Realitätsnahe Simulationen – wie detailliert lassen sich Szenarien modellieren, vernetzen und berechnen?
Wenn wir uns heute Filme anschauen, die 20 oder 30 Jahre alt sind, fragen wir uns heute, warum wir nicht eingeschlafen sind und wie wir die Stunts, Szenarien und Kulissen im Film damals spannend finden konnten. Zu viel hat sich zwischenzeitlich getan und wir sind daran gewöhnt, dass alles im Film realistisch aussieht.
Schauen wir uns nur Computerspiele der neuesten Generation an. Diese sind oft so realitätsgetreu, dass man denkt, man ist in einem modernen Film.
Im Bereich der Simulation findet eine ähnliche Entwicklung statt. Die Simulation muss nicht nur physikalisch richtig sein, sondern auch noch gut und professionell aussehen, damit man den Ergebnissen traut.
Ein Mensch, normgerecht idealisiert als zylindrische Tonne, mit einer Halbkugel als Kopf, macht die beste Simulation unglaubwürdig, auch wenn die Physik dahinter richtig sein mag. Zudem kommen noch Anforderungen, dass selbst das OP-Besteck richtig gehalten wird, sonst könnten die Ergebnisse ja durch diesen Fehler beeinflusst werden.
Bei Maschinen und Gebäuden, die als 3D-CAD-Modelle existieren, ist der Aufwand für die Modellierung hauptsächlich eine Frage des richtigen Preprozessings. Daten können eingelesen und direkt weiterverwendet werden.
Wenn es aber um die Modellierung der Strömung in einem Operationssaal mit Menschen, also Patienten, Chirurgen, Anästhesisten und Hilfspersonal geht, noch dazu, wenn man die Ergebnisse mit Messergebnissen aus realen Szenarien vergleichen möchte, wird die Luft sehr dünn.
Die Geometrien der menschlichen Protagonisten mit OP-Kleidung, Hauben und Masken sind doch sehr komplex und liegen erstmal nicht als 3D-Daten vor.
Einen bahnbrechenden Schritt für uns (und die Welt) hat Merkle CAE Solutions hier mit einem Forschungsprojekt gemacht, dass wir gemeinsam mit dem ICCAS in Leipzig, der OTH Amberg Weiden, dem DLR und der Firma OHB durchgeführt haben.
Hier geht es darum, mögliche Kreuzkontaminationen zu messen und zu simulieren, um die Ausbreitung von Krankenhauskeimen nach Möglichkeit zu vermeiden.
Wie gut die Simulationsergebnisse von Merkle CAE Solutions mit den durchgeführten Messungen übereinstimmen, soll hier gar nicht das Thema sein. Darüber werde ich nach dem Abschluss des Projektes in einem separaten Blogartikel berichten.
Im Rahmen dieses Blogs möchte ich gezielt auf die Aspekte eingehen, wie ein solches Szenario wie in Bild 4 gezeigt, überhaupt modelliert und in ein rechenbares Modell überführt werden kann.
Mit einem Lidarscanner lassen sich die Szenarien zwar grob aufnehmen, aber für eine direkte Weiterverarbeitung taugen die Daten in aller Regel ohne erhebliche Nachbearbeitung oder Qualitätsverluste nicht.
Wie gut, dass mein Sohn Julian im Bereich des Gamedesigns arbeitet und anhand von Videos, Fotos und Lidar-Scans aus dem Projekt das Szenario mit erstaunlicher Präzision als 3D-Modell abbilden kann (siehe Titelbild und Bild 3).
OP und Teile der Einrichtung insbesondere die TAV (Turbulenzarme Verdrängungsströmung) stammen dabei aus vorhandenen CAD-Daten des OP-Raumes. Die Menschen wurden mit entsprechenden Softwarewerkzeugen bis hin zur Bekleidung modelliert und positioniert und können sich teilweise sogar bewegen. Beistelltische, Monitore usw. können entweder nachmodelliert oder gar von Herstellern als Step-Daten eingeladen werden.
Modelltechnisch kommt nun aber für uns die eigentliche Herausforderung: Es muss ein rechenfähiges Netz generiert werden, mit dem Simulationen überhaupt durchführbar sind. Insbesondere in der Kleidung gibt es hässliche Hinterschneidungen.
Ein Detail des fertigen Rechennetzes sehen Sie in Bild 5.
Wie genau die Vernetzung mit minimalem Aufwand funktioniert, bleibt aktuell noch unser Geheimnis. Dass Merkle CAE Solutions es kann, zeigen folgende Ergebnisbilder aus der Strömungssimulation mit Star CCM+.
Was wir uns hier noch wünschen würden, wären bessere Postprozessing-Möglichkeiten. Zwischen dem Titelbild und den Ergebnisbildern ist schon noch ein erheblicher Unterschied - wie zwischen einem alten und einem modernen Film 😊.
Über den Fortgang des Projektes werde ich Sie gerne weiter informieren.
Wenn Sie auf den Geschmack gekommen sind und ähnliche Anforderungen haben, freue ich mich wie immer, von Ihnen zu hören. Aber auch Kommentare und Anregungen sind jederzeit willkommen. Schreiben Sie mir einfach eine E-Mail oder hinterlassen Sie einen Kommentar im Blog.
Ihr Stefan Merkle
PS: Übrigens berücksichtigt Merkle CAE Solutions auch den Einfluss der Körperwärme auf die Strömung. Schließlich ist jede Person eine Wärmequelle, und warme Luft steigt bekanntlich nach oben.
PPS: Astronauten, Feuerwehrmänner oder ein Meerschweinchen am Fallschirm… Fordern Sie uns!
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