Systeme
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Virtuelle Fabrik<br />
Systembegriff<br />
Modellierung technischer<br />
Systembetrachtungen<br />
Modellbegriff<br />
Modellklassifikation<br />
Modellbildung<br />
<strong>Systeme</strong><br />
Vorgehensweise bei Simulationsstudien<br />
Gliederung<br />
1
Modellierung technischer <strong>Systeme</strong><br />
Unter einem System (systema, griech. - das Zusammengestellte)<br />
wird eine abgegrenzte Einheit von Elementen verstanden, die<br />
miteinander durch Beziehungen verbunden sind.<br />
Ein System ist gekennzeichnet durch:<br />
die Festlegung seiner Grenze gegenüber der Umwelt (Systemgrenze), mit der es<br />
über Schnittstellen Materie, Energie und Informationen austauschen kann<br />
(<strong>Systeme</strong>in- und -ausgangsgrößen)<br />
die Komponenten, die bei der Erhöhung der Auflösung selbst wiederum<br />
<strong>Systeme</strong> darstellen (Subsysteme) oder aber als nicht weiter zerlegbar<br />
angesehen werden (Elemente)<br />
die Relationen, die die Systemkomponenten miteinander verbinden, so dass<br />
Prozesse ablaufen können<br />
Systembegriff<br />
2
Modellierung technischer <strong>Systeme</strong><br />
Systemumgebung<br />
<strong>Systeme</strong>ingang<br />
Grenzelement<br />
(z.B. Vertrieb)<br />
E6<br />
Externes Element<br />
(z.B. Kunde)<br />
E4<br />
E1<br />
E2<br />
<strong>Systeme</strong>lemente<br />
System<br />
E5<br />
E3-1<br />
E3-2<br />
Systemausgang<br />
Darstellung der Systembegriffe<br />
E3-3<br />
E3<br />
Systemgrenze<br />
Subsystem<br />
(z.B. Fertigung)<br />
3
Modellierung technischer <strong>Systeme</strong><br />
E 11<br />
US1<br />
E 14 E 13<br />
E 31<br />
E 12<br />
US3<br />
E 33<br />
E 32<br />
System<br />
E 21<br />
US2<br />
E 23<br />
E 22<br />
Subsysteme (Untersysteme) und Übersysteme<br />
E 11<br />
US1<br />
E 12<br />
E 14 E13<br />
E 31<br />
Übersystem<br />
US3<br />
E 33<br />
System 1<br />
E 32<br />
E 21<br />
US2<br />
E 23<br />
E 22<br />
E 11<br />
US1<br />
E 14 E13<br />
E 31<br />
E 12<br />
US3<br />
E 33<br />
E 11<br />
US1<br />
E 12<br />
E 14 E13<br />
E 31<br />
System 2<br />
E 32<br />
E 21<br />
US3<br />
E 33<br />
US2<br />
E 23<br />
System 2<br />
E 32<br />
E 22<br />
E 21<br />
US2<br />
E 23<br />
E 22<br />
4
Modellierung technischer <strong>Systeme</strong><br />
Eingang<br />
Systemzustände<br />
• Bearbeitung<br />
Ausgang<br />
Aufträge<br />
Material<br />
• Stillstand<br />
• Warten . . .<br />
Produkte<br />
Abfall . . .<br />
Energie . . .<br />
Attribute<br />
Hierarchie<br />
Fabrik<br />
Werkstatt<br />
Zelle 1 Zelle 2<br />
Umgebung<br />
Systemgrenze<br />
Stange<br />
Sägemaschine<br />
mit der Funktion<br />
sägen<br />
Sägeabschnitt<br />
Funktion<br />
Struktur<br />
Funktion<br />
Vier Aspekte der Systembetrachtung<br />
Relationen<br />
• Arbeitspläne<br />
• Layout . . .<br />
Elemente<br />
• Maschinen<br />
• Werkstücke . . .<br />
5
Modellierung technischer <strong>Systeme</strong><br />
Merkmale Merkmalsausprägungen<br />
Seinsbereich abstrakt konkret<br />
Entstehungsart natürlich künstlich<br />
Vorhandensein ideell real<br />
Verhältnis zur Umgebung geschlossen offen<br />
Zeitabhängigkeit statisch dynamisch<br />
Zeitverteilung der Attributwerte kontinuierlich diskret<br />
Funktionstyp linear nicht linear<br />
Grad der Bestimmtheit deterministisch stochastisch<br />
Freiheitsgrad der Struktur starr flexibel<br />
Komplexität einfach komplex<br />
Merkmalsausprägung der Produktionssysteme<br />
Wichtige Merkmale von <strong>Systeme</strong>n<br />
6
Modellierung technischer <strong>Systeme</strong><br />
Teilsystem Funktion Objekte Hauptkomponenten<br />
Bearbeitungs-/<br />
Montagesystem<br />
Materialflusssystem<br />
Informationsflusssystem<br />
unmittelbarer<br />
Produktionsfortschritt<br />
Handhaben,<br />
Transportieren<br />
und Lagern von<br />
Teilen<br />
Speichern,<br />
Verwalten und<br />
Bearbeiten von<br />
Informationen<br />
Werkstücke<br />
(Produkte)<br />
Werkstücke,<br />
Werkzeuge,<br />
Mess- und<br />
Prüfmittel,<br />
Hilfszeuge<br />
Daten,<br />
Informationen<br />
Betriebsmittel<br />
Maschinen<br />
Werkzeuge<br />
Vorrichtungen<br />
Prüfmittel<br />
Hilfsstoffe<br />
Schmiermittel ...<br />
Fördermittel<br />
Fahrzeuge<br />
Hebezeuge<br />
Handhabungsgeräte<br />
Förderhilfsmittel<br />
Paletten<br />
Aufnahmeelemente<br />
Greifer<br />
Hardware<br />
Rechner<br />
Terminals<br />
Netzwerke<br />
Leitungen<br />
Software<br />
Betriebssysteme<br />
Anwendungsprogramme<br />
Teilsysteme von komplexen Produktionssystemen<br />
7
Modellierung technischer <strong>Systeme</strong><br />
Ein Modell ist ein bewusst konstruiertes Abbild der Wirklichkeit,<br />
das auf der Grundlage einer (Gegenstands-) Struktur-,<br />
Funktions- oder Verhaltensanalogie zu einem entsprechenden<br />
Original von einem Subjekt eingesetzt bzw. genutzt wird,<br />
um eine bestimmte Aufgabe lösen zu können, deren Durchführung<br />
mittels direkter Operation am Original zunächst oder<br />
überhaupt nicht möglich bzw. unter gegebenen Bedingungen<br />
zu aufwendig oder nicht zweckmäßig ist. nach Klaus/Buhr 1975<br />
Modellierung ist der Prozess der Überführung eines Realitätsausschnittes<br />
in ein Modell. nach Heinrich 1992<br />
Um systematisch zu einem Modell zu kommen, ist eine<br />
zugrundeliegende Modellierungsmethode erforderlich.<br />
Modellbegriff und Modellierung<br />
8
Modellierung technischer <strong>Systeme</strong><br />
Ausschnitt aus<br />
der realen Welt<br />
(System 1)<br />
Umwelt<br />
Abbildung<br />
des Systems 1<br />
durch Beschreibung<br />
problem-relevanter<br />
Merkmale mit Konstrukten<br />
Realität und Modell<br />
Modell des<br />
Ausschnitts aus<br />
der realen Welt<br />
(System 2)<br />
9
Modellierung technischer <strong>Systeme</strong><br />
A<br />
R1<br />
B<br />
System<br />
R5<br />
R4<br />
R2<br />
R6<br />
D<br />
R3<br />
C<br />
homomorphe<br />
Abbildung<br />
Vom System zum Modell<br />
A*<br />
B*<br />
Modell<br />
R1* R5*<br />
R2*<br />
C*<br />
10
Modellierung technischer <strong>Systeme</strong><br />
???<br />
Input Modell Output<br />
Modellierung<br />
Input Modell Output<br />
???<br />
Simulation<br />
???<br />
Input Modell Output<br />
Optimierung<br />
Das Umsetzen eins Originalsystems mit den bestimmten<br />
Eigenschaften in ein experimentierbares Modell, das die<br />
erwarteten <strong>Systeme</strong>igenschaften abbildet.<br />
Frage: WIE?<br />
Gezielte Simulationsexperimente mit dem Ziel, die<br />
Systemabhängigkeiten untereinander abzuklären und<br />
das Ziel der Untersuchung zu erreichen.<br />
Frage: WAS?<br />
Suche der Systemkonfiguration und der Systemparameter,<br />
bei denen die Zielfunktion Maximum oder<br />
Minimum erreicht.<br />
Frage: WELCHE?<br />
Modellierung, Simulation und Optimierung –<br />
prinzipielle Abgrenzung<br />
(nach Košturiak)<br />
11
Modellierung technischer <strong>Systeme</strong><br />
Modellklassifikation<br />
Merkmal Ausprägung<br />
Art der Darstellungsform analog, symbolisch<br />
Art der Abbildung isomorph, homomorph<br />
Art der Elementbeziehung linear, nichtlinear<br />
Grad der Bestimmbarkeit deterministisch, stochastisch<br />
Verhalten statisch, dynamisch<br />
Art des Realitätsbezugs real, ideal<br />
Modellklassifikation mit Ausprägung<br />
12
Modellierung technischer <strong>Systeme</strong><br />
Statische M.<br />
Modelle<br />
Dynamische M.<br />
Kontinuierliche M. Diskrete M.<br />
Deterministische<br />
M.<br />
Stochastische<br />
M.<br />
Deterministische<br />
M.<br />
Klassifizierung nach Art der Zustandsübergänge<br />
Stochastische<br />
M.<br />
Modell des Produktionssystems<br />
13
Modellierung technischer <strong>Systeme</strong><br />
Nicht experimentierbare<br />
M.<br />
Gedankliche<br />
M.<br />
Symbolische<br />
M.<br />
Modelle<br />
Physische<br />
M.<br />
Experimentierbare<br />
M.<br />
Hybride<br />
M.<br />
Symbolische<br />
M.<br />
Digitale M. Analoge M. Digitale M. Analoge M.<br />
Softwaremodelle Sonst. symb. M.<br />
Stochastische M. Deterministische M.<br />
Simulationsmodelle Sonstige Softwarem.<br />
Klassifizierung von Modellen (nach VDI)<br />
Klassifizierungskriterium <br />
Experimentierbarkeit <br />
Beschreibungsmittel <br />
Beschreibungsart <br />
Beschreibungsmedium <br />
Zufallsverhalten <br />
Untersuchungsverhalten<br />
14
Modellierung technischer <strong>Systeme</strong><br />
Ereignisorientierte<br />
Modelle<br />
Simulationsmodelle<br />
Diskrete<br />
Modelle<br />
Prozessorientierte<br />
Modelle<br />
Kontinuierliche<br />
Modelle<br />
Aktivitätsorientierte<br />
Modelle<br />
Einteilung der Simulationsmodelle in Modellklassen<br />
Klassifizierungskriterium<br />
Zeitverhalten<br />
Zeitablaufsteuerung<br />
15
Modellierung technischer <strong>Systeme</strong><br />
Ereignisse<br />
T1 T2 T3 T4 T5 T6 Werkstück in die<br />
Maschine einspannen<br />
t 1<br />
Werkstück bearbeiten<br />
t 2<br />
Werkstück prüfen<br />
Anstoß Werkzeugwechsel<br />
t 3<br />
Werkstück aus der<br />
Maschine ausspannen<br />
t 4<br />
t 5<br />
Fahrzeug mit dem<br />
Werkstück beladen<br />
Ende Werkzeugwechsel<br />
Zeitachse<br />
Ereignisliste<br />
T 1<br />
T 2<br />
T 3<br />
Algorithmus<br />
für Ereignis 1<br />
Ereignisbehandlung<br />
Ereignisorientierte Simulation<br />
Planung des<br />
Zeitpunktes des<br />
nächsten<br />
Ereignisses<br />
Zeitfortschritt<br />
T NOW = T NOW + t i<br />
Art des<br />
Ereignisses<br />
Algorithmus<br />
für Ereignis 2<br />
Ereignisbehandlung<br />
Zustandsänderung<br />
und Aktualisierung der<br />
Statistik<br />
TNOW = TEND N<br />
J<br />
Ereignisverwaltung<br />
-<br />
Steuerung des<br />
Zeitablaufes<br />
Algorithmus<br />
für Ereignis N<br />
Ereignisbehandlung<br />
16
Modellierung technischer <strong>Systeme</strong><br />
Ereignisse<br />
T1 T2 T3 T4 T5 T6 Werkstück in die<br />
Maschine einspannen<br />
t 1<br />
Werkstück bearbeiten<br />
t 2<br />
Prozess<br />
Bearbeiten<br />
Werkstück prüfen<br />
Anstoß<br />
Wz-W.<br />
t 3<br />
Werkstück aus der<br />
Maschine ausspannen<br />
Prozess<br />
Werkzeugwechsel<br />
t 4<br />
t 5<br />
Fahrzeug mit dem<br />
Werkstück beladen<br />
Prozess<br />
Fahrzeug beladen<br />
Ende<br />
Wz-W.<br />
Zeitachse<br />
Erzeugung von<br />
beweglichen Elementen<br />
(Werkstücke, Werkzeuge)<br />
Prozess Bearbeiten<br />
• Zeitverbrauch<br />
• Statistik<br />
Prozess Werkzeugwechsel<br />
• Zeitverbrauch<br />
• Statistik<br />
Prozessorientierte Simulation<br />
Prozess Fahrzeug beladen<br />
• Zeitverbrauch<br />
• Statistik<br />
17
Modellierung technischer <strong>Systeme</strong><br />
Ereignisse<br />
T1 T2 T3 T4 T5 T6 Werkstück in die<br />
Maschine einspannen<br />
t 1<br />
1.<br />
Werkstück bearbeiten<br />
t 2<br />
Werkstück prüfen<br />
Anstoß<br />
Werkzeugw.<br />
t 3<br />
Werkstück aus der<br />
Maschine ausspannen<br />
t 4<br />
t 5<br />
Fahrzeug mit dem<br />
Werkstück beladen<br />
2. 3. 4. 5.<br />
Aktivität<br />
Ende<br />
Werkzeugw.<br />
Zeitachse<br />
Aktivitätsorientierte Simulation<br />
Bedingung für<br />
die 1. Aktivität<br />
J<br />
Behandlung<br />
der 1. Aktivität<br />
Bedingung für<br />
die 2. Aktivität<br />
J<br />
Behandlung<br />
der 2. Aktivität<br />
Bedingung für<br />
die N. Aktivität<br />
J<br />
Behandlung<br />
der N. Aktivität<br />
Änderung der<br />
Simulationszeit<br />
N<br />
N<br />
N<br />
18
Modellierung technischer <strong>Systeme</strong><br />
Zeitorientierte Ablaufsteuerung der Modellzeit<br />
T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 t t t t t t t t<br />
Ereignisorientierte Ablaufsteuerung der Modellzeit<br />
T1 T2 T3 T4 T5 T6 t 1<br />
t 2 t 3 t 4 t 5<br />
Techniken für die Steuerung des Zeitablaufes in der Simulation<br />
T 9<br />
Zeit<br />
Zeit<br />
19
Modellierung technischer <strong>Systeme</strong><br />
Zielsetzung<br />
Aufgabenstellung<br />
Systemanalyse/Modellbildung<br />
Systembeschreibung<br />
Test und<br />
Validierung<br />
Abstraktion<br />
u. Reduktion<br />
Simulationsmodell<br />
Ermittlung der Eingabedaten<br />
Optimierungsmaßnahmen<br />
Vorgehensweise bei Simulationsstudien<br />
Simulationsdurchführung<br />
Variation der<br />
Parameter<br />
Simulationslauf <br />
Ergebnisinterpretation<br />
20
Modellierung technischer <strong>Systeme</strong><br />
Aufgabenanalyse - Teilschritte<br />
Aufgabenstellung hinterfragen<br />
wichtige Problemaspekte im bestehenden System<br />
(Schwierigkeiten, Missverständnisse) herausarbeiten<br />
Anstoß zur Aufgabe ergründen<br />
zu untersuchendes System verbal umschreiben<br />
Freiheitsgrade der Aufgabe ermitteln<br />
weitere mögliche Untersuchungsgegenstände benennen<br />
unklare Begriffe klären<br />
Aufgabenanalyse<br />
21
Modellierung technischer <strong>Systeme</strong><br />
1. Abgrenzung gegen die Systemumgebung<br />
2. Analyse der <strong>Systeme</strong>lemente<br />
3. Festlegen der Systemstruktur<br />
4. Analyse von Strategien und Prozessregeln<br />
Var. A<br />
Schritte der Systemanalyse<br />
A<br />
B<br />
Station 1<br />
A B<br />
Var. B<br />
Zielsystem<br />
Var. C<br />
30 %<br />
70 %<br />
Var. D<br />
D<br />
Taktzeit<br />
Verfügbarkeit<br />
Station 2<br />
Station 3<br />
22
Modellierung technischer <strong>Systeme</strong><br />
Ein Modell ist die Nachbildung eines Systems. Ein Modell ist die<br />
Abstraktion und Vereinfachung der Realität.<br />
Ein Modell ist die vereinfachte Nachbildung eines geplanten oder real<br />
existierenden Originalsystems und Originalprozesses in einem<br />
begrifflichen oder gegenständlichen System. Es unterscheidet sich<br />
hinsichtlich der untersuchungsrelevanten Eigenschaften nur innerhalb<br />
eines vom Untersuchungsziel abhängigen Toleranzrahmens vom<br />
Vorbild (VDI 3633).<br />
Der Aufwand bei der Modellbildung wird bestimmt durch die<br />
Komplexität des abzubildenden Systems und durch den bei der<br />
Zielsetzung festgelegten Grad der Detaillierung.<br />
Voraussetzung für die Modellbildung ist, dass der Modellersteller das<br />
abzubildende System vollständig verstanden hat.<br />
Die Modellbildung ist eine Kunst, die den Spezialisten vorbehalten<br />
bleibt (nunja?).<br />
Definitionen Modell und Modellbildung<br />
(nach ASIM-Leitfaden für Simulationsbenutzer in der Produktion und Logistik)<br />
23
Modellierung technischer <strong>Systeme</strong><br />
Top-Down Bottom-Up<br />
• Sichere Problemerkennung durch ganzheitlichen<br />
Ansatz<br />
• Schnelles Verständnis der Gesamtzusammenhänge<br />
durch strukturierte Modellerstellung<br />
• Begrenzung des Aufwandes durch Beschränkung<br />
auf problemadäquaten Abstraktionsgrad<br />
• Hohe Anforderungen an das Abstraktionsvermögen<br />
und die Geduld der Modellersteller<br />
• Potentieller Mehraufwand bei der Modellerstellung<br />
durch zu weit gefasste Systemgrenzen<br />
• Gefahr der Ablenkung von der Aufgabenstellung<br />
durch die vorgefundene Problemvielfalt<br />
Differenzierung<br />
Vorteile<br />
Nachteile<br />
Methoden der Modellbildung<br />
• Einfaches Systemverständnis durch den zu<br />
Beginn geringen Abstraktionsgrad<br />
• Möglichkeit zur schnellen Detailanalyse<br />
• Möglichkeit zur Verwendung vorgefertigter<br />
Strukturen<br />
Integration<br />
• Erkennen der Gesamtzusammenhänge schwierig<br />
• Hoher Modellerstellungsaufwand bei komplexen<br />
Originalsystemen<br />
• Zusammenfassung von Teilstrukturen im Einzelfall<br />
schwierig<br />
24
Modellierung technischer <strong>Systeme</strong><br />
Prozess-Output<br />
Objekt<br />
(Original)<br />
Prozess-Input<br />
Sinneswahrnehmung<br />
Handeln<br />
Werkzeug<br />
(Simulator)<br />
Experimentierbares<br />
Modell<br />
Realzeitprogramm<br />
Simulationsmodell<br />
Subjekt<br />
(Mensch)<br />
Wissen<br />
Gedankliches<br />
Modell<br />
Sinneswahrnehmung<br />
Umsetzen<br />
Modellbildungsprozess nach DIN 3633<br />
Symbolisches<br />
Modell<br />
(technische<br />
Beschreibung,<br />
Layoutzeichnung<br />
usw.)<br />
25
Modellierung technischer <strong>Systeme</strong><br />
Funktionales Modell<br />
26
Modellierung technischer <strong>Systeme</strong><br />
Modell 2D-Layout<br />
27
Modellierung technischer <strong>Systeme</strong><br />
Modell mit 2D-CAD-Hintergrundbild<br />
28
Modellierung technischer <strong>Systeme</strong><br />
3D-Modell<br />
29
Modellierung technischer <strong>Systeme</strong><br />
VR-Modell<br />
30
Modellierung technischer <strong>Systeme</strong><br />
Animation ist eine graphische Darstellung der dynamischen<br />
Zustandsänderungen während bzw. nach der Simulation.<br />
Simulation « Animation<br />
Simulation kann auch ohne Animation laufen.<br />
Das gilt umgekehrt nicht!<br />
Gründe für und gegen Animation<br />
Für die Animation<br />
Modellfehlererkennung<br />
Konfliktsituationsanalyse<br />
Prozessverlaufserkennung<br />
Resultatpräsentation<br />
Gegen die Animation<br />
Zeitverbrauch für Sichtung<br />
Verzicht auf Abstraktion<br />
Vortäuschen von Detailtreue<br />
Aufwand für Programme<br />
Animation – Für und Wider<br />
nach Kosturiak<br />
31
Modellierung technischer <strong>Systeme</strong><br />
zu aufwendige Modelle<br />
führen oft zu Ineffektivität<br />
Prinzipielle Fehler beim Modellbau<br />
Schlechte, ungenaue Modellierung<br />
führt zu keinen (brauchbaren)<br />
Erkenntnissen<br />
aus: ASIM-Leitfaden für<br />
Simulationsbenutzer<br />
32
![epidemiológiai módszerek [Kompatibilitási mód]](https://img.yumpu.com/40130327/1/190x134/epidemiolagiai-madszerek-kompatibilitasi-mad.jpg?quality=85)
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