher haben Lepel und seine Kollegen die Behandlungsprozesse – also den gesamten Workflow – in einem Simulationsmodell abgebildet. Damit können auch die Wirkungen von kundenspezifischen Anforderungen auf den Patientendurchsatz analysiert werden.

Denn der entscheidet darüber, ob sich die Anlage lohnt. In Heidelberg, wo der Behandlungsablauf nicht komplett dem von Siemens optimierten Weg entspricht, rechnet man mit etwa 1 300 Patienten pro Jahr. Die Anlage wird zur Hälfte von Land und Bund finanziert. Eine Klinik, die sich vollständig privat trägt, muss aber in der Regel mindestens 2 000 Patienten pro Jahr behandeln, damit sich die gut 100 Mio. € für die Bestrahlungsanlage plus die, je nach Ausstattung, etwa 50 Mio. € fürs Gebäude lohnen – vorausgesetzt, die Krankenkassen zahlen auch künftig die etwa 20 000 € pro Patient, die sie mit der Heidelberger Klinik vereinbart haben. Zum Vergleich: Für eine herkömmliche Strahlentherapie zahlen die Kassen nur 8 000 €. Doch die höheren Kosten scheinen vertretbar – angesichts der Gesamtkosten einer Krebsbehandlung, die Chirurgie, Chemotherapie und Strahlentherapie einrechnet und damit teilweise auf über 100 000 € pro Fall kommt.

Außerdem scheint die Rückfallquote mit dem neuen Verfahren bei einigen Tumoren wesentlich geringer zu sein, wie klinische Studien gezeigt haben. Für Dr. Konstanze Gunzert-Marx, Vertriebsdirektorin bei Siemens Med in Erlangen, ist die Partikeltherapie ein Erfolgsmodell: "Wenn man die Zahl der Neuerkrankungen hochrechnet, lohnt sich ein solches Zentrum für ein Einzugsgebiet mit acht bis zehn Millionen Bewohnern."

Winzige Teilchen, große Wirkung: Die Ionen werden auf bis zu 60 % der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt, im Synchrotron (oben) gespeichert und über eine komplexe Strahlführung (unten) zum Patienten geleitet

Simulation des Therapieverlaufs. Das zeigt auch der Businessplan, in den die Investitions- und Betriebskosten sowie die Rückerstattung der Kassen einfließen. Um die Rentabilität zu kalkulieren, wird der Patientendurchfluss simuliert und teilweise automatisch optimiert. "Im Prinzip nutzen wir dabei unser Know-how aus der Analyse von Produktionsprozessen", sagt Lepel. "Wie es in der Fabrik unterschiedlich zu behandelnde Einheiten gibt, so gibt es auch im Klinikbetrieb unterschiedliche Arbeitsabläufe." Die Simulation unterscheidet zum Beispiel nach Tumorarten und berücksichtigt die unterschiedlichen Vorbereitungszeiten.

Der leidende Patient als Teil eines Arbeitsablaufs – das klingt kalt und herzlos. Doch aus der Simulation haben die Siemens-Entwickler eine Behandlungssteuerung entwickelt, die den Workflow nicht nur nach betriebswirtschaftlichen Gesichtspunkten optimiert. "Eine Stärke unserer Steuerung ist es gerade, dass Ärzte und Klinikpersonal mehr Zeit für die Patienten haben", betont Gunzert-Marx. Der Arzt müsse sich nicht um den Ionenstrahl im Beschleuniger kümmern, sondern allein um den Patienten.

Der wird zwar als Teil des Workflows simuliert, aber als Mensch behandelt. Beispiel: Vor jedem der drei Bestrahlungsräume liegt ein Raum, in dem ein Patient zur Behandlung vorbereitet und auf einer Liege immobilisiert wird, während im Behandlungsraum bereits ein anderer bestrahlt wird. Der ausgeklügelte Schedule Optimizer von Siemens, gefüttert mit den Patientendaten aus einem Onkologie-Informationssystem, optimiert nicht nur die Belegung der Räume und die möglichst unterbrechungsfreie Nutzung des Ionenstrahls – und damit die Kosten –, sondern verkürzt auch die Wartezeit.

Ist etwa absehbar, dass die Vorbereitung eines Patienten länger als geplant dauert, kann ein anderer Patient rechtzeitig informiert und dessen Behandlung vorgezogen werden. Vorbereitung und Behandlung greifen nahtlos ineinander und verkürzen den gesamten Prozess für den Patienten auf unter 30 Minuten. Dabei können mit einer Konfiguration aus drei bis vier Behandlungsräumen die Patienten am besten und schnellsten behandelt werden, wie Lepels Simulation gezeigt hat.

Effizienter Robotereinsatz. Eine Fabrik kann nur effizient arbeiten, wenn die Arbeitsabläufe ineinander greifen. Das ist auch in der Klinik so. Deshalb hat Siemens Med eine Hightech-Liege aus Carbonfasern entwickelt, die sowohl für die Behandlungsplanung am Computertomographen als auch für die Behandlung selbst geeignet ist. Ein Roboterarm ergreift die Liege mit dem fixierten Patienten und fährt sie automatisch in die richtige Position. Nur so ist es möglich, die Vorbereitung außerhalb des Bestrahlungsraums vorzunehmen. Zudem passt das Patientenlagerungs-System auch in die Computertomographen der Klinik, die Behandlungsplanung wird damit erleichtert und präzisiert. Diese Entwicklung ist auch für herkömmliche Bestrahlungs- und Diagnoseeinrichtungen nützlich, denn immer mehr Kliniken verlangen bei Ausschreibungen solche Patientenlagerungs- und Transport-Systeme.

Ihr Know-how über die Arbeitsprozesse haben die Erlanger Entwickler vor allem durch Gespräche mit Kunden erworben, also Ärzten und Verwaltungen in Kliniken. So besuchten Med-Mitarbeiter das Harvard Medical Cyclotron in Boston oder das Midwest Proton Radiotherapy Institute in Bloomington, Indiana – immer mit derselben Frage: Was brauchen Ärzte und Patienten wirklich? Dabei stellte sich heraus, dass die Simulation der CT-Kollegen schon ziemlich nahe an der Realität war.

"Bei der Betrachtung des Gesamtsystems und der Analyse des Workflows hat Siemens mehrere Jahre Vorsprung", sagt Konstanze Gunzert-Marx. Zwar bemühten sich nun auch andere Anbieter, ähnliche Komponenten und einen integrierten Arbeitsablauf zur Partikelbestrahlung zu entwickeln, doch keiner biete diese Flexibilität, auch in Kombination mit bildgebenden Verfahren und der IT-Integration. So wurde das Siemens-System – weltweit einzigartig – von vornherein auf mehrere Ionen-Sorten ausgelegt. Neben Kohlenstoff können im Heidelberger Zentrum auch Sauerstoff-Ionen oder Protonen, die Kerne des Wasserstoffs, in einer Anlage abwechselnd eingesetzt werden. Das überzeugt auch Investoren in aller Welt. In den nächsten Jahren sollen weitere Partikeltherapiezentren entstehen.
Bernd Müller

Friday, September 19, 2008

Clean-Coal Debut in Germany

A new coal plant is the first to capture and store carbon dioxide.

By Rob Edwards---From Technology Review

It used to be called stinky town, because the pollution from burning dirty coal was so appalling. But now, if a new pilot plant works, Spremberg, in eastern Germany, could become the birthplace of a clean-coal revolution.

Earlier this month, the world's first coal-fired power plant designed to capture and store carbon dioxide that it produces began operations in Spremberg. The pilot plant has been built at a power station that, under Communist rule last century, used to belch out clouds of sulfurous smoke from burning brown coal, or lignite. "Industrial history is being written," says Tuomo Hatakka, chair of the European board of Vattenfall, the Swedish power company behind the new plant. Indeed, the development of carbon capture and storage (CCS) technology is seen by many experts as essential to help the world cut carbon-dioxide emissions in coal-fired power stations.

Vattenfall's small 30-megawatt plant burns the lignite in air from which nitrogen has been removed. Combustion in the resulting oxygen-rich atmosphere produces a waste stream of carbon dioxide and water vapor, three-quarters of which is recycled back into the boiler.

Clean coal: The Vattenfall pilot plant in eastern Germany is the first coal-fired power plant to capture and store its carbon-dioxide emissions. The pilot plant, which has a thermal capacity of 30 megawatts, cost roughly 70 million euros. A larger demonstration-scale plant is scheduled for operation by 2015.
Credit: Vattenfall

By repeating this process, known as oxyfuel, it is possible to greatly concentrate the carbon dioxide. After particles and sulfur have been removed, and water vapor has been condensed out, the waste gas can be 98 percent carbon dioxide, according to Vattenfall.

The separated carbon dioxide will be cooled down to -28 °C and liquefied. Starting next year, the plan is to transport it by truck 150 miles northwest, to be injected 3,000 meters underground into a depleted inland gas field in Altmark. Ideally, in the future, the gas will be carried by pipeline to underground storage, says Vattenfall.

Compressing and transporting the carbon dioxide takes energy, as does the initial extraction of nitrogen. So these processes reduce the overall efficiency of the plant, although Vattenfall is attempting to counter this by investigating ways of boosting the efficiency of the boiler--by predrying the coal, for example.

The aim, according to the company's vice president, Lars Strömberg, is to develop a power plant with "almost zero" pollution. He says that achieving no emissions will be impossible, "but we will come very, very close to this target."

In an initial three-year testing program, the Schwarze Pumpe pilot plant is expected to assess how components function together and exactly what proportion of carbon dioxide can actually be separated. Using the information gained, Vattenfall plans to scale up to a 300-to-500-megawatt demonstration plant by 2015 and to 1,000-megawatt commercial plants after 2020.

Capturing carbon: The Vattenfall coal-fired power plant uses oxygen and a series of steps to recycle the carbon dioxide. The result is a highly concentrated carbon-dioxide waste stream that makes it easier to capture the emissions.
Credit: www.kjell-design.com

The opening of the plant divided environmental groups in Europe. Some regard CCS technology as a potentially valuable weapon in the battle against climate change, while others see it as an expensive distraction from the pursuit of cleaner renewable-energy technologies.

But the plant was greeted warmly by CCS specialists. For Stuart Haszeldine, a geologist from the University of Edinburgh, in Scotland, it was "a very welcome, and tangible, statement that CCS can be made to work." The European Union wants a further 10 to 15 CCS plants in operation by 2015, he points out.

"Only by actually building plants like this can poorly known costs and risks be better understood and enable the routine deployment of CCS, which so many politicians and energy analysts perceive to be essential for climate cleanup," says Haszeldine. "This is the first; the world now needs lots more."

Oxyfuel is one of three possible CCS technologies. Another uses a scrubbing process to try to capture carbon dioxide in the flue gases emitted after coal has been burned in a conventional power plant. The third involves gasifying the coal, creating hydrogen for generating electricity and carbon monoxide, from which carbon dioxide can be formed and separated.

According to Howard Herzog, a chemical engineer at MIT Laboratory for Energy and the Environment and manager of MIT's carbon-sequestration

initiative, it's too soon to say which of the clean-coal technologies will be the best. The opening of the oxyfuel plant--which he attended in Germany--was "exciting" because it represented "a significant step forward in developing CCS technology," he says. "Vattenfall's pilot plant will not only develop oxyfuel combustion technology; it will also provide critical information on the potential of oxyfuel combustion as a CO₂-capture technology."