Einführung in die Angewandte Informatik Modellierung und Simulation

Transkript

1 Fakultät Informatik, Institut für Angewandte Informatik, Professur Modellierung und Simulation Einführung in die Angewandte Informatik Modellierung und Simulation Dr. Christoph Laroque Wintersemester 11/12 Dresden,

2 Einführung in die Simulation Wintersemester 11/12 EINFÜHRUNG Einführung in die Simulation Folie Nr. 2

3 Wer bin ich?.. Und wer seid Ihr? Einführung in die Simulation Folie Nr. 3

4 Ziele der 3 Termine Themenfeld des Lehrstuhls kennenlernen Modellierung Simulation Analyse Anwendungen und Forschungsthemen: Warum ist das eigentlich ein aktuelles Themenfeld für Informatiker? Einführung in die Simulation Folie Nr. 4

5 Nürnberger Trichter Funktioniert leider nicht Vorbemerkung Wissen entsteht im Kopf des Lernenden, wenn er aktiv an einer Sache arbeitet Lernen heißt Workshop Einführung in die Simulation Folie Nr. 5

6 Storm the Brain! Einführung in die Simulation Folie Nr. 6

7 Was ist Simulation? VDI Simulation ist das Nachbilden eines dynamischen Prozesses in einem System mit Hilfe eines experimentierfähigen Modells, um zu Erkenntnissen zu gelangen, die auf die Wirklichkeit übertragbar sind. [VDI-Richtlinie 3633] Einführung in die Simulation Folie Nr. 7

8 Was ist Simulation? Computer-Simulation beinhaltet damit 1. Entwurf eines mathematisch-logischen Modells für ein reales System 2. Computergestütztes Durchführen von Experimenten mit diesem Modell 3. Auswerten der Ergebnisse 4. Anwendung in der Realität Einführung in die Simulation Folie Nr. 8

9 Das Modell als Basis der Simulation Ein Modell ist die vereinfachte Darstellung der Funktion eines Gegenstandes oder des Ablaufs eines Sachverhalts, die eine Untersuchung oder Erforschung erleichtert oder erst möglich macht. [Duden] Kriterien für ein gutes Modell: Abbildung/ Verkürzung / Pragmatismus Einführung in die Simulation Folie Nr. 9

10 Warum Simulation? Neben Experimenten mit dem realen System ist Simulation die einzige verfügbare Technik zur Analyse hoch komplexer dynamischer Prozesse Es können Bereiche abgebildet werden, die nur schwer experimentell untersucht werden können - oder Systeme, die (noch) nicht existieren! Analytische Techniken sind zwar im Allgemeinen exakter, aber schnell durch die Komplexität der abzubildenden Prozesse begrenzt Grundlage der Simulation ist immer ein Modell, weil das Experimentieren am Realsystem dieses zerstört, zu teuer oder schlicht unmöglich ist Einführung in die Simulation Folie Nr. 10

11 Warum Simulation? Dabei werden die errechneten Werte/ Ergebnisse stellvertretend für die Verhältnisse in der Realität angenommen (Isomorphie) Simulation ist die meistgenutzte Problemlösungsstrategie über alle Disziplinen in Wissenschaft und Technik. Allgemeine Ziele Verhalten des Systems besser verstehen verschiedene Strategien zum Betreiben des Systems bewerten Einführung in die Simulation Folie Nr. 11

12 Schritte einer Simulationsstudie 1. Problemformulierung & Planung (Vorstudie) 6. Validierung des implementierten Modells 2. Datensammlung & konzeptuelle Modellierung nein Valide? ja 3. Validierung des konzeptuellen Modells 7. Design der Experimentation nein Valide? ja 8. Experimentation/Produktionsläufe durchführen 4. Implementierung & Verifikation 9. Analyse der Output-Daten 5. Durchführung von Test-/Pilotläufen 10. (End-) Dokumentation & Ergebnispräsentation Einführung in die Simulation Folie Nr. 12

13 Anwendungsbeispiel I: Ingenieurwissenschaften Hochöfen Chemische Prozesse Verbrennungsmotoren/Reaktoren Walz- und andere Umformprozesse Kühl- und Heizungssysteme Wärmeverteilung in PC-Gehäusen oder Herden Schaltkreise Crashtests Einführung in die Simulation Folie Nr. 13

14 Anwendungsbeispiel II: Informatik/Nachrichtentechnik Computerarchitekturen neuronale Netze Kommunikationsnetze Einführung in die Simulation Folie Nr. 14

15 Anwendungsbeispiel III: Biologie, Medizin Ökosysteme: Teichwirtschaften, Seen Räuber-Beute-Systeme, z. B. in Nationalparks Schadstoffmigration Wirkung von Medikamenten Blutkreislauf Wetter Vogelgrippe Freizeit Einführung in die Simulation Folie Nr. 15

16 Anwendungsbeispiel IV: Volkswirtschaftslehre langfristiger Wandel der Beschäftigungsstruktur Mitgliederwanderungen von Krankenkassen bei freier Kassenwahl Auswirkungen finanzpolitischer Maßnahmen Konjunkturzyklen Arbeitslosigkeit Weltmodell (Forrester) Systems Dynamics (Planspiel, ) Rentenmodelle Einführung in die Simulation Folie Nr. 16

17 Anwendungsbeispiel V: Betriebswirtschaftslehre Geschäftsprozessanalyse und design Unternehmensplanspiele Produktionsplanung, Verkehrsplanung und Planung organisatorischer Abläufe: flexible Fertigungssysteme Distributionssysteme, Lagerhaltungssysteme langfristige Personalplanung Planung von Ampelschaltungen, Busspuren, etc. Warteschlangen an Schaltersystemen in Banken, Supermärkten etc. Einführung in die Simulation Folie Nr. 17

18 Schneller zu einem wirtschaftlichen Produkt Einführung in die Simulation Folie Nr

19 Herausforderung I das digitale Produkt Projektstart Digital Physisch Serie Quelle: Dimler AG, 2007 Einführung in die Simulation Folie Nr

20 Herausforderung II Die Digitale Fabrik Wenn Sie Produkt und Produktionsanlage zusammen entwickeln, haben sie wesentlich schnellere Anläufe. Dr. Norbert Reithofer, Vorstand Produktion, BMW Group Beschleunigung der Produktionsplanung um bis zu 30% bei sinkenden Kosten und besserer Qualität. Roland Berger Studie Betreibersimulation: Wir brauchen eine kontinuierliche, simulationsbasierte Analyse der Prozesse zur Unterstützung der Fertigungssteuerung Markus Klose, Digitale Fabrik BMW Werk Leipzig Einführung in die Simulation Folie Nr

21 Simulation im Produktdesign Simulation in der Entwicklung von Produkten mit weiter steigender Bedeutung. Problem bleibt die Integration der Daten und Formate. Einführung in die Simulation Folie Nr

22 Simulation Prozessdesign Auch im Prozessdesign hilft das Werkzeug der Simulation, um dynamische Prozesse abzusichern und zu planen. Einführung in die Simulation Folie Nr

23 Einsatz von Simulation: Vorteile Eingangswerte können beliebig verändert werden, ohne dabei die Realität tatsächlich verändern zu müssen Tests über Systeme möglich, die (noch) nicht existieren Zeitkompression: Verhalten über längeren Zeitraum kann in wesentlich kürzerer Zeit simuliert werden (u. umgekehrt) Sensitivitätsanalyse durch Manipulation der Eingangsgrößen Grafische Darstellung und Animation möglich - vereinfacht das Experimentieren an Modellen und steigert die Benutzerakzeptanz Effektives Trainingsinstrument Kann Verwendung finden, wenn analytische Methoden an ihre Grenzen stoßen! Einführung in die Simulation Folie Nr. 23

24 Einsatz von Simulation: Probleme Forderung nach Isomorphie schwer einzuhalten - sorgfältige Validierung notwendig Hoher Zeitaufwand zur Modellentwicklung - hohe Kosten Datensammlung, Interpretation u. Analyse häufig schwierig und zeitaufwendig Simulationsergebnisse sind schwieriger zu interpretieren als Ergebnisse anderer OR-Verfahren beim Vorhandensein stochastischer Elemente Verhalten nur repräsentativ, wenn Stichproben repräsentativ sind Großes Expertenwissen erforderlich Einführung in die Simulation Folie Nr. 24

25 Einsatz von Simulation: Übersicht Vermischung von Modell und Realität Mangelnde Transparenz Realitätsferne Computerakzeptanz Datenmangel Fehleranfälligkeit Grenzen Hoher Konstruktionsaufwand Erfassung der Systemkomplexität Möglichkeiten Alternativen zu Realexperimenten Erhöhtes Systemverständnis Reproduzierbarkeit Entscheidungshilfen Anregung zur Datenerfassung Integrations Möglichkeiten Einführung in die Simulation Folie Nr. 25

26 Arten der Simulation Art Ausprägung 1 Ausprägung 2 Zustandsänderung im Zeitverlauf Statisch Dynamisch Zustandsübergänge Kontinuierlich Diskret Eingabedaten Deterministisch Stochastisch Alle Kombinationen sind möglich. Einführung in die Simulation Folie Nr. 26

27 Statisch vs. Dynamisch Statisches Modell: Dynamisches Modell: System zu einem bestimmten Zeitpunkt System im Zeitablauf - zeitorientiert: Untersuchung zu vorher festgelegten Zeitpunkten Voraussetzung: Kenntnis systemrelevanter Zeitpunkte Problem: zufallsabhängig, daher schwierig vorher festzulegen, daher ereignisorientiert besser geeignet - ereignisorientiert: Untersuchung zu Zeitpunkten, die dem Eintreten von Ereignissen im Ablauf der Simulationsstudie entsprechen Einführung in die Simulation Folie Nr. 27

28 Typen der Simulation Nach dem Verlauf der simulierten Größen Kontinuierliche Simulation: Die simulierten (abhängigen) Größen können sich im Zeitablauf kontinuierlich in einem bestimmten Intervall verändern Diskrete Simulation: Die simulierten (abhängigen) Größen können im Zeitablauf nur bestimmte diskrete Werte annehmen Systeme werden über logische Beziehungen beschrieben, die diskrete Statusänderungen zu bestimmten Zeitpunkten auslösen Anders: Diskrete und kontinuierliche Simulationsmodelle unterscheiden sich durch die Menge der möglichen Zustandsveränderungen der Variablen pro Zeitintervall Werden diskrete und kontinuierliche Simulationsmodelle kombiniert, so spricht man von hybrider Simulation Einführung in die Simulation Folie Nr. 28

29 Und jetzt in echt Simulation eines Fließbandes: Diskret oder Kontinuierlich? Stochastisch oder Deterministisch? Frage: Ist bei einem Fließband zu jedem Zeitpunkt die Position der Elemente wichtig? Einführung in die Simulation Folie Nr. 29

30 Ein ereignisbasierter Simulator Einführung in die Simulation Folie Nr

31 Einführung in die Simulation Wintersemester 11/12 FRAGEN? Einführung in die Simulation Folie Nr. 31