SIMULATION EIN HILFSMITTEL ZUR PLANUNG TECHNISCHER...

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SIMULATION EIN HILFSMITTEL ZUR PLANUNG TECHNISCHER SYSTEME DR. HENRY HERPER 19.06.2013

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SIMULATION –

EIN HILFSMITTEL ZUR PLANUNG

TECHNISCHER SYSTEME

DR. HENRY HERPER

19.06.2013

Schwerpunkte

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• Modelle als Grundlage für die Simulation

• Was versteht man unter Simulation?

• Anwendungsgebiete der Simulation

• Erkenntnisgewinn durch Simulation

• Phasen einer Simulationsstudie

Modelle – Grundlage der Simulation

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Modelle in der Schule

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Mathematik

Zahlen, Projektionen,

Formeln

Biologie

Wachstumsmodelle,

Präparate

Chemie

Bindungsmodelle

Geographie

Bevölkerungsmodelle,

Ressourcenmodelle

Physik

Atommodell,

Prozessmodell

Sozialkunde

Verhaltensmodelle

Informatik

Programme, Spiele

MODELL

System und Modell – Biosphere 2

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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.

Modellbegriff

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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) BildhauerkunstBildwerk.

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

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Modelle zur Beschreibung

physikalischer Zusammenhänge

Aufgabenstellung:

informale Systembeschreibung mit Abstraktion auf das zur

Lösung notwendige Niveau

Physikalisches Modell:

Wurfparabel:

2

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0 cos2tan x

v

gxy

Computermodell:

while xr < weite do begin yr := tan(wi)*x-(9.81/(2 *sqr(v0

*sqr(cos(wi)))*sqr(x));

xr := xr + 0.01;

end;

Ab

stra

ktio

n

Start

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Simulationsdefinition in der VDI-

Richtlinie 3633

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/

Experimente am realen System

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/Quelle: Tschernobyl – Der Reaktorunfall; Martin Czakainski; Informationskreis Kernenergie/

Anwendungsgebiete und Ziele der

Simulation

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Produktion und Logistik

Planungsbewertung,

Entscheidungsunterstützung

Unfallsimulation

Rekonstruktion von Unfällen

Trainingssimulatoren

Ausbildung von Piloten, auch

unter kritischen Bedingungen

Prognosemodelle

Berechnung von Wetterlagen

und Wasserständen

Computerspiele

Unterhaltung, Training?

Materialtest

Crashtests bei Autos,

Flugzeugen bzw.

Baugruppen

Emulatoren

Chip-Entwicklung,

Hardwareentwicklungs-

begleitende

Softwareentwicklung

Anwendungsgebiete und Ziele der

Simulation - Trainingssimulatoren

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Anwendungsgebiete und Ziele der

Simulation - Trainingssimulatoren

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Anwendungsgebiete und Ziele der

Simulation - Materialtest

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Anwendungsgebiete und Ziele der

Simulation – Produktion und Logistik

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Anwendungsgebiete und Ziele der

Simulation – Emulatoren

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Chiparchitektur

Softwaresimulator Hardwaresimulator

Maskenfertigung

Chipfertigung

Softwareentwicklung

Anwendungsgebiete und Ziele der

Simulation – Personaleinsatzplanung

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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

Anwendungsgebiete und Ziele der

Simulation – Personaleinsatzplanung

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Anwendungsgebiete und Ziele der

Simulation - Fabrikplanung

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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.

Anwendungsgebiete und Ziele der

Simulation – Prognosemodelle

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Zuverlässigkeit:

Die 24-Stunden-Vorhersage erreicht eine Eintreffgenauigkeit von gut 90 %. Die

Treffsicherheit für die kommenden 3 Tage beträgt etwas mehr als 75 %.

Drei Ursachen für Unzuverlässigkeit:

• der unvollständigen Kenntnis des tatsächlichen Geschehens in der

Erdatmosphäre

• dem chaotischen (nicht vorhersehbaren) Anteil im Wettergeschehen

• der unzureichenden Genauigkeit der rechnerischen Modelle

/Quelle:www.wetteronline.de/

Anwendungsgebiete und Ziele der

Simulation – Prognosemodelle

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/Quelle:www.wetteronline.de/

Anwendungsgebiete und Ziele der

Simulation – Prognosemodelle

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/Quelle: http://www.bmu.de/files/vortrag_edenhofer_globaleklimafinal41.pdf/

Simulation der Aschewolke (26.05.2011)

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Fehler in der Modellrechnung

Flugabsagen waren unnötig

Rund 900 Flüge fielen wegen der Asche aus Island aus. Die Sperrung

des Luftraums war im Grunde richtig, eigentlich aber unnötig, meint ein

Experte nach entsprechenden Messungen. Und sie bleibt wohl eine

Episode: Der Grímsvötn dampft nur noch ein bisschen.

/Quelle:http://www.n-tv.de/panorama/Flugabsagen-waren-unnoetig-article3433186.html/

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Anwendungsgebiete und Ziele der

Simulation – Prognosemodelle

In Magdeburg wird Höchststand am Sonntag

erwartet. Prognosen gehen von 7,20 Meter aus,

aktuell sind es gut 6 Meter. 2002 waren es 6,72

Meter. Es werden zusätzliche Dämme aufgebaut

und Sandsäcke befüllt. Auch in Dessau und

Wittenberg werden Deiche verstärkt. Pratau,

Prettin und Pretzsch rüsten sich ebenfalls. In

Sandau wurde ein Pflegeheim evakuiert.

Quelle: www.n-tv.de

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Anwendungsgebiete und Ziele der

Simulation – Prognosemodelle

Quelle:/http://www.pegelonline.wsv.de/webservices/zeitreihe/visualisierung?parameter=Wasserstand%20

Rohdaten&pegelnummer=502180/ 19.06.2013

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Anwendungsgebiete und Ziele der

Simulation – Prognosemodelle

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Stresstest

Stresstest – Was sagt Wikipedia?

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Mit Stresstest wird bezeichnet:

• Lasttest (Computer): einen Test bei der Informatik, welcher das

Verhalten eines Systems unter hoher Last überprüft, z. B. die Reaktion

der CPU auf hohe Anforderungen.

• Stresstest (Finanzwirtschaft): in der Wirtschaftswissenschaft eine

Simulation der Veränderung eines Investitions-Portfolios, z. B. von

Kreditinstituten, Fonds oder Versicherungsgesellschaften bei

veränderten Kapitalmarktparametern.

• Stresstest (Kernkraftwerk), die nach der Nuklearkatastrophe von

Fukushima in Deutschland durchgeführte und in der Europäischen

Union geplante Überprüfung bestehender Kernkraftwerke auf ihre

Sicherheit nach bestimmten Kriterien.

• eine im Zusammenhang mit dem Bahnprojekt Stuttgart 21

durchzuführende Eisenbahnbetriebssimulation.

/Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Stresstest /

Erkenntnisgewinn durch Simulation

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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!

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Modell im Problemlösungsprozess

Quelle:http://www.ham.nw.schule.de/projekte/modsim/Materialien/Folie-Modellbildung.htm

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Phasenverteilung einer Simulationsstudie

40%

20%

40%

Eingabedaten-sammlung

Experiment-durchführung

Modellbildung

Phasenzeitverteilung heute

nach:Gogg,Mott IMPROVE QUALITY AND PRODUCTIVITY WITH SIMULATION, JMI CONSULTING GROUP, 1992

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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.

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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.

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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.

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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.

Ich danke für Ihre

Aufmerksamkeit

[email protected]

http://lehramt.cs.uni-magdeburg.de/Skripte/Publikationen/index.html