MÜNCHEN (CW) - Die Ära der analogen Echtzeitsimulation ging beim Wolfsburger Volkswagenwerk in diesem Jahr zu Ende: Im Bereich Forschung des Automobilbauers nahm kürzlich ein digitaler, dynamischer Fahrsimulator seinen Betrieb auf. Den Kern des umgebauten Simulators bildet nun das Echtzeitrechnersystem 3200 MPS mit insgesamt fünf parallel arbeitenden Prozessoren von Perkin-Elmer. Zwei wesentliche Gründe für die Umwandlung: Bei digitaler Arbeitsweise können Fehlerquellen besser vermieden und Programme schneller gewechselt werden.
Bei der Erforschung des Systems "Fahrer-Fahrzeug-Straße" stützen sich die Tester zu einem großen Teil auf gezielte Versuche. In der Praxis stößt man aber dabei mit Fahrzeugen immer dann auf Schwierigkeiten, wenn man einzelne Effekte isolieren möchte und darum die Versuchsbedingungen konstant und reproduzierbar halten muß. Hinzu kommt, daß bei vielen "Spritztouren" zu Probezwecken eine Gefährdung der Fahrer nicht auszuschließen ist. Aus diesen Gründen werden beim Volkswagenwerk seit rund zwölf Jahren Forschungsarbeiten am System "Fahrer-Fahrzeug-Straße" mit Hilfe von Simulatoren durchgeführt. Die für diese Aufgabe erforderliche Rechengeschwindigkeit war damals allerdings nur mit Analogrechnern möglich. So wurde als erste Anlage ein Hybrid-System installiert. Die technischen Fortschritte im Bereich der digitalen dynamischen Fahrsimulation einerseits und der Ruf nach weiter vertieften Untersuchungen andererseits führten bei VW schließlich in diesem Jahr dazu, daß ein neues Rechnersystem ins Haus kam.
Rechnergeneriertes perspektivisches Bild
Die Fahrerkabine des Simulators unterscheidet sich in nichts von einer Ausstattung der Autos, die täglich über die Straßen rollen. So findet der Tester Zündschlüssel, Lenkung, Schalthebel, Brems- und Gaspedal sowie Tachometer und den Drehzahlmesser am "gewohnten" Platz.
Vor sich sieht der Fahrer ein vollsynthetisches perspektivisches Bild der vorgegebenen Straße mit Krümmung, Steigung, unterbrochener Mittellinie und etwaigen Hindernissen.
Am Lenkrad sind die dem Fahrzustand entsprechenden Rückstellkräfte über einen Elektromotor darstellbar. Das servohydraulische Bewegungssystem der Kabine (Drehbewegungen um drei Achsen, vertikale Sitzbewegungen) vermittelt dem Fahrer rotatorische und translatorische Beschleunigungs- und Verzögerungsgefühle in allen Richtungen.
Alle Bedienungselemente nun erzeugen analoge und digitale Informationen in Form von elektrischen Signalen, die dem Rechner zugeführt werden. Umgekehrt müssen die Steuerungssysteme für Sicht-, Geräusch-, Bewegungs- und Kraftsimulation vom Rechner mit den zur jeweiligen Fahrsituation passenden analogen und digitalen Befehlen mittels elektrischer Spannungen rechtzeitig versorgt werden. Insgesamt hat der Rechner während jedes Simulationszyklus drei Aufgaben zu erfüllen: Die Meßdatenerfassung ("Registratur" der Aktionen des Fahrers), die Berechnung der Fahrzeugbewegungen und die analoge beziehungsweise digitale Datenausgabe.
Simulations-Frametime muß extrem kurz sein.
Die Simulations-Frametime, das heißt die Länge des jeweiligen Zyklus darf nicht mehr als eine Hundertstel Sekunde dauern. Somit ist die Frame-Time eine wichtige Eckgröße des digitalen Simulationssystems, weil sie die Leistungsfähigkeit eines Rechners bestimmt. Davon ausgehend ergibt sich nun bezüglich der genannten Aufgaben für VW ein detailliertes Anforderungsprofil.
Schaut man zunächst einmal die Meßdatenerfassung an, so müssen in diesem Bereich eine Vielzahl von analogen und digitalen Meßstellen abgefragt werden. Dabei sei es sinnvoll, den eigentlichen Prozessor nicht zu belasten. Vielmehr sollten zu jedem Simulationsakt die Meßdaten regelrecht in den Speicher geschossen werden, wobei jede Mikrosekunde zähle.
Für das Rechnersystem resultiere hieraus ganz klar die Anforderung eines möglichst hohen DMA-Durchsatzes, mit minimalem Overhead durch das Betriebssystem.
Was die Berechnung der Fahrzeugbewegungen betrifft, so würden die Eigenschaften des zu simulierenden Fahrzeuges im Computer durch ein komplexes mathematisches Modell mit seinen Bewegungsgleichungen nachgebildet. Aufgrund der durch viele Fahrzeugkomponenten bedingten Modellkomplexität entstünden entsprechend umfangreiche Programmstrukturen. Dadurch erhielte die Forderung nach Echtzeitbetrieb eine ganz besonders große Bedeutung. Hinsichtlich der Datenausgabe ergebe sich schließlich die Notwendigkeit, daß diese nur einen Bruchteil der Simulations-Frame-Time, das heißt nur einen Bruchteil von 1/100 Sekunde betragen dürfe. Auch hier gelte wie bei der Meßdatenerfassung, daß die Ausgabevorgänge die CPU nicht belasten sollen.
Parallel zu der Ausgabe der eigentlichen Simulator-Steuer-Größen müßte die Durchsatzfähigkeit des Systems noch den Transfer großer Datenmengen auf einen Plattenspeicher erlauben. Der Grund: Alle Eingabe- und Ausgabegrößen sowie eine Reihe interner Rechendaten sollten nämlich als Zeitreihen für nachfolgende Versuchsauswertungen verfügbar sein. Ferner sei eine zusätzliche Online-Ausgabe von Status-Größen auf Bildschirmen erforderlich.
Zur systematischen Rechnerauswahl hat VW zuerst einen Kriterienkatalog aufgestellt. Neben der Hauptanforderung ..hohe Rechenleistung und hohe Durchsatzrate" waren unter anderem die folgenden Punkte wichtig:
- Kosten
- Erweiterbarkeit
- Bedienungskomfort
- Kommunikationsfähigkeit mit anderen Rechnern
- Eignung zur Durchführung anderer Aufgaben außer der Simulation
Die mit Hilfe des Katalogs durchgeführte breitangelegte Marktrecherche ergab aus VW-Sicht, daß die optimale Lösung im Bereich der 32-Bit-Minis zu suchen war.
Nach einer genauen Umschau auf dem 32-Bit-Markt kamen im Endeffekt für den Automobilhersteller nur noch drei Hersteller in die engere Wahl. Die Anlagen von Norsk Data, Gould und Perkin-Elmer wurden dann einem Benchmark mit "Number-crunching" und "Heavy I/O" unterzogen, wobei die Belastungstypen sowohl gemeinsam als auch einzeln auftreten konnten.
Dazu Peter Zimmermann, Forschungsmitarbeiter im Bereich dynamische Fahrsimulation bei VW: "Beim Benchmark stellte sich heraus, daß die drei Anlagen ziemlich gleich in ihrer Leistungsfähigkeit waren.
Wir haben uns dann aber für Perkin-Elmer entschieden, weil dieser Hersteller zum Zeitpunkt der Bestellung ein modular ausbaubares Multiprozessorsystem herausbrachte." Die anderen Rechner hätten mit Shared Memory gearbeitet, wodurch mit Zeitverlusten zu rechnen sei. Auch vom Preis/Leistungs-Verhältnis her habe die Anlage überzeugt. Zimmermann in diesem Zusammenhang weiter: "Wir haben ganz schöne Preisnachlässe bekommen. Das hängt einfach damit zusammen, daß der Simulationsmarkt so attraktiv ist für die Rechnerfirmen. Andere Unternehmen haben sich natürlich ebenfalls bemüht, uns günstige Preise zu unterbreiten."
Schließlich und endlich habe für Perkin-Elmer auch noch die Tatsache gesprochen, daß dieser Hersteller über einige Erfahrungen auf dem Sektor der Analog/Digital-Wandlung verfüge.
Bei dem Perkin-Elmer-Computer, den sich VW nun kürzlich anschaffte, handelt es sich um das Rechnermodell 3200 MPS, das maximal bis zu neun APUs unterstützen kann. Laut VW eliminiert dieses System auch den Overhead, den mehrfache Kopien des Betriebssystems auf den einzelnen Rechner verursachen und senkt dadurch die Kosten.
Das Softwarepaket Simpacs besteht in seinem zeitkritischen Teil aus fünf parallel arbeitenden Tasks, entsprechend den verfügbaren Prozessoren. An bestimmten Stellen des Simulationszyklus werden diese Tasks untereinander synchronisiert und tauschen Zwischenergebnisse aus, die für die weiteren Berechnungen erforderlich sind. Wichtiges Design-Kriterium bei Simpacs war die möglichst gleichmäßige Lastaufteilung zur Vermeidung von Wartezeiten der einzelnen Prozessoren. Die fünf Rechenwerke kommunizieren über Shared Common Blocks. Die Synchronisierung erfolgt über Semaphore, die ebenfalls im Shared Common sitzen.
Zu den wesentlichen Aufgaben der CPU-Task gehören unter anderem: Gesamtinitialisierung, Laden und Starten der APU-Tasks, Synchronisierung der APU-Tasks auf ADC, Analog/Digital Input aus Realtime-Umwelt, D/A- und digitaler Output und die Ausgabe von Statusinformationen für den Versuchsleiter.
Das parallelisierte Fahrzeugmodell ist auf die CPU sowie auf die vier APUs verteilt. Dabei wurde für eine klare Abtrennung der Teilstrukturen gesorgt. Eine der wesentlichen Eigenschaften von Simpacs besteht in der Verwendung unterschiedlicher Integrationsverfahren und Rechenschrittweiten für die einzelnen Freiheitsgrade des Fahrzeugmodells. Grund dafür sind die stark gestreuten Eigenfrequenzen der einzelnen Fahrzeugkomponenten. Den Angaben des Simpacs-Herstellers, dem Systemanbieter Fahrzeugtechnische Forschungs- und BeratungsgmbH (FFBG) zufolge, läßt sich mit dieser Technik eine ausreichende numerische Stabilität des Systems unter Minimierung der Gesamtrechendauer erreichen. Während der Simulation stünden dem Versuchsingenieur eine Reihe von Steuerungsmöglichkeiten zur Verfügung. So könne er per Tastendruck beispielsweise Hindernisse einblenden und "Reset" kommandieren. Außerdem würde Simpacs auch die Sicherheit während eines Versuchsablaufs großschreiben. Die Software sorge dafür, daß keine heftigen Bewegungen der Kabine entstünden, wenn sie aus irgendeiner Lage in die Null-Lage geführt werden müsse.
Bis auf die Tatsache, daß ein Analogrechner mit Elektronengeschwindigkeit arbeitet und darum schneller ist als ein Digitalcomputer, sieht Peter Zimmermann bisher nur Vorteile in der Perkin-Elmer-lnstallation. Er nennt vor allen Dingen vier Pluspunkte dieses Systems.
Zum einen brauche der Digitalrechner nur einmal im Vierteljahr gewartet werden. Der analog arbeitende Simulator habe hingegen ständig zwei Mann Wartungspersonal erfordert. Zimmermann: "Bei einem Analogrechner, der etwas größer ist fällt dauernd etwas aus. Irgendetwas ist da immer kaputt," Zweitens sei ein digitaler dem analogen Rechner gegenüber viel flexibler und erlaube die "blitzschnelle Ladung eines anderen Programmes", Früher hätte man Programmteile wie beispielsweise Multipizierer und Integrierer auf einem Steckbrett austauschen beziehungsweise umpolen müssen, Das sei wesentlich zeitaufwendiger gewesen als heute und hätte oft zu Fehlern geführt, Der dritte Vorzug liegt für Zimmermann in der Vermeidung von Fehlerquellen: "Beim Stecken kann man sich sehr schnell vertun und dann läuft gar nichts mehr,"
Zum vierten erlaube es der Dialogrechner, Interpolationsfunktionen mühelos darzustellen.
Ein weiterer Vorteil sei schließlich darin zu sehen, daß man im Bedarfsfalle den jetzigen Rechner auch für allgemeine wissenschaftlich-technische Berechnungen nutzen könne beziehungsweise er nicht nur ausschließlich für die Fahrsimulation eingesetzt werden müsse.
DAS UNTERNEHMEN
Volkswagenwerk AG
Beschäftigungszahl in sechs inländischen Werken: 115 004
Beschäftigtenzahl weltweit: 231 000
Inländische Werke: Wolfsburg. Emden, Hannover, Salzgitter, Braunschweig, Kassel
Inländische Werke des Tochterunternehmens Audi-AG: Ingolstadt. Neckarsulm
Ausländische Produktionsstätten in Argentinien, Belgien, Brasilien, Jugoslawien, Mexiko, Nigeria, Republik Südafrika und USA
Tägliche weltweite Fahrzeugherstellung: 10 000
Gründungsdatum: 1930, Umwandlung in eine AG 1900
Umsatz: 40 Milliarden weltweit im letzten Jahr, 29 Milliarden Mark bei der AG
Angestellte im Forschungsbereich des Volkswagenwerkes in Wolfsburg: 000, davon sind sieben in der Abteilung Fahrzeugtechnik/Theorie beschäftigt
DIE HARDWARE
Zahl der Prozessoren 5 (1 x CPU, 4 x APU)
Hauptspeicher 8 MB
Cache Memory 8 KB für CPU. je 4 KB pro APU
Writable Control Store 1 x pro Prozessor
Floating-Point-Hardware 1 x pro Prozessor
DMA Systeme 2
Selektor-Kanäle 6
Asynchrone Kanäle 19000 Bit/s) 18
Rechner-Rechner-Verbindungen 1 HASP 8 Schnittstelle
(Verbindung mit Cyber 855)
Wechselplattenlaufwerk 300 MB
Festplattenlaufwerk 600 MB
Magnetbandeinheit 800/1000 bpi
A/D - System 32 Kanäle. 48 db Eingangsfilter
Diff.-Eingänge, 14 bit, 150 kHz
D/A - System 32 Kanäle, 24 dB Ausgangsfilter, 16 Bit, 100 kHz
Digital l/O - System 16 Bit Eingang, 16 Bit Ausgang
Zeilendrucker 600 Ipm