Multimediale Modellbeschreibung für die Ausbildung

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1 Multimediale Modellbeschreibung für die Ausbildung Dr. Henry Herper Otto-von-Guericke-Universität Institut für Simulation und Graphik Magdeburg 10. ASIM-Fachtagung Simulation in Produktion und Logistik Duisburg, März 2002

2 Schwerpunkte Anforderungen an die Grundlagenausbildung in der Simulationstechnik Komponenten von Systembeschreibungen Einsatz multimedialer Systembeschreibungen Multimediale Beschreibung eines Verkehrsknotens Schlussfolgerungen 2

3 Informatische Modellierung Im Informatikunterricht bedeutet Modellierung im wesentlichen die Abgrenzung eines für den jeweiligen Zweck relevanten Ausschnittes der Erfahrungswelt, die Herausarbeitung seiner wichtigen Merkmale unter Vernachlässigung der unwichtigen sowie seiner Beschreibung und Strukturierung mithilfe spezieller Techniken aus der Informatik. /GI2000/ 3

4 Informatische Modellierung Modellierung von Informatiksystemen Entwicklung und Experimentieren mit Simulationsmodellen 4

5 Aus- und Weiterbildung in der Simulationstechnik Grundlagen der Modellbildung und Simulation Durchführung von Simulationsstudien Nutzung von Simulationswerkzeugen (Produktschulung) Entwicklung von Simulationswerkzeugen/ Werkzeugkomponenten 5

6 Aus- und Weiterbildung in der Simulationstechnik Grundlagen der Modellbildung und Simulation Durchführung von Simulationsstudien Nutzung von Simulationswerkzeugen (Produktschulung) Entwicklung von Simulationswerkzeugen/ Werkzeugkomponenten 6

7 Grundlagen der Modellbildung und Simulation Ausgewählte Schwerpunkte der Grundausbildung Einführung in die Begriffswelt der Simulationstechnik Vermittlung grundlegender Kenntnisse in der Eingabedatenerfassung und aufbereitung Anwendung von Abstraktions- und Reduktionsmethoden Vermittlung von Arbeitsweisen der Simulationstechnik Erlernen von Grundfertigkeiten im Umgang mit Modellimplementationswerkzeugen Präsentation und Bewertung von Simulationsresultaten 7

8 Phasen einer Simulationsstudie Phase ausgewählte Inhalte Auswahl und Beschreibung des Bediensystems Entwicklung des abstrakten Modells Implementierung des Computermodells Aufbereitung und Präsentation der Ergebnisse Erarbeiten des System- und Modellbegriffs Erfassen und Aufbereiten empirischer Daten Erlernen der Methoden von Abstraktion und Reduktion Arbeiten mit formalen Beschreibungsmöglichkeiten von Systemen Erlernen einer Simulationssprache bzw. Anwendung einer bekannten Programmiersprache auf ein komplexes System Erlernen der grundlegenden Validierungstechniken Erlernen von Visualisierungs- und Präsentationstechniken kritische Betrachtung der Ergebnisse von Berechnungen Erkenntnisgewinn durch Simulationsstudien 8

9 Aufgabenstellungen in der Simulationsausbildung Anforderungen an eine Aufgabenstellung in der Simulationsausbildung: Systembeschreibung in einer für die Auszubildenden verständlichen Form innerhalb einer begrenzten Bearbeitungszeit lösbar mit den bisher vermittelten Modell- und Sprachelementen implementierbar Ergebnisse aus der Erfahrungshorizont der Auszubildenden verifizierbar und validierbar Lösung der Aufgabe schafft Mehrwert 9

10 Klassische Systembeschreibungen in der Simulationsausbildung Aufgabe aus: /Banks, Carson, Nelson; Discrete-Event System Simulation/ 10

11 Klassische Systembeschreibungen in der Simulationsausbildung Aufgabe aus: /Banks, Carson, Nelson; Discrete-Event System Simulation/ 11

12 Multimediale Systembeschreibung in der Simulationsausbildung textuelle Ablaufbeschreibungen formal informal Layout reales System Fotos Systemdateien Videoaufzeichnungen Beobachtungen 12

13 Einsatzmöglichkeiten multimedialer Systembeschreibungen Schaffung eines einheitlichen Systemverständnisses bei den Auszubildenden Verdeutlichung der gewählten Abstraktion reproduzierbare Erfassung von Prozessdaten Grundlage für die Gestaltung des Animationsmodells Vergleichsdaten für die Modellvalidierung Grundlage für die Experimentgestaltung 13

14 Textuelle Systembeschreibungen Abgrenzung des Systems durch die Beschreibung der Umweltschnittestellen Angabe von Zwischenankunfts- und Prozesszeiten Angabe von Dispositions- und Steuerregeln ggf. erläuternde Informationen zum System Festlegung der Zielstellung(en) der Simulationsstudie Die Auszubildenden schaffen sich aus den Informationen ein Abbild des realen Systems. Ist das reale System nicht bekannt, so ist es zweckmäßig, ergänzende Informationen zur Verfügung zu stellen. 14

15 Bildinformationen zur Verbesserung des Systemverständnisses 15

16 Layoutinformationen zur Verbesserung des Systemverständnisses 16

17 Videoinformationen zur Verbesserung des Systemverständnisses Produktionsanlage zur Glasflaschenherstellung 17

18 Anforderungen an die Videoaufzeichnung alle relevanten Komponenten sind zu erfassen in der Regel sind mehrere Kamerapositionen notwendig jede Einstellung sollte einen vollständigen Prozesszyklus zeigen Tonaufzeichnungen können sinnvoll sein, jedoch sind für die Integration der Lärmbelastung in das Simulationsmodell gesonderte Messungen erforderlich Die Auswahl und Dauer der Kameraeinstellungen wird vom Ziel der Simulation bestimmt und ist ein erster Abstraktionsprozess. 18

19 Systemverständnis als Grundlage der Modellbildung Systemverständnis ist die Grundlage für: die Wahl eines geeigneten Abstraktionsgrades, die Definition der Umweltschnittstellen, die Erstellung eines abstrakten Modells, die Verifikation und Validierung des Modells und die Entwicklung eines Animationsmodells. 19

20 Systemanalyse mit multimedialen Daten - Erfassen der Prozesse Die Auszubildenden erstellen selbständig eine Modellbeschreibung durch Abstraktion und Reduktion. Die benötigten Videosequenzen sind wesentlich länger, da typische Prozesse und auch Ausnahmesituationen dokumentiert werden müssen. Prozesszeiten werden durch geeignete statistische Methoden erfasst. Für die Erfassung geometrischer Informationen sind Videodaten nur bedingt geeignet. Diese sollten aus Zeichnungen entnommen werden. 20

21 Systemanalyse mit multimedialen Daten - Dispositionsstrategien Dispositive Informationen können nicht direkt erfasst werden. Es ist erkennbar welche Entscheidung getroffen wird, aber nicht oder nur bedingt warum diese Entscheidung getroffen wurde. Videoaufzeichnungen erleichtern das Verständnis für textuell formulierte Steuerstrategien. 21

22 Systemanalyse mit multimedialen Daten - Erfassen manueller Tätigkeiten Manuelle Tätigkeiten lassen sich aus Videodaten erfassen. Für die Erfassung von Pausenregelungen und Schichteinteilungen sind sehr lange Videosequenzen erforderlich, die nicht realistisch sind. Qualifikationen und die sich daraus ergebenden Personaltypen können nur unzureichend erfasst werden. Da die Mitarbeiter darüber informiert sind, dass ihre Tätigkeit aufgezeichnet wird, kann ihr Verhalten abweichend von typischen Verhalten sein. Betriebliche Mitbestimmung und Persöhnlichkeits- und Datenschutz ist zu beachten 22

23 Systemanalyse mit multimedialen Daten - Erfassen von Layoutinformationen Layoutinformationen werden aus den Zeichnungen des Systems übernommen. Für die Gestaltung von Animationsmodellen sind zusätzliche Informationen über das Aussehen von Objekten nützlich. Diese Informationen können aus Fotos für Objektbeschreibungen und aus Videos für Objektbewegungen erfasst werden. Eine layoutgetreue, realitätsnahe Animation erhöht den Wiedererkennungswert des Modell, erfordert aber einen wesentlich höheren Modellierungsaufwand. 23

24 Simulationsstudie zur Beschreibung eines Verkehrsknotens Ziele der Simulation: Welche Auswirkungen haben Straßenbahnen auf die Stauentwicklung? Ist der Kreisverkehr im Durchsatz einer Kreuzung überlegen? Wie verhalten sich die Wartezeiten bei unterschiedlichen Streckenauslastungen? Verständnis der Abläufe Videoaufzeichnungen und Animation: Arno Krüger und Heike Schliefke 24

25 Stadtplan Stadtzentrum von Magdeburg Lage in der Stadt 25

26 Luftbild ausgewählte Kreuzung 26

27 Stadtplan ausgewählte Kreuzung Definition der Umweltschnittstellen 27

28 Abgrenzung des Systems modellierter Bereich 28

29 Dynamische Systemkomponenten Straßenbahn PKW LKW LKW mit Anhänger Fußgänger Radfahrer 29

30 Statische Systemkomponenten Staubereich: Kreis 5 Staubereich: Strasse 1 30

31 Videoinformationen zur Erfassung der Systemdynamik 31

32 Videoinformationen aus der Objektsicht 32

33 Zuordnung von Komponenten - Entwicklung des Modells Reales System Modellelement Sprachelement (GPSS) Quelle GENERATE Senke TERMINATE 33

34 Zuordnung von Komponenten - Entwicklung des Modells Reales System Modellelement Sprachelement (GPSS) Forderung Transaktion Forderung Transaktion 34

35 Zuordnung von Komponenten - Entwicklung des Modells Reales System Modellelement Sprachelement (GPSS) Staustrecke Speicher ENTER ADVANCE LEAVE 35

36 Parametrisierung des Modells Reales System Abstand und Verteilung zwischen dem Eintreffen von 2 Fahrzeugen je Richtung Verteilung der Zielfahrtrichtungen Aufenthaltsdauer in den Segmenten Zwischenankunftszeit und Verteilung der Straßenbahnen Länge der Fahrzeuge Durchfahrzeit der Straßenbahn Parameter 36

37 Proof-Animation der Simulationsresultate 37

38 Schlussfolgerungen Aufgabenstellungen und Beispiele im Bereich der Simulationstechnik können effektiver formuliert werden Abstraktions- und Reduktionstechniken werden herausgebildet multimediale Modellbeschreibungen unterstützen die Erstellung von Animationsmodellen kritische Betrachtungsweise der Resultate der Modellbildung 38

39 39

40 Modell und Modellieren im Informatikunterricht In der Informatik ist ein Modell ein von Subjekten durch Abstraktion geschaffenes Abbild eines Originals, meistens aus der realen Welt. Ziel des Modellierens ist es, Probleme aus der "realen Welt" mit Informatik-Werkzeugen zu bearbeiten sowie konkrete Informatiksysteme zu durchdringen oder zu erzeugen. Der Einsatz dieser Informatiksysteme wirkt auf die reale Welt zurück. (Arbeitsgruppe Modellbildung und Simulation - Königsteiner Gespräche 2001) 40

41 Simulationswerkzeuge im Schulbereich Computerspiele Beispiele: SIMCITY SIEDLER Holiday Island... kontinuierliche Simulatoren Beispiele: DYNASIS STELLA MODUS Vensim funktionale Simulatoren Beispiele: TRYSIM (SPS- Modelle) LEGO-Dacta diskrete Simulatoren Beispiel: WinGPSS / proof 41

42 Ziele des Kurses Modellbildung und Simulation Die Schülerinnen und Schüler können geeignete Abstraktionstechniken zur Erstellung von Simulationsmodellen anwenden, erkennen, dass ein Modell einen Ausschnitt aus der realen Welt entsprechend des gewählten Abstraktionsniveaus beschreibt, erfahren den Erkenntnisgewinn durch Analogieschlussverfahren am Beispiel von Simulationsexperimenten mit diesen Modellen, erlernen den Umgang mit einer Simulationssprache bzw. einem Simulationswerkzeug und sind in der Lage, einfache Computermodelle selbst zu implementieren, erlernen Methoden der Visualisierung von Resultaten, sind in der Lage, Resultate eines Simulationslaufes und einer Simulationsstudie verbal zu interpretieren und kritisch zu bewerten. /aus: Entwurf RRL Sachsen-Anhalt Wahlkurs Modellbildung und Simulation/ 42

43 Beispiel einer Simulationsstudie im Informatikunterricht Simulation ausgewählter Abläufe in einer Sparkasse Ziele: o Erfassung der Wartezeiten am Geldautomaten o Analyse des Kundenverhaltens o Experimentieren mit Systemveränderungen zur Verringerung der Wartezeiten o Verständnis der Abläufe 43

44 Simulationsstudie im Informatikunterricht Analyse des realen Systems Informatikinhalte Erarbeitung des System- und Modellbegriffs Erfassung und Aufbereitung empirischer Daten Arbeitsschritte o o o o Analyse des Kundenstromes statistische Erfassung von Bedienzeiten Abgrenzung des Modells (Umweltschnittstellen) Erfassen des Systemlayouts 44

45 Simulationsstudie im Informatikunterricht Analyse des realen Systems Videoaufnahmen und -schnitt: Arno Krüger & Heike Schliefke 45

46 Simulationsstudie im Informatikunterricht Entwicklung des abstrakten Modells Informatikinhalte Erlernen der Methoden von Abstraktion und Reduktion Arbeit mit informalen und formalen Beschreibungsmöglichkeiten von Systemen Arbeitsschritte o Aufbereitung der empirisch erfassten Daten o Beschreibung der Daten und Prozesse in einer geeigneten Form 46

47 Simulationsstudie im Informatikunterricht Entwicklung des Modells Reales System Modellelement Sprachelement WinGPSS GENERATE Quelle TERMINATE Senke Forderung Transaktion 47

48 Simulationsstudie im Informatikunterricht Entwicklung des Modells Reales System Modellelement Sprachelement Geldautomat WinGPSS Bedienstation SEIZE ADVANCE RELEASE Kontoauszugdrucker Bedienstation 48

49 Simulationsstudie im Informatikunterricht Entwicklung des Modells Reales System Abstand zwischen dem Eintreffen von zwei Kunden Anteil der Kunden für den Geldautomat Bediendauer am Geldautomat Anteil der Kunden, die vom Geldautomat zum Kontoauszugdrucker gehen Drucken von Kontoauszügen Öffnungszeit Parameter 2 ± 2 Minuten 80% 2 ± 1 Minuten 70% 1,5 ± 0,5 Minuten 12 Stunden 49

50 Simulationsstudie im Informatikunterricht Implementierung des Modells Informatikinhalte Erlernen einer Simulationssprache bzw. Anwendung einer bekannten Programmiersprache auf ein komplexes System Erlernen grundlegender Validierungstechniken Arbeitsschritte o o o o Implementierung des Computermodells Validierung des Modells am realen System Gestaltung von Simulationsexperimenten Interpretation der Simulationsresultate WinGPSS 50

51 Simulationsstudie im Informatikunterricht Präsentation der Ergebnisse Informatikinhalte Erlernen von Visualisierungs- und Präsentationstechniken kritische Betrachtung der Ergebnisse von Berechnungen Erkenntnisgewinn durch Simulationsstudien Arbeitsschritte o o o o Erarbeitung geeigneter Präsentationstechniken statistische Auswertung der Simulationsresultate über mehre Läufe Animation der Ergebnisse Ableiten von Schlussfolgerungen für das reale System 51

52 Simulationsstudie im Informatikunterricht Präsentation der Ergebnisse PROOF 52