Availability: Diskrete Simulation | Technische Universität München

Diskrete Simulation: eine Einführung mit Modula-2

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Bibliographic Details
Main Author:	Page, Bernd (Author)
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Published:	Berlin ; Heidelberg Springer-Verlag GmbH [1991]
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adam_text	Inhaltsverzeichnis 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 2 2.1 2.2 Einführung und Grundbegriffe.................................................................... Systeme............................................................................................................ Modelle............................................................................................................ Simulation........................................................................................................ Modellbildung und Modellbildungszyklus...................................................... Anwendungsfelder der zeitdiskreten Simulation............................................ Möglichkeiten und Grenzen der Modellbildung und Simulation.................... 1.6.1 Das Potential der Modellbildung und Simulation.............................. 1.6.2 Probleme der Modellbildung und Simulation.................................... Elemente zeitdiskreter Simulationsmodelle................................................ Beziehungen zwischen Zustand und Zeit........................................................ Konzepte der zeitdiskreten Simulation............................................................ 2.2.1 Ereignisorientierte Sicht (event scheduling)...................................... 2.2.2 Prozeßorientierte Sicht (process interaction)...................................... 2.2.3 Transaktionsorientierte Sicht (transaction flow)................................ 2.3 Komponenten ereignisorientierter Simulationsmodelle.................................. 2.4 Typische Modellklassen und ihre Realisierung.............................................. 2.4.1 Simulation von Bedienungs-/Wartesystemen..................................... 2.4.1.1 Systemstruktur...................................................................... 2.4.1.2 Beispiel: Ein Bedienungssystem mit mehreren Servicestellen und begrenztem Warteraum.................................................. 2.4.1.3 Implementation in Modula-2................................................ 2.4.2 Simulation von Lagerhaltungssystemen................................................ 2.4.2.1 Systemstruktur...................................................................... 2.4.2.2 Beispiel: Ein Mehrprodukt-Lagerhaltungssystem mit Vorbestellungen.................................................................... 2.4.3 Simulation von ausfallanfälligen Systemen.......................................... 2.4.3.1 Systemstruktur........................................................ ·............ 2.4.3.2 Beispiel: Wartungsstrategien für eine technische Anlage ... 2.5 Ereignisorientierte versus prozeßorientierte Sicht.......................................... 2.5.1 Beispielmodell eines Fertigungssystems............................................. 2.5.2 Ereignisorientierte Version................................................................... 2.5.3 Prozeßorientierte Version ................................................................... 1 2 4 7 10 19 19 21 22 25 25 28 29 ЗО 32 33 36 36 37 42 48 52 53 57 64 65 67 71 71 73 76 x Inhaltsverzeichnis 3 Implementation von Simulationsmodellen mit Modula-2............................. 3.1 Anforderungen an Implementationssprachen für Simulationsmodelle............. 3.1.1 Allgemeine Anforderungen...................................................................... 3.1.2 Simulationsspezifische Anforderungen................................................... 3.2 Realisierung grundlegender Simulationsbausteine mit Modula-2................... 3.2.1 Modularisierung........................................................................................ 3.2.2 Freispeicherverwaltung............................................................................ 3.2.3 Simulationsstatistik .................................................................................. 3.2.4 Ereignislistenverwaltung (Modul EventChain)..................................... 3.2.5 Warteschlangenverwaltung (Modul Queue)......................................... 3.2.6 Verteilungsfunktionen (Modul Distributions)........................................ 3.2.7 Implementationsdetails.............................................................................. 3.3 Implementation eines Beispielmodells in der Modula-2-Simulationsumgebung 3.3.1 Datenstrukturen........................................................................................ 3.3.2 Prozeduren................................................................................................. 3.3.3 Statistische Berechnungen........................................................................ 79 80 80 82 85 86 87 88 88 90 92 93 94 95 96 99 Statistische Verfahren ....................................................................................... 101 Zufallszahlenerzeugung....................................................................................... 101 4.1.1 Die Bedeutung von Zufallszahlen für die Simulation.............................. 101 4.1.2 Erzeugung gleichverteilter Zufallszahlen................................................. 103 4.1.3 Zufallszahlen beliebiger Verteilungen ................................................... 107 4.2 Ein portabler Zufallszahlengenerator in Modula-2 ........................................... 113 4.3 Testverfahren zur Bestimmung statistischer Eingabeverteilungen für Simulationsmodelle .................................................................................. 117 4.4 Die statistische Planung und Auswertung von Simulationsexperimenten .... 121 4.4.1 Zur Notwendigkeit der Wiederholung von Simulationsexperimenten 121 4.4.2 Anfangszustand und Anlaufphase......................................................... 122 4.4.2.1 Heuristische Verfahren zur Bestimmung der Anlaufphase .. 122 4.4.2.2 Statistische Testverfahren zur Bestimmung der Anlaufphase 124 4.4.3 Schätzgenauigkeit der Simulationsergebnisse...................................... 127 4.4.3.1 Autokorrelation........................................................................ 129 4.4.3.2 Konfidenzintervalle bei unabhängigen Stichprobenwerten.. 129 4.4.3.3 Konfidenzintervalle bei quasi-unabhängigen Stichprobenwerten.................................................... 130 4.4.3.4 Konfidenzintervalle bei autokorrelierten Stichprobenwerten 134 4.4.3.5 Schlußbetrachtung zur Ermittlung der Schätzgenauigkeit .. 136 4.4.4 Wahl des Stichprobenumfangs ............................................................. 137 4.4.5 Varianzreduzierende Methoden............................................................. 138 4.4.5.1 Antithetische Variablen ......................................................... 139 4.4.5.2 Gemeinsame Zufallszahlen.................................................... 140 4.4.6 Bestimmung des Optimums in einem Simulationsexperiment........... 141 4 4.1 Inhaltsverzeichnis XI 5 5.1 5.2 5.3 Modellvalidierung und -dokumentation . ................................................... Zur Notwendigkeit einer Gültigkeitsprüfung..................................................... Grundsätze für ein Validierungskonzept............................................................ Ein mehrstufiger Ansatz zur Modellvalidierung............................................... 5.3.1 Validierung des konzeptuellen Modells .............................................. 5.3.2 Modellverifikation.................................................................................. 5.3.3 Operationale Modellvalidierung........................................................... 5.4 Modelltransparenz durch Dokumentation ......................................................... 145 145 146 148 148 150 150 155 6 6.1 157 157 158 161 162 165 165 165 169 171 Simulationssoftware.......................................................................................... Klassifikation von Simulationssoftware............................................................. 6.1.1 Simulationssoftware auf Sprachebene................................................... 6.1.2 Simulationssoftware auf Modellebene................................................... 6.1.3 Unterstützungssysteme............................................................................ 6.2 Simulationssysteme............................................................................................. 6.2.1 Definition und generelle Zielsetzung ................................................... 6.2.2 Anforderungen an Simulationssysteme................................................. 6.2.3 Aufbau von Simulationssystemen......................................................... 6.2.4 Beispiel für ein Simulationssystem....................................................... DESMO - Ein umfassendes Simulationspaket in Modula-2.........................175 Entwicklungsziele................................................................................................. 176 Unterstützte Modellierungsstile.......................................................................... 177 Ereignisorientierte Modellierung........................................................................ 178 7.3.1 Entities und Ereignisse............................................................................ 178 7.3.2 Warteschlangen....................................................................................... 181 7.4 Prozeßorientierte Modellierung.......................................................................... 182 7.4.1 Entities..................................................................................................... 182 7.4.2 Warteschlangen....................................................................................... 183 7.5 Höhere Modellierungskonstrukte........................................................................ 184 7.5.1 Ressourcenwettbewerb............................................................................ 184 7.5.2 Produzenten/Konsumenten-Beziehungen............................................. 185 7.5.3 Direkte Prozeßkooperation .................................................................... 186 7.5.4 Bedingtes Warten..................................................................................... 188 7.6 Zufallszahlenerzeugung....................................................................................... 189 7.7 Statistik.................................................................................................................. 191 7.7.1 Nicht zeitgewichtete Statistik ................................................................ 191 7.7.2 Zeitgewichtete Statistik................................................................. ՛.... 195 7.7.3 Zeitreihen und Grafik............................................................................... 195 7.8 Reportgenerierung............................................................................................. 197 7.9 Fehlerbehandlung............................................................................................... 197 7.10 Deadlock-Überwachung.................................................................................... 198 7 7.1 7.2 7.3 хп Inhaltsverzeichnis 7.10.1 Definition und Ursachen........................................................................ 199 7.10.2 Behandlungsmaßnahmen........................................................................ 200 7.11 Implementation................................................................................................... 205 7.11.1 Übersicht über die DESMO-Modulstruktur........................................... 205 7.11.2 Organisation der Ereignisliste............................................................. 206 7.11.3 Systemtechnische Angaben................................................................. 208 7.12 DESMO in der Simulationsanwendung............................................................. 210 7.12.1 Modell eines Fertigungssystems (Jobshop-Modell) ...........................210 7.12.2 Ereignisorientierte Modellimplementation......................................... 211 7.12.3 Prozeßorientierte Modellimplementation ........................................... 214 7.12.4 Transaktionsorientierte Modellimplementation..................................... 216 7.12.5 Aktivitätsorientierte Modellimplementation.......................................218 7.12.6 Modellerweiterung: Prioritäten und Unterbrechungen.......................221 7.12.7 Zeitreihen und Grafik..............................................................................224 7.12.8 Weitere Beispielmodelle........................................................................226 8 Ausblick: Neuere Konzepte zur Unterstützung der Modellbildung und Simulation...................................................................................................... 227 8.1 Objektorientierte Modellbildung.........................................................................227 8.1.1 Objektorientierte Programmierung....................................................... 227 8.1.2 Vorzüge der objektorientierten Programmierung................................. 229 8.1.3 Bedeutung der objektorientierten Programmierung für die Modellbildung und Simulation.................................................231 8.2 Einsatz von Kl-Methoden.................................................................................... 232 8.2.1 Einsatz von Expertensystemen zur Unterstützung der Modellbildung und Simulation.......................................................................... 234 8.2.2 Qualitative Simulation........................................................................... 240 Anhang A: Übungen..................................................................................................... 245 A.1 A.2 Simulationsaufgaben......................................................................................... 245 Simulationsprojekte......................................................................................... 249 Anhang B: Modula-2-SimuIationsprogramme......................................................... 257 B.l B.2 Modula-2-Programm eines Platzreservierungsmodells....................................257 Eine einfache Modula-2-Simulationsumgebung ............................................. 271 B.2.1 Modul EventChain................................................................................ 271 B.2.2 Modul Queue........................................................................................ 274 B.2.3 Modul Distributions.............................................................................. 279 В.2.4 Modul FixedlnOut.......................................................... . ....................282 B.2.5 Anwendungsbeispiel·. Modul JobShop ................................................ 284 Anhang C: DESMO-Benutzerdokumentation......................................................... 293 C.l Ereignisorientierte Simulation.......................................................................... 293 Inhaltsverzeichnis C.2 С.З C.4 C.5 C.6 ХШ C. 1.1 Modul EventSimulatìon............................................................................293 C.1.2 Modul eQueue.......................................................................................... 298 Prozeßorientierte Simulation ............................................................................... ЗОЇ C.2.1 Modul ProcessSimulatíon .................................................................... ЗОЇ C.2.2 Modul Queue........................................................................................... 307 Höhere Synchronisationsmechanismen.............................................................. 311 C.3.1 Modul Res............................................................................................. 311 C.3.2 Modul Bin............................................................................................... 314 C.3.3 Modul WaitQ........................................................................................... 316 C.3.4 Modul CondQ ......................................................................................... 320 Zufallszahlen.......................................................................................................... 323 C.4.1 Modul RealDist....................................................................................... 323 C.4.2 Modul IntDist........................................................................................... 325 C.4.3 Modul BoolDist....................................................................................... 328 Statistik................................................................................................................... 330 C.5.1 Modul Tally..............................................................................................330 C.5.2 Modul Histogram..................................................................................... 332 C.5.3 Modul Count............................................................................................ 334 C.5.4 Modul Accumulate................................................................................... 335 C.5.5 Modul Regression................................................................................... 337 C.5.6 Modul TimeSeries................................................................................... 339 C.5.7 Modul DES graph..................................................................................... 340 Hilfsmodule ........................................................................................................... 342 C.6.1 Modul StringHdl......................................................................................342 C.6.2 Modul ReportIO........................................................................................344 Anhang D: Programmtexte der Beispielmodelle.....................................................345 D.l Jobshop-Modell .....................................................................................................345 D.1.1 EreignisorientierteVersion .................................................................... 345 D.1.2 ProzeßorientierteVersion ...................................................................... 354 D.1.3 TransaktionsorientierteVersion.............................................................. 363 D.l.4 AktivitätsorientierteVersion.................................................................. 370 D.1.5 Version mit Prioritäten und Unterbrechungen....................................... 378 D.2 Weitere Beispielmodelle........................................................................................ 389 D.2.1 Simulation einer Fähre............................................................................ 389 D.2.2 Simulation einer Fähre mit direkt kooperierenden Prozessen............ 393 D.2.3 Tanker-Modell mit Prioritäten................................................................ 399 D.2.4 Erweitertes Tanker-Modell..................................................... .............. 403 Literatur..........................................................................................................................409 Sachverzeichnis ............................................................................................................. 417 Diskrete Simulation Dieses Lehrbuch vermittelt die Grund lagen von Entwurf, Implementierung und Validierung zeitdiskreter Simulations modelle sowie.der statistischen Ergebnis auswertung und gibt einen Überblick über moderne Simulationssoftware sowie neuere Ansätze der Modellbildung und Simulation, speziell aus dem Bereich Künstliche Intelligenz. Mit Beispielen zur Simulation von Bedienungs-/Wartesystemen, Lagerhaltungssystemen und allgemein störungsanfälligen Systemen werden die wesentlichen Anwendungs bereiche diskreter Simulationsmodelle abgedeckt. Zahlreiche Programmbeispiele in Modula-2, Übungsaufgaben und anspruchsvolle Projektvorschläge sind dazu geeignet, die vermittelten Methoden praktisch einzu üben. Das Lehrbuch soll Studierende der Informatik und verwandter Studiengänge darauf vorbereiten, diskrete, stochasti sche Simulationsmodelle selbst zu entwer fen, mit modernen Hilfsmitteln zu imple mentieren und die Simulationsergebnisse kritisch zu analysieren.
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