Während eine Simulation ein Modell eines Systems zumeist mit Eingangs- undAusgangsgrößen beinhaltet und zu einem bestimmten Zeitpunkt t einen wohldefiniertenSystemzustand bereitstellt, geht es bei einer Animation lediglich um die visuelleDarstellung von Daten, die aus einer Simulation aber auch aus einer anderen Quelle wieeiner Messung am realen System stammen könneneiner Messung am realen System stammen können.

Eine Animation kann zwei- oder dreidimensional gestaltet sein. Währendzweidimensionale Animationen oft als übersichtlicher empfunden werden und inabstrakteren Anwendungsfällen wie beispielsweise der unternehmensübergreifendenMaterialfluss-Simulation gerne eingesetzt werden, dienen dreidimensionale Animationenhäufig der Verdeutlichung konkreter räumlicher Sachverhalte, so bei Kollisionsanalysenhäufig der Verdeutlichung konkreter räumlicher Sachverhalte, so bei Kollisionsanalysenund Verformungssimulationen.

Die Simulation ist eine Vorgehensweise, die zur Analyse dynamischer Systemeherangezogen wird. Bei der Simulation werden Experimente an einem Modelldurchgeführt, um Erkenntnisse über das reale System zu gewinnen. Im Zusammenhangmit einer Simulation spricht man von dem zu simulierenden System und von einemSimulator als Implementierung oder Realisation eines Simulationsmodells Letzteres stelltSimulator als Implementierung oder Realisation eines Simulationsmodells. Letzteres stellteine Abstraktion des zu simulierenden Systems dar (Struktur, Funktion, Verhalten). DerAblauf der Simulation mit konkreten Werten (also mit einer Parametrisierung) wird alsSimulationsexperiment bezeichnet. Dessen Ergebnisse können dann interpretiert und aufdas zu simulierende System übertragen werden.

Ein Auto-Crashtest beispielsweise ist ein Simulationsmodell für eine realeEin Auto Crashtest beispielsweise ist ein Simulationsmodell für eine realeVerkehrssituation, in der ein Auto in einen Verkehrsunfall verwickelt ist. Dabei wird dieVorgeschichte des Unfalls, die Verkehrssituation und die genaue Beschaffenheit desUnfallgegners stark vereinfacht. Auch werden keine Personen in den simulierten Unfallinvolviert, stattdessen werden Crashtest-Dummies eingesetzt, die mit realen Menschengewisse mechanische Eigenschaften gemeinsam haben. Das Simulationsmodell hat alsonur ganz bestimmte Aspekte mit dem realen System gemeinsam. Welche Aspekte diessind hängt maßgeblich von der Fragestellung ab die mit der Simulation beantwortetsind, hängt maßgeblich von der Fragestellung ab, die mit der Simulation beantwortetwerden soll. Heutzutage werden Simulationen mehr und mehr durch Computer realisiert,weil Computer ein sehr flexibles Umfeld für fast alle Arten der Simulation bieten.

Kontinuierliche Simulation ist das Experimentieren mit kontinuierlichen Modellen. ImUnterschied zur diskreten Simulation werden bei der kontinuierlichen Simulation proZeitintervall unendlich viele Zustandsänderungen des Systems betrachtet. DieKombination aus kontinuierlicher und diskreter Simulation bezeichnet man als hybrideSimulation Bei der Durchführung kontinuierlicher Simulationen mittels eines ComputersSimulation. Bei der Durchführung kontinuierlicher Simulationen mittels eines Computerswerden Differentialgleichungen des Modells mittels numerischer Integration gelöst.

Die meisten uns umgebenden Dinge und Situationen setzen sich aus mehreren einzelnenBestandteilen zusammen. Wird bei einer Simulation das zu untersuchende Objekt inseine Bestandteile zerlegt und diese Bestandteile einzeln und nicht das aus ihnenbestehende gesamte Objekt simuliert, so spricht man von einer "mikroskopischenbestehende gesamte Objekt simuliert, so spricht man von einer mikroskopischenSimulation".

Eine Makrosimulation hingegen ist eine Simulation, deren Ziel es ist, komplexe Vorgängeoder Situationen zu simulieren, ohne die einzelnen Bestandteile in besonderer Weise zubetrachten. Anwendung finden solche Simulationen z. B. in der Astronomie oder derMeteorologie, wo Vorhersagen über zukünftige Entwicklung gemacht werden sollen.g g g g g

Hardware-in-the-Loop (HiL) bezeichnet ein Verfahren, bei dem ein reales System (z.B.ein elektronisches Steuergerät oder eine mechatronische Komponente) über seine Ein-und Ausgänge an ein Simulationssystem angeschlossen wird und dadurch den Kreis(Loop) schließt. Das Simulationssystem wird i.A. HiL-Simulator genannt und dient alsNachbildung der realen Umgebung Hardware-in-the-Loop ist eine Methode zum TestenNachbildung der realen Umgebung. Hardware-in-the-Loop ist eine Methode zum Testenund Absichern von eingebetteten Systemen, zur Unterstützung während der Entwicklungsowie zur vorzeitigen Inbetriebnahme von Maschinen und Anlagen.

Handelt es sich bei dem realen System um einen Menschen, der sich in einer simuliertenUmgebung befindet, spricht man von Man-in-the-loop (MiL).

Weitere Beispiele:

Eine Untersuchung am realen System wäre zu aufwendig, zu teuer, ethisch nichtvertretbar oder zu gefährlich:

• Fahrsimulator (zu gefährlich in der Realität)

• Flugsimulator zur Pilotenausbildung, Nachstellung kritischer Szenarien (Triebwerksausfall, Notlandung)

• Crashtest (zu gefährlich oder zu aufwendig in der Realität)

• Simulation von Fertigungsanlagen vor einem Umbau (mehrfacher Umbau der Anlage in der Realität wäre zu aufwendig und zu teuer)

Das reale System existiert (noch) nicht:Das reale System existiert (noch) nicht:

• Windkanalexperimente mit Flugzeugmodellen, bevor das Flugzeug gefertigt wird

Das reale System lässt sich nicht direkt beobachten:

1) Systembedingt – Beispiel: Simulation einzelner Moleküle in einer Flüssigkeit, astrophysikalische Prozesse

2) Das reale System arbeitet zu schnell – Beispiel: Simulation von Schaltkreisen

3) Das reale System arbeitet zu langsam – Beispiel: Simulation geologischer Prozesse

Die Simulation von Geschäftssystemen kann Antworten bringen auf Fragen wie:

• Wird die geforderte Ausbringung erreicht?

• Was passiert bei Stückzahländerungen?

• Wie können Bestände gesenkt werden?Wie können Bestände gesenkt werden?

• Was ist die beste Steuerungsstrategie?

• Wie wirken sich Eilaufträge aus?

• Welches ist die optimale Planungsvariante?

• Wie können Investitionskosten minimiert werden?

Messbare Kennzahlen:

• In der Produktion: Ausbringung, Durchlaufzeit, Auslastung, Ausschussrate, Prozesskosten, Bestände

• In der Entwicklung:Termintreue, Auslastung, Entwicklungszeit, Iterationen, Entwicklungskosten, Personalauslastungg

Hauptvorteile bei der Simulation von Geschäftssystemen:

• Modelle sind jederzeit verfügbar

• Modelle unterliegen keinerlei Einschränkungen realer Randbedingungen

• Gefahrloses Experimentieren wird gefahrlos möglichGefahrloses Experimentieren wird gefahrlos möglich

• Lange Zeiträume können kompakt untersucht werden

Anfertigung von Zukunftsprognosen

Jeglicher Form von Simulation sind auch Grenzen gesetzt, die stets beachtet werdenmüssen:

Die erste Grenze folgt aus der Begrenztheit der Mittel, d.h. der Endlichkeit von Energie(z.B. auch Rechenkapazität), Zeit und nicht zuletzt Geld. Eine Simulation muss also auch

i t h ftli h h Si b A f d di Ei h ä k i M d llwirtschaftlich gesehen Sinn ergeben. Aufgrund dieser Einschränkungen muss ein Modellmöglichst einfach sein. Das wiederum bedeutet, dass auch die Ergebnisse der Simulationeine grobe Vereinfachung der Realität darstellen.

Die zweite Grenze folgt daraus, dass ein Modell nur in einem bestimmten KontextErgebnisse liefert, die sich auf die Realität übertragen lassen. In anderenParameterbereichen können die Resultate schlichtweg falsch sein. Daher ist dieVerifikation der Modelle für den jeweiligen Anwendungsfall ein wichtiger Bestandteil derVerifikation der Modelle für den jeweiligen Anwendungsfall ein wichtiger Bestandteil derSimulationstechnik.

Als mögliche weitere Grenzen seien Ungenauigkeiten der Ausgangsdaten (z.B.Messfehler) sowie subjektive Hindernisse (z.B. mangelnde Information überProduktionsfehler sowie Versagen von Mensch und Maschine) genannt.

Anthropometrische Modelle dienen beispielsweise der detaillierten Simulation einesFahrzeuginsassen. Dafür wird der virtuelle Mensch in eine CAD-Umgebung positioniert,die in Raum und Design exakt dem späteren Fahrzeug entspricht. Dies ist die Grundlagefür präzise Analysen. Um das Fahrzeug für die gesamte physische Bandbreite derspäteren Nutzer auszulegen arbeiten einige anthropometrische Modelle mit einerspäteren Nutzer auszulegen, arbeiten einige anthropometrische Modelle mit einerflexiblen Skalierung und können ggf. auch zwischen männlichen und weiblichenProportionen wechseln.

Die Einordnung der Körpergröße geschieht dabei auf Basis sogenannter Perzentile.Beispiel: wenn bei der Beinlänge von Männern das 5. Perzentil 964 mm beträgt, dannheißt das: 5% aller Männer haben eine Beinlänge von höchstens 964 mm.

Aufgabenspezifische Körperhaltungen und einzelne Bewegungsabläufe werden beiAufgabenspezifische Körperhaltungen und einzelne Bewegungsabläufe werden beiExperimenten mit Mensch-Modellen automatisch berechnet. Dabei kann der Anwenderdas Fahrzeuginnere auch aus der Perspektive des Mensch-Modells betrachten. So lässtsich die Sicht nach außen und auf jedes einzelne Instrument optimal beurteilen.

Eine Flugsimulation stellt den Flug in einem Flugzeug oder Raumschiffwirklichkeitsgetreu nach. Flugsimulationen sind ursprünglich zur Ausbildung derBesatzungen entwickelt worden, mit Einführung der Heimcomputer und Personal-Computer sind aber auch Programme entstanden, die jedermann zugänglich sind und biszu einem gewissen Grad in der Lage sind eine durchaus realistische Nachbildung eineszu einem gewissen Grad in der Lage sind, eine durchaus realistische Nachbildung einesrealen Flugzeugs zu vermitteln.

Analog zu den Flugsimulatoren existieren Fahrsimulatoren, welche mit Hilfe von virtuellenBildschirmlandschaften und realitätsgetreu nachgebauten Führerständen vonVerkehrsmitteln die Fahrt eines bestimmten Fahrzeugs simulieren können. Die Nutzungerfolgt vor allem für Schulungszwecke in der Blaulicht-/ Einsatzfahrt, für Bahn- und U-Bahnsysteme sowie in der Verkehrserziehung Eine weitere wichtige Nutzungsart vorBahnsysteme sowie in der Verkehrserziehung. Eine weitere wichtige Nutzungsart vorallem von Auto-Fahrsimulationen, welche in der Regel in der Integration eines echtenFahrzeugs in eine CAVE oder vor eine Projektionswand bestehen, liegt in der Forschung.Nicht nur zu Usability-Tests oder Ergonomieuntersuchungen, sondern auch zuExperimenten mit Fokus auf allgemeinen psychischen Verhaltensweisen (z.B.Konzentrationsfähigkeit, Reizaufnahme etc.).

Eine Zugsimulation stellt die Fahrt eines Zuges oder anderer streckengebundenerFahrzeuge der Eisenbahn wirklichkeitsgetreu nach. Zugsimulationen dienen derAusbildung von Lokführern parallel zur Praxis im Lokstand und werden in der Forschungund Entwicklung von Triebfahrzeugen der Industrie eingesetzt. Für Heimcomputer sindauch viele Programme entwickelt worden die allerdings primär Unterhaltungszweckenauch viele Programme entwickelt worden, die allerdings primär Unterhaltungszweckendienen und zu den Computerspielen zählen.

Mehr Informationen zu DISCUSS und SPEAK Modellen finden Sie im Buch „Informationdistribution, participation, and group decision: Explorations with the DISCUSS andSPEAK models“ von G. Strasser (siehe Quellenangaben auf Folie 8-39).

System Dynamics (SD) oder Systemdynamik ist eine von Jay W. Forrester an der SloanSchool of Management des MIT entwickelte Methodik zur ganzheitlichen Analyse und(Modell-)Simulation komplexer und dynamischer Systeme.

Anwendung findet sie insbesondere im sozio-ökonomischen Bereich. So können dieA i k M t E t h id f di S t t kt d dAuswirkungen von Management-Entscheidungen auf die Systemstruktur und dasSystemverhalten (beispielsweise den Unternehmenserfolg) simuliert undHandlungsempfehlungen abgeleitet werden. In der Praxis findet die Methodikinsbesondere bei der Gestaltung von Lernlaboren und der Hinterlegung von BalancedScorecards mit Strategy Maps Verwendung. Kennzeichnend für SD ist die Identifikationund Untersuchung in sich geschlossener Wirkungsketten (engl.: feedback loops).Unterschieden werden dabei Loops mit positiven (reinforcing loops) und negativen(balancing loops) Polaritäten.

Die Darstellung in Flussdiagrammen und deren Simulation ermöglicht tieferesSystemverständnis. Lager (Stocks) und Raten (Flows) dienen dabei zur Beschreibungder Systemzusammenhänge und zeigen, wie die Wirkungsketten zum nicht-linearen undkontraintuitiven Verhalten von Systemen führen. Spezielle Software wie CONSIDEO,iThink/STELLA, DYNAMO, Vensim oder Powersim ermöglichen die Simulation deruntersuchten Fragestellungen Die Simulation unterschiedlicher Szenarien (Runs) fördertuntersuchten Fragestellungen. Die Simulation unterschiedlicher Szenarien (Runs) fördertdas Verständnis für das Systemverhalten im Zeitverlauf.

Die Materialflusssimulation ist eine Simulation in Zusammenhang mit logistischenSystemen. Sie findet Anwendung in Produktions- und Montageprozessen, in Lagern,Förderanlagen, Werkstätten, Distributionszentren, Flughäfen etc.

Neue Produktionsanlagen werden mit Hilfe eines Simulationsmodells auf Durchsatz,ausreichende Dimensionierungen, Durchlaufzeiten, Leistungsgrenzen, Störeinflüsse,Personalbedarf und sonstige Planungsparameter hin überprüft. Zudem könnenverschiedene Alternativen bewertet und miteinander verglichen werden.

Vorhandene Anlagen werden im Ist-Zustand abgebildet und durch gezielte Modifikationeninnerhalb des Modells optimiert. So kann z.B. der Einsatz einer anderenSteuerungsstrategie zu einem höheren Durchsatz führen.

Unter der Supply Chain (Wertschöpfungskette; auch logistische Kette, Lieferkette) wird inder Systematik des Betriebsprozesses der Weg eines Produktes oder einerDienstleistung bis zum Verbraucher mitsamt der in jeder Stufe erfolgten Wertsteigerung(Mehrwert) bezeichnet.

Erstmals wurde die Idee und Konzeption der Wertschöpfungskette von demWirtschaftswissenschaftler Michael E. Porter 1985 in seinem Buch „CompetitiveAdvantage“ vorgestellt. Seitdem gehört sie zum Standardrepertoire derWirtschaftswissenschaften.

In „Sim City“ hat der Spieler eine vordefinierte oder nach eigenen Vorstellungenentworfene Landschaft vor sich, auf welcher sich nach Erstellung der Infrastruktur(Straßen, Schienen, öffentlicher Verkehr, Stromversorgung, Wasserversorgung,Müllentsorgung, Bildungs- und Gesundheitseinrichtungen, Polizei- und Feuerwachen,Flughäfen Häfen usw ) sowie dem Ausweisen von Bebauungsflächen (UnterscheidungFlughäfen, Häfen usw.) sowie dem Ausweisen von Bebauungsflächen (Unterscheidungzwischen Wohn-, Gewerbe-, und Industrie- bzw. Agrargebiet) eine Stadt entwickeln kann.

Second Life (deutsch: Zweites Leben) ist eine Online-3D-Infrastruktur für von Benutzerngestaltete virtuelle Welten, in der Menschen durch Avatare interagieren, spielen, Handelbetreiben und anderweitig kommunizieren können. Das seit 2003 online verfügbareSystem hat inzwischen mehr als elf Millionen registrierte Benutzerkonten, über die rundSystem hat inzwischen mehr als elf Millionen registrierte Benutzerkonten, über die rundum die Uhr bis zu 80.000 Nutzer gleichzeitig in das System eingeloggt sind.

statisch vs. dynamisch:

Statische Systeme zeigen ohne Einflüsse von außen sowohl auf der Makroebene als auch auf derMikroebene keine Veränderungen. Dynamische Systeme sind auf der Mikroebene dauerndenVeränderungen unterworfen, können aber zumindest zeitweise auf der Makroebene einenstationären Zustand einnehmen. Ob ein System als statisch oder dynamisch betrachtet wird, hängtstationären Zustand einnehmen. Ob ein System als statisch oder dynamisch betrachtet wird, hängtvom Zeitmaßstab und von der Zeitdauer der Beobachtung des Systems ab.

instationär vs. stationär:

Instationäre Modelle folgen im Zeitablauf keinem konstanten Zustand wohingegen stationäreSysteme einem gleichbleibenden Zustand zustreben.

linear vs. nichtlinear:

Bei einem linearen Modell liegt eine Proportionalität zwischen Ein- und Ausgangsgröße vor, d.h. esunterliegt einer direkten Skalierbarkeit. Dies ist bei einem nichtlinearen Modell nicht oder nur inTeilbereichen der Fall.

kontinuierliche Zustände vs. diskrete Zustände:

Modelle mit kontinuierlichen Zustände können unendliche viele verschiedene Zustände annehmen,Modelle mit diskreten Zuständen nur endlich viele Zustände.

vom Zeittakt getrieben vs. von Ereignissen getrieben:

Di Z t d ä d t t b i i Z itt kt t i b M d ll i Z d Z itt kt fDie Zustandsänderungen treten bei einem Zeittakt getriebenen Modell im Zuge der Zeittakte auf,bei einem von Ereignissen getriebenen Modell aufgrund eintretender Ereignisse, d.h. dieZustandsänderungen sind im ersten Fall temporal, im zweiten Fall kausal.

deterministisch vs. stochastisch:

Grundlage eines deterministischen Modells ist, dass alle Ereignisse nach feststehenden Gesetzenverarbeitet werden und sie durch diese vollständig bestimmt bzw. determiniert sind. Demnach sindkeine neuen und unbekannten Zustände aufgrund zufälliger Ereignisse möglich. Grundbestandteilstochastischer Modelle hingegen ist die Annahme von Einflüssen, die auf Zufall undWahrscheinlichkeiten basieren.

zeitdiskret vs. zeitkontinuierlich:

Im Unterschied zur diskreten Modellen werden bei kontinuierlichen Modellen pro Zeitintervallunendlich viele Zustände betrachtet.