Simulation in Produktion und Logistik: Grundlagen und Anwendungen

290 Pages·2017·4.85 MB·German

by  Kai Gutenschwager

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
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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