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Informatik IV
© Peter Buchholz 2007 Modellierung und SimulationHautstudiumsveranstaltungen 1
Prof. Peter BuchholzGB V / R 406aTel. 0231 755 4746Email peter.buchholz@udo.edu
Sprechstunde: Do 10.00-11.30 und nach Vereinbarung(möglichst mit Voranmeldung per Email)
Lehre und Forschung
Informatik IV
Modellierung und Simulation
Informatik IV
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Erkenntnisgewinn in der WissenschaftTheorie Beobachtung
Modell/TheorieComputer eröffnen eine dritte Möglichkeit
Oft Basis der Modellbildung
Simulieren/Beobachten
113 159
13
17
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
P(block)
DauerR-Int.
0-0,1 0,1-0,2 0,2-0,3 0,3-0,40,4-0,5 0,5-0,6
Falls möglich Validierung
Validierung
Erklärung
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Modellierung und Simulation
Modellierung
Conveyorro l l er
ConveyorB e l t
S
S
EnterTrans fer S tation
AccessB e l t
Exitro l l er
Simulate
600B ottl i ng Opera tion E x am p le
S S
LeaveDuplicate
11
Model Logic
ArriveCas e A rriv a ls
ConveyorCas e In Conv ey or
S
EnterHopper
Fi l l e rConvey
Case Arrivals: Duplicate into Individual Bottles
Transfer Station: From Roller to Belt
Conveyors
Model Logic
HopperTrans fer S tation
Trans fer S tationFi l l e r
Fi l l e rCapper
CapperB ottles Out
Cas e A rriv a lsHopper
t1
t2
t3
/hr /hr
/hr
/hr/hrJobsDone:
Main MenuHit 'm' for Starv edStarv ed
Starv ed Starv ed
Starv ed
Zuverlässigkeit?Leistung? Korrektheit?
Reales Problem (i.d.R. technische Systeme)
Analyse
111 1591317
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
P(block)
DauerR-Int.
0-0,1 0,1-0,2 0,2-0,3 0,3-0,4 0,4-0,5 0,5-0,6
Modifizieren und Optimieren
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Was machen wir in der Forschung ?
Theorie• (Stochastische) Automaten• Äquivalenz stochastischer
Systeme• ...
Methodik• Beschreibungstechniken • Simulationsmethoden• Numerische Algorithmen• Optimierungsalgorithmen• ...
Softwarewerkzeuge• Modellierungstools• GUIs zur Eingabe oder
Ergebnisrepräsentation• ...
Anwendungen• Kommunikationsnetze• Logistiksysteme• Softwaresysteme• ...
Vieles interdisziplinär z.B. mit Logistik, E-Technik, BWL, ....
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Beispiele für laufende Arbeiten
• Theorie: Automaten über Semiringe
• Methodik: Numerische Analysetechniken für Markov-Prozesse
• Werkzeuge: ProC/B-Toolset
• Anwendungen: Logistikintelligente Gebäude
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Automaten über Semiringe
Automaten mit Bewertung der Transitionen
0
1 2
3
1/3,a 2/3,a
1,a 1,a
Gewicht eines Pfades: • Produkt der KantengewichteGewicht einer Menge von Pfaden:• Summe der Pfadgewichte
Also Gewicht des Pfades 01 3: 2 3Gewicht der Pfade 03: (1 2) (2 3)
Interpretation von und : (+,), (max, +), (min,+), (max, min)
Forschungsarbeiten: Äquivalenz, Komposition, logische Charakterisierung,…..
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Numerische Analysetechniken für Markov-Prozesse
Lösung sehr großer linearer GleichungssystemeLösung sehr großer linearer Gleichungssystememit > 1 Million Variablenmit > 1 Million Variablen
π [1 ] . .. π [N ] Q [1,1 ] ⋯ Q [1, n ]⋮ ⋱ ⋮
Q [N ,1 ] ⋯ Q [N ,N ] =0 ⋯ 0
mit mit ∑I=1
N
∑i=0
nI−1
π [ I ] i =1
•Entwicklung neuer Datenstrukturen zur Matrixspeicherung
•Entwicklung neuer Lösungsalgorithmen auf Basis der DS
•Experimentelle Untersuchung der entwickelten Algorithmen
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ProC/B-ToolsetProzesskttenemodelle
Visualisierung
Transformation
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Anwendung Logistik
Prozesskosteni.e.S.
Einzelkosten
Prozesskosteni.e.S.
Einzelkosten
Prozesskosteni.e.S.
Transaktionskosten
Unternehmen 1 Unternehmen 2
SimulationsgestützteKostenrechnung!
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Intelligente Gebäude
Doppelboden
Fußbodentank Elt
Kühldecke
Leuchte
DDC-Modulkasten für Raumautomation
Umluft
Lichtsensor
Rauchmelder
Lichtband
innenliegenderSonnenschutz
Raumfühler
Raumbediengerät
Schnitt Büroraum
FlurKühlung
SprinklerZwischendecke
DDC-Modulkasten für Raumautomation
Heizung
Außenluft
Taupunktüberwachung
IT-Versorgung
Zargenlüftungsgerät
Analyse zur Dimensionierung der Netze
Mean response time class 1
Class 1 R=2Class 1 R=5
Class 1 R=10Class 1 R=25
Class 1 Sim R=2
Class 2..R R=2Class 2..R R=5
Class 2..R R=10Class 2..R R=25
Class Sim R=10Sim R=2
Sim R=10
0.00.000
0.050
0.100
0.150
0.200
0.250
100.0 200.0 300.0 400.0 500.0 600.0 700.0 800.0
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Forschung & Lehre
• Forschungsarbeiten fließen in die Lehre ein
• Primär in
– Projektgruppen
– Diplomarbeiten
• Die Basis wird in der Wahlpflichtveranstaltung MAO und den Spezialvorlesungen gelegt
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Einordnung im Studium
Modellierung
&
Simulation
Hilfsmittel• Statistik
• Stochastik
• Numerik
Anwendungen:• Naturwissenschaften
• Ingenieurwissenschaften
• Wirtschaftswissenschaften
• Sozialwissenschaften
• Medizin
• Umweltforschung
• InformatikInformatikmethoden:Modellierung als durchgängiges Konzept, Sprachen&Werkzeuge, Entwurfsmethoden, Visualisierung, Parallelrechner, ...
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WahlpflichtveranstaltungModellgestützte Analyse und Optimierung
Jeweils im Sommersemester angeboten, Katalog A
Inhalt•Modelltypen, Modelltheorie•Ereignisdiskrete Simulation•Analytische Techniken für diskrete Systeme
•Lineare Optimierung•Nichtlineare Optimierung•Dynamische Programmierung•Stochastische Optimierung
Teilweise praktische Übungen mit Arena,HIT,Scilab, ...
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Vorlesungen im Vertiefungsgebiet
Primär Schwerpunktgebiet 2 (Rechnerarchitektur, eingebettete Systeme und Simulation)teilweise aber auch 3 Vert. Sys., 4 Alg., Kompl. & form. Mod.WS
•Modellierung und Analyse eingebetteter und verteilter Systeme (4+2 mit Prof. Krumm, Basis MA)•Modellierung und Simulation diskreter und kontinuierlicher Systeme (3+1) oder•Verteilte numerische Algorithmen (2+2)
SS•Mobile Kommunikationssysteme (2+1 auch Bachelor Vertiefung)
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Projektgruppen
Regelmäßig angeboten zu sehr unterschiedlichen Themen
Beispiele:• Entwicklung eines Java-basierten Frameworks für
verteilte Netzwerkmessungen• Simulation diskreter und kontinuierlicher Prozesse in
Java• Optimierungsalgorithmen für Simulationsmodelle • Software Performance Engineering• Optimierungsalgorithmen für Simulationsmodelle• ...
Themenvorschläge im Umfeld möglich, sofern früh genug eingebracht
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Diplomarbeiten
•Vielfältige Möglichkeiten existieren in unseren Lehr- und Forschungsfeldern und darüber hinaus
•Insbesondere auch in Kooperation mit anderen Fachbereichen
•Betreuung von vorgeschlagenen Themen aus unserem Fachgebiet ist (fast) immer möglichWie kommt man an ein Thema (in Mod. & Sim) ?
Grundkenntnisse sollten vorhanden sein (z.B. Vorl. MAO)Interesse am Themengebiet sollte vorhanden sein
1. Vorbeikommen, nachfragen (gewisse Vorstellungen über das Themengebiet sollten vorhanden sein)
2. Eingrenzen eines möglichen Themas (in der Diskussion)
3. Nachlesen und Konkretisierung der Vorstellungen(falls nötig zurück zu 2.)
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Beispiele für Diplomarbeitsthemen der letzten Jahre
• Ein Konzept zur Kopplung von multiagentenbasierten Steuerungssystemen und Materialflusssimulatoren (Kooperation IML)
• Entwicklung einer Optimierungsfunktion von Schaltkomfortparametern an Fahrzeugen mit automatisierten Schaltgetrieben (Kooperation Industrie)
• Beschreibung von ProC/B-Modellen zur simulativen Bewertung
• Parallele Realisieurng der Response Surface Methode zur Optimieurng von Simulationsmodellen
• Effiziente Zustandsraumerzeugung und –speicherung für Netze kommunizierender Automaten
• Ein Optimierungsmodell für Instandhaltungsumfänge unter Ausnutzung von Synergieeffekten beider Demontage (Kooperation Maschinenbau)
• …
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