SIMULATION EIN HILFSMITTEL ZUR PLANUNG TECHNISCHER SYSTEME

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1 SIMULATION EIN HILFSMITTEL ZUR PLANUNG TECHNISCHER SYSTEME DR. HENRY HERPER

2 Schwerpunkte Modelle als Grundlage für die Simulation Was versteht man unter Simulation? Anwendungsgebiete der Simulation Erkenntnisgewinn durch Simulation Phasen einer Simulationsstudie 2

3 Modelle Grundlage der Simulation 3

4 Modelle in der Schule Mathematik Zahlen, Projektionen, Formeln Biologie Wachstumsmodelle, Präparate Physik Atommodell, Prozessmodell MODELL Geographie Bevölkerungsmodelle, Ressourcenmodelle Chemie Bindungsmodelle Informatik Programme, Spiele Sozialkunde Verhaltensmodelle 4

5 System und Modell Biosphere 2 Abstraktion Biosphere 2 ist ein 1991 erbauter Gebäudekomplex in Arizona, USA, mit dem Ziel, ein von der Außenwelt unabhängiges, in der ursprünglichen Planung sich selbst erhaltendes Ökosystem zu schaffen. 5

6 Modellbegriff Modell [lat.], 1) allgemein: Vorbild, Muster, Entwurf von Gegenständen, auch gedankl. Konstruktionen. 2) Mathematik und Naturwissenschaften: vereinfachende bildl. oder mathemat. Darstellung von Strukturen, Funktionsweisen oder -M., Weltmodell. 3) Architektur: plast. Darstellung eines Bauwerks in kleinem Maßstab. 4) Bildhauerkunst Bildwerk. 5) Malerei und Bildhauerkunst: dem Maler, Bildhauer bes. bei Menschendarstellungen dienendes Vorbild; auch Photomodell. 6) Mode: der ausgeführte Entwurf eines Modeschaffenden. 7) Logik und Mathematik: ein Bereich (meist eine Menge), dessen Elemente und deren Verknüpfungen eine durch Axiome beschriebene abstrakte Struktur besitzen. (c) Meyers Lexikonverlag 6

7 Modelle zur Beschreibung physikalischer Zusammenhänge Aufgabenstellung: informale Systembeschreibung mit Abstraktion auf das zur Lösung notwendige Niveau Abstraktion Wurfparabel: Physikalisches Modell: y tan x g 2 2v0 cos 2 x 2 Computermodell: while xr < weite do begin yr := tan(wi)*x-(9.81/(2 *sqr(v0 *sqr(cos(wi)))*sqr(x)); xr := xr ; end; Start 7

8 Begriff Simulation Simulation Simulation, die; -, -en (Vortäuschung [von Krankheiten]; Nachahmung im Simulator o.)ä.) Simulationen; (Simulationen) /Dudenverlag/ simulation s 1. Vortäuschung f, Simulieren n; Heuchelei f. 2. tech. etc Simulierung f. /Langenscheidt/ simulator s 1. Heuchler(in), Simulant(in). 2. tech. Simulator m. /Langenscheidt/ simulate t 1. vortäuschen, heucheln, bsd. Krankheit simulieren. 2. tech. etc simulieren. /Langenscheidt/ 8

9 Simulationsdefinition in der VDI- Richtlinie Simulation: Simulation ist ein Verfahren zur Nachbildung eines Systems mit seinen dynamischen Prozessen in einem experimentierbaren Modell, um zu Erkenntnissen zu gelangen, die auf die Wirklichkeit übertragbar sind. Im weiteren Sinne wird unter Simulation das Vorbereiten, Durchführen und Auswerten gezielter Experimente mit dem Simulationsmodell verstanden. Mit der Simulation kann das zeitliche Ablaufverhalten komplexer Systeme untersucht werden. /VDI3633-Blatt 0, Seite 14/

10 Anwendungsgebiete und Ziele der Simulation Prognosemodelle Berechnung von Wetterlagen und Wasserständen Materialtest Crashtests bei Autos, Flugzeugen bzw. Baugruppen Emulatoren Chip-Entwicklung, Hardwareentwicklungsbegleitende Softwareentwicklung Produktion und Logistik Planungsbewertung, Entscheidungsunterstützung Trainingssimulatoren Ausbildung von Piloten, auch unter kritischen Bedingungen Computerspiele Unterhaltung, Training? Unfallsimulation Rekonstruktion von Unfällen 10

11 Anwendungsgebiete und Ziele der Simulation - Trainingssimulatoren 11

12 Anwendungsgebiete und Ziele der Simulation - Materialtest 12

13 Anwendungsgebiete und Ziele der Simulation Emulatoren Chiparchitektur Softwaresimulator Hardwaresimulator Maskenfertigung Softwareentwicklung Chipfertigung 13

14 Anwendungsgebiete und Ziele der Simulation Personaleinsatzplanung Gussputzerei Ein Simulationsmodell stellt den Auftragsdurchlauf durch eine Gussputzerei dar. Außer der Auslastung der Maschinen werden die Belastungen der Werker erfasst und mit arbeitswissenschaftlich begründeten Methoden bewertet 14

15 Anwendungsgebiete und Ziele der Simulation Personaleinsatzplanung 15

16 Anwendungsgebiete und Ziele der Simulation - Fabrikplanung Kupferraffinerie in Salt Lake City In einer Kupferraffinerie soll ein neuer Kran installiert werden. Der mit diesem Kran zu erwartende Produktionszuwachs ist an einem Modell zu untersuchen. Es ist zu klären, ob der erwartete Produktivitätsgewinn den Verlust aus der zeitweiligen Stilllegung der Fertigung ausgleicht. 16

17 Erkenntnisgewinn durch Simulation Der Erkenntnisgewinn durch Simulation ist immer ein Analogieschluss. Er gehört in den Bereich der induktiven Schlüsse. Man kann nur hoffen, dass die gewonnenen Erkenntnisse richtig sind. Die Hoffnung stützt sich auf die Erwartung, dass die Ähnlichkeit zwischen Modell und Original weiter reicht, als man es mit Sicherheit weiß. Für die Bewertung der Simulationsresultate ist umfangreiches Fachwissen auf dem Anwendungsgebiet erforderlich! 17

18 Anwendungsgebiete der Simulation Simulationsuntersuchungen sind ein kostengünstiges Experimentierfeld. Simualationsstudien dienen als Hilfsmittel zur Planungsunterstützung. Simulationsmodelle sind zum Erlernen des Systemverständnisses einsetzbar. Simulationsmodelle können zum gefahrlosen Bedienertraining eingesetzt werden. Es besteht die Möglichkeit, analytisch gewonnene Erkenntnisse zu verifizieren. Simulationsmodelle erweisen sich als geeignetes Experimentierobjekt für Expertensysteme. 18

19 Modell im Problemlösungsprozess Quelle: 19

20 Phasenverteilung einer Simulationsstudie (heute) Phasenzeitverteilung heute Experimentdurchführung 40% 40% Eingabedaten sammlung 20% Modellbildung nach:gogg,mott IMPROVE QUALITY AND PRODUCTIVITY WITH SIMULATION, JMI CONSULTING GROUP,

21 Experimentplanung Die Planung der Simulationsexperimente ist immer von der Zielstellung der Simulationsstudie abhängig. Bei der projektbegleitenden Simulation ist es beispielsweise erforderlich, den Nachweis der Funktionsfähigkeit zu erbringen und eine Leistungsbewertung vorzunehmen. Wichtig ist bei der Durchführung der Simulationsexperimente die Wahl des zu simulierenden Zeitraumes, die Bewertung der Einschwingphase und des stationären Zustandes. Varianten der Simulationsexperimente werden in der Regel durch Variation der Eingabedaten erreicht. Es ist dabei günstig nur jeweils einen Parameter zu verändern, um die Zuordnung Ursache - Wirkung realisieren zu können. 21

22 Ergebnisdarstellung post-run-datenauswertung Das ist die klassische Form der Auswertung von Simulationsresultaten. Nach Abschluss des Experiments wird ein Datensatz mit den Simulationsresultaten zur Verfügung gestellt. Vorteil: der erzeugte Resultatdatensatz kann beliebig oft und unter verschiedenen Gesichtspunkten ausgewertet werden kann. Nachteil: der Prozessablauf kann nicht während des Simulationslaufes beurteilt werden kann, sondern nur mit Hilfe der Resultatdaten. Damit ist kein interaktiver Eingriff möglich. 22

23 Ergebnisdarstellung on-line-datenauswertung Diese Form bietet dem Anwender die Möglichkeit, das Simulationsexperiment direkt zu verfolgen indem ständig ausgewählte Werte angezeigt werden. Zusätzlich führen diese Simulatoren eine post- run- Datenerfassung durch. Vorteil: der Anwender hat die Möglichkeit, das Simulationsexperiment zu unterbrechen, Parameter zu verändern und anschließend die Simulation fortzusetzen. Einige Simulatoren bieten die Möglichkeit, die on-line- Datenauswertung abzuschalten. 23

24 Ergebnispräsentation Die Auswertung der Simulationsstudie erfolgt immer im Bezug auf die gegebene Aufgabenstellung. Dazu sind die entsprechenden Beurteilungskriterien zu formulieren. Ein Vergleich aller ermittelten Ergebnisse ermöglicht Rückschlüsse über die Einflüsse der regelbaren Variablen auf die Zielvariablen. Die Ergebnisse müssen so aufbereitet werden, dass sie für die Zielgruppe verständlich und überzeugend sind. Es erweist sich als günstig, wenn die Resultate in uro präsentiert werden. 24