Simulation in Produktion und Logistik : Grundlagen und Anwendungen

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. **Kai Gutenschwager**leitet das Institut für Information Engineering an der Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften am Standort Wolfenbüttel, lehrt Wirtschaftsinformatik und arbeitet an Forschungsprojekten in Optimierung und Simulation mit Schwerpunkt auf der Supply Chain Simulation. **Markus Rabe**leitet das Fachgebiet IT in Produktion und Logistik an der TU Dortmund, lehrt Materialflusssimulation und arbeitet an entsprechenden internationalen Forschungsprojekten. **Sven Spieckermann**ist Sprecher des Vorstands des Simulationsdienstleisters SimPlan AG. Darüber hinaus hat er seit vielen Jahren Lehraufträge für Simulation am Karlsruher Institut für Technologie, an der Technischen Universität Darmstadt und der Technischen Universität Braunschweig inne. **Sigrid Wenzel**leitet als Professorin an der Universität Kassel das Fachgebiet Produktionsorganisation und Fabrikplanung und ist stellvertretende geschäftsführende Direktorin des Institutes für Produktionstechnik und Logistik. Vorwort 5 Inhalt 7 Abkürzungen 11 1 Einleitung 13 1.1 Thematische Einordnung und Zielgruppen 14 1.2 Aufbau des Buches und Hinweise für den Leser 15 2 Begriffliche Grundlagen, Einordnung und Anwendungsbereiche 19 2.1 Ein Anwendungsbeispiel 20 2.2 System- und modelltheoretische Grundlagen 22 2.2.1 Der Systembegriff 22 2.2.2 Der Modellbegriff 25 2.2.3 Klassifikationskriterien für Systeme und Modelle 27 2.2.4 Modellbildung 30 2.3 Simulation, Simulationsmodell und Simulations-experiment 34 2.4 Visualisierung und Animation 37 2.5 Problemlösungsmethoden 39 2.5.1 Mathematische Optimierung 41 2.5.2 Heuristiken 44 2.5.3 Wartesch hlangenthe eoretische A Ansätze 46 2.5.4 Angemessenheit der Simulation als Problemlösungsmethode 49 2.6 Typische Kennzahlen 51 2.6.1 Kategorien logistischer Kennzahlen 51 2.6.2 Kennzahlen im Zeitverlauf 54 2.7 Einsatzfelder der Simulation in Produktion und Logistik 56 2.8 Kosten und Nutzen der Simulation 59 3 Grundlagen der ereignisdiskreten Simulation 62 3.1 Klassifikation von Simulationsmethoden 63 3.2 Die Ablaufsteuerung in der ereignisdiskreten Simulation 66 3.2.1 Das Prinzip der ereignisdiskreten Simulation 66 3.2.2 Bedingte Ereignisse 68 3.2.3 Konzeptionelle Ansätze 71 3.2.4 Ereignistypen, Ereignisroutinen und die Ablaufsteuerung am Beispiel 72 3.3 Modellierungskonzepte 81 3.3.1 Bausteinorientierte Modellierungskonzepte 82 3.3.2 Objektorientierte Modellierungskonzepte 84 3.3.3 Theoretische Modellierungskonzepte 88 3.3.4 Sprachkonzepte 93 4 Stochastische Grundlagen und ihre Anwendung 96 4.1 Einführendes Beispiel 97 4.2 Grundbegriffe der deskriptiven Statistik 98 4.3 Grundbegriffe der Wahrscheinlichkeitstheorie 106 4.4 Zufallsvariablen und Verteilungen 108 4.4.1 Zufallsvariablen 108 4.4.2 Kenngrößen von Zufallsvariablen 111 4.4.3 Verteilungen von Zufallsvariablen 112 4.4.4 Unabhängigkeit von Zufallsvariablen 122 4.5 Konfidenzintervalle und weitere Schätzverfahren 124 4.6 Testverfahren 128 4.7 Verteilungsanpassung: Parameterschätzung und Testverfahren im Einsatz 133 4.8 Erzeugung von Zufallszahlen 138 4.8.1 Erzeugung gleichverteilter Zufallszahlen 139 4.8.2 Transformation gleichverteilter Zufallszahlen 142 4.8.3 Regeln für den Umgang mit Zufallszahlenströmen 146 4.9 Anwendungsaspekte 148 5 Vorgehensweise bei der Durchführung von Simulationsstudien 152 5.1 Simulationsvorgehensmodell 152 5.1.1 Vorgehensmodell in der Übersicht 153 5.1.2 Die Einteilung des Vorgehens in Phasen 155 5.1.3 Die Rollen in einer Simulationsstudie 157 5.2 Von der Zielbeschreibung zur Aufgabenspezifikation 158 5.3 Modellbildung 161 5.3.1 Systemanalyse 162 5.3.2 Formalisierung 166 5.3.3 Implementierung 168 5.4 Datenbeschaffung und -aufbereitung 169 5.4.1 Schritte zur Informationsgewinnung 170 5.4.2 Datenquellen zur Deckung typischer Informationsbedarfe 172 5.4.3 Methoden zur Informations- und Datenerhebung 176 5.4.4 Datenaufbereitung 179 5.4.5 Der richtige Umgang mit Daten 182 5.5 Experimentplanung und -durchführung 184 5.5.1 Der Experimentplan 185 5.5.2 Erstellung des Experimentplanes 187 5.5.3 Experimentdurchführung 193 5.5.4 Festlegung der Einschwingphase 195 5.5.5 Festlegung von Simulationsdauer und Anzahl Replikationen 198 5.6 Experimentauswertung 204 5.6.1 Statistische Auswertung der Ergebnisse 204 5.6.2 Visualisierung der Ergebnisse 210 5.7 Verifikation und Validierung 213 5.7.1 Begriffsdefinitionen 214 5.7.2 Hinweise zum Vorgehen bei der V&V 216 5.7.3 V&V-Techniken 219 5.8 Ergänzende Aspekte bei der Durchführung von Simulationsstudien 225 5.8.1 Entscheidung über Eigendurchführung oder Fremdvergabe 226 5.8.2 Hinweise für die erfolgreiche Durchführung von Simula-tionsstudien 227 6 Simulationswerkzeuge und ihre Anwendung 230 6.1 Merkmale zur Einordnung von Simulationswerkzeugen 231 6.2 Modellierung des Zufalls 234 6.3 Modellierung von Steuerungen 238 6.4 Schnittstellen für den Datenaustausch 241 6.5 Auswahl von Simulationswerkzeugen 243 7 Weiterführende Konzepte und Anwendungen 247 7.1 Verteilte Simulation 247 7.2 Simulation und Optimierung 250 7.3 Emulation 254 7.4 Simulationsunterstützte Auftragsfeinplanung 259 Literatur 263 Autoren 277 Sachverzeichnis 280 Das vorliegende Lehrbuch gründet auf Simulationsvorlesungen der Autoren an ingenieur- und wirtschaftswissenschaftlichen Fakultäten, auf Erfahrungen aus durchgeführten SimulationsƯstudien in der betrieblichen Praxis sowie aus Tätigkeiten in ForschungsƯprojekten und der Arbeit in Vereinigungen wie dem Verein Deutscher Ingenieure (VDI), der ArbeitsƯgemeinschaft 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. Kai Gutenschwager leitet das Institut für Information Engineering an der Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften am Standort Wolfenbüttel, lehrt Wirtschaftsinformatik und arbeitet an Forschungsprojekten in Optimierung und Simulation mit Schwerpunkt auf der Supply Chain Simulation. Markus Rabe leitet das Fachgebiet IT in Produktion und Logistik an der TU Dortmund, lehrt Materialflusssimulation und arbeitet an entsprechenden internationalen Forschungsprojekten. Sven Spieckermann ist Sprecher des Vorstands des Simulationsdienstleisters SimPlan AG. Darüber hinaus hat er seit vielen Jahren Lehraufträge für Simulation am Karlsruher Institut für Technologie, an der Technischen Universität Darmstadt und der Technischen Universität Braunschweig inne. Sigrid Wenzel leitet als Professorin an der Universität Kassel das Fachgebiet Produktionsorganisation und Fabrikplanung und ist stellvertretende geschäftsführende Direktorin des Institutes für Produktionstechnik und Logistik Front Matter ....Pages I-XII Einleitung (Kai Gutenschwager, Markus Rabe, Sven Spieckermann, Sigrid Wenzel)....Pages 1-6 Begriffliche Grundlagen, Einordnung und Anwendungsbereiche (Kai Gutenschwager, Markus Rabe, Sven Spieckermann, Sigrid Wenzel)....Pages 7-49 Grundlagen der ereignisdiskreten Simulation (Kai Gutenschwager, Markus Rabe, Sven Spieckermann, Sigrid Wenzel)....Pages 51-84 Stochastische Grundlagen und ihre Anwendung (Kai Gutenschwager, Markus Rabe, Sven Spieckermann, Sigrid Wenzel)....Pages 85-140 Vorgehensweise bei der Durchführung von Simulationsstudien (Kai Gutenschwager, Markus Rabe, Sven Spieckermann, Sigrid Wenzel)....Pages 141-218 Simulationswerkzeuge und ihre Anwendung (Kai Gutenschwager, Markus Rabe, Sven Spieckermann, Sigrid Wenzel)....Pages 219-235 Weiterführende Konzepte und Anwendungen (Kai Gutenschwager, Markus Rabe, Sven Spieckermann, Sigrid Wenzel)....Pages 237-252 Back Matter ....Pages 253-281