simulation ein hilfsmittel zur planung technischer...
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SIMULATION –
EIN HILFSMITTEL ZUR PLANUNG
TECHNISCHER SYSTEME
DR. HENRY HERPER
19.06.2013
Schwerpunkte
2
• Modelle als Grundlage für die Simulation
• Was versteht man unter Simulation?
• Anwendungsgebiete der Simulation
• Erkenntnisgewinn durch Simulation
• Phasen einer Simulationsstudie
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
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.
Modellbegriff
6
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
7
Modelle zur Beschreibung
physikalischer Zusammenhänge
Aufgabenstellung:
informale Systembeschreibung mit Abstraktion auf das zur
Lösung notwendige Niveau
Physikalisches Modell:
Wurfparabel:
2
22
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
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/
Experimente am realen System
9
/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 – Emulatoren
15
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 - 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
21
/Quelle: http://www.bmu.de/files/vortrag_edenhofer_globaleklimafinal41.pdf/
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/
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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
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
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.
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