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

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

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

3 Modelle – Grundlage der Simulation 3

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

5 System und Modell – Biosphere 2 5 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.

6 Modellbegriff 6

7 7 Modelle zur Beschreibung physikalischer Zusammenhänge Aufgabenstellung: informale Systembeschreibung mit Abstraktion auf das zur Lösung notwendige Niveau Physikalisches Modell: Wurfparabel: 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; Abstraktion Start

8 8 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/

9 Experimente am realen System 9 /Quelle: Tschernobyl – Der Reaktorunfall; Martin Czakainski; Informationskreis Kernenergie/

10 Anwendungsgebiete und Ziele der Simulation 10 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

11 Anwendungsgebiete und Ziele der Simulation - Trainingssimulatoren 11

12 Anwendungsgebiete und Ziele der Simulation - Trainingssimulatoren 12

13 Anwendungsgebiete und Ziele der Simulation - Materialtest 13

14 Anwendungsgebiete und Ziele der Simulation – Produktion und Logistik 14

15 Anwendungsgebiete und Ziele der Simulation – Emulatoren 15 Chiparchitektur SoftwaresimulatorHardwaresimulator Maskenfertigung Chipfertigung Softwareentwicklung

16 Anwendungsgebiete und Ziele der Simulation – Personaleinsatzplanung 16 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

17 Anwendungsgebiete und Ziele der Simulation – Personaleinsatzplanung 17

18 Anwendungsgebiete und Ziele der Simulation - Fabrikplanung 18 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.

19 Anwendungsgebiete und Ziele der Simulation – Prognosemodelle 19 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/

20 Anwendungsgebiete und Ziele der Simulation – Prognosemodelle 20 /Quelle:www.wetteronline.de/

21 Anwendungsgebiete und Ziele der Simulation – Prognosemodelle 21 /Quelle: http://www.bmu.de/files/vortrag_edenhofer_globaleklimafinal41.pdf/

22 Simulation der Aschewolke (26.05.2011) 22 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/

23 23 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

24 24 Anwendungsgebiete und Ziele der Simulation – Prognosemodelle Quelle:/http://www.pegelonline.wsv.de/webservices/zeitreihe/visualisierung?parameter=Wasserstand%20 Rohdaten&pegelnummer=502180/ 19.06.2013

25 25 Anwendungsgebiete und Ziele der Simulation – Prognosemodelle

26 26 Stresste st

27 Stresstest – Was sagt Wikipedia? 27 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 /

28 Erkenntnisgewinn durch Simulation 28 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!

29 29 Modell im Problemlösungsprozess Quelle:http://www.ham.nw.schule.de/projekte/modsim/Materialien/ Folie-Modellbildung.htm

30 30 Phasenverteilung einer Simulationsstudie

31 31 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.

32 32 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.

33 33 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.

34 34 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.

35 Ich danke für Ihre Aufmerksamkeit henry.herper@ovgu.de http://lehramt.cs.uni-magdeburg.de/Skripte/Publikationen/index.html