Simulationsmethoden und -werkzeuge, insbesondere für Logistik und Umwelt

Personen

Page, Bernd, Prof. Dr.-Ing.; Knaak, Nicolas, Dipl.-Inform.; Meyer, Ruth, Dipl.-Inform.; Wohlgemuth, Volker, Dr.

 


Projektbeschreibung

Modellierung ist ein zentrales Anliegen der Informatik insgesamt. Simulationsverfahren sind spezielle Modellierungsmethoden, die sich mit der Modellierung des dynamischen Verhaltens von Systemen innerhalb der Informatik (z.B. Kommunikationssysteme, Datenbanken, Verteilte Systeme, Mikroelektronik oder Theoretische Informatik) und in noch weit größerem Maße auch außerhalb der Informatik (Logistik-, Produktions-, Hafen-, Umweltsysteme, ..) befassen.

Bei den anwendungsnahen Forschungsarbeiten zur Modellierung und Simulation werden methodische Fragestellungen mit Werkzeugaspekten und innovativen Anwendungsfeldern verknüpft. Auf methodischer Ebene liegen die Schwerpunkte auf der Nutzung objektorientierter Ansätze für Modellierung (Erweiterungen der UML 2 für die Simulation), agentenbasierter Simulationsansätze, verteilte Simulation über das Web, genetischer Algorithmen für die Simulationsoptimierung, räumlicher Modellierung (evolutionäre Layoutoptimierung) sowie auf Validierungsansätzen (Process Mining).

Auf der Werkzeugebene werden moderne objektorientierte Softwarekonzepte für die Gestaltung von Simulationssoftware analysiert und umgesetzt. Die aktuellen Schwerpunkte liegen dabei auf Frameworkarchitekturen (Simulationsframework DESMO-J in Java), auf der Model-Driven Architecture (Codegenerierung von Simulationsprogrammen aus erweiterten ULM 2-Diagrammen) sowie auf Simulationssystemen auf der Eclipse-Plattform.

Innovative Anwendungen der Simulationstechnik werden vorrangig für die Bereiche Hafenlogistik, Öko-Logistik und integrierte Stoffstromsimulation (Umweltinformatik) sowie e-Learning bearbeitet.
Ein Schwerpunkt in der letzten Zeit lag auf der Entwicklung simulationsspezifischer Stereotypen für die Modellierungssprache UML 2, die auch international publiziert wurden.

Für den Ansatz der agentenbasierten Simulation wurde vor einiger Zeit ein auf DESMO-J aufbauendes Framework entwickelt, das insbesondere die Modellierung der räumlichen Umwelt flexibel unterstützt und im abgelaufenen Forschungsprojekt „Nachhaltige Logistikkonzepte für Stadtkurierdienste“ erstmals genutzt wurde. Das zugehörige Kurierdienst-Simulationsmodell wird auch nach Abschluss des geförderten Forschungsvorhabens weiter ausgebaut.

Im Rahmen des kürzlich abgeschlossenen E-Learning-Projekts wurden ein DESMO-Tutorial im WWW und ein Web-basiertes DESMO-Lab erarbeitet (www.desmoj.de). Diese digitalen Lehrmaterialien ergänzen das englischsprachiges Lehrbuch zur diskreten Simulation in Java („The Java Simulation Handbook“), das in den Jahren 2004/2005 in Kooperation mit Prof. Kreutzer von der University of Canterbury, New Zealand, und unter Beteiligung mehrerer Koautoren vorrangig aus unserer Arbeitsgruppe ausgearbeitet wurde, im Sinne des Blended Learnings in idealer Weise. Das Handbuch wurde zum Jahresende 2005 vom Shaker-Verlag in Buchform sowie als digitale Version veröffentlicht.

Ein Anwendungsschwerpunkt der Simulationstechnik im Berichtszeitraum war die Hafenlogistik in Zusammenarbeit mit der HHLA (Vergleich verschiedener Krantypen mittels Simulationstechnik).
Einen weiteren Forschungszweig stellt die Entwicklung eines Simulationswerkzeuges dar, das neben der üblichen Simulationsfunktionalität insbesondere auch Fragestellungen des betrieblichen Stoffstrommanagement mit einbezieht. Neben der auftragsbezogenen Sichtweise eines Produktionsprozesses soll mit diesem Werkzeug somit auch eine stoff- und energieflussbasierte Sichtweise auf einen betrieblichen Produktionsprozess geschaffen werden. Dieser Ansatz ermöglicht im Vergleich zu bestehenden statischen Stoffstromwerkzeugen auch eine dynamische Sichtweise. Der Stoffstromsimulator Milan, der diese integrierte konzeptionelle Sichtweise auf Produktions- und Logistiksysteme erstmals in ein entsprechendes Softwarewerkzeug umsetzt, wurde im Rahmen eines Promotionsvorhabens prototypisch realisiert und wird kontinuierlich ausgebaut (u.a. spezielle Modellierungsbausteine für die Halbleiterproduktion). Dies erfolgt vor allem im Rahmen des Technologietransfer-Projekts mit dem Unternehmen Vishay Siliconix Itzehoe GmbH.

 


Publikationen

Wohlgemuth, V.:
Komponentenbasierte Unterstützung von Methoden der Modellbildung und Simulation im Einsatzkontext des betrieblichen Umweltschutzes.
Aachen: Shaker, 2005, 380 S.

Hedemann, J., Möller, A., Müller-Beilschmidt, P., Rohdemann, D., Schmidt, M., Schmitt, B.:
Integration of Material Flow Management Tools in Workplace Environments.
In: Hilty, L.M., Seifert, E., Treibert, R. (eds.): Information Systems for Sustainable Development, Hershey, London, Melbourne, Singapore 2004, S. 47-61.

Möller, A., Müller-Beilschmidt, P., Prox, M., Wohlgemuth, V.:
Material Flow Networks - The Methodology for Modelling of Complex Production Systems in Resource Intensiv Enterprises: How European Industries Realize Cost Reductions and Environmental Improvements of Processes, Products and Production Sites.
In: ASIA IT&C PROGRAMME: Proceedings of the National Symposium on Information Technology and Communication in the Field of Sustainable Environmental Protection "FORCE", Bangkok, Thailand, 2004.

Möller, A., Wohlgemuth, V.:
Einsatz von diskreten und kontinuierlichen Simulationsansätzen in Stoffstromanalysen.
In: Wittmann, J., Wieland, R. (Hrsg.): Simulation in Umwelt- und Geowissen-schaften, ASIM-Mitteilung AMB 88, Aachen, 2004, S. 124-139.

Page, B., Wohlgemuth, V.:
Linking Economic Optimisation and Simulation Models to Environmental Material Flow Networks for Ecoefficiency.
In: L.M. Hilty, E.K. Seifert, R. Treibert (eds): Information Systems for Sustainable Development. Idea Group Publ. , Hershey, PA USA 2004, pp. 94-108.

Wohlgemuth, V., Niebuhr, C., Lang, C.:
Exchanging Environmental Relevant Data between ERP-Systems and Industrial Environmental Management Information Systems Using PAS 1025.
In: Proceedings of the 18th International Conference for Environmental Protection, October 21-23, 2004, CERN, Geneva, S. 183-193.

Möller, A., Rolf A.:
Nachhaltige Geschäftsmodelle.
FB Informatik, Universität Hamburg, 2003, FBI-HH-M-327/03.

Möller, A., Rolf A.:
Grundlagen der nachhaltigen Gestaltung von Organisationen.
In: UWF UmweltWirtschaftsForum, 02/2003, S. 37-42.

Möller, A., Rolf A.:
Informationsversorgung eines erweiterten Umweltcontrollings.
In: UWF UmweltWirtschaftsForum, 02/2003, S. 17-21.

Möller, A., Rolf, A., Page, B., Wohlgemuth, V.:
Foundations and Applications of Computer Based Material Flow Networks for Environmental Management.
In: Rautenstrauch, C., Patig, S. (Eds.): Environmental Information Systems in Industry and Public Administration, Hershey, London, 2001, S. 379-396.

 

Drittmittelprojekte

Integrierte Simulations- und Stoffstrommodellierung in der Halbleiterproduktion (Vishay) (2005-2007)

Gegenstand dieses Technologietransfer- Projektes im Rahmen von HITeC ist die Durchführung von Simulationsstudien und Stoffstromanalysen bei dem fördernden Halbleiterhersteller Vishay zu verschiedenen Fragestellungen aus dem Bereich Produktion und Logistik unter Einsatz des Stoffstromsimulators  Milan. Es werden entscheidungsrelevante Datenanalysen, Stoffstromanalysen, Modellrechnungen, Simulationsergebnisse sowie operationale Simulationsprogramme erarbeitet. Dabei werden schrittweise die Einzelbereiche der Halbleiterherstellung modelliert, wobei anfangs die Modellierung des Nasschemiebereiches mit dem Stoffstromsimulator Milan im Vordergrund stand. Dabei ging es um die Ermittlung von Engpässen, Bestimmung des maximalen Durchsatzes bei unterschiedlichem Produktmix; Datenerfassung und –aufbereitung; und Kapazitätsbedarfsanalysen. Aufgaben der Stoffstromanalyse werden in einer späteren Projektphase hinzu genommen. Erst in der Kombination der betrieblich-organisatorischen, auftragsbezogenen Simulation mit der materialbezogenen Stoffstromanalyse unter Ökoefizienzaspekten lässt sich das volle Potenzial des Stoffstromsimulators ausschöpfen. Ziel des Projektes ist auch die  Weiterentwicklung des Stoffstromsimulators anhand konkreter Einsatzszenarien. Erste Ergebnisse dieser Weiterentwicklung sind die halbleiterspezifischen Modellkomponenten, die in diesem Jahr entwickelt wurden.

 


E-Learning (2003-2005)

Im ELCH-Projekt Modellierungswerkzeuge zur Simulation umweltökonomischer Systeme wurden E-Learning-Module für die universitäre Ausbildung in Simulation und Umweltinformatik entwickelt. Diese Module sind als Ergänzung zu herkömmlichen Präsenz-Lehrveranstaltungen vorgesehen und sollen die Softwareanwendung in der Modellierung von betrieblichen und umwelt-ökonomischen Systemen interaktiv vermitteln. Ausgangspunkt sind zwei Modellierungswerkzeuge (Umberto zur Stoffstromanalyse und Desmo für die zeitdiskrete Simulation), die aus langjährigen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten am Arbeitsbereich ASI hervorgegangen sind.

 


KUDIS (2000-2003)

Im Drittmittelprojekt Nachhaltige Logistikkonzepte für Stadtkurierdienste wurden im Rahmen einer umfassenden Simulationsstudie alternative Logistikkonzepte für Kurierdienste unter den besonderen Anforderungen der Nachhaltigen Entwicklung entworfen und bewertet. Der Anspruch der Nachhaltigkeit erfordert, dass die Logistikstrategien hinsichtlich ihrer ökologischen, ökonomischen und sozialen Auswirkungen analysiert werden. Als Simulationsmethodik wurde die sog. agentenbasierte Simulation eingesetzt. Softwaretechnisch ist dazu ein Framework für agentenbasierte Modellierung und Simulation entwickelt worden, das auf dem Simulationsframework DESMO-J aufsetzt.

 

ECOBAS-Anbindung (1998-99)

Unter Federführung der GH Kassel (Dr. J. Benz) wurde das dreijährige Kooperationsprojekt SACOM (Synthese und Konsistenzprüfung komplexer modular-hierarchischer Ökosystemmodelle) mit Förderung der DFG durchgeführt. Aufgabe des Projektes war es, das bestehende Modelldokumentationssystem ECOBAS für ökologische Modelle im WWW in ein System zur Generierung von lauffähigen Simulationsmodellen als Basis für eine weitläufige Prüfung dieser Simulationsmodelle durch verschiedene Nutzer zu integrieren. Das hiesige Teilprojekt Anbindung spezieller Simulationssysteme an das ökologische Modelldokumentationssystem ECOBAS realisierte exemplarisch die Anbindung der international weit verbreiteten Simulationssysteme EXTEND und STELLA auf der Basis eines möglichst allgemeinen Kopplungsansatzes.

 

MOBILE (1995-98)

Ziel des umfangreichen Drittmittelprojekts MOBILE (Model Base for an Integrative View of Logistics and Environment) mit Förderung der VW-Stiftung  war die Entwicklung eines Systems zur umweltbezogenen Modellbildung und Simulation im Bereich Verkehr und Logistik. Hierzu wurde ein verteiltes, objektorientiertes Modellbanksystem konzipiert und umgesetzt. Dies ist eine flexible Sammlung von Softwarekomponenten, die der aktuellen Problemstellung entsprechend jeweils neu verbunden werden. Zu diesen Komponenten gehören sowohl Simulationsmodelle aus dem Verkehrs-, Logistik- und Umweltbereich als auch Komponenten, die die Verknüpfung vorhandener oder die Entwicklung neuer Modelle unterstützen, z.B. objektorientierte Klassenbibliotheken und Kommunikationskomponenten

 

Ausgewählte Publikationen

Wohlgemuth V.:
Komponentenbasierte Unterstützung von Methoden der Modellbildung und Simulation im Einsatzkontext des betrieblichen Umweltschutzes. Aachen: Shaker, 2005, 380 S. (Dissertation).

Page, B., Kreutzer, W.:
The Java Simulation Handbook – Simulating Discrete Event Systems with UML and Java. Aachen: Shaker, 2005, 502 S.

Knaak, N., Meyer, R., Page B.;
Logistic Strategies for Sustainable City Courier Services - An Agent-based Simulation Approach. International Workshop on Harbour, Maritime & Multimodal Logistics Modelling and Simulation – HMS 2004, Rio, Brazil, Sept. 2004.

Knaak, N., Meyer, R., Page, B., Deecke H.: Agentenbasierte Simulation nachhaltiger Logistikkonzepte für Stadtkurierdienste – Methoden, Werkzeuge und Anwendung.
Universität Hamburg, Fachbereich Informatik, Bericht Nr. 260, 2004, 71 S.

Page, B., Wohlgemuth, V.:
Linking Economic Optimisation and Simulation Models to Environmental Material Flow Networks for Ecoefficiency.
In: Hilty, L.M., Seifert, E.K., Treibert, R. (eds): Information Systems for Sustainable Development. Idea Group Publ. , Hershey, PA, 2004, pp. 94-108.

Wohlgemuth, V., Page, P.; Mäusbacher, M.; Staudt-Fischbach, P:
Component-Based Integration of DiscreteEvent Simulation and Material Flow Analysis for Industrial Environmental Protection:
A Case Study in Wafer Production. In: Proceedings of the 18th International Conference for Environmental Protection, October 21-23, 2004, Geneva: CERN, S. 303-312.

Page, P.: Environmental Informatics for Sustainable Logistics.
Inv. Paper. In: P. Prastacos et al. (eds): e-Environment: Progress and Challenge. Proc. of the EU-LAT Workshop e-Environment, November 30th-December 3rd, San Jose, Costa Rica, 2004, pp. 187-201.

Page, B., Neufeld, E.:
Extending an object oriented Discrete Event Simulation Framework in Java for Habour Logistics.
International Workshop on Habour, Maritime & Multimodal Logistics Modelling and Simulation – HMS 2003, Riga, Latvia, Sept. 2003, pp. 79-85.

Wohlgemuth, V., Köpcke, N., Schnackenbeck, T., Page, B.:
Entwicklung von Simulationskomponenten für Produktionssysteme unter besonderer Berücksichtigung ihrer stofflichen und energetischen Umweltauswirkungen.
In: Wittmann, J., Bernard, L. (Hrsg.): Simulation in Umwelt- und Geowissenschaften, Aachen: Shaker, 2001, S. 155-172.

Wohlgemuth, V., Bruns, L., Page, B.:
Simulation als Ansatz zur ökologischen und ökonomischen Planungsunterstützung im Kontext betrieblicher Umweltinformationssysteme (BUIS).
In: Hilty, L. M., Gilgen., P. W. (Hrsg.): Umweltinformatik `01. Umweltinformation für Planung, Politik und Öffentlichkeit. 15. Internationales Symposium "Informatik für den Umweltschutz" der Gesellschaft für Informatik (GI), Zürich 2001, Band 2, S. 999-1008.