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Über dieses Buch

Das vorliegende Lehrbuch gründet auf Simulationsvorlesungen der Autoren an ingenieur- und wirtschaftswissenschaftlichen Fakultäten, auf Erfahrungen aus durchgeführten Simulations­studien in der betrieblichen Praxis sowie aus Tätigkeiten in Forschungs­projekten und der Arbeit in Vereinigungen wie dem Verein Deutscher Ingenieure (VDI), der Arbeits­gemeinschaft Simulation (ASIM) oder der Gesellschaft für Operations Research (GOR). Das auf diese Weise entstandene Fachbuch erläutert die Grundlagen der ereignisdiskreten Simulation systematisch und bietet dabei zugleich einen engen Bezug zu den Anwendungen in Produktion und Logistik. Alle Inhalte werden durchgängig am Beispiel einer PC-Montage illustriert.

Das Buch dient im Bereich Produktion und Logistik als Basis für Lehr­ver­an­stal­tun­gen in den einschlägigen Studiengängen des Maschinenbaus, des Wirt­schafts­ingenieurwesens, der Logistik, der Wirtschafts­informatik und der Be­triebswirtschaftslehre. Es richtet sich dabei gleichermaßen an Lehrende und Lernende der unterschiedlichen Fachrichtungen in diesem Bereich sowie an Fachleute aus der Industrie, die in Simulationsstudien für Produktion und Logistik eingebunden sind.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Chapter 1. Einleitung

Mit der Einführung immer komplexerer Produktions- und Logistiksysteme hat die Simulationstechnik in den letzten Jahrzehnten kontinuierlich an Bedeutung gewonnen. Entwicklungen zur weitergehenden Digitalisierung der Fabrikplanung unterstreichen ihren Stellenwert in Produktion und Logistik. Auch in Definitionen zur Digitalen Fabrik wird die Simulation explizit als Methode benannt, um eine Planung und Verbesserung aller Strukturen, Prozesse und Ressourcen der realen Fabrik zu unterstützen.
Dieses Kapitel erläutert die thematische Einordnung des Buches, benennt wesentliche Anwendungsfelder und grenzt Detaillierungstiefe und Kontext des Buches ab. Weiter werden Hinweise zur Nutzung unter Berücksichtigung der Perspektive unterschiedlicher Leser (etwa Unterstützung in der Lehre, Selbststudium, Nachschlagemöglichkeit) sowie ein Überblick über die Kapitel und ihre Ziele gegeben.
Kai Gutenschwager, Markus Rabe, Sven Spieckermann, Sigrid Wenzel

Chapter 2. Begriffliche Grundlagen, Einordnung und Anwendungsbereiche

Das Grundlagenkapitel dient der Vorstellung wesentlicher Begriffe im Kontext der Modellbildung und Simulation, der Einordnung der Simulation als Problemlösungsmethode sowie der Darstellung ihrer wesentlichen Anwendungsbereiche. Zu Beginn wird ein Anwendungsbeispiel, das durchgängig im Rahmen des Lehrbuches verwendet wird, vorgestellt. Anschließend werden die system- und modelltheoretischen Grundlagen erläutert.
Da die Simulation auch als Teilgebiet des Operations Research betrachtet werden kann, werden weitere Methoden aus diesem Gebiet kurz vorgestellt, um die Grenzen der Anwendbarkeit dieser Methoden im Vergleich zur Simulation zu verdeutlichen.
Ergänzend werden eine Differenzierung von Simulation und Visualisierung vorgenommen, typische Kennzahlen zur simulativen Systembewertung aus Anwendungssicht erläutert sowie wichtige Anwendungsbereiche der Simulation in Produktion und Logistik vorgestellt. Das Kapitel schließt mit einer Diskussion der Wirtschaftlichkeit des Simulationseinsatzes in Produktion und Logistik.
Kai Gutenschwager, Markus Rabe, Sven Spieckermann, Sigrid Wenzel

Chapter 3. Grundlagen der ereignisdiskreten Simulation

Voraussetzung für die Durchführung von Simulationsexperimenten ist ein ablauffähiges Simulationsmodell, das die dynamischen Zusammenhänge des zu betrachtenden Systems abbildet. Hierzu muss das System mit seinen Systemelementen sowie das Systemverhalten über die Zeit adäquat in einem Computermodell implementiert werden. Dieses Kapitel widmet sich den hierzu erforderlichen methodischen Grundlagen der diskreten und insbesondere der ereignisdiskreten Simulation.
Zunächst werden die den Zeitfortschritt bestimmenden unterschiedlichen Simulationsmethoden eingeordnet. Anschließend werden die in der ereignisdiskreten Simulation verwendeten spezifischen Zeitablaufsteuerungen zur Berechnung des Zeitfortschrittes in Modellen vorgestellt. Zusätzlich zur Zeitablaufsteuerung stehen in den zur Simulation verwendeten Werkzeugen Modellierungskonzepte zur Strukturierung und Modellierung der zu betrachtenden Systeme zur Verfügung. Einigen dieser Modellierungskonzepte widmet sich ein weiterer Abschnitt dieses Kapitels.
Kai Gutenschwager, Markus Rabe, Sven Spieckermann, Sigrid Wenzel

Chapter 4. Stochastische Grundlagen und ihre Anwendung

Stochastik ist für die Untersuchung von Logistik- und Produktionssystemen von großer Bedeutung. Es gibt zahlreiche Vorgänge in diesen Systemen, deren Ergebnisse sich zufällig einstellen können, wie Art und Umfang eintreffender Aufträge, Ausfälle von Maschinen oder Transport- und Bearbeitungszeiten. Diese Vorgänge beeinflussen das Systemverhalten oft so stark, dass sie in Simulationsmodellen berücksichtigt werden müssen. Das Kapitel führt in die Grundlagen der Stochastik ein, die für die Durchführung von Simulationsstudien erforderlich sind.
Begonnen wird mit einem einführenden Beispiel. Die folgenden Abschnitte geben einen Überblick über Beschreibungsmittel der deskriptiven Statistik, behandeln relevante Grundbegriffe der Wahrscheinlichkeitstheorie und gehen auf Zufallsvariablen und Verteilungen ein. Ferner werden Schätz- und Testverfahren aus der induktiven Statistik sowie Verteilungsanpassungen diskutiert. In Simulationswerkzeugen ist die geeignete Erzeugung von Zufallszahlen für gültige Ergebnisse von großer Bedeutung; die dafür erforderlichen Zufallszahlengeneratoren werden entsprechend behandelt. Das Kapitel schließt mit einer Reihe von anwendungsbezogenen Hinweisen.
Kai Gutenschwager, Markus Rabe, Sven Spieckermann, Sigrid Wenzel

Chapter 5. Vorgehensweise bei der Durchführung von Simulationsstudien

Eine Simulationsstudie kann als eigenständiges Projekt zur Beantwortung einer vorab definierten Fragestellung durchgeführt werden oder in ein umfassenderes Projekt eingebunden sein, aus dem heraus dann die Fragestellungen entstehen. Somit sind für eine Simulationsstudie Facetten des Projektmanagements, der Softwareentwicklung, der Datenbeschaffung sowie der Modellbildung und Simulation von Bedeutung. Dieses Kapitel stellt ein etabliertes Simulationsvorgehensmodell mit seinen einzelnen Phasen vor und beschreibt Aufgaben, die in diesen Phasen zu bearbeiten sind. Verifikation und Validierung begleiten die einzelnen Phasen und werden daher ebenfalls mit ausgewählten Techniken erläutert. Abschließend werden Vor- und Nachteile einer Fremdvergabe von Teilen der Simulationsstudie diskutiert und wichtige Hinweise zum richtigen Vorgehen in Simulationsstudien zusammengefasst.
Kai Gutenschwager, Markus Rabe, Sven Spieckermann, Sigrid Wenzel

Chapter 6. Simulationswerkzeuge und ihre Anwendung

Zur Unterstützung der Simulation stehen heute für den Bereich Produktion und Logistik unterschiedliche Simulationswerkzeuge zur Verfügung. Kernfunktionalitäten solcher Werkzeuge liegen in der Erstellung eines ausführbaren Simulationsmodells einschließlich aller Steuerungen und stochastischer Einflüsse sowie in einer Ereignisverwaltung und der Durchführung von Simulationsläufen. Viele Werkzeuge unterstützen auch die Definition und Durchführung von Experimenten sowie die statistische Auswertung der Simulationsergebnisse. Zudem werden heute in einigen Werkzeugen Methoden zur Verifikation und Validierung angeboten.
Das vorliegende Kapitel stellt eine mögliche Einordnung der heute im Bereich Produktion und Logistik im Einsatz befindlichen ereignisdiskreten Simulationswerkzeuge vor und diskutiert ausgewählte Funktionalitäten von Simulationswerkzeugen. Insbesondere werden die Modellierung von Zufällen, die Abbildung von Steuerungen sowie Schnittstellenfunktionen zum Datenaustausch mit anderen IT-Systemen behandelt. Ein abschließender Abschnitt widmet sich der Auswahl eines geeigneten Simulationswerkzeugs.
Kai Gutenschwager, Markus Rabe, Sven Spieckermann, Sigrid Wenzel

Chapter 7. Weiterführende Konzepte und Anwendungen

Dieses abschließende Kapitel ergänzt methodische Erweiterungen der ereignisdiskreten Simulation und diskutiert spezifische Anwendungsfälle. So beschreibt ein Abschnitt Motivationen und Herausforderungen der Verteilung eines Simulationsmodells über mehrere Rechner. Ein weiterer Abschnitt befasst sich mit den möglichen Beziehungen zwischen Simulation und Optimierung und vertieft das Thema der simulationsunterstützten Optimierung.
Da die Beispiele im Lehrbuch und die Ausführungen zum Simulationsvorgehensmodell vornehmlich die Anwendung der Simulation bei der Planung logistischer Systeme betrachten, wird in zwei weiteren Abschnitten dieses Kapitels der Einsatz der Simulation bei der Realisierung und im operativen Betrieb in den Fokus gestellt. In diesem Zusammenhang werden Emulation und Auftragsfeinplanung näher behandelt.
Kai Gutenschwager, Markus Rabe, Sven Spieckermann, Sigrid Wenzel

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