Eine Methode zur benutzerstimulierten detaillierungsvarianten Berechnung von diskreten Simulationen von Materialflüssen:
Saved in:
| Main Author: | |
|---|---|
| Format: | Thesis Book |
| Language: | German |
| Published: |
Paderborn
Heinz-Nixdorf-Inst.
2005
|
| Series: | HNI-Verlagsschriftenreihe
160 |
| Subjects: | |
| Online Access: | Inhaltsverzeichnis |
| Physical Description: | XIV, 191 S. Ill., graph. Darst. 1 CD-ROM (12 cm) |
| ISBN: | 3935433697 |
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|---|---|
| adam_text | Inhaltsverzeichnis i
Abbildungsverzeichnis vii
Tabellenverzeichnis x
Tabellenverzeichnis x
Abkürzungsverzeichnis x
Definitionenverzeichnis xi
Pseudocodeverzeichnis xii
Formelverzeichnis xiii
1 Einleitung 1
2 Eingrenzung des Problems einer Methode zur benutzerstimulierten
detaillierungsvarianten Simulation von Materialflüssen 5
2.1 System, Modell, Methode, diskrete Simulation und Materialfluss 5
2.1.1 Definitionen 5
2.1.1.1 Modell, Methode 5
2.1.1.2 Simulation 6
2.1.1.3 Diskrete und kontinuierliche Simulation 9
2.1.1.4 Materialfluss 10
2.1.2 Anforderungen an die Modellierung und Simulation von diskreten
Materialflüssen 11
2.1.2.1 Anforderungen an die Modellierung von Vorgängen 1 1
2.1.2.2 Anforderung an die Modellierung der Verkettung 12
2.2 Virtuelle Umgebungen und Stimulation durch den Benutzer 12
2.2.1 Grundlagen 12
2.2.2 Problem der Stimulation durch einen Benutzer 12
2.3 Dynamischer Detaillierungsgrad 13
2.3.1 Definitionen 13
ii 2.3.2 Problem eines inhomogenen dynamischen Detaillierungsgrades 15
3 Stand der Technik 17
3.1 Modellierung 17
3.1.1 Petri Netze 18
3.1.1.1 Allgemeine Petri Netze 18
3.1.1.2 Individualisierte Petri Netze 20
3.1.1.3 Zeitbewertete Petri Netze 21
3.1.1.4 Anwendung von Petri Netzen zur Modellierung von Materialflüssen21
3.1.1.5 Hierarchische Petri Netze 22
3.1.1.6 Fazit Petri Netze 23
3.1.2 Discrete Event Simulation System Specification (DEVS) 24
3.1.3 Modell der Fertigung MFert 25
3.1.4 Spezifische Methoden zur Modellierung von Materialflüssen 27
3.1.5 Ausführung von diskreten Simulationsmodellen 28
3.1.5.1 Fixe Zeitinkremente 29
3.1.5.2 Variable Zeitinkremente 29
3.1.6 Repräsentation von Objekten in virtuellen Umgebungen 30
3.1.7 Fazit 32
3.2 Menschliche Wahrnehmung und virtuelle Umgebungen 32
3.2.1 Täuschung des Sehsinns 33
3.2.1.1 Erzeugen von Bildern 33
3.2.1.2 Ausgabegeräte 34
3.2.2 Täuschung des Tast und Hörsinns 36
3.2.3 Desktop VR 37
3.2.4 Interaktion in virtuellen Umgebungen 38
3.2.5 Einsatz von virtuellen Umgebungen in der Produktionssimulation, Kopplung
verschiedener Simulatoren 40
3.2.5.1 Offline Kopplung 41
3.2.5.2 Online Kopplung 41
3.2.5.3 Integrierte Lösungen 43
3.2.5.4 Modulare Lösungen 43
3.2.5.5 Fazit 44
3.2.6 Fazit 44
3.3 Methoden zur Modellierung und Simulation in unterschiedlichen
iii
Detaillierungsgraden 44
3.3.1 Diskrete Simulation und Multiresolution Modelling 45
3.3.1.1 Anforderungen an die Konsistenz in Modellen mit sich dynamisch
verändernden Detaillierungsgraden 46
3.3.1.2 Informationsverarbeitung nach Natrajan 48
3.3.1.3 System Entity Structure/Model Base Framework 49
3.3.2 Multiresolution und Szenenvereinfachung in der Visualisierung 50
3.3.2.1 Level of Detail Techniken 51
3.3.2.2 Szenenvereinfachung durch automatische Komplexitätsreduktion.... 53
3.3.2.3 Culling zur Szenenvereinfachung 53
3.3.2.4 Fazit 54
3.3.3 Sonstige Ergebnisse 54
3.3.4 Fazit Multiresolution Modelling, Cross resolution Modelling 55
3.4 Fazit Stand der Technik 56
4 Zu leistende Arbeit 59
4.1 Entwicklung einer Notation für detaillierungsvariante diskrete Simulationen 61
4.2 Entwicklung einer Methode zur Erkennung und Bewertung der
Benutzeraufmerksamkeit 62
4.3 Anforderungen an die Aktualisierung der Zustände 62
4.4 Bewertung der Ergebnisse 63
5 Konzeption einer Methode zur benutzerstimulierten
detaillierungsvarianten Simulation von Materialflüssen 65
5.1 Eine Notation für detaillierungsvariante diskrete Simulationsmodelle 67
5.1.1 Nicht detaillierungsvariante diskrete Simulationen (nddS) 68
5.1.1.1 Notation eines nicht detaillierungsvarianten diskreten
Simulationsmodells 68
5.1.1.2 Ausführen einer nicht detaillierungsvarianten diskreten Simulation.. 69
5.1.1.3 Ein Beispiel für eine nddS 70
5.1.2 Detaillierungsvariante diskrete Simulationen (dvdS) 72
5.1.2.1 Notation eines detaillierungsvarianten diskreten Simulationsmodells72
5.1.2.2 Anforderungen an die Aktivierungen 74
5.1.2.3 Ausführen einer detaillierungsvarianten diskreten Simulation 75
5.1.2.4 Ein Beispiel für eine dvdS 76
iv 5.2 Stimulation von Umschaltvorgängen durch den Benutzer 79
5.2.1 Ausgaben in die virtuelle Umgebung und Interaktion 80
5.2.1.1 Ausgaben 80
5.2.1.2 Interaktion 81
5.2.2 Notation der Aktivierungen 83
5.2.2.1 Blattposition, partielle Blattposition, partiell/komplett aktiviert 83
5.2.2.2 Anforderungen an eine Aktivierung 85
5.2.3 Berechnungsquantität 86
5.2.3.1 Konservatives Verfahren 88
5.2.3.2 Optimistisches Verfahren 88
5.2.4 Berechnung der Indikatoren 90
5.2.4.1 Abstand eines Objektes zudem Betrachter 91
5.2.4.2 Blickwinkel 92
5.2.4.3 Verdeckung 94
5.2.4.4 Logistische Indikation 97
5.2.5 Möglichkeiten zur Beschleunigung der Berechnung 99
5.2.5.1 Betrachtung des Mittelpunktes statt der äußeren Kontur 99
5.2.5.2 Umschließung von komplexen Objekten 100
5.2.5.3 Manhattan Distanz 101
5.2.5.4 Reduktion auf zwei Dimensionen 102
5.2.6 Bewertung der Indikatoren 103
5.2.7 Zusammenfuhrung der Indikatoren 104
5.2.8 Anpassung der Aktivierungen 107
5.2.8.1 Anpassung der Aktivierungen anhand der Benutzerposition 107
5.2.8.2 Anpassung der Aktivierungen an die Rechenzeit 108
5.3 Zustandsgenerierung 108
5.3.1 Nachsimulation 109
5.3.1.1 Detaillierung 110
5.3.1.2 Vergröberung 111
5.3.1.3 Konsistenz 112
5.3.2 Nachsimulation mit Verfolgung der Interaktionen 116
5.3.2.1 Vergröberung 116
5.3.2.2 Detaillierung 118
5.3.3 Direkte Berechnung 118
5.3.3.1 Detaillierung 119
5.3.3.2 Vergröberung 121
5.3.3.3 Analyse der Methode „direkte Berechnung 121
1
V
5.3.4 Bewertung der Methoden 121
5.3.4.1 Nachsimulation 121
5.3.4.2 Nachsimulation mit Verfolgung der Interaktionen 122
5.3.4.3 Direkte Berechnung 122
1 5.4 Fazit 122
6 Validierung 125
6.1 Untersuchung der Mächtigkeit der Notationen 125
6.1.1 Mächtigkeit einer nddS 125
6.1.1.1 Bewertung einer nddS gegen die Anforderungen an die Modellierung
aus Abschnitt 2.1.2 126
, 6.1.1.2 Konstruktion zur Abbildung einer platzbeschränkten Turingmaschine
auf eine nddS 127
6.1.1.3 Beweisskizze 129
6.1.2 Mächtigkeit einer dvdS 132
6 2 Untersuchung der Notation mit den Kriterien zur Differenzierung unterschiedlicher
Detaillierungsgrade nach Davis 132
6 3 Abschätzung des Aufwandes und der eingesparten Rechenzeit bei der Verwendung
, von detaillierungsvarianten Simulationsmodellen 133
6.3.1 Größe der Modelle 134
6.3.2 Analyse der Rechenzeit 139
6.3.2.1 Aufwand für die quasistatische Berechnung einer dvdS 139
6.3.2.2 Rechenzeitbedarf für die Aktualisierungen der Aktivierung 141
6.3.3 Bewertung 4
6 4 Praktische Umsetzung 14
6.4.1 Modellierung 144
6.4.1.1 Abbildung des Zeitmodells und der Menge der Ereignistypen 145
6.4.1.2 Abbildung der Positionen 14?
6.4.1.3 Abbildung der Zustandsübergänge 14
6.4.1.4 Detailliertere Modelle und die Übersetzungsfunktion 147
6.4.1.5 Abbildung der Startbelegung und des Startereignisses 148
6.4.2 Benutzerschnittstelle 148
6.4.2.1 Visualisierung der Positionen 149
6.4.2.2 Visualisierung der Belegung der Positionen bl
6.4.2.3 Benutzerinteraktion 151
vi
6.4.3 Methoden zum Ablauf 152
6.4.3.1 Indikation der Benutzeraufmerksamkeit 152
6.4.3.2 Aggregation und Disagregation 154
6.4.4 Ergebnisse der Implementierung 155
6.5 Fazit Validierung 155
7 Fazit und Ausblick 157
7.1 Ergebnis 157
7.2 Weiterer Forschungsbedarf 158
7.2.1 Adaptive Anpassung der Detaillierung an den Einfluss der Berechnungen auf
die Simulation 159
7.2.2 Automatische Generierung von detaillierungsvarianten Modellhierarchien 159
Literatur 161
Anhang 173
A Der Simulator auf der beigelegten CD 173
A.l Installation 173
A.2 Laden und Editieren von Modellen 174
A.3 Starten der Simulation und Navigation in der virtuellen Umgebung 174
B Beispiele für die XML Notation 177
B.l Formale Beschreibung der XML Notation für eine dvdS durch eine DTD 177
B.2 Beispiel einer nddS 178
B.3 Beispiel einer dvds 182
vii
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Von der Realität über das Modell zur Simulation und zurück zur Realität 8
i Abbildung 2: Diskrete und kontinuierliche Simulation 10
Abbildung 3: Fabrikmodell mit einer virtuellen Umgebung visualisiert 13
i Abbildung 4: Detaillierungsgrad und Aussagekraft 16
Abbildung 5: Beispiel eines Petri Netzes 20
• Abbildung 6: Petri Netz Modell eines Arbeiters, der zwei Maschinen bedient 22
Abbildung 7: Beispiel für ein hierarchisches Petri Netz 23
, Abbildung 8: Beispielmodell MFert 26
Abbildung 9:Ablauf einer ereignisgesteuerten Simulation 30
Abbildung 10: Repräsentation eines dreidimensionalen Objektes durch Polygone 31
Abbildung 11: Rendering Pipeline 34
Abbildung 12: Kopplung Visualisierung Simulator 41
Abbildung 13: HLA Architektur 42
1 Abbildung 14: Beispiel für die Benutzeroberfläche eines Simulators mit integrierter
i dreidimensionaler Visualisierung 43
Abbildung 15: Konsistenzanforderungen nach Davis 46
Abbildung 16: Konsistenz beim Disaggregieren nach Palmore 47
Abbildung 17: Konjugation beim Aggregieren nach Palmore 48
Abbildung 18: Ein Beispiel für das System Entity Structure/Model Base Framework 50
Abbildung 19: Approximation eines Kreises durch verschiedene N Ecke 51
Abbildung 20: Auswahl des Repräsentanten in Abhängigkeit zur Entfernung 52
1 Abbildung 21: Approximation einer Funktion durch lineare Abschnitte 55
Abbildung 22: Beschränkte Wahrnehmung der Szene von einem Benutzer 60
Abbildung 23: Überblick über die Methode 65
Abbildung 24: Hierarchische detaillierungsvariante Simulation 66
Abbildung 25: Materialfluss in MFert für das Beispiel einer nddS 70
viii
Abbildung 26: Das Beispielmodell für eine dvdS in MFert dargestellt 77
Abbildung 27: Unterschiedliche Informationen aus Sicht eines Benutzers und von oben 82
Abbildung 28: Positionen in einer dvdS mit und ohne detailliertere Modelle 84
Abbildung 29: Der Benutzer darf nicht durch Bewegungen aus dem Bereich der höchsten
Detaillierung geraten 87
Abbildung 30: Optimistische und konservative Stimulation von Umschaltvorgängen 89
Abbildung 31: Verschiedene Indikatoren für die Berechnung des Betrachtungsfokus 91
Abbildung 32: Sichtfeld eines Menschen 94
Abbildung 33: Kleine Positionsänderungen große Veränderung 96
Abbildung 34: Bestimmung des Abstandes über den Mittelpunkt eines Objektes 100
Abbildung 35: Kugel mit Würfel 102
Abbildung 36: Entfernte Objekte werden kleiner auf die Netzhaut projiziert 105
Abbildung 37: Verarbeitung einer Belegung bei einer Detaillierung 119
Abbildung 38: Benutzerspezifische Detaillierung 120
Abbildung 39: Vergleich der Simulationsmodelle auf unterschiedlichen Detaillierungsebenen
135
Abbildung 40: Übersicht über die benötigten Komponenten für eine dvdS 137
Abbildung 41: Minimal aktivierte Simulation 141
Abbildung 42: Architektur des Prototypen 144
Abbildung 43: Referenzen auf Dateien zur Beschreibung von 3D Modellen 150
Abbildung 44: Drehmaschine mit Belegung 151
Abbildung 45: Stimulation einer Disagregation durch eine Benutzerdrehung 153
Abbildung 46: Kontrollausgaben während des Simulationslaufes und Konfiguration der
Schranken für Aggregation und Disagregation 153
Abbildung 47: Zustandsgenerierung nach einer Disagregation durch Nachsimulation 154
Abbildung 48: Zum Starten Link auf das Programm anklicken 173
Abbildung 49: Simulator nach dem Starten 174
Abbildung 50: Ausgabe nach dem erfolgreichen Starten eines Modells 175
Abbildung 51: Tastaturbelegung 175
Tabelle 1: Komponenten Petri Netz 19
Tabelle 2: Komponenten gefärbtes Petri Netz 21
Tabelle 3: Komponenten der DEVS 24
Tabelle 4: Komponenten MFert 26
Tabelle 5: Komponenten einer nicht detaillierungsvarianten diskreten Simulation 69
Tabelle 6: Beispiel für eine nddS 71
Tabelle 7: Visuelle Beschreibung des nddS Beispielmodells 72
Tabelle 8: Komponenten detaillierungsvariantes diskretes Simulationsmodel 74
Tabelle 9: Teilmodell BA 78
Tabelle 10: Teilmodell LA 79
Tabelle 11: Überblick über die Bewertungen der Methoden zur Indikation der
Benutzeraufmerksamkeit 104
Tabelle 12: Übersicht über die Zustandsgenerierungsfunktionen 122
Abkürzungsverzeichnis1
DEVS Discrete Event System Specification
dvdS detaillierungsvariante diskrete Simulation
MFert Modell der Fertigung
nddS nicht detaillierungsvariante diskrete Simulation
TCP IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol
o.B.d.A ohne Beschränkung der Allgemeinheit
VDI Verein Deutscher Ingenieure
XML Extensible Markup Language
Definition 1: Modell 5
Definition 2: Methode 6
Definition 3: System 6
Definition 4: Regel 6
Definition 5: Simulation 7
Definition 6: Modellmethode 7
Definition 7: Wirklichkeit 7
Definition 8: Objektive Realität 8
Definition 9: Diskret 9
Definition 10: Kontinuierlich 9
Definition 11: Materialfluss 10
Definition 12: Vorgang 11
Definition 13: Blattposition 83
Definition 14: Blatt 83
Definition 15: Partielles Blatt 84
Definition 16: Partiell aktiviert 84
Definition 17: Komplett aktiviert 85
Pseudocode 1: Ausführung einer nicht detaillierungsvarianten diskreten Simulation 70
Pseudocode 2: Ausführen einer detaillierungsvarianten diskreten Simulation 76
Pseudocode 3: Aktivierung aller Teilmodelle vor einer Vergröberung 86 ,
Pseudocode 4: Nachsimulation eines bisher nicht aktiven Modells 111
Pseudocode 5: Berechnung einer Vergröberung durch Nachsimulation 112
Pseudocode 6: Detaillierung durch Nachsimulation mit Verfolgung der Interaktionen 118
Pseudocode 7: Ein Beispiel für das Zeitmodell und eine mögliche Menge an Ereignissen.. 145
Pseudocode 8: Beispiel für die Modellierung von drei Positionen 145
Pseudocode 9: Ein Beispiel für eine Regel für Zustandsübergänge 146
Pseudocode 10: Notation eines Ereignisses, dessen Ausführungszeit vom Zufall abhängt.. 147
Pseudocode 11: Hierarchische Integration von detaillierteren Modellen in der Beschreibung
148
Pseudocode 12: Kodierung von Startbelegungen und Startereignissen 148
Pseudocode 13: DTD für die XML Notation 178
Pseudocode 14: XML Repräsentation des Beispiels für eine nddS aus Abschnitt 5.1.1.3 .... 182
Pseudocode 15: XML Repräsentation des Beispiels für eine dvdS aus Abschnitt 5.1.2.4.... 191
^ Funktion zur Bestimmung der Aktivierung
8 Übergang bei einem Ereigniss einer nddS oder dvdS
V Zustandsübergangsfunktion einer Turingmaschine
Startereignis einer nddS bzw. dvdS
E Menge der Ereignistypen
F Menge der Beschreibungen der Formen in einer dvdS
fi,,,... 1 Menge an Punkten, die die dreidimensionale Erscheinung bestimmen
G Maß für die Benutzeraufmerksamkeit im Verhältnis zur Größe der Darstellung
I~ Bandalphabet der verwendeten Turingmaschine
h Vektor der detaillierteren Modelle
h O Menge aller Position in inklusive aller detaillierteren Modelle
H Menge aller Tcilmodelle
I Abbildung von O auf die Bewertung bezüglich der Benutzeraufmerksamkeit
N Menge der normalen Zahlen exclusive Null
No Menge der normalen Zahlen inklusive Null
O Menge der Postionen
, O Menge aller Positionen in einer dvdS
?o Startzustand einer Turingmaschine
Q, Menge der Zustände einer Turingmaschine
9v Menge der reelen Zahlen
9Vo Menge der positi en reellen Zahlen inklusive Null
£7 endliches Eingabealphabet einer Turingmaschine
T Menge der Zeitpunkte
T Menge aller Zeitpunkte in einer dvdS
d Zeitpunkt der letzten Aktivierung des der zu aktivierenden Modells Position
/„ Zeitpunkt, für den die Simulation als letztes berechnet wurde
VUE Menge der möglichen Ereignisse für eine virtuelle Umgebung
|
| adam_txt |
Inhaltsverzeichnis i
Abbildungsverzeichnis vii
Tabellenverzeichnis x
Tabellenverzeichnis x
Abkürzungsverzeichnis x
Definitionenverzeichnis xi
Pseudocodeverzeichnis xii
Formelverzeichnis xiii
1 Einleitung 1
2 Eingrenzung des Problems einer Methode zur benutzerstimulierten
detaillierungsvarianten Simulation von Materialflüssen 5
2.1 System, Modell, Methode, diskrete Simulation und Materialfluss 5
2.1.1 Definitionen 5
2.1.1.1 Modell, Methode 5
2.1.1.2 Simulation 6
2.1.1.3 Diskrete und kontinuierliche Simulation 9
2.1.1.4 Materialfluss 10
2.1.2 Anforderungen an die Modellierung und Simulation von diskreten
Materialflüssen 11
2.1.2.1 Anforderungen an die Modellierung von Vorgängen 1 1
2.1.2.2 Anforderung an die Modellierung der Verkettung 12
2.2 Virtuelle Umgebungen und Stimulation durch den Benutzer 12
2.2.1 Grundlagen 12
2.2.2 Problem der Stimulation durch einen Benutzer 12
2.3 Dynamischer Detaillierungsgrad 13
2.3.1 Definitionen 13
ii 2.3.2 Problem eines inhomogenen dynamischen Detaillierungsgrades 15
3 Stand der Technik 17
3.1 Modellierung 17
3.1.1 Petri Netze 18
3.1.1.1 Allgemeine Petri Netze 18
3.1.1.2 Individualisierte Petri Netze 20
3.1.1.3 Zeitbewertete Petri Netze 21
3.1.1.4 Anwendung von Petri Netzen zur Modellierung von Materialflüssen21
3.1.1.5 Hierarchische Petri Netze 22
3.1.1.6 Fazit Petri Netze 23
3.1.2 Discrete Event Simulation System Specification (DEVS) 24
3.1.3 Modell der Fertigung MFert 25
3.1.4 Spezifische Methoden zur Modellierung von Materialflüssen 27
3.1.5 Ausführung von diskreten Simulationsmodellen 28
3.1.5.1 Fixe Zeitinkremente 29
3.1.5.2 Variable Zeitinkremente 29
3.1.6 Repräsentation von Objekten in virtuellen Umgebungen 30
3.1.7 Fazit 32
3.2 Menschliche Wahrnehmung und virtuelle Umgebungen 32
3.2.1 Täuschung des Sehsinns 33
3.2.1.1 Erzeugen von Bildern 33
3.2.1.2 Ausgabegeräte 34
3.2.2 Täuschung des Tast und Hörsinns 36
3.2.3 Desktop VR 37
3.2.4 Interaktion in virtuellen Umgebungen 38
3.2.5 Einsatz von virtuellen Umgebungen in der Produktionssimulation, Kopplung
verschiedener Simulatoren 40
3.2.5.1 Offline Kopplung 41
3.2.5.2 Online Kopplung 41
3.2.5.3 Integrierte Lösungen 43
3.2.5.4 Modulare Lösungen 43
3.2.5.5 Fazit 44
3.2.6 Fazit 44
3.3 Methoden zur Modellierung und Simulation in unterschiedlichen
iii
Detaillierungsgraden 44
3.3.1 Diskrete Simulation und Multiresolution Modelling 45
3.3.1.1 Anforderungen an die Konsistenz in Modellen mit sich dynamisch
verändernden Detaillierungsgraden 46
3.3.1.2 Informationsverarbeitung nach Natrajan 48
3.3.1.3 System Entity Structure/Model Base Framework 49
3.3.2 Multiresolution und Szenenvereinfachung in der Visualisierung 50
3.3.2.1 Level of Detail Techniken 51
3.3.2.2 Szenenvereinfachung durch automatische Komplexitätsreduktion. 53
3.3.2.3 Culling zur Szenenvereinfachung 53
3.3.2.4 Fazit 54
3.3.3 Sonstige Ergebnisse 54
3.3.4 Fazit Multiresolution Modelling, Cross resolution Modelling 55
3.4 Fazit Stand der Technik 56
4 Zu leistende Arbeit 59
4.1 Entwicklung einer Notation für detaillierungsvariante diskrete Simulationen 61
4.2 Entwicklung einer Methode zur Erkennung und Bewertung der
Benutzeraufmerksamkeit 62
4.3 Anforderungen an die Aktualisierung der Zustände 62
4.4 Bewertung der Ergebnisse 63
5 Konzeption einer Methode zur benutzerstimulierten
detaillierungsvarianten Simulation von Materialflüssen 65
5.1 Eine Notation für detaillierungsvariante diskrete Simulationsmodelle 67
5.1.1 Nicht detaillierungsvariante diskrete Simulationen (nddS) 68
5.1.1.1 Notation eines nicht detaillierungsvarianten diskreten
Simulationsmodells 68
5.1.1.2 Ausführen einer nicht detaillierungsvarianten diskreten Simulation. 69
5.1.1.3 Ein Beispiel für eine nddS 70
5.1.2 Detaillierungsvariante diskrete Simulationen (dvdS) 72
5.1.2.1 Notation eines detaillierungsvarianten diskreten Simulationsmodells72
5.1.2.2 Anforderungen an die Aktivierungen 74
5.1.2.3 Ausführen einer detaillierungsvarianten diskreten Simulation 75
5.1.2.4 Ein Beispiel für eine dvdS 76
iv 5.2 Stimulation von Umschaltvorgängen durch den Benutzer 79
5.2.1 Ausgaben in die virtuelle Umgebung und Interaktion 80
5.2.1.1 Ausgaben 80
5.2.1.2 Interaktion 81
5.2.2 Notation der Aktivierungen 83
5.2.2.1 Blattposition, partielle Blattposition, partiell/komplett aktiviert 83
5.2.2.2 Anforderungen an eine Aktivierung 85
5.2.3 Berechnungsquantität 86
5.2.3.1 Konservatives Verfahren 88
5.2.3.2 Optimistisches Verfahren 88
5.2.4 Berechnung der Indikatoren 90
5.2.4.1 Abstand eines Objektes zudem Betrachter 91
5.2.4.2 Blickwinkel 92
5.2.4.3 Verdeckung 94
5.2.4.4 Logistische Indikation 97
5.2.5 Möglichkeiten zur Beschleunigung der Berechnung 99
5.2.5.1 Betrachtung des Mittelpunktes statt der äußeren Kontur 99
5.2.5.2 Umschließung von komplexen Objekten 100
5.2.5.3 Manhattan Distanz 101
5.2.5.4 Reduktion auf zwei Dimensionen 102
5.2.6 Bewertung der Indikatoren 103
5.2.7 Zusammenfuhrung der Indikatoren 104
5.2.8 Anpassung der Aktivierungen 107
5.2.8.1 Anpassung der Aktivierungen anhand der Benutzerposition 107
5.2.8.2 Anpassung der Aktivierungen an die Rechenzeit 108
5.3 Zustandsgenerierung 108
5.3.1 Nachsimulation 109
5.3.1.1 Detaillierung 110
5.3.1.2 Vergröberung 111
5.3.1.3 Konsistenz 112
5.3.2 Nachsimulation mit Verfolgung der Interaktionen 116
5.3.2.1 Vergröberung 116
5.3.2.2 Detaillierung 118
5.3.3 Direkte Berechnung 118
5.3.3.1 Detaillierung 119
5.3.3.2 Vergröberung 121
5.3.3.3 Analyse der Methode „direkte Berechnung" 121
1
V
5.3.4 Bewertung der Methoden 121
5.3.4.1 Nachsimulation 121
5.3.4.2 Nachsimulation mit Verfolgung der Interaktionen 122
5.3.4.3 Direkte Berechnung 122
1 5.4 Fazit 122
6 Validierung 125
6.1 Untersuchung der Mächtigkeit der Notationen 125
6.1.1 Mächtigkeit einer nddS 125
6.1.1.1 Bewertung einer nddS gegen die Anforderungen an die Modellierung
aus Abschnitt 2.1.2 126
, 6.1.1.2 Konstruktion zur Abbildung einer platzbeschränkten Turingmaschine
auf eine nddS 127
6.1.1.3 Beweisskizze 129
6.1.2 Mächtigkeit einer dvdS 132
6 2 Untersuchung der Notation mit den Kriterien zur Differenzierung unterschiedlicher
Detaillierungsgrade nach Davis 132
6 3 Abschätzung des Aufwandes und der eingesparten Rechenzeit bei der Verwendung
, von detaillierungsvarianten Simulationsmodellen 133
6.3.1 Größe der Modelle 134
6.3.2 Analyse der Rechenzeit 139
6.3.2.1 Aufwand für die quasistatische Berechnung einer dvdS 139
6.3.2.2 Rechenzeitbedarf für die Aktualisierungen der Aktivierung 141
6.3.3 Bewertung '4
6 4 Praktische Umsetzung 14 '
6.4.1 Modellierung 144
6.4.1.1 Abbildung des Zeitmodells und der Menge der Ereignistypen 145
6.4.1.2 Abbildung der Positionen 14?
6.4.1.3 Abbildung der Zustandsübergänge 14
6.4.1.4 Detailliertere Modelle und die Übersetzungsfunktion 147
6.4.1.5 Abbildung der Startbelegung und des Startereignisses 148
6.4.2 Benutzerschnittstelle 148
6.4.2.1 Visualisierung der Positionen 149
6.4.2.2 Visualisierung der Belegung der Positionen bl
6.4.2.3 Benutzerinteraktion 151
vi '
6.4.3 Methoden zum Ablauf 152 '
6.4.3.1 Indikation der Benutzeraufmerksamkeit 152
6.4.3.2 Aggregation und Disagregation 154
6.4.4 Ergebnisse der Implementierung 155
6.5 Fazit Validierung 155
7 Fazit und Ausblick 157
7.1 Ergebnis 157
7.2 Weiterer Forschungsbedarf 158
7.2.1 Adaptive Anpassung der Detaillierung an den Einfluss der Berechnungen auf
die Simulation 159
7.2.2 Automatische Generierung von detaillierungsvarianten Modellhierarchien 159
Literatur 161
Anhang 173
A Der Simulator auf der beigelegten CD 173
A.l Installation 173
A.2 Laden und Editieren von Modellen 174
A.3 Starten der Simulation und Navigation in der virtuellen Umgebung 174
B Beispiele für die XML Notation 177
B.l Formale Beschreibung der XML Notation für eine dvdS durch eine DTD 177
B.2 Beispiel einer nddS 178
B.3 Beispiel einer dvds 182
vii
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Von der Realität über das Modell zur Simulation und zurück zur Realität 8
i Abbildung 2: Diskrete und kontinuierliche Simulation 10
Abbildung 3: Fabrikmodell mit einer virtuellen Umgebung visualisiert 13
i Abbildung 4: Detaillierungsgrad und Aussagekraft 16
Abbildung 5: Beispiel eines Petri Netzes 20
• Abbildung 6: Petri Netz Modell eines Arbeiters, der zwei Maschinen bedient 22
\ Abbildung 7: Beispiel für ein hierarchisches Petri Netz 23
, Abbildung 8: Beispielmodell MFert 26
Abbildung 9:Ablauf einer ereignisgesteuerten Simulation 30
' Abbildung 10: Repräsentation eines dreidimensionalen Objektes durch Polygone 31
Abbildung 11: Rendering Pipeline 34
Abbildung 12: Kopplung Visualisierung Simulator 41
Abbildung 13: HLA Architektur 42
1 Abbildung 14: Beispiel für die Benutzeroberfläche eines Simulators mit integrierter
i dreidimensionaler Visualisierung 43
Abbildung 15: Konsistenzanforderungen nach Davis 46
Abbildung 16: Konsistenz beim Disaggregieren nach Palmore 47
Abbildung 17: Konjugation beim Aggregieren nach Palmore 48
Abbildung 18: Ein Beispiel für das System Entity Structure/Model Base Framework 50
Abbildung 19: Approximation eines Kreises durch verschiedene N Ecke 51
Abbildung 20: Auswahl des Repräsentanten in Abhängigkeit zur Entfernung 52
1 Abbildung 21: Approximation einer Funktion durch lineare Abschnitte 55
Abbildung 22: Beschränkte Wahrnehmung der Szene von einem Benutzer 60
Abbildung 23: Überblick über die Methode 65
Abbildung 24: Hierarchische detaillierungsvariante Simulation 66
Abbildung 25: Materialfluss in MFert für das Beispiel einer nddS 70
viii
Abbildung 26: Das Beispielmodell für eine dvdS in MFert dargestellt 77
Abbildung 27: Unterschiedliche Informationen aus Sicht eines Benutzers und von oben 82
Abbildung 28: Positionen in einer dvdS mit und ohne detailliertere Modelle 84
Abbildung 29: Der Benutzer darf nicht durch Bewegungen aus dem Bereich der höchsten
Detaillierung geraten 87
Abbildung 30: Optimistische und konservative Stimulation von Umschaltvorgängen 89
Abbildung 31: Verschiedene Indikatoren für die Berechnung des Betrachtungsfokus 91
Abbildung 32: Sichtfeld eines Menschen 94
Abbildung 33: Kleine Positionsänderungen große Veränderung 96
Abbildung 34: Bestimmung des Abstandes über den Mittelpunkt eines Objektes 100
Abbildung 35: Kugel mit Würfel 102
Abbildung 36: Entfernte Objekte werden kleiner auf die Netzhaut projiziert 105
Abbildung 37: Verarbeitung einer Belegung bei einer Detaillierung 119
Abbildung 38: Benutzerspezifische Detaillierung 120
Abbildung 39: Vergleich der Simulationsmodelle auf unterschiedlichen Detaillierungsebenen
135
Abbildung 40: Übersicht über die benötigten Komponenten für eine dvdS 137
Abbildung 41: Minimal aktivierte Simulation 141
Abbildung 42: Architektur des Prototypen 144
Abbildung 43: Referenzen auf Dateien zur Beschreibung von 3D Modellen 150
Abbildung 44: Drehmaschine mit Belegung 151
Abbildung 45: Stimulation einer Disagregation durch eine Benutzerdrehung 153
Abbildung 46: Kontrollausgaben während des Simulationslaufes und Konfiguration der
Schranken für Aggregation und Disagregation 153
Abbildung 47: Zustandsgenerierung nach einer Disagregation durch Nachsimulation 154
Abbildung 48: Zum Starten Link auf das Programm anklicken 173
Abbildung 49: Simulator nach dem Starten 174
Abbildung 50: Ausgabe nach dem erfolgreichen Starten eines Modells 175
Abbildung 51: Tastaturbelegung 175
Tabelle 1: Komponenten Petri Netz 19
Tabelle 2: Komponenten gefärbtes Petri Netz 21
Tabelle 3: Komponenten der DEVS 24
Tabelle 4: Komponenten MFert 26
Tabelle 5: Komponenten einer nicht detaillierungsvarianten diskreten Simulation 69
Tabelle 6: Beispiel für eine nddS 71
Tabelle 7: Visuelle Beschreibung des nddS Beispielmodells 72
Tabelle 8: Komponenten detaillierungsvariantes diskretes Simulationsmodel 74
Tabelle 9: Teilmodell BA 78
Tabelle 10: Teilmodell LA 79
Tabelle 11: Überblick über die Bewertungen der Methoden zur Indikation der
Benutzeraufmerksamkeit 104
Tabelle 12: Übersicht über die Zustandsgenerierungsfunktionen 122
Abkürzungsverzeichnis1
DEVS Discrete Event System Specification
dvdS detaillierungsvariante diskrete Simulation
MFert Modell der Fertigung
nddS nicht detaillierungsvariante diskrete Simulation
TCP'IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol
o.B.d.A ohne Beschränkung der Allgemeinheit
VDI Verein Deutscher Ingenieure
XML Extensible Markup Language
Definition 1: Modell 5
Definition 2: Methode 6
Definition 3: System 6
Definition 4: Regel 6
Definition 5: Simulation 7
Definition 6: Modellmethode 7
Definition 7: Wirklichkeit 7
Definition 8: Objektive Realität 8
Definition 9: Diskret 9
Definition 10: Kontinuierlich 9
Definition 11: Materialfluss 10
Definition 12: Vorgang 11
Definition 13: Blattposition 83
Definition 14: Blatt 83
Definition 15: Partielles Blatt 84
Definition 16: Partiell aktiviert 84
Definition 17: Komplett aktiviert 85
Pseudocode 1: Ausführung einer nicht detaillierungsvarianten diskreten Simulation 70
Pseudocode 2: Ausführen einer detaillierungsvarianten diskreten Simulation 76
Pseudocode 3: Aktivierung aller Teilmodelle vor einer Vergröberung 86 ,
Pseudocode 4: Nachsimulation eines bisher nicht aktiven Modells 111
Pseudocode 5: Berechnung einer Vergröberung durch Nachsimulation 112
Pseudocode 6: Detaillierung durch Nachsimulation mit Verfolgung der Interaktionen 118
Pseudocode 7: Ein Beispiel für das Zeitmodell und eine mögliche Menge an Ereignissen. 145
Pseudocode 8: Beispiel für die Modellierung von drei Positionen 145
Pseudocode 9: Ein Beispiel für eine Regel für Zustandsübergänge 146
Pseudocode 10: Notation eines Ereignisses, dessen Ausführungszeit vom Zufall abhängt. 147
Pseudocode 11: Hierarchische Integration von detaillierteren Modellen in der Beschreibung
148
Pseudocode 12: Kodierung von Startbelegungen und Startereignissen 148
Pseudocode 13: DTD für die XML Notation 178
Pseudocode 14: XML Repräsentation des Beispiels für eine nddS aus Abschnitt 5.1.1.3 . 182
Pseudocode 15: XML Repräsentation des Beispiels für eine dvdS aus Abschnitt 5.1.2.4. 191
^ Funktion zur Bestimmung der Aktivierung
8 Übergang bei einem Ereigniss einer nddS oder dvdS
V Zustandsübergangsfunktion einer Turingmaschine
\ Startereignis einer nddS bzw. dvdS
E Menge der Ereignistypen
F Menge der Beschreibungen der Formen in einer dvdS
fi,,,. 1 Menge an Punkten, die die dreidimensionale Erscheinung bestimmen
G Maß für die Benutzeraufmerksamkeit im Verhältnis zur Größe der Darstellung
I~ Bandalphabet der verwendeten Turingmaschine
h Vektor der detaillierteren Modelle
h O Menge aller Position in '' inklusive aller detaillierteren Modelle
H Menge aller Tcilmodelle
I Abbildung von O auf die Bewertung bezüglich der Benutzeraufmerksamkeit
N Menge der normalen Zahlen exclusive Null
No Menge der normalen Zahlen inklusive Null
\ O Menge der Postionen
, O Menge aller Positionen in einer dvdS
?o Startzustand einer Turingmaschine
Q, Menge der Zustände einer Turingmaschine
9v Menge der reelen Zahlen
9Vo Menge der positi\en reellen Zahlen inklusive Null
£7 endliches Eingabealphabet einer Turingmaschine
T Menge der Zeitpunkte
T Menge aller Zeitpunkte in einer dvdS
'd Zeitpunkt der letzten Aktivierung des der zu aktivierenden Modells Position
/„ Zeitpunkt, für den die Simulation als letztes berechnet wurde
VUE Menge der möglichen Ereignisse für eine virtuelle Umgebung |
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