Simulation in Produktion und Logistik: Grundlagen und Anwendungen PDF
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Kai Gutenschwager Markus Rabe Sven Spieckermann Sigrid Wenzel Simulation in Produktion und Logistik Grundlagen und Anwendungen Simulation in Produktion und Logistik Kai Gutenschwager · Markus Rabe Sven Spieckermann · Sigrid Wenzel Simulation in Produktion und Logistik Grundlagen und Anwendungen Kai Gutenschwager Sven Spieckermann Wolfenbüttel, Deutschland Hanau, Deutschland Markus Rabe Sigrid Wenzel Dortmund, Deutschland Kassel, Deutschland ISBN 978-3-662-55744-0 ISBN 978-3-662-55745-7 (eBook) https://doi.org/10.1007/978-3-662-55745-7 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detail- lierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Springer Vieweg © Springer-Verlag GmbH Deutschland 2017 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Der Verlag bleibt im Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutionsadressen neutral. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Vieweg ist Teil von Springer Nature Die eingetragene Gesellschaft ist Springer-Verlag GmbH Deutschland Die Anschrift der Gesellschaft ist: Heidelberger Platz 3, 14197 Berlin, Germany Vorwort Dieses Buch gründet auf unseren Simulationsvorlesungen an ingenieur- und wirtschaftswissenschaftlichen Fakultäten in Studiengängen wie Ma- schinenbau, Logistik, Wirtschaftsinformatik und Wirtschaftsingenieur- wesen sowie auf Erfahrungen aus durchgeführten Simulationsstudien in der betrieblichen Praxis. In unsere gemeinsame Arbeit sind damit unter- schiedliche wissenschaftliche und praktische Hintergründe aus der Infor- matik, der Produktionstechnik, der Logistik und der Betriebswirtschafts- lehre eingeflossen. Hieraus ergaben sich gleichermaßen die Herausforde- rung und die Chance, aus den unterschiedlichen Disziplinen gemeinsame und konsistente Sichten für die Simulation in Produktion und Logistik ab- zuleiten, was mitunter Anlass für ausgiebige Fachdiskussionen, vertiefende Recherchen und das Hinzuziehen weiterer fachlicher Expertise war. Auf diese Weise ist ein Lehrbuch entstanden, das die Grundlagen der ereignis- diskreten Simulation systematisch erläutert und dabei zugleich einen engen Bezug zu den Anwendungen in Produktion und Logistik bietet. Die Tat- sache, dass das Buch in deutscher Sprache abgefasst ist, ist insofern einer Hervorhebung wert, da den zahlreichen englischsprachigen Lehrbüchern nur wenige einschlägige deutsche Werke gegenüberstehen. Das Buch versteht sich primär als eine Einführung in das Simulations- wissen, das in unserem Anwendungsbereich grundsätzlich erforderlich ist. Es ist ganz bewusst kein Tutorial für ein Simulationswerkzeug, nicht zu- letzt weil jeder von uns unterschiedliche Werkzeuge in Lehre und Anwen- dung nutzt. Ein Lehrbuch wird ohnehin nicht die unmittelbare Erfahrung mit einem Simulationswerkzeug ersetzen können; vielmehr ist das Ver- ständnis der Simulationstechnik und ihrer richtigen Anwendung eine Voraussetzung für den erfolgreichen Einsatz der Werkzeuge. Unser Dank geht an Anne Antonia Scheidler (TU Dortmund) und Jana Stolipin (Universität Kassel) für die Durchsicht des vierten Kapitels, an viele weitere Kollegen für hilfreiche Hinweise sowie an Dr.-Ing. Melanie Günter, Bastian Schulten und Marcel Theile für die Unterstützung bei der formalen Endkontrolle. VI Vorwort Im Sinne der Lesbarkeit wird in diesem Buch auf die gleichzeitige Ver- wendung männlicher und weiblicher Sprachformen verzichtet. Es sei aus- drücklich darauf hingewiesen, dass wir mit der für beide Geschlechter an- wendbaren Form in allen Fällen sowohl die weibliche als auch die männli- che Variante adressieren. Wolfenbüttel/Dortmund/Hanau/Kassel, Juni 2017 Kai Gutenschwager, Markus Rabe, Sven Spieckermann und Sigrid Wenzel Inhalt Inhalt ....................................................................................................... VII Abkürzungen ........................................................................................... XI 1 Einleitung ............................................................................................... 1 1.1 Thematische Einordnung und Zielgruppen ................................... 2 1.2 Aufbau des Buches und Hinweise für den Leser ........................... 3 2 Begriffliche Grundlagen, Einordnung und Anwendungsbereiche ............................................................................ 7 2.1 Ein Anwendungsbeispiel ............................................................... 8 2.2 System- und modelltheoretische Grundlagen .............................. 10 2.2.1 Der Systembegriff........................................................... 10 2.2.2 Der Modellbegriff ........................................................... 13 2.2.3 Klassifikationskriterien für Systeme und Modelle ......... 15 2.2.4 Modellbildung ................................................................ 18 2.3 Simulation, Simulationsmodell und Simulationsexperiment ...... 22 2.4 Visualisierung und Animation ..................................................... 25 2.5 Problemlösungsmethoden ........................................................... 27 2.5.1 Mathematische Optimierung .......................................... 29 2.5.2 Heuristiken ..................................................................... 32 2.5.3 Warteschlangentheoretische Ansätze ............................. 34 2.5.4 Angemessenheit der Simulation als Problemlösungsmethode ................................................. 37 2.6 Typische Kennzahlen .................................................................. 39 2.6.1 Kategorien logistischer Kennzahlen ............................... 39 2.6.2 Kennzahlen im Zeitverlauf ............................................. 42 2.7 Einsatzfelder der Simulation in Produktion und Logistik ........... 44 2.8 Kosten und Nutzen der Simulation .............................................. 47 VIII Inhalt 3 Grundlagen der ereignisdiskreten Simulation ................................. 51 3.1 Klassifikation von Simulationsmethoden .................................... 52 3.2 Die Ablaufsteuerung in der ereignisdiskreten Simulation ........... 55 3.2.1 Das Prinzip der ereignisdiskreten Simulation................. 55 3.2.2 Bedingte Ereignisse ........................................................ 57 3.2.3 Konzeptionelle Ansätze .................................................. 60 3.2.4 Ereignistypen, Ereignisroutinen und die Ablaufsteuerung am Beispiel .......................................... 61 3.3 Modellierungskonzepte ............................................................... 70 3.3.1 Bausteinorientierte Modellierungskonzepte ................... 71 3.3.2 Objektorientierte Modellierungskonzepte ...................... 73 3.3.3 Theoretische Modellierungskonzepte ............................. 77 3.3.4 Sprachkonzepte ............................................................... 82 4 Stochastische Grundlagen und ihre Anwendung ............................. 85 4.1 Einführendes Beispiel .................................................................. 86 4.2 Grundbegriffe der deskriptiven Statistik ..................................... 87 4.3 Grundbegriffe der Wahrscheinlichkeitstheorie ........................... 95 4.4 Zufallsvariablen und Verteilungen .............................................. 97 4.4.1 Zufallsvariablen .............................................................. 97 4.4.2 Kenngrößen von Zufallsvariablen ................................ 100 4.4.3 Verteilungen von Zufallsvariablen ............................... 101 4.4.4 Unabhängigkeit von Zufallsvariablen .......................... 111 4.5 Konfidenzintervalle und weitere Schätzverfahren .................... 113 4.6 Testverfahren ............................................................................. 117 4.7 Verteilungsanpassung: Parameterschätzung und Testverfahren im Einsatz ........................................................... 122 4.8 Erzeugung von Zufallszahlen .................................................... 127 4.8.1 Erzeugung gleichverteilter Zufallszahlen ..................... 128 4.8.2 Transformation gleichverteilter Zufallszahlen ............. 131 4.8.3 Regeln für den Umgang mit Zufallszahlenströmen ...... 135 4.9 Anwendungsaspekte .................................................................. 137 Inhalt IX 5 Vorgehensweise bei der Durchführung von Simulationsstudien ............................................................................ 141 5.1 Simulationsvorgehensmodell .................................................... 141 5.1.1 Vorgehensmodell in der Übersicht ............................... 142 5.1.2 Die Einteilung des Vorgehens in Phasen ...................... 144 5.1.3 Die Rollen in einer Simulationsstudie .......................... 146 5.2 Von der Zielbeschreibung zur Aufgabenspezifikation .............. 147 5.3 Modellbildung ........................................................................... 150 5.3.1 Systemanalyse .............................................................. 151 5.3.2 Formalisierung .............................................................. 155 5.3.3 Implementierung ........................................................... 157 5.4 Datenbeschaffung und -aufbereitung ........................................ 158 5.4.1 Schritte zur Informationsgewinnung ............................ 159 5.4.2 Datenquellen zur Deckung typischer Informationsbedarfe...................................................... 161 5.4.3 Methoden zur Informations- und Datenerhebung ......... 165 5.4.4 Datenaufbereitung ........................................................ 168 5.4.5 Der richtige Umgang mit Daten ................................... 171 5.5 Experimentplanung und -durchführung .................................... 173 5.5.1 Der Experimentplan ...................................................... 174 5.5.2 Erstellung des Experimentplanes .................................. 176 5.5.3 Experimentdurchführung .............................................. 182 5.5.4 Festlegung der Einschwingphase .................................. 184 5.5.5 Festlegung von Simulationsdauer und Anzahl Replikationen ................................................................ 187 5.6 Experimentauswertung .............................................................. 193 5.6.1 Statistische Auswertung der Ergebnisse ....................... 193 5.6.2 Visualisierung der Ergebnisse ...................................... 199 5.7 Verifikation und Validierung .................................................... 202 5.7.1 Begriffsdefinitionen ...................................................... 203 5.7.2 Hinweise zum Vorgehen bei der V&V ......................... 205 5.7.3 V&V-Techniken ........................................................... 208 5.8 Ergänzende Aspekte bei der Durchführung von Simulationsstudien .................................................................... 214 5.8.1 Entscheidung über Eigendurchführung oder Fremdvergabe ............................................................... 215 5.8.2 Hinweise für die erfolgreiche Durchführung von Simulationsstudien........................................................ 216 X Inhalt 6 Simulationswerkzeuge und ihre Anwendung ................................. 219 6.1 Merkmale zur Einordnung von Simulationswerkzeugen .......... 220 6.2 Modellierung des Zufalls ........................................................... 223 6.3 Modellierung von Steuerungen ................................................. 227 6.4 Schnittstellen für den Datenaustausch ....................................... 230 6.5 Auswahl von Simulationswerkzeugen ...................................... 232 7 Weiterführende Konzepte und Anwendungen ............................... 237 7.1 Verteilte Simulation .................................................................. 237 7.2 Simulation und Optimierung ..................................................... 240 7.3 Emulation .................................................................................. 244 7.4 Simulationsunterstützte Auftragsfeinplanung ........................... 249 Literatur ................................................................................................. 253 Autoren ................................................................................................... 267 Sachverzeichnis ...................................................................................... 271
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