Ein ganzer Stadtstaat als Simulation

Forschende der Außenstelle der Technischen Universität München (TUM) „TUMCREATE“ in Singapur haben den „City Mobility Simulator“ (CityMoS) entwickelt. Der Mobilitätssimulator unterstützt den südasiatischen Stadtstaat nun bei der Elektrifizierung des Verkehrs und berechnet den Anteil der Wärme in der Stadt, der vom Verkehr verursacht wird. Auch in Deutschland wird CityMoS bereits eingesetzt und hilft bei der E Transformation eines Logistikterminals von DHL Freight.

Welche Auswirkungen hätte es für die Umwelt, wenn vier von fünf Fahrzeugen im Straßenverkehr elektrisch betrieben würden? Was bedeutet es für die Reisezeiten der Passagiere, wenn eine zentrale U-Bahnlinie plötzlich ausfällt? Wie viel Hitze geht vom Verkehr aus? Das sind die Fragen, die CityMoS beantworten kann. Das Simulationsprogramm analysiert das Pendlerverhalten, berücksichtigt den öffentlichen Nahverkehr und erkennt generelle Bewegungsmuster – bezieht also nicht nur den Verkehr, sondern alle Mobilitätsfaktoren in seine Berechnungen mit ein.

„CityMoS ist der modernste Mobilitätssimulator, den ich kenne“, sagt Prof. Alois Knoll von der TUM, „einerseits, weil er für Rechner mit Mehrkernprozessoren optimiert ist, auf handelsüblichen Computern laufen kann und deren parallele Systeme eine quasi unbegrenzt hohe Simulationsgeschwindigkeit ermöglichen, andererseits, weil Ko-Simulationen unterschiedlichster Art möglich sind.“ Andere Simulationen, etwa von Elektrizitätsnetzen, können also an CityMoS gekoppelt werden. „Damit kann die voraussichtliche Entwicklung von Verkehrssituationen oder -aufkommen im Voraus berechnet werden“, so der Leiter des Lehrstuhls für Robotik, Künstliche Intelligenz und Echtzeitsysteme.

„Im Vergleich zu existierenden Produkten auf dem Markt schafft CityMoS die Simulation der Mobilität für ganze Städte in mikroskopischer Auflösung”, erläutert Dr. David Eckhoff, der als Informatiker Ende 2016 zum TUMCREATE-Team hinzugestoßen ist und nun die Weiterentwicklungen von CityMoS leitet.

TUMCREATE fördert Austausch mit weltweit führenden Forschenden

Entwickelt wurde das System nicht in Deutschland, sondern in Singapur. Schon vor mehr als zehn Jahren hatte sich Prof. Wolfgang Herrmann als damaliger Präsident der TUM für einen stärkeren Forschungsaustausch zwischen dem Stadtstaat und der TUM eingesetzt. So entstand die Forschungskooperation „TUM Campus for Research Excellence and Technological Enterprise“ (kurz: TUMCREATE). Seit 2010 werden die TUM sowie ihre vielen Kooperationspartner, darunter etwa die Nanyang Technical University (NTU), durch die National Research Foundation (NRF) der singapurischen Regierung finanziert.

Die Partner profitieren dabei von Niederlassungen weltweit führender Forschungsinstitutionen, wie etwa dem Massachusetts Institute of Technology (MIT), der University of Cambridge oder der ETH Zürich, die sich ebenfalls auf dem Campus befinden. Die NRF unterstützte bereits zwischen 2010 und 2021 Initiativen im Bereich der Mobilitätsforschung mit mehr als 70 Millionen Euro: Durchgehend mehr als hundert Wissenschaftler:innen haben hier für TUMCREATE nach neuen Lösungen für Mobilität in Megacities gesucht.

CityMoS in der Praxis: Weitere Forschungsprojekte

„Simulationen dienen als virtuelle Testlabore, sind aber letztlich nur so gut wie die Daten, die in sie hineinfließen“, erläutert der TUMCREATE-Wissenschaftler Eckhoff: „Mit CityMoS sind wir in der Lage, ganz Singapur zu simulieren – jedes Auto individuell.“ Der Vorteil des Standortes Singapur: Die staatliche Land Transport Authority stellt in ihrer „DataMall“ öffentlich viele Daten zur Verfügung, die bei der Modellierung der Stadt helfen.

In folgenden Projekten kommt CityMoS aktuell zum Einsatz:

– CiLoCharging (2021 bis 2023): Im Münchner Forschungsprojekt City Logistik Charging (kurz: CiLoCharging) wird unter der Konsortialführung des Konzerns Siemens eine Flotte des Logistikdienstleisters DHL Freight auf rein elektrischen Betrieb umgestellt. Dafür müssen Ladestationen geplant und dimensioniert werden. Die TUM bringt als wissenschaftliche Partnerin Doktorand:innen sowie CityMoS in das Projekt ein. Die Simulationsumgebung für das Lademanagement dient dazu, den Einsatz von Ressourcen für eine ganze Logistikflotte zu optimieren.

– Singapore Integrated Transport and Energy Model (SITEM): Die singapurische Regierung plant, bis 2030 jedes zweite Fahrzeug in Singapur auf elektrischen Antrieb umzustellen. 2040 sollen gar alle Fahrzeuge mit saubererer Energie unterwegs sein. Es stellt sich die Frage, wie sich der Ausbau des E-Verkehrs auf das Stromnetz auswirkt. CityMoS simuliert den Straßenverkehr im Detail und in Echtzeit – jedes Fahrzeug und jede Ampelanlage, mitsamt aktuellem Ladezustand und der Reichweite jedes Fahrzeugs. Zudem dient SITEM dazu, den „Knowledge Transfer“ zwischen dem Forschungsbereich und der Praxis in Singapur hinzubekommen.

– Cooling Singapore: In dem Kooperationsprojekt geht es zusammen mit der ETH Zürich, der National University of Singapore (NUS) und der Singapore Management University (SMU) darum herauszufinden, wie hoch der anthropogene Anteil der Stadtwärme ist, also der von Menschen und unserer Infrastruktur gemachte. Mittels CityMoS kann im Speziellen der Beitrag des Verkehrs erforscht werden.

Joint-Lab mit Huawei: Zwei Jahre Zusatzfinanzierung für Weiterentwicklungen

„Das erklärte Ziel von TUMCREATE liegt darin, exzellente Forschung zu betreiben und auf dieser Basis zusätzliche Industriegelder einzuwerben“, erläutert Professor Knoll von der TUM. Ein großer Schritt in diese Richtung ist das von ihm initiierte und von Dr. David Eckhoff geleitete MoVES-Labor (Mobility in Virtual Environments at Scale), ein Joint-Lab, das vom Technikkonzern Huawei unterstützt wird. „Hier haben wir derzeit 13 Mitarbeiter:innen beschäftigt. Unser Ziel ist es, CityMoS zu einem marktreifen Simulator zu entwickeln“, erläutert der Laborleiter Eckhoff. Dieser hat zusammen mit zwei TUM-Kollegen ein weiteres Eisen im Feuer – das frisch gegründete Spin-off intobyte, das im letzten Schritt aus dem reifen Prototyp ein erfolgreiches Produkt machen soll.

Über TUMCREATE:
TUMCREATE ist die multidisziplinäre Forschungsplattform der Technischen Universität München (TUM) auf dem Singapore Campus for Research Excellence and Technological Enterprise (CREATE). Zusammen mit internationalen und lokalen Partneruniversitäten, öffentlichen und privaten Forschungseinrichtungen und industriellen Partnern treiben die Forschenden Zukunftstechnologien voran: Seit 2010 forscht TUMCREATE in Singapur zu Themen der Elektromobilität, autonomen Transportsystemen und bildgebenden Verfahren in der Medizintechnik. Mit dem neuen, im April 2022 begonnenen Großprogramm Proteins4Singapore erweitert TUMCREATE sein Portfolio um ein komplexes und zukunftsweisendes Life-Science-Projekt: Das Forschungsprogramm konzentriert sich auf alternative und nachhaltige Proteinquellen und die funktionsorientierte Produktion proteinreicher Lebensmittel. Proteins4Singapore wird urbane Zentren wie Singapur in die Lage versetzen, hochgradig nahrhafte, wohlschmeckende und funktionelle Lebensmittel auf Proteinbasis anzubieten.

Bilder zum Download:
http://go.mytum.de/252638 – http://go.mytum.de/006803 – http://go.mytum.de/023980 – http://go.mytum.de/817299

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Alois Knoll
Lehrstuhl für Robotik, künstliche Intelligenz und Echtzeitsysteme
Technische Universität München
Tel.: +49 (89) 289 – 18104
knoll@mytum.de

Dr. David Eckhoff
Director MoVES
TUMCREATE
david.eckhoff@tum-create.edu.sg

Originalpublikation:

Wen Jun Tan, Philipp Andelfinger, Wentong Cai, Yadong Xu, Alois Knoll and David Eckhoff, „Multi-thread State Update Schemes for Microscopic Traffic Simulation,“ Proceedings of 2020 WSC, Orlando, FL

Jiajian Xiao, Philipp Andelfinger, David Eckhoff, Wentong Cai and Alois Knoll, „Exploring Execution Schemes for Agent-Based Traffic Simulation on Heterogeneous Hardware,“ Proceedings of 22nd International Symposium on Distributed Simulation and Real Time Applications (DS-RT), Madrid, 2018

Philipp Andelfinger, Yadong Xu, David Eckhoff, Wentong Cai and Alois Knoll, „Fast-Forwarding Agent States to Accelerate Microscopic Traffic Simulations,“ Proceedings of SIGSIM PADS 2018, Rome

http://www.tum.de