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Main Title: Beitrag zur Einarbeitung in ereignisdiskrete Simulation zur Neu- und Umplanung von Materialflusssystemen
Translated Title: Contribution to the introduction into discrete-event simulation for the new- and re-planning of material flow systems
Author(s): Schumacher, Bastian Clemens
Advisor(s): Seliger, Günther
Referee(s): Seliger, Günther
Ivanov, Dmitry
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: Die vorliegende Arbeit zeigt Wege auf, wie Studierende in handelsübliche flexible ereignisdiskrete Simulationsinstrumente zur Durchführung von Simulationsstudien im Anwendungsbereich der Neu- und Umplanung von Materialflüssen eingearbeitet werden können. Materialflüsse in Produktionssystemen werden durch Informationsflüsse gesteuert. Eine Vielzahl an Elementen wie Produkte, Maschinen oder Betriebsmittel des Materialflusses und Relationen wie Rückflüsse und mehrere mögliche Nachfolger führen schnell zu einer hohen Kompliziertheit. Dynamische und stochastische Effekte bei der Förderung, Handhabung, Lagerung und Be- und Entladung führen zu komplexen Problemen bei der Planung. Planer von Materialflusssystemen müssen in diesem Umfeld Entscheidungen mit Blick auf eine hohe Wirtschaftlichkeit und Zuverlässigkeit treffen. Simulationsstudien, die unter Nutzung eines ereignisdiskreten Simulationsinstruments durchgeführt werden, können die Planer von Materialflusssystemen dabei unterstützen. Fehlentscheidungen lassen sich so frühzeitig erkennen und korrigieren. Planungsprojekte werden in der Folge oft schneller abgeschlossen und Fehlinvestitionen vermieden. Chancen von Simulationsstudien könnten stärker genutzt werden. Häufig haben die Planer von Materialflusssystemen keine Erfahrung in der Durchführung von Simulationsstudien. Besonders die Abstraktion durch Reduktion im Sinne des Verzichts auf die Abbildung von Details oder Idealisierung im Sinne der Vereinfachung realer Gegebenheiten sowie die Interpretation von Simulationsergebnissen erfordern Erfahrung. Weiterhin setzt die Anwendung von komplizierten Simulationsinstrumenten eine Schulung voraus, die Planer von Materialflusssystemen häufig nicht erhielten. Der Wissenserwerb über Bausteine mit innerer Ablauflogik und Objekte ohne innere Ablauflogik durch deren mehrmalige exemplarische Anwendung sowie die Einarbeitung in die Syntax und Semantik von Programmiersprachen zur Implementierung von Simulationsmodellen stehen hier im Fokus. Neuartige Lehr- und Lernmethoden haben das Potenzial, die Produktivität des Lehrens und Lernens bei der Durchführung von Simulationsstudien zu erhöhen. Sie ermöglichen eine Entwicklung vom Frontalunterricht hin zu einer orts- und zeitunabhängigen Instruktion mit interaktiven Inhalten. Die Vorteile der effektiven Nutzung von Lizenzen für Software, der hohen Verfügbarkeit und Skalierbarkeit lassen sich durch digitale Ansätze der Instruktion ausschöpfen. Sie fördern die Gruppenarbeit. Studierende stehen im Fokus der Entwicklungen. Die in dieser Arbeit entwickelte Lernumgebung entsteht durch die Anwendung eines Vorgehens zur schrittweisen Einarbeitung in die Nutzung von Bausteinen und Objekten, einer visuellen blockbasierten Programmiersprache zur Implementierung von Simulationsmodellen sowie eines Vorgehens zur praxisnahen Einarbeitung in die Durchführung von Simulationsstudien. Sogenannte inkrementell komplizierter werdende Simulationsmodelle (IKS) ermöglichen die Einarbeitung des Lernenden in die Bausteine und Objekte und in den grafisch-interaktiven Modellaufbau. In schrittweise komplizierter werdenden Lerneinheiten werden an den Lernenden immer neue Aufgaben gestellt, zu deren Lösung er vorher unbekannte Objekte und Bausteine anwenden muss. In der visuellen blockbasierten Programmiersprache zur Implementierung von Simulationsmodellen (VBPIS) sind die grafischen Eigenschaften von visuellen blockbasierten Programmiersprachen mit den Funktionen von Programmiersprachen zur Implementierung von Simulationsmodellen kombiniert. Die VBPIS unterstützt das Erlernen von Syntax und Semantik von Programmiersprachen zur Implementierung von Simulationsmodellen. IKS und VBPIS sind mit Elementen des Spielens gestaltet. Bei Spielelementen handelt es sich um motivationsförderliche Anreizmechanismen wie sogenannte Level, Abzeichen oder Punkte. Die Spielelemente motivieren den Spieler zu einer häufigen Interaktion mit der Lernumgebung und ermöglichen ein unmittelbares Feedback. Die IKS und VBPIS sind in einer mobilen App gestaltet. Die App ermöglicht einen orts- und zeitunabhängigen sowie kostengünstigen Zugriff und eine hohe Verfügbarkeit von IKS und VBPIS. Am Beispiel des kommerziell verfügbaren Simulationsinstruments Tecnomatix Plant Simulation ist die prototypische App Production Simulation Application (PSIMA) partiell implementiert worden. Es wurde gezeigt, dass Studierende PSIMA mehrmals in kurzen Zeitabständen begleitend zur Lehrveranstaltung nutzten. Sie wurden in die Bedienung des ereignisdiskreten Simulationsinstruments eingearbeitet. Zur praxisnahen Einarbeitung in die Durchführung von Simulationsstudien wurde das Vorgehen zum erfahrungsbasierten Erlernen der Durchführung von Simulationsstudien (EEDS) entwickelt. Bei diesem Vorgehen dient eine sogenannte Lernfabrik den Studierenden zur vollständigen Durchführung einer Simulationsstudie von der Datenaufnahme und Abstraktion über den Modellaufbau und das Experimentieren hin zur Ergebnisanalyse. Dabei erkannte Verbesserungen werden in der Lernfabrik vorgenommen. Mehrere Stationen, ein veränderlicher Aufbau, ein didaktischer Ansatz, die Herstellung eines physischen Produkts und realitätsnahe Prozesse kennzeichnen solch eine Lernfabrik. Die Erprobung des Vorgehens zum EEDS zeigte, dass Studierende die Bedeutung der Abstraktion und Ergebnisinterpretation bei der Durchführung von Simulationsstudien in einer realitätsnahen Umgebung erfahren. Am Beispiel der Gestaltung des Materialflusses im Nacharbeitsbereich einer Montagelinie für Motoren wird illustriert, dass PSIMA im industriellen Einsatz „Training on the Job“ unterstützt. Am Beispiel eines Materialflusses im Gasturbinenbau werden Perspektiven eröffnet, wie die Lernumgebung hin zu einer mobilen App zur Analyse von Materialflüssen weiterentwickelt werden kann. Der Beitrag der Lernumgebung zur hohen Qualität der Planung wird auf Basis der materialflusstechnischen Anwendungen diskutiert.
This thesis shows pathways how students can be familiarized with commercial flexible discrete-event simulation tools for executing simulation studies for the planning and re-planning of material flow systems. Information flows in production systems control material flows. A high number of elements such as products, machines or equipment for material flow and relations such as reverse flows and more than one possible successor leads soon to a high complexity. Dynamic and stochastic effects during transport, handling storage and (un-)loading lead to complex planning problems. In this area, material flow systems planners need to take decisions considering a high profitability and reliability. Simulation studies which are conducted by means of a discrete-event simulation tool can support planners in decision making. Wrong decisions can be recognized earlier and be corrected. As a result, the duration of planning projects can be decreased and investments based on wrong planning can be avoided. Chances of simulation studies could be exploited more intensive. Often the planners of material flow systems have no experience in conducting simulation studies. Particularly, the abstraction through reduction in the sense of omission of unimportant details or idealizations in the sense of simplification of indispensable details requires experience. The application of complicated simulation tools requires training, which planners have often not experienced. The knowledge gain of building blocks with internal structural logic and objects without internal structural logic through repeated exemplary application as well as the familiarization with the syntax and semantics of programming language for the implementation of simulation models is focused. New methods of learning and teaching have the potential to increase the productivity of teaching and learning during the conduction of simulation studies. They enable the development from teacher-centered instruction to an instruction with interactive contents regardless of time and place. Advantages such as the effective utilization of licenses and the high availability and scalability can be exploited through digital approaches of instruction. They foster group work. Students are focused in this work. The learning environment developed in this thesis emerges from a methodology for short and selfcontained learning units, that build upon each other to introduce the learner into the use of building blocks and objects, a visual block-based programming language for the implementation of simulation models and a procedure for the practical introduction to conduct simulation studies. The so-called self-contained learning units that build upon each other (IKS) enable the introduction of the learner in the building blocks and objects as well as the graphical-interactive model formalization. In IKS the learner must solve tasks that require the usage of previously unknown building blocks and objects. The visual block-based programming language (VBPIS) combines the graphical properties of visual block-based programming languages with functions of programming languages for the implementation of simulation models. The VBPIS supports the learning of syntax and semantic of programming languages for the implementation of simulation models. IKS and VBPIS are shaped through game elements. Game elements are motivation conducive incentive mechanisms such as so-called levels, badges and points. Game elements motivate the learners to a frequent interaction with the learning environment and enable immediate feedback. IKS and VBPIS are part of a mobile App. The App has a high availability and enables a cheap interaction with IKS and VBPIS regardless of time and place. The App Production Simulation Application (PSIMA) was prototypical implemented on the example of the commercially available simulation tool Tecnomatix Plant Simulation. It was shown that students used PSIMA repeatedly in short intervals beyond a teaching course. They have been introduced into the application of a discrete-event simulation tool. For the practical introduction into the execution of simulation studies the procedure for experiential learning to conduct simulation studies (EEDS) was developed. A so-called learning factory enables learners to completely execute a simulation study. These studies start with the definition of goals, data collection and preparation, and then range from abstraction and modeling, the experimentation with the digital model to the interpretation of results. Identified improvements are implemented in the learning factory. A learning factory comprises more than one station, a changeable setting, a didactic approach, the production of a physical product and realistic processes. In tests of the EEDS procedure it was found out that students experienced the meaning of the abstraction and result interpretation during the conduction of the simulation study in a realistic environment. On the example of the material flow in a rework area of an assembly line for engines it is illustrated that PSIMA supports training on the job in industrial environments. On the example of the material flow in gas turbine manufacturing perspectives are given, how the learning environment can be further developed towards a mobile App for the analysis of material flows. The contribution of the learning environment to a high-quality planning is discussed based on the material flow technical applications.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/10686
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-9586
Exam Date: 12-Dec-2019
Issue Date: 2020
Date Available: 11-Feb-2020
DDC Class: 629 Andere Fachrichtungen der Ingenieurwissenschaften
Subject(s): ereignisdiskrete Simulation
Lernumgebung
Ablaufsimulation
discrete-event simulation
learning environment
gamification
DES
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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