Entwicklung der Software für diskrete Ereignissimulation

Die Software für die diskrete Ereignissimulation (DES) und die Vorteile, die sie bietet, werden heute in den meisten Branchen eingesetzt, um Geschäftsabläufe zu vereinfachen, Vorhersagen zu treffen und Einblicke in komplexe Prozesse zu gewinnen. Doch bevor moderne Simulationssoftware wie Simio zur Erstellung glänzender Modelle und zur Durchführung von Echtzeitsimulationen eingesetzt werden konnte, gab es frühere Technologien, die die Grundlage für moderne Simulationssoftware bildeten. Wie Sie sich wahrscheinlich denken können, steckt hinter der Entwicklung der Simulationssoftware eine Geschichte, die heute erzählt wird.

Um diese Geschichte korrekt zu erzählen, muss die Entwicklung in chronologischer Reihenfolge geordnet werden. Die traditionelle Reihenfolge, die heute verwendet wird, ist die von R.E. Nance 1995 skizzierte Reihenfolge. Diese chronologische Reihenfolge wird hier verwendet, allerdings mit leichten Änderungen, um den frühesten Erinnerungen an Simulationssoftware und den aktuellen Fortschritten Rechnung zu tragen. Der Grund dafür ist, dass die Reihenfolge, auf die 1995 am häufigsten verwiesen wurde, nicht die Bemühungen von Jon von Neumann und Stanislaw Ulam berücksichtigte, die 1946 die Simulation zur Analyse des Verhaltens von Neutronen einsetzten.

RE. Nance' Chronologie aus dem Jahr 1995 konnte und wollte den jüngsten Paradigmenwechsel bei DES-Software nicht berücksichtigen. Dieses verständliche Versäumnis wird auch in diesem Beitrag hervorgehoben und berücksichtigt. Daher sollte dieser Beitrag über die diskrete Ereignissimulation als eine Aktualisierung der Geschichte und Entwicklung der DES-Software betrachtet werden.

Die frühen Jahre (1930 - 1950)

Bevor die diskrete Simulation bekannt wurde, nutzten frühe Mathematiker deterministische statistische Stichproben, um Unsicherheiten abzuschätzen und komplexe Prozesse zu modellieren. Dieser Prozess war zeitaufwändig und fehleranfällig, was zu den frühen DES-Techniken führte, die als Monte-Carlo-Simulationen bekannt sind. Die früheste Simulation war die Buffon-Nadel-Technik, mit der Georges-Louis Leclerc, Compte de Buffon, den Wert von Pi schätzte, indem er Nadeln auf einen Boden aus parallelen, äquidistanten Streifen fallen ließ. Obwohl diese Methode erfolgreich war, hat die Simulationssoftware, wie wir sie kennen, ihren Ursprung im Jahr 1946.

Irgendwann im Herbst 46' sahen sich zwei Mathematiker mit dem Problem konfrontiert, das Verhaltensmuster von Neutronen zu verstehen. Um zu verstehen, wie sich Neutronen verhalten, entwickelten Jon von Neumann und Stanislaw Ulam die Roulette-Rad-Technik, um diskrete Ereignissimulationen durchzuführen. Der Geistesblitz kam Ulam beim Spielen einer Partie Solitaire. Ulam simulierte erfolgreich, wie oft er bei Solitaire gewinnen konnte, indem er Hunderte von erfolgreichen Spielen studierte.

Nachdem er einige Spiele erfolgreich abgeschätzt hatte, wurde ihm klar, dass es Jahre dauern würde, jedes Spiel manuell zu beobachten und erfolgreiche Spiele auszuwählen. Diese Erkenntnis führte dazu, dass Ulam Jon von Neumann beauftragte, ein Programm zu entwickeln, das mehrere Solitaire-Spiele auf dem Electronic Numerical Integrator and Computer (ENIAC) simulieren konnte. Und die erste Simulationssoftware war geschrieben.

Die Zeit der Suche (1955 - 1960)

Der Erfolg der beiden Mathematiker bei der Simulation von Neutronenverhaltensmustern rückte die Simulation ins Rampenlicht und ermutigte die Regierungsbehörden, ihre Einsatzmöglichkeiten im militärischen Bereich zu untersuchen. Wie bei allen technologischen Prozessen konnte das Wachstum der diskreten Simulationssoftware nur mit den damals verfügbaren Recheneinheiten Schritt halten. Damals waren analoge und kaum digitale Computer das Sprungbrett für die Entwicklung.

Um 1952 übernahmen John McLeod und ein paar seiner Kumpel im Naval Air Missile Test Center die Aufgabe, Simulationskonzepte zu definieren und Algorithmen und Routinen zu entwickeln, um die Entwicklung standardisierter Simulationssoftware zu erleichtern. Im Hintergrund entwickelten John Backus und sein Team außerdem eine Hochsprache für Computer. Die Bemühungen der verschiedenen Teams, die unabhängig voneinander arbeiteten, führten zur Entwicklung der ersten Simulationssprache und -software, die zur Entwicklung der DES-Software führen sollte.

Außerdem wird hier das allgemeine Thema deutlich, wie technologische Fortschritte und Softwareentwicklungen entstehen, nämlich durch Fortschritte in verschiedenen, miteinander verbundenen Bereichen.

Der Advent (1960 - 1965)

1961 hatten John Backus und sein Team bei IBM erfolgreich FORTRAN entwickelt, die erste Hochsprachenprogrammierung für den täglichen Gebrauch. Der Erfolg von FORTRAN führte zur Entwicklung einer Allzweck-Simulationssprache auf der Grundlage von FORTRAN. Diese Sprache war SIMSCRIPT, die 1962 von Harry Markowitz erfolgreich eingeführt wurde.

In dieser Zeit entstanden auch andere Allzweck-Simulationssoftware und -systeme, da konkurrierende Auftragnehmer weiterhin Simulationssprachen und -systeme entwickelten. Ende 1965 waren Programme und Pakete wie ALGOL, General Purpose Simulation System (GPSS) und General Activity Simulation Program (GASP) entwickelt worden. IBM-Computer und die BUNCH-Crew, bestehend aus Burroughs, UNIVAC, NCR, Control Data Corporation und Honeywell, entwickelten leistungsfähigere Computer, um komplexe Simulationen durchzuführen.

Einer der Höhepunkte dieser Zeit war die erfolgreiche Entwicklung des Gordon Simulators durch IBM. Der Gordon-Simulator wurde von der Federal Aviation Administration eingesetzt, um Wetterinformationen an die Beteiligten der Luftfahrtindustrie zu verteilen. Damit wurde die Simulation zum ersten Mal in der Luftfahrtindustrie eingesetzt.

Auch hier spielten die zunehmende Verarbeitungsgeschwindigkeit und das Aufkommen eines neuen Begriffs, des computergestützten Designs, eine Rolle bei der Entwicklung von Simulationssoftware für den Einsatz. Zu diesem Zeitpunkt wurden die ersten Simulationspakete und -sprachen noch überwiegend von der Regierung und einigen wenigen Unternehmen verwendet. Außerdem wurden benutzerfreundliche, intuitive und reaktionsschnelle Pakete langsam in Simulationssoftware wie GPSS integriert, die in den 60er Jahren populär geworden war.

Die prägenden Jahre (1966 - 1970)

Die prägenden Jahre waren geprägt von der Entwicklung von Simulationssoftware für den kommerziellen Einsatz. Zu dieser Zeit hatten die Unternehmen begonnen, die Bedeutung der Simulation und ihre Rolle bei der Vereinfachung von Geschäftsprozessen und der Lösung komplexer Probleme zu verstehen. Der Erfolg von Systemen wie dem Gordon Simulator weckte auch das Interesse der Industrieakteure an den vielfältigen Einsatzmöglichkeiten von DES-Software.

In Anerkennung der Notwendigkeit, die Simulation in industriellen Prozessen anzuwenden, wurde 1967 die erste Organisation gegründet, die sich ausschließlich der Simulation widmete, und die erste Konferenz wurde in New York im Hotel Roosevelt abgehalten. Auf der zweiten Konferenz wurden 78 Beiträge zur diskreten Ereignissimulation und zur Entwicklung von DES-Software eingereicht. Überraschenderweise sind einige der Fragen, die auf der Konferenz von 1968 gestellt wurden, auch heute noch aktuell. Zu diesen Fragen gehören:

• Die Schwierigkeiten, das Topmanagement von Simulationssoftware zu überzeugen
• Wie kann die Simulation in den Bereichen Fertigung, Verkehr, menschliches Verhalten, städtische Systeme usw. eingesetzt werden?

Die Expansionsphase (1971 - 1978)

Die Expansionsphase war der Vereinfachung des Modellierungsprozesses bei der Verwendung von Simulationssoftware und der Einführung ihres Einsatzes in Unterrichtsräumen gewidmet. Zu diesem Zeitpunkt hatten verschiedene Branchen begonnen, den Einsatz und die Vorteile von Simulationssoftware für ihre jeweiligen Branchen zu verstehen. Dies wiederum führte dazu, dass die Notwendigkeit erörtert wurde, die Schüler auf eine Welt vorzubereiten, in der Simulationen integriert sind.

Auch der technologische Fortschritt, wie die Einführung und weite Verbreitung von Personalcomputern, legte die Entwicklung von Simulationssoftware für spezielle Betriebssysteme nahe. Dies führte zur Entwicklung der GPSS/H für IBM-Mainframes und Personal Computer. Die GPSS/H führte auch interaktives Debugging in den Simulationsprozess ein und machte den Prozess etwa 20 Mal schneller als frühere Simulationspakete. Was die technologische Entwicklung betrifft, so führte GASP IV auch die Verwendung von Zeitereignissen während der Simulationen ein, was die Entwicklung der damals für die Industrie verfügbaren Simulationssoftware verdeutlicht.

Auf der fünften Simulationskonferenz, der "Winter Simulation Conference" von 1971, wurden der Öffentlichkeit verschiedene Tutorials zur Verwendung von Simulationspaketen wie GASP2 und SIMSCRIPT zur Verfügung gestellt. Die wachsende Popularität der Simulation führte auch zu mehr kommerziellen Möglichkeiten, und 1978 konnte Simulationssoftware für weniger als 50.000 Dollar erworben werden.

Die Konsolidierung und Regeneration (1979 - 1986)

Das Zeitalter der Konsolidierung war geprägt vom Aufkommen der Desktop- und Personalcomputer, was zu einer weit verbreiteten Entwicklung von Simulationssoftware für Personalcomputer führte. Auch die Simulationssoftware erfuhr durch die Entwicklung der Simulationssprache für alternative Modellierung (SLAM) eine Aufwertung. Das SLAM-Konzept ermöglichte es, verschiedene Modellierungsfähigkeiten zu kombinieren und mehrere Modellierungsperspektiven bei der Bearbeitung komplexer Prozesse zu erhalten.

Diese Verbesserungen oder Entwicklungen ermöglichten die Simulation für die Produktionsplanung, und die Fertigungsindustrie begann, sich für Simulationssoftware zu interessieren. Die Zunahme der Rechen- und Speicherkapazität führte auch zur Entwicklung von Fabrikmanagementsystemen wie CAM - I. CAM - I war die erste Simulationssoftware, die ausschließlich für die Steuerung von Aktivitäten und Prozessen in den Werkshallen verwendet wurde.

Bis 1983 wurde SLAM II entwickelt, ein Simulationspaket für den industriellen Einsatz, das seiner Zeit voraus war. SLAM II bot drei verschiedene Modellierungsansätze, die bei Bedarf auch kombiniert werden konnten. Zu diesen Ansätzen gehörten die diskrete Ereignismodellierung, die Netzwerkmodellierung und die Möglichkeit, diskrete Modellierung und Netzwerkmodellierung in ein bestimmtes Simulationsmodell zu integrieren. Noch wichtiger ist, dass SLAM II etwa 900 Dollar kostete, was zu dieser Zeit relativ günstig war. Dies kann als der Moment bezeichnet werden, in dem die diskrete Ereignissimulation zu ihrem Recht kam, da kommerzielle Softwareoptionen für die Modellierung der diskreten Ereignissimulation für die breite Öffentlichkeit verfügbar wurden.

Die Wachstums- und Animationsphase (1987 - 2000)

In den 90er Jahren kam es zu einer Konsolidierung der in den vorangegangenen Jahren erzielten Fortschritte, und viele miteinander verknüpfte Technologien und Prozesse wurden in diesem Jahrzehnt ebenfalls ausgereift. Diese Ära konzentrierte sich auf die Einfachheit, die Entwicklung interaktiver Benutzeroberflächen und die Bereitstellung von Simulationen für jedermann, auch für technisch nicht versierte Personen.

Mitte der neunziger Jahre wurde Simulationssoftware eingesetzt, um noch komplexere Probleme zu lösen, wie z. B. die Simulation aller Ereignisse und Prozesse in Großanlagen. Das Beispiel von Universal Data System war zu dieser Zeit ein Novum. Universal Data System stand vor der Aufgabe, sein gesamtes Werk auf einen hybriden Flow-Shop umzustellen, um die Produktion zu steigern. Um dies zu erreichen, nutzte das Unternehmen GPSS und das Endergebnis war ein erfolgreicher Fluss, der die täglichen Abläufe verbesserte und der gesamte Prozess wurde innerhalb von 30 Tagen modelliert und simuliert.

1998 begannen die Anbieter, die Simulationssoftware um Datenerfassungsfunktionen zu erweitern. Zu diesen Funktionen gehörten die Automatisierung der Datenerfassungsprozesse, die Verwendung von 3D-Grafiken und Animationen, um den Simulationsprozess benutzerfreundlicher und nicht technisch zu gestalten. Es versteht sich von selbst, dass die technologischen Fortschritte in den Bereichen Animation, Modellierung, Grafikdesign und Erstellung von Benutzeroberflächen bei der Verbesserung der Simulationssoftware in dieser Zeit eine Rolle spielten.

Die Phase der Flexibilität und Skalierbarkeit (2000 - 2019...)

Schließlich kommen wir zur letzten Evolutionsphase der DES-Software, wie wir sie kennen. Auch hier haben die Fortschritte in den miteinander verknüpften Technologien eine Skalierung der Simulation und eine Beschleunigung des Prozesses ermöglicht. Die Entwicklung, die mit dem neuen Jahrtausend kam, sah DES-Anbieter die Nutzung von Cloud Computing, KI und High-Performance Computing nutzen, um die Simulation auf ein höheres Niveau zu bringen.

Weitere Veränderungen, die sich in diesen Jahrzehnten vollzogen, waren die Umstellung der produktionsbasierten Terminplanung auf eine simulationsbasierte Terminplanung. Dieser Wandel ermöglichte die Simulationsplanung, -verarbeitung und -entscheidung in Echtzeit. Dieser Wandel geht auch mit der vierten industriellen Revolution einher, bei der Datenerfassung, Automatisierung und Interkonnektivität die Regel sind. Die Simulationssoftware dieser Generation hat sich zu einem Werkzeug entwickelt, das die Digitalisierung und die Entwicklung digitaler Zwillinge ermöglicht.

Diskrete Ereignissimulationssoftware wie Simio sind Beispiele für die umfassenden Simulationstechnologien, die für die Industrie 4.0 benötigt werden. Denn eine moderne DES-Software muss in der Lage sein, ihre eigenen Daten zu sammeln und zu speichern, genaue 3D-Grafiken und Animationen zu modellieren sowie Echtzeitplanung und Digitalisierung zu verwalten. Außerdem muss sie mit Funktionen ausgestattet sein, die die Nutzung von Cloud Computing, die Integration von Anwendungen zur Unternehmensressourcenplanung und Hochleistungscomputing ermöglichen. All diese Funktionen sorgen dafür, dass auch die komplexesten Simulationen ausgeführt werden können, um bei der Anwendung in professionellen Umgebungen genaue Antworten oder Erkenntnisse zu liefern.

Zusammenfassung

Die Zukunft der diskreten Ereignissimulation ist keineswegs in Stein gemeißelt, wie die Erfahrungen aus früheren Epochen gezeigt haben. Das bedeutet, dass mit dem Fortschritt der miteinander verknüpften Technologien und der Simulationssoftware im kommenden Jahrzehnt weitere industrielle Konzepte und Geschäftsmodelle umgestoßen werden.