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| Titel: | Theorie und Praxis von Simulationssystemen eine Einführung für Ingenieure und Informatiker ; mit Programmbeispielen und Projekten aus der Technik |
|---|---|
| Von: |
Thomas Sauerbier
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| Person: |
Sauerbier, Thomas
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| Hauptverfasser: | |
| Format: | Buch |
| Sprache: | Deutsch |
| Veröffentlicht: |
Braunschweig [u.a.]
Vieweg
1999
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| Schriftenreihe: | Studium Technik
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| Notation: | ST 340 |
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| Umfang: | X, 225 S. graph. Darst. |
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Inhaltsverzeichnis
1 EINLEITUNG...................................................................1
TEIL I: GRUNDLAGEN DER SIMULATION
2 VOR- UND NACHTEILE DER SIMULATION............................................5
3 ABLAUF EINER SIMULATIONSSTUDIE...............................................7
3.1 Grundmodell............................................................. 7
3.2 Prognosemodell............................................................8
3.3 Ablaufmodell.............................................................10
3.3.1 Formulieren des Problems............................................11
3.3.2 Entwickeln des Modells...............................................11
3.3.3 Erheben und Generieren von Daten.....................................12
3.3.4 Implementieren des Modells...........................................12
3.3.5 Verifizieren und Validieren des Modells.............................12
3.3.6 Durchfuhren und Auswerten von Simulationsläufen.....................13
3.3.7 Interpretieren der Simulationsergebnisse........................... 14
3.3.8 Umsetzen der Simulationsergebnisse in die Realität...................14
3.4 Ebenenmodell............................................................15
3.5 Zusammenfassung.........................................................16
4 GRUNDBEGRIFFE DER SIMULATION............................................ 17
4.1 Grundbegriffe............................................................17
4.1.1 System...............................................................17
4.1.2 Modell...............................................................18
4.1.3 Simulation...........................................................19
4.1.4 Simulationssystem....................................................20
4.2 Klassifizierungen.......................................................21
4.2.1 Kontinuierliche vs. diskrete Systeme.................................21
4.2.2 Deterministische vs. stochastische Simulation........................22
4.2.3 Statische vs. dynamische Systeme und Modelle.........................24
4.2.4 Rückgekoppelte vs. nicht rückgekoppelte Systeme......................24
4.2.5 Terminierende vs. nichtterminierende Systeme.........................26
4.2.6 Stationäre vs. nichtstationäre Systeme............................. 27
4.2.7 Echtzeit-Simulation vs. Nicht-Echtzeit-Simulation....................28
4.2.8 Spezialfalle.........................................................29
4.2.8.1 Chaotische Systeme............................................. 29
4.2.8.2 Finite-Elemente-Simulation.......................................29
4.2.8.3 Monte-Carlo-Methoden.............................................30
4.3 Zeitfortschritt in der Simulation.......................................31
4.3.1 Zeitorientierte Simulation...........................................31
4.3.2 Prozeßorientierte Simulation.........................................32
4.3.3 Ereignisorientierte Simulation.......................................33
VIII
Inhaltsverzeichnis
TEIL II: REALISIERUNG UND EINSATZ VON SIMULATIONSSYSTEMEN
5 MODELLBILDUNG..................................................................35
5.1 ALLGEMEINES.................................................................35
5.2 Formulieren des Problems...................................................35
5.3 Abgrenzen des Systems von seiner Umgebung..................................37
5.4 Verhaltens-vs. Strukturmodell..............................................37
5.5 Festlegen der relevanten Groben............................................39
5.6 Erheben und Generieren von Daten...........................................41
5.6.1 Allgemeines.............................................................41
5.6.2 Auswertung der erhobenen Daten..........................................42
5.6.3 Direkte Verwendung der erfaßten Daten in der Simulation.................43
5.6.4 Verwendung empirischer Verteilungen................................... 44
5.6.5 Verwendung theoretischer Verteilungen...................................45
5.7 Beschreiben des Modells....................................................45
5.8 Praktisches Beispiel zur Modellbildung.....................................48
6 IMPLEMENTIERUNG................................................................51
6.1 Allgemeines.................................................................51
6.2 Implementieren des Modells.................................................51
6.2.1 Allgemeines.............................................................51
6.2.2 Implementieren in einer konventionellen Programmiersprache..............52
6.2.3 Nutzen von Simulationsbibliotheken für universelle Programmiersprachen..53
6.2.4 Modell als Modul innerhalb eines Simulationssystems.....................54
6.2.5 Verwenden eines Simulationssystems mit spezieller Simulationssprache....55
6.2.5.1 Allgemeines.........................................................55
6.2.5.2 Vorhandene Simulationssprachen......................................58
6.2.5.3 Selbstdefinierte Simulationssprachen................................58
6.2.6 Vergleichende Bewertung............................................... 59
6.3 Implementieren des Simulationssystems......................................62
6.3.1 Allgemeines.............................................................62
6.3.2 Simulationssteuerung....................................................64
6.3.2.1 Zeitorientierte Simulation..........................................64
6.3.2.2 Ereignisorientierte Simulation......................................65
63.2.3 Automatische statistische Auswertung von Simulationsläufen..........73
6.33 Zufallszahlengeneratoren.......................................... 74
6.33.1 Einführung..........................................................74
63.3.2 Anforderungen an Zufallszahlen.......................................76
6.33.3 Generieren (0; 1)-verteilter Zufallszahlen...........................77
63.3.4 Erzeugen unabhängiger Ströme von Zufallszahlen.......................80
633.5 Erzeugen von Zufallszahlen unterschiedlicher Verteilung..............82
63.3.6 Testen von Zufallszahlengeneratoren..................................85
63.4 Simulationssprache......................................................88
63.4.1 Allgemeines.........................................................88
63.4.2 Grundlagen......................................................... 89
63.43 Praktische Realisierung...............................................91
6.3.5 Datenspeicherung...................................................... 93
63.6 Client/Server-Konzepte................................................. 98
63.6.1 Grundlagen...........................................................98
63.6.2 Datenbank-Server.....................................................99
63.6.3 Simulations-Server..................................................101
Inhaltsverzeichnis IX
7 VERIFIKATION UND VALIDIERUNG.................................................103
7.1 Allgemeines..................................................................103
7.2 Verifikation und Validierung des Modells.....................................104
7.3 Verifikation der Implementierung.............................................105
7.3.1 Überblick................................................................105
7.3.2 Allgemeine Methoden des Programmtests....................................105
7.3.3 Tracing..................................................................106
7.3.4 Vergleich mit analytischen Modellen......................................107
7.3.5 Durchführen automatischer Konsistenzprüfungen........................... 107
7.3.6 Verwendung grafischer Methoden.......................................... 108
7.3.7 Interaktive Simulation...................................................108
7.4 Validieren der Simulationsergebnisse................................,....109
7.4.1 Allgemeines..............................................................109
7.4.2 Ergebnisvergleich mit dem Realsystem.....................................110
7.4.2.1 Allgemeines..........................................................110
7.4.2.2 Zeitbezug bei einmaligen Prozessen...................................111
7.4.2.3 Verhalten in Extremsituationen.......................................112
7.4.2.4 Kalibrieren des Simulationsmodells...................................112
7.4.2.5 Konkretes Vorgehen beim Ergebnisvergleich........................... 113
7.4.3 Sonstige Methoden....................................................... 115
7.4.3.1 Sensitivitätsanalyse................................................ 115
7.4.3.2 Vergleich mit plausiblen Annahmen, Theorien und anderen Simulationen.116
7.4.3.3 Vergleich mit analytischen Modellen..................................116
7.4.3.4 Vergleich mit Fremdsystemen......................................... 117
7.4.3.5 Einbeziehen von Anwendungsexperten...................................117
8 ANALYSE DER SIMULATIONSERGEBNISSE............................................... 119
8.1 Grundlagen...................................................................119
8.1.1 Quantifizieren des stochastischen Fehlers................................119
8.1.2 Einschwingvorgänge.......................................................120
8.1.3 Statistische Unabhängigkeit von Simulationsergebnissen...................124
8.1.4 Bestimmen von Konfidenzintervallen.......................................126
8.1.5 Sensitivitätsanalyse.....................................................128
8.1.6 Nicht modellierte Ausnahmen innerhalb des realen Verhaltens..............129
8.2 Analyse eines Systems...................................................... 130
8.2.1 Allgemeines............................................................. 130
8.2.2 Analyse stationärer Prozesse.............................................131
8.2.3 Analyse nichtstationärer Prozesse........................................132
8.3 Vergleich von Systemalternativen............................................ 134
8.4 Optimierungsstrategien.......................................................136
TEIL III: PROJEKTE
9 WARTESCHLANGENSYSTEME............................................................137
9.1 Einführung...................................................................137
9.2 Theoretische Grundlagen......................................................138
9.3 Simulation...................................................................140
9.3.1 Modell.................................................................. 140
9.3.2 Implementierung..........................................................141
9.3.2.1 Übersicht........................................................... 141
9.3.2.2 Kundenorientierte Implementierung in Excel...........................142
X
Inhaltsverzeichnis
9.3.23 Zeitorientierte Implementierung in Excel...........................143
93.2.4 Zeitorientierte Implementierung in C...............................145
93.2.5 Ereignisorientierte Implementierung in Excel..................... 148
93.2.6 Ereignisorientierte Implementierung in C++.........................149
93.2.7 Izqplementiemng mit automatischer Auswertung..................... 158
93.2.8 Vergleichende Bewertung der Implementierungen......................160
9.33 Simulationsergebnisse............................................... 161
9.33.1 Ergebnisse..................................................... 161
933.2 Statistische Validierung...........................................163
93.33 Inhaltliche Bewertung............................................ 164
10 ELEKTRONISCHE DIGITALSCHALTUNGEN............................................. 167
10.1 EINFÜHRUNG............................................................. 167
10.2 Theoretische Grundlagen..................................................167
10.2.1 Digitaltechnik.......................................................167
10.2.2 Digitalsimulation....................................................169
103 Simulation...............................................................173
10.3.1 Modell............................................................. 173
10.3.2 Implementierung......................................................174
10.3.3 Simulationsergebnisse................................................180
11 LAGERHALTUNGSSYSTEME *........................................................183
11.1 Einführung...............................................................183
%
11.2 Theoretische Grundlagen................................................. 183
11.3 Simulation...............................................................185
11.3.1 Modell...............................................................185
11.3.2 Implementierung......................................................186
11.3.2.1 Allgemeines......................................................186
11.3.2.2 Modellvariante mit konstanten Lieferzeiten.......................188
11.3.2.3 Modellvariante mit zufälligen Lieferzeiten.......................191
11.3.3 Simulationsergebnisse................................................193
12 FORMEL-ÜBERSETZER-------------------------------------------------------------195
12.1 Einführung............................................................. 195
12.2 Theoretische Grundlagen..................................................195
12.2.1 Sprachdefinition.....................................................195
12.2.2 Aufbau des Übersetzers...............................................196
12.3 IMPLEMENTIERUNG..........................................................198
12.4 Ergebnisse............................................................. 206
ANHANG
A.1 STATISTISCHE GRUNDLAGEN_________________________________209
A.2 STATISTISCHETABELLEN
213
LITERATURVERZEICHNIS
215
SACHWORTVERZEICHNIS
221
Die Simulation gehört heute zum unverzichtbaren Handwerkszeug jedes
Ingenieurs und Informatikers. Gleiches gilt in zunehmendem Maße auch für
Angehörige anderer Fachrichtungen, z. B. der Natur-, Wirtschafts- und Sozial-
wissenschaften. Auch wer nicht selbst Simulationen durchführt oder gar
Simulatoren realisiert, muß sich immer öfter mit den Ergebnissen von Simula-
tionsstudien befassen und benötigt dafür Grundlagenwissen.
Der Inhalt
Im ersten Teil des Buches werden zunächst die allgemeinen Grundlagen der
Simulation erläutert. Der zweite Teil beschreibt alle Schritte von der Modell-
bildung über die Implementierung bis hin zur Verifikation, Validierung und
Ergebnisanalyse. Der Leser wird durch zahlreiche konkrete Programmbeispiele
in die Lage versetzt, eigene Simulationsanwendungen prozedural und objekt-
orientiert zu programmieren. Im Gegensatz zu vielen anderen Büchern werden
nicht nur die Simulationsalgorithmen selbst, sondern auch wesentliche Aspekte
der Realisierung kompletter Simulationssysteme behandelt. Der abschließende
Projektteil zeigt die Anwendung der zuvor vermittelten theoretischen und
praktischen Grundlagen anhand mehrerer Fallstudien mit jeweils vollständigem
Quellcode. Als Implementierungswerkzeuge werden C++, C und Excel eingesetzt.
Die lauffähigen Programme hierzu werden bereit gestellt unter www.viemg.de
unter der Rubrik downloads.
Die Zielgruppe
Dieses Buch wendet sich vor allem an Studierende der (ngenieurwissenschaften
und der Informatik, aber auch an Interessierte anderer Fachrichtungen, ins-
besondere der Natur- und Wirtschaftswissenschaften. Daneben eignet es sich
auch für Fachleute und Manager, die sich in der beruflichen Praxis mit Simula-
tionsanwendungen beschäftigen.
Der Autor
Prof. Dr. Thomas Sauerbier war in der Entwicklungsabteilung eines großen
Elektrokonzems tätig. Zu seinen Schwerpunkten gehörte unter anderem die
Modellierung und Simulation elektronischer Schaltungen und Systeme. Heute
ist er Professor für Wirtschaftsinformatik und quantitative Methoden an der
Fachhochschule Heilbronn.
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