Simulation – ein Hilfsmittel zur Planung technischer Systeme Dr Simulation – ein Hilfsmittel zur Planung technischer Systeme Dr. Henry Herper 08.06.2011

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

Modelle – Grundlage der Simulation

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

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.

Modellbegriff

Modelle zur Beschreibung physikalischer Zusammenhänge Aufgabenstellung: informale Systembeschreibung mit Abstraktion auf das zur Lösung notwendige Niveau Physikalisches Modell: Wurfparabel: Abstraktion 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; begin winkel := strtofloat(edit_winkel.text)*pi/180; geschw := strtofloat(edit_geschw.text); wurf := strtoint(edit_wuerfe.text); vx := geschw * cos(winkel); vy := geschw * sin(winkel); // memo1.text := 'Winkel: '+floattostrf(winkel,fffixed,8,2) +' v : '+floattostrf(geschw,fffixed,8,2)+' vx :'+floattostrf(vx,fffixed,8,2)+' vy :'+ floattostrf(vy,fffixed,8,2); start := 0; ende := 0; for i := 1 to wurf do geschw := sqrt(sqr(vx)+sqr(vy)); winkel := ArcTan ((vy/geschw)/sqrt (1-sqr (vy/geschw))); memo1.lines.add( 'Winkel: '+floattostrf(winkel,fffixed,8,2) +' v : '+floattostrf(geschw,fffixed,8,2)+' vx :'+floattostrf(vx,fffixed,8,2)+' vy :'+ floattostrf(vy,fffixed,8,2)); weite := sqr(geschw)*sin(2*winkel)/9.81; ende := ende + weite; xr := 0; while xr < weite do yr := tan(winkel)*xr - (9.81/(2 *sqr(geschw )* sqr(cos(winkel)))*sqr(xr)); y := round(yr*50); x := round((xr+start)*10); image1.canvas.pixels[x,400-y] := clblue; xr := xr + 0.01; end; start := ende; vy := vy - vy*0.1; Start

Begriff Simulation

Simulationsdefinition in der VDI-Richtlinie 3633 „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/

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

Anwendungsgebiete und Ziele der Simulation - Trainingssimulatoren

Anwendungsgebiete und Ziele der Simulation - Trainingssimulatoren

Anwendungsgebiete und Ziele der Simulation - Materialtest

Anwendungsgebiete und Ziele der Simulation – Produktion und Logistik

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

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

Anwendungsgebiete und Ziele der Simulation – Personaleinsatzplanung

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.

Anwendungsgebiete und Ziele der Simulation – Prognosemodelle 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.wetter-online.de/

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

Simulation der Aschewolke (26.05.2011) 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/

Stresstest – Was sagt Wikipedia? 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 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!

Anwendungsgebiete der Simulation

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

Phasenverteilung einer Simulationsstudie (heute)

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.

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.

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.

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 henry.herper@ovgu.de http://lehramt.cs.uni-magdeburg.de/Skripte/Publikationen/index.html