Peter Lorenz German smaller fonts Simulation und Animation

1.4. S&A an der Universität Magdeburg At Work

Simulation und Animation, im folgenden meist durch S&A abgekürzt, wurden an der Universität Magdeburg benutzt und vorangebracht, seitdem die technischen Voraussetzungen, die Computer, dafür verfügbar waren. In diesem Abschnitt werden Fakten aus der Geschichte von S&A an der Universität Magdeburg zusammengetragen.

S&A-Geschichte an der Universität Magdeburg Top Line

Simulationen zählten seit der Erfindung der Computer zu deren ersten, aufsehenerregenden Aufgaben. So lag es nahe, dass an der damaligen Hochschule für Schwermaschinenbau in Magdeburg die ersten verfügbaren Computer auch für Simulationsanwendungen genutzt wurden.

Analogrechner zur kontinuierlichen Simulation

In den fünfziger und den frühen sechziger Jahren waren Analogrechner und Digitalrechner zwei gleichrangige Klassen von Rechnern. Analogrechner sind heute fast in Vergessenheit geraten. Sie beruhten auf der Grundidee, Werte von Variablen nicht numerisch, sondern durch physikalische Äquivalenzgrößen nachzubilden. Überwiegend wurden elektrische Spannungen benutzt, um Zahlenwerte darzustellen. Arithmetische Operationen wurden durch Schaltung elektrischer Leitungen, durch Widerstände und andere elektrotechnische Bauelemente dargestellt. Analogrechner waren im Vergleich zu damaligen Digitalrechnern extrem schnell, aber ziemlich ungenau. Es war schwer, eine Genauigkeit von mehr als drei Dezimalstellen zu erreichen. Dennoch konnten mit Rechnern dieser Klasse viele praktisch bedeutende Aufgaben, vorwiegend aus dem Bereich der kontinuierlichen Modellierung und Simulation, gelöst werden.

Lehrveranstaltung Diskrete Simulation Top Line

Die erste Lehrveranstaltung zur diskreten Simulation wurde 1973 für Studenten der Informationsverarbeitung angeboten und später auch im Postgradualstudium Informatik weitergeführt.
Der Inhalt entsprach dem Verständnis dieser Zeit: Zufallszahlengeneratoren, die Monte-Carlo-Methode und schließlich ALGOL- oder FORTRAN-Modelle für Bedienungssysteme standen im Mittelpunkt. Das änderte sich schon 1974, als ein diskretes Simulationssystem mit dem Namen SIMDIS verfügbar wurde.

SIMDIS:GPSS für ESER und Lehrbuch Top Line

SIMDIS (SIMulation DISkreter Systeme) ist ein Simulationssystem der GPSS-Sprachfamilie. Es wurde unter Leitung von F. Preuß vom VEB Robotron Dresden entwickelt und lief unter den beiden Mainframe-Betriebssystemen DOS und OS/360. Diese Betriebssysteme dominierten die Mainframe-Welt der sozialistischen Staaten, in denen das IBM-kompatible ESER (Einheitssystem Elektronischer Rechentechnik) verbreitet war.
SIMDIS vereinfachte die Modellbildung und die Experimentorganisation so nachdrücklich, dass es möglich wurde, Modelle mit praktisch relevanter Größenordnung und Kompliziertheit in die Lehre einzubeziehen und Simulationsstudien zur Unterstützung von Planungsproblemen der Industrie zu bearbeiten. SIMDIS wurde zum wichtigsten Werkzeug für die Lehrveranstaltung Diskrete Simulation.

Das Lehrbuch

Lehrbuch Frank/Lorenz

von Martin Frank und Peter Lorenz VEB Fachbuchverlag Leipzig 1979 verband eine allgemeine Einführung in die diskrete Simulation mit einer Vorstellung der Sprache und des Systems SIMDIS. Es diente jahrelang als Grundlage von Lehrveranstaltungen zur diskreten Simulation.

Das Standardlehrbuch zur Simulation mit GPSS, Tom Schibers Simulation Using GPSS, stand damals nur in folgender Version zur Verfügung:

Schriber's GPSS-Book

Bild: Russischsprachige Ausgabe eines Standardwerks zur diskreten Simulation

Mechanische und Elektromechanische Modelle Top Line

Am Institut für Fördertechnik wurde unter Leitung von Dietrich Ziems Mitte der siebziger Jahre begonnen, die Logistikausbildung von Maschinenbaustudenten durch mechanische und elektromechanische Modelle zu unterstützen. Im folgenden Bild wird eine kreisförmige, drehbare Scheibe gezeigt, mit der ein Kreisförderer nachgebildet wird. In einem Praktikum zum Studium des Verhaltens fördertechnischer Systeme wurden Durchsätze und Belastung des Förderers, die Warteschlangen an den Aufgabeorten und die Wartezeiten der Senken bei unterschiedlicher Kapazität von Pufferspeichern an Quellen und Senken untersucht.

Kreisförderer

Bild: Mechanisches Modell eines Kreisförderers
(mit Genehmigung von D. Ziems)

Auch die unten gezeigte Spielzeugeisenbahn diente als Modell eines geführten Flurfördersystems. Die Fahrzeuge konnten an Lesestellen identifiziert werden und schalteten sich beim Auffahren auf ein Stauende und beim Warten in einer Warteschlange selbsttätig ab. Das elektromechanische Modell war hier bereits mit einem Mikrorechner gekoppelt, der die Steuerung des Systems (Weichensteuerung, Aufenthaltszeit an Ent- und Beladepunkten) übernahm.

Eisenbahn

Bild: Elektromechanisches Modell eines Fördersystems
(mit Genehmigung von D. Ziems)

Animation auf alphanumerischen und Rasterdisplays Top Line

Das TSO-Timesharing-System war eines der ersten Softwaresysteme, mit dem der Closed-Shop-Betrieb überwunden und mit interaktiver Rechnernutzung begonnen werden konnte.
Um das Vertrauen des Auftraggebers einer Simulationsstudie in die erzielten Resultate zu gewinnen und um die Resultate anschaulicher zu präsentieren, wurden die ersten verfügbaren Bildschirmdisplays für die Visualizierung simulierter Prozesse benutzt. Die Alphamosaikgraphik am TSO-Terminal eines Mainframe mußte bei einer Auflösung von 12*80 Zeichen dazu ausreichen, von Kranen ausgeführte Transportprozesse in einer Blechbeizerei darzustellen.

TSO-Kran

Bild: Transportprozesse in einer Blechbeizerei auf 12-zeiligem alphanumerischen Screen

Die Animation war Teil eines interaktiven Experimentierrahmens, mit dem Eingangsdaten für ein Experiment erfaßt, Simulationen ausgeführt, Resultatdaten gesammelt, ausgewertet, dargestellt sowie Animationen präsentiert werden konnten.

Die unbefriedigende Abhängigkeit von den Zufälligkeiten von Multi-User- und Timesharingbetrieb führte für diese und andere Applikationen bald zu anderen Lösungen. Eine dieser Lösungen war die Nutzung des ersten Rasterdisplays, eines Schwarz-Weiß-Fernsehbildschirms, als Ausgabegerät eines Rechners der Klasse PDP11 für eine Post-Run-Animation. Das folgende Bild bezieht sich auf dieselbe Anwendung wie das vorige Bild: Transportprozesse in einer Blechbeizerei. Die Darstellungsqualität der Animation hat hier schon eine neue Stufe erreicht. Die Animation wurde mit einem an der TUMD von Peter Nowak entwickelten Animationssystem auf FORTRAN-Basis ausgeführt, in dem alle Basisfunktionen der Animation implementiert waren.

Rasterdisplay

Bild: Krantransporte auf einem Rasterdisplay

Animation mit KC85 Top Line

Seit 1986 war an der damaligen TH Magdeburg der 8-Bit-Rechner KC85 verfügbar, der den Farbbildschirm eines Fernsehgerätes als Rasterdisplay benutzte. Das folgende Bild ist ein Schnappschuß des Blechbeizerei-Modells auf Basis eines speziellen Animationsprogramms für KC85.

Rasterdisplay

Bild: Krantransporte auf einem Farb-Rasterdisplay

Der KC85 wurde auch ausgiebig dazu benutzt, die Lehrveranstaltung Diskrete Simulation mit bewegten Bildern zu unterstützen. Die folgende Bildserie stellt Schnappschüsse aus Animationen zu verschiedenen Abschnitten dieser Lehrveranstaltung vor.

Bild: Monte-Carlo-Integration

Durch zufälliges Einstreuen von Punkten in eine recheckige Fläche und Auszählen der Treffer in einer darin enthaltenen Teilfläche gewinnt man einen Schätzwert für deren gesuchten Inhalt

Monte-Carlo-Methode
Bild: Summe zweier Zufallsgrößen
Durch Addtition zweier diskret gleichverteilter Zufallgrößen, der Würfelresultate, ergibt sich eine Binomialverteilung
Zwei Würfel
Bild: Galtonsches Brett


An jedem Nagel, auf den eine fallende Kugel trifft, entscheidet sich mit einstellbarer Wahrscheinlichkeit, ob die Kugel nach rechts oder links fällt. So entsteht eine Binomialverteilung.

Galtonsches Brett
Bild: Exponentialverteilte Zufallszahlen
Direkte Transformation gleichverteilter Zufallszahlen auf Basis der Umkehrfunktion der Verteilungsfunktion läßt sich gut am Beispiel der Exponentialverteilung demonstrieren
Direkte Transformation
Bild: Neumannsches Transformationsverfahren
Das Neumannsche Verfahren, welches die Dichtefunktion benutzt, wird hier am Beispiel der Normalverteilung demonstriert
Rejektionsverfahren

Abschließend seien noch einige Bilder vorgestellt, die praktische Anwendungen der Simulation unter Einbeziehung von Animationen auf dem KC85 reflektieren.

Bild: Bandverteilanlage zur Kohlebunkerung
nach einem Modell von H.Herper
Das Bild stellt einen Ausschnitt aus einer Förderanlage zur Beschickung von Kohlebunkern eines Kraftwerkes dar. Die Förderbänder sind verfahr- und reversierbar, so dass die Kohle auf die verschiedenen Bunker verteilt werden kann. In diesem Modell wurden kontinuierliche Stoffflüsse mit einem diskreten Simulator nachgebildet. Ziel der Untersuchung war die Entwicklung einer Steuerstrategie, die anhand von Füllstandssensoren die Bunkerbeschickung so organisiert, dass kein Bunker leer läuft und eine möglichst gleichmäßig hohe Bunkerfüllung organisiert wird.
Bunkerbeschickung
Bild: Förderer für den Transport voller und leerer Paletten
nach einem Modell von D. Ziems, F.Buchholz und A. Nitzsche
Auf einem Förderer kreisen Paletten als Werkstückträger. Volle Paletten enthalten Teile, die auf einer von zwei Maschinen zu bearbeiten sind, und laufen kontinuierlich um. Die leeren Paletten kehren zu dem rechts im Bild befindlichen Kreis zurück, wo sie auf Auffüllung warten. Das Modell diente der Erprobung und Demonstration von verschiedenen Ausstattungsvarianten zur permanenten Sicherung der Maschinenversorgung mit Paletten und von Steuerstrategien für die Förderanlage.
Palettentransport
Bilder: Mehrmaschinenbedienungsmodell

nach einem Modell von E.Eurich und A.Scharff
Die beiden Bilder stellen Schnappschüsse aus einem allgemeinen Mehrmaschinenbedienungsmodell vor, dessen Parameter (Anzahlen von Maschinen und Bedienern, Zeiten u.a.) frei einstellbar waren.

Mehrmaschinenbedienung
Verschiedene Teile der Resultatdarstellung waren mit Pull-Down-Menüs auswählbar, die damals individuell programmiert werden mußten. Pull-Down-Menüs

Alle oben wiedergegebenen Bildschirmfotos wurden von H. Herper angefertigt.


Bild: Bildschirmfoto zur Simulation eines Kreisförderers (V. Hinz)

SIMFOR: GPSS auf FORTRAN-Basis Top Line

Bis in die Mitte der siebziger Jahre bestimmten die Mainframes oder Großrechner, die im Closed-Shop-Betrieb in Rechenzentren installiert und dem gewöhnlichen Nutzer nicht zugänglich waren, die Entwicklung der Rechentechnik. Simulationssoftware war hauptsächlich für diese Rechnerklasse entwickelt worden.
Das Monopol der Mainframes wurde seit den siebziger Jahre durch Kleinrechner oder Minicomputer aufgeweicht, die anfangs eine nur ungenügende Softwareausstattung besaßen, aber vielen Nutzern zugänglich waren. Damals war die Entwicklung eines portablen Simulators, der auf Rechnern verschiedener Klassen einsetzbar war, ein wichtiger Beitrag zur Verbreitung der Simulationstechnik.

SIMFOR, ein GPSS-orientierter, auf FORTRAN-Basis implementierter Simulator, wurde Anfang der achtziger Jahre von Rolf Knocke unter Mitwirkung von Karl-Joseph Lohse entwickelt und zur Lösung vieler praktischer Aufgaben eingesetzt. SIMFOR war das erste an der Universität Magdeburg entwickelte Simulationssystem.

Bild: Simulation und Animation einer Einbahnstrecke mit SIMFOR

SIMPC: GPSS auf Pascal-Basis Top Line

Mit der Verbreitung der PC entstand Bedarf für PC-basierte Simulationssoftware. Unter Leitung von Thomas Schulze wurde Ende der achtziger Jahre ein GPSS-basierter Simulator auf Basis von Turbo-Pascal entwickelt. Gegenüber klassischen GPSS-Versionen zeichnete er sich durch eine Reihe von neuen Qualitätseigenschaften aus. Dazu zählen

Das folgende Bild vermittelt einen Eindruck von einer mit SIMPC gestalteten Animation. Aus Performance-Gründen war die Animation auf der Basis von Alphamosaikgraphik implementiert. Auf einem praktisch unendlichen Screen waren Kamerabewegungen möglich.

Bild: Animationsszene auf Basis von SIMPC

Tagungen und Workshops Top Line

Vor 15 Jahren wurde in Magdeburg damit begonnen, Forschung und Lehre zur Simulation in öffentlichen wissenschaftlichen Veranstaltungen zu präsentieren und zu diskutieren.

Aktuelles über S&A an der Universität Magdeburg

Der Lehrstuhl für Simulation wird seit 2001 durch Professor Graham Horton geleitet, auf dessen Web-Seiten man die aktuelle Entwicklung der Simulation an der Universität Magdeburg verfolgen kann.

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Last Modified Tue 03-26-13 16:37 GMT Valid CSS!
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