Verteilte Simulation und Emulation von dezentral gesteuerten Materialflusssystemen
Final Report Abstract
Dezentrale Steuerungskonzepte gewinnen in einem von Dynamik und Komplexität Logistikumfeld zunehmend an Bedeutung. Steuerungssysteme, welche die von Vielschichtigkeit und Variabilität geprägten innerbetrieblichen Materialflussprozesse lenken, sind daher in Forschung und Industrie von hohem Interesse. Kombiniert mit Hardware-Technologien wie RFID können Materialflusssysteme realisiert werden, die eine hohe Leistungsfähigkeit und ein hohes Adaptivitätsmaß in Hinblick auf veränderte Anforderungen innerhalb eines Materialflusssystems gewährleisten. Die Beurteilung der Funktions-und Leistungsfähigkeit solcher dezentraler Steuerungssysteme erfordert den Einsatz computergestützter Simulation. Zur Ableitung praxistauglicher Ergebnisse ist dabei eine adäquate Abbildung der Realität im Simulationsmodell unverzichtbar. Gerade die dezentralen Steuerungskonzepte versprechen jedoch insbesondere bei von Komplexität geprägten Materialflusssystemen Vorteile. Die entsprechenden Simulationsmodelle weisen häufig lange Laufzeiten auf. Problematisch ist dies aufgrund des Sachverhaltes, dass zur Implementierung und Verbesserung dezentraler Steuerungssysteme eine Vielzahl von voneinander abhängigen Simulationsexperimenten erforderlich ist. Darüber hinaus stellen aufwändige Simulationsmodelle hohe Anforderungen an die Hardwareressourcen des ausführenden Rechners. Durch die Nutzung von verteilter Rechenleistung stellt die verteilte Simulation einen Lösungsansatz zur Beschleunigung der Simulationsausführung und Verteilung eines Simulationsmodells auf die Hardwareressourcen mehrerer Rechner dar. Das Ziel der Forschungsprojektes lag in der Untersuchung der Leistungsfähigkeit und Praxistauglichkeit des Einsatzes verteilter Simulation und Emulation multiagentenbasierter Materialflusssysteme unter Verwendung eines kommerziellen Materialflusssimulators. Zur Evaluationszwecken sollte hierzu ein Framework geschaffen werden, dass als ein System aus interagierenden Softwarekomponenten die Durchführung der verteilten Simulation und Emulation unterstützt, ohne die Details des Simulationsmodells und dessen Struktur vorzugeben. Das entwickelte Framework ermöglicht einerseits die Durchführung umfangreicher Experimente zur Untersuchung der Leistungsfähigkeit der verteilten Simulation und Emulation. Die bei der Realisierung dieser Umgebung gewonnen Erkenntnisse lassen andererseits qualifizierte Aussagen zur Praxistauglichkeit der verteilten Simulation und Emulation in der betrachteten Anwendungsdomäne zu. In Hinblick auf Nutzung der verteilten Simulation und Emulation in der industriellen Praxis können die mit der Verteilung eines Simulationsmodells auf mehrere Rechner verbundenen Aufwände problematisch sein. Durch das hier entwickelte Framework sind diese Aufwände bei der Verwendung des Materialflusssimulators AutoMod aufgrund einer weitestgehenden Automatisierung gering. Kommt ein anderer Materialflusssimulator zum Einsatz, sind die Simulationsmodelle derart anzupassen, dass sie unter Verwendung des Synchronisationsverfahrens in der verteilten Simulation oder Emulation eingesetzt werden können. Dies kann abhängig vom verwendeten Simulationswerkzeug zu größeren Aufwänden führen. Darüber hinaus können fachliche Gründe die Notwendigkeit von Anpassungen des Frameworks nach sich ziehen. Beispiele hierzu sind die Anpassung der statischen verhaltensbasierten Partitionierung oder der zwischen den logischen Prozessen auszutauschenden Nachrichtentypen. Solche fachlichen Anpassungen können aber ausgehend von einem bereits existierenden Framework mit überschaubarem Aufwand durchgeführt werden. Insgesamt ist in Hinblick auf die Leistungsfähigkeit der verteilten Simulation und Emulation in der Anwendungsdomäne der multiagentenbasierten Materialflusssysteme zu konstatieren, dass bei einer Klasse von Simulationsmodellen durchaus ein hohes Potenzial für die Erreichung eines guten Speedup erzielbar ist. Welche Eigenschaften die Simulationsmodelle dieser Klasse erfüllen müssen, wurde in dem Forschungsprojekt herausgearbeitet. Deutlich wurde im Rahmen der Evaluation auch, dass die verteilte Simulation teils zu einer deutlichen Abnahme der Ausführungsgeschwindigkeit führen kann. Somit bleibt in der Praxis anhand der Eigenschaften eines Simulationsmodells abzuwägen, ob die mit der Verteilung des Simulationsmodells einhergehenden Aufwände nutzbringend sind. Die in dem Forschungsprojekt erarbeiteten Lösungselemente für ein Framework zur verteilten Simulation und Emulation multiagentenbasierter Materialflusssysteme umfassen die Entwicklung und Beschreibung eines optimierten Synchronisationsverfahrens, eines für die multiagentenbasierte Materialflussmodelle angepassten Partitionierungsverfahrens, eines Verfahrens für die Durchführung beschleunigter Emulation, einer Kommunikationsinfrastruktur für die verteilte Simulation und Emulation sowie von Anforderungen an das Framework für die verteilte Simulation und Emulation. Das Framework wurde schließlich zur Evaluation der Leistungsfähigkeit der verteilten Simulation und Emulation eingesetzt. Es erlaubt ausgehend von einem Simulationsmodell, das ein Materialflusssystem auf Basis von Förderstrecken abbildet, eine parametrierbare, automatische Partitionierung in eine vorgegebene Anzahl von Teilmodellen, das parametrierbare Einfügen von multiagentenbasierter Steuerungslogik und für die verteilte Simulation notwendiger Synchronisationslogik, eine Skript-gesteuerte Bereitstellung der Teilmodelle auf den an der verteilten Simulation beteiligten Rechnerknoten, sowie eine Skript-gesteuerte Erfassung und Verdichtung der Simulationsergebnisse der einzelnen Rechnerknoten. Bestandteil des Frameworks ist eine Middleware, die zur Nachrichtenübertragung zwischen den an einer verteilten Simulation bzw. Emulation beteiligten Instanzen realisiert wurde. Darüber hinaus wurde zur Durchführung von Versuchsläufen für die Emulation ein multiagentenbasiertes Steuerungssystem auf Basis des Agentenframeworks JADE (Java Agent Development Framework) implementiert, das zur Erhaltung der Vergleichbarkeit zwischen Simulation und Emulation die gleiche Steuerungslogik enthält, wie sie in den betrachteten Simulationsmodellen zum Einsatz kam. Mit der Schaffung eines Frameworks zur Durchführung verteilter Simulation und Emulation für multiagentenbasierte Materialflusssysteme steht damit erstmals eine Umgebung zur Verfügung, die eine weitestgehende Automatisierung der in Zusammenhang mit der Verteilung eines entsprechenden Simulationsmodells einhergehenden Arbeitsschritte erlaubt.
Publications
- (2010): Modellierung von multiagentenbasierten Materialflusssystemen für die verteilte Simulation. In: Zülch, G.; Stock, P.: Integrationsaspekte der Simulation: Technik, Organisation und Personal, KIT Scientific Publishing, ISBN 978-3-86644-558-1
ten Hompel, M.; Daniluk, D.
- (2010): Simulation und Emulation im Internet der Dinge. In: Günthner, W.; ten Hompel, M.: Internet der Dinge in der Intralogistik, Springer-Verlag, Berlin, ISBN 978-3-642-04895-1
Daniluk, D.; Chisu, R.
- (2012): Simulation und Emulation im Internet der Dinge. In: Pradel, U.-H.; Süssguth, H.; Piontek, J.; Schwolgin, A.F. (Hrsg.): Praxishandbuch Logistik, Wolters Kluwer, Köln, 48. Ergänzungslieferung
Daniluk, D.
