Praktikum M&S HT07

Praktikum "Modellbildung und Simulation" HT07

Überblick

Im Praktikum Modellbildung und Simulation soll ein Simulationsmodell zur Analyse einer vorgegebenen Problemstellung entworfen werden. Dabei soll die Entwicklung im Rahmen eines klar strukturierten Modellbildungsprozesses stattfinden der die Erstellung einer Reihe von Zwischenprodukten beschreibt, ausgehend von einer unscharfen Problembeschreibung bis hin zur Dokumentation von Simulationsergebnissen. Wichtig ist hier nicht nur die am Ende des Praktikums entstandene Software, sondern insbesondere auch die Dokumente die im Rahmen dieses Prozesses erstellt werden, sowie die Ergebnisse von Simulationsexperimenten.

Modelliert werden sollen mehrere Verkehrskreuzungen am Münchner Altstadtring (Sonnenstraße). Zur Bewertung der momentanen Situation in den jeweiligen Kreuzungen stehen Zähldaten für die auf den Kreuzungen vorkommenden Verkehrsströme zur Verfügung. Das Ziel der Praktikumsteilnehmer ist die Erstellung und Implementierung eines Simulationsmodells für die jeweilige Kreuzung. Die sich daraus ergebende Simulationssoftware soll für die Durchführung von Experimenten genutzt werden um schließlich eine Aussage über die vorgegebene Problemstellung treffen zu können.

Die im Praktikum gestellte Aufgabe soll in Gruppen von jeweils 2-3 Teilnehmern bearbeitet werden. Jeder Gruppe wird eine eigene Kreuzung zur Modellierung zugewiesen.

Das Praktikum bietet Studenten die Möglichkeit die in der Vorlesung Simulation erworbenen theorethischen Kenntnisse praktisch anzuwenden und an Hand eines Anwendungsfalles zu vertiefen. Weitere Vorkenntnisse sind nicht nötig.

Organsatorisches

Die Betreuung des Praktikums wird von Adisa Musovic (adisa.musovic@unibw.de), Thomas Krieger (thomas.krieger@unibw.de) und Robert Siegfried (robert.siegfried@unibw.de) übernommen.

Die eigentliche Modell-Entwicklung geschieht durch die Teilnehmer des Praktikums in Eigenverantwortung der jeweiligen Gruppe. Die Entwicklung wird durch die Betreuer unterstützt. Zusätzlich findet einmal pro Woche eine gemeinsame Sitzung aller Praktikumsteilnehmer statt, in der wichtige Grundlagen vermittelt, Zwischenergebnisse präsentiert und nötige Abstimmungen getroffen werden.

Als Termin für die wöchentlichen Sitzungen wurde jeweils Donnerstag  von 13:00 Uhr bis ca. 14:45 Uhr vereinbart. Einzige Ausnahme ist bisher die Kalenderwoche 44, in der Sitzung am Mittwoch vom 9:45-11:15 Uhr  stattfindet. Die Sitzungen finden jeweils wie geplant in Raum 41/1503 statt.

Für die Teilnahme am Praktikum wird ein unbenoteter Schein (Teilnahmeschein gem. §11 Abs. 7 ADPO) ausgestellt, der zur Anmeldung zur Diplom-Prüfung gemäß §10 Abs. 2 FPOINF verwendet werden kann. Den Schein erhält, wer aktiv am Praktikum teilnimmt. Dazu gehört der regelmäßige Besuch der gemeinsamen Sitzungen sowie eine Beteiligung an der Arbeit der eigenen Gruppe.

Zur Unterstützung der Zusammenarbeit innerhalb der Gruppen und zum Datenaustausch wird die BSCW-Installation der Fakultät für Informatik verwendet. Dabei handelt es sich um ein File-Sharing-System das insbesondere für die Unterstützung von Gruppenarbeit entwickelt wurde. BSCW bietet dabei nicht nur die Möglichkeit Dateien und Informationen auszutauschen, sondern gibt den Benutzern unter anderem auch die Möglichkeit vorhandenes Material zu bewerten und zu kommentieren. Damit kann BSCW die Zusammenarbeit innerhalb einer Gruppe wesentlich bereichern.

Zeitplan

KW

Sitzung

Hausaufgabe

43

Einführung und Organisatorisches


Vorstellung des Modellbildungsprozesses

Einarbeitung in die Modellbildung

44

Überblick über Verkehrssimulation


Vorstellung der unscharfen Problembeschrebung inkl. vorhandenes Datenmaterial
Vorstellung eines Gliederungsschemas für die strukturierte Problembeschreibung

 

Erstellung der strukturierten Problembeschreibung

45

Vorstellungen der strukturierten Problembeschreibungen

Enwicklung des konzeptuellen Modells

46

Präsentationen der konzeptuellen Modelle

 

Enwicklung des formalen Modells

47

Präsentation der formalen  Modelle

 

Implementierung des Modells

48

Zwischenprsentationen zum aktuellen Stand der Implementierungen

 

Implementierung des Modells

49

Präsentation der fertigen Modellimplementierungen

Durchführen der Experimente

50

Präsentationen der Ergebnisse der Experimente

Erstellen der Abschlusspräsentationen

 51

Abschlusspräsentationen


Fazit

 

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Teilnehmer

Teilnehmer sind Studenten de Informatik und Wirtschaftsinformatik.

  • Nico Dietrich  (nico.dietrich@unibw.de
  • Christian Glashagen (christian.glashagen@unibw.de)
  • Christian Heger (christian.heger@unibw.de)
  • Martin Klein (m.klein@unibw.de)
  • Christian Pauli  (christian.pauli@unibw.de)
  • Peer Schönhusen ( peer.schoenhusen@unibw.de)
  • Marco Seiffert  (marco.seiffert@unibw.de)
  • Christian Strebe(chrisian.strebe@unibw.de)
  • Sebasitan Szabo (ssebastian.szabo@unibw.de)
  • Christian Szymkowiak (chrisian.szymkowiak@unibw.de)  

    Gruppen 

    • Gruppe 1: Christian Szymkowiak, Christian Heger
    • Gruppe 2: Christian Pauli, Christian Strebe
    • Gruppe 3: Martin Klein, Sebastian Szabo
    • Gruppe 4: Christian Glashagen, Peer Schönhusen
    • Gruppe 5: Marco Seiffert, Nico Dietrich

     

    Der Modellbildungsprozess

    Die Entwicklung eines Simulationsmodells geschieht im Rahmen eines Modellbildungsprozesses der mehrere Arbeitsschritte und Zwischenprodukte enthält. In jedem Arbeitsschritt wird dabei aufbauend auf einem vorherigen Zwischenprodukt ein neues Zwischenprodukt erstellt. Je nach Position im Modellbildungsprozess müssen dabei unterschiedliche Aspekte beachtet werden. In Abbildung 2 ist der von ITIS e.V. entwickelte und hier zu verwendende Modellbildungsprozess schematisch dargestellt.

    Abbildung 2: Der ITIS-Modellbildungsprozess

    Vom Auftraggeber wird dabei eine Unscharfe Problembeschreibung vorgegeben. Diese enthält die Anforderungen an das zu erstellende Modell aus Sicht des Auftraggebers. Dazu gehört im allgemeinen

    • eine Beschreibung des zugrunde liegenden Problems,
    • die Gründe für den Einsatz von Modellbildung und Simulation,
    • die Ziele des Einsatzes von Simulation,
    • eine Beschreibung des Untersuchungsgegenstandes mit Einflussgrößen, Zielparametern und akzeptablen Einschränkungen,
    • die Umgebung in der die Simulation durchgeführt werden soll (Betriebssystem, Schnittstellen) und
    • einer Einschätzung der Konsequenzen von falschen Entscheidungen die auf Grund von fehlerhafter Modellierung getroffen werden könnten.  

    Im ersten Arbeitsschritt der Problemdefinition wird aus der unscharfen Problembeschreibung eine Scharfe oder Strukturierte Problembeschreibung erstellt. Diese erweitert und präzisiert die unscharfe Problembeschreibung. Im einzelnen:

    • Aufteilung der Modellierungsziele in Unterziele
    • Detaillierte Festlegung der Ein- und Ausgabe des Modells, dabei insbesondere Spezifikation der Modellgrenzen und der technischen Schnittstellen für die Implementierung
    • Grobeinteilung der Modellstruktur und des Modellverhaltens
    • Anforderungen an Experimente mit dem entwickelten Modell
    • Angabe der einzuhaltenden Standards  

    Bei der Systemanalyse wird aus der scharfen Problembeschreibung mit Hilfe von Expertenwissen das konzeptuelle Modell erstellt. Dieses ist ein komplettes Modell des realen Systems "im Kopf des Modellierers". Die Dokumentation des konzeptuellen Modells besteht deswegen aus einer informellenBeschreibung. Im konzeptuellen Modell können bereits formale Anteile enthalten sein, im allgemeinen werden diese aber erst in späteren Arbeitsschritten hinzugefügt. Im einzelnen besteht die Dokumentation des konzeptuellen Modells aus den folgenden Teilen:

    • einem Überblick über das Modell,
    • einer exakten Beschreibung der Modellstruktur und des Modellverhaltens,
    • eine genaue Angabe aller Ein- und Ausgabeparameter und
    • dem Ursprung des Modells (eigens entwickelt oder aus einem Model-Repository entnommen). 

    Bei der Formalisierung wird mittels vorgegebener oder zu bestimmender Formalisierungsmethoden ein formales Modell entwickelt, das dem konzeptuellen Modell entspricht, aber Modellstruktur und -verhalten auf mathematisch exakte Weise festlegt. Beispiele für Formalisierungsmethoden sind Petri-Netze, Warteschlangen-Netze, DEVS-Automaten, UML-Diagramme oder mathematische Formeln (z.B. Differentialgleichungen). Oft werden bereits im konzeptuellen Modellen formale Anteile spezifiziert und der Zwischenschritt der Formalisierung übersprungen. Aus Zeitgründen soll im Praktikum auf die Erstellung eines formalen Modells verzichtet werden.

    Mit Hilfe von Lösungstechniken, wie z.B. allgemeinen oder speziellen Programmiersprachen, wird bei der Implementierung das formale Modell in ein ausführbares Modell überführt. Dieses kann als die Simulation im engeren Sinn, bzw. als Simulationssoftware angesehen werden. Hierbei wird das bereits vorher entwickelte Modell (konzeptuelles bzw. formales) direkt implementiert. Zusätzlich müssen in der unscharfen und der scharfen Problembeschreibung festgelegte Randbedingungen beachtet werden.

    Im letzten Schritt werden vorhandene Daten als Eingabe des entwickelten ausführbaren Modells verwendet um durch Experimente die gewünschten Simulationsergebnisse zu erzielen.

    Straßenverkehrsmodellierung

    Bei der Modellierung von Straßenverkehr verfolgt man das Ziel vorhandene Verkehrsflüsse zu analysieren um die Leistungsfähigkeit von Verkehrsabschnitten zu überprüfen. Zum Beispiel soll dabei eine optimale Steuerung des Verkehrs, sowohl mit Hilfe von Beschilderung/Ampelanlagen, als auch mit der baulichen Gestaltung der Straßenabschnitte, erreicht werden. Als weitere Anwendungsbereiche für die Verkehrssimulation kann man Stauprognosen, Verkehrsflußoptimierung und Unfallvorbeugung nennen. Experimente mit dem realen System (z.B. Hinzufügen von Linksabbiegespuren, alternative Vorfahrtsregelung) sind in der Regel nicht möglich, einerseits wegen teilweise sehr hoher Kosten, andererseits wegen erhöhter Belastung des vorhandenen Verkehrs. Da das Zusammenspiel der verschiedenen Einflußfaktoren bei größeren Abschnitten mit vielen verschiedenen Verkehrsströmen sehr komplex sein kann, greift man hier meist auf das Hilfsmittel der Simulation zurück.

    Es gibt verschiedenste Arten von Simulationsmodellen für Verkehrsflussanalysen. Dabei kann man insbesondere den Detaillierungsgrad der Modelle unterscheiden. Makroskopische Modelle aggregieren dabei die Bewegungen der einzelnen Verkehrsteilnehmer zu Verkehrsströmen und untersuchen nur noch das Zusammenspiel der verschiedenen Ströme. Ergebnis dieses hohen Abstraktionsgrades ist ein gröberes Modell, das wesentlich schneller ausgeführt werden kann, aber unter Umständen wichtige Details vernachlässigt, so dass man zu ungenauen und/oder falschen Ergebnissen kommen kann. Mikroskopische Modelle dagegen bilden einzelnen Fahrzeuge mit ihren individuellen Entscheidungen ab. Diese Modelle sind erheblich aufwändiger in der Ausführung, können aber zu verlässlicheren Ergebnissen führen.

    Weiter gibt es verschiedene Zielgrößen die für die Bestimmung der Leistungsfähigkeit eines Verkehrsabschnittes eine Rolle spielen. Unter anderem sind dies:

    • Verkehrsmenge, die die Anzahl der Verkehrselemente angibt, die in einer gewissen Zeit einen Verkehrsabschnitt passiert haben
    • Verkehrsarbeit, die sich aus Verkehrsmenge mal Länge des Weges ergibt (gemessen z.B. in Fahrzeug-Kilometern)
    • Verkehrsleistung, die die Verkehrsarbeit pro Zeiteinheit angibt (z.B. in Fahrzeug-Kilometern pro Stunde)  

    Bei der Abbildung des realen Straßenverkehrs in mikroskopischen Modellen gibt es eine große Anzahl möglicher Einflussquellen für das Verhalten der einzelnen Verkehrsteilnehmer. Als Beispiel seien hier genannt:

    • Fahrzeugdaten wie Abmessungen, maximale Geschwindigkeit und Beschleunigungsvermögen
    • Eigenschaften des Fahrers wie Risikobereitschaft, Ortskenntnis und physischer/psychischer Zustand
    • Eigenschaften der Straßen wie Fahrbahnzustand, zulässige Höchstgeschwindigkeiten und Parkregelungen
    • Witterungsverhältnisse wie witterungsbedingte Sicht, witterungsbedingter Fahrbahnzustand und Lichtverhältnisse

    Dies sind nur einige der möglichen Einflussgrößen, woraus ersichtlich wird, dass die Erstellung eines adequaten Modells, selbst für einfach scheinende Verkehrsabschnitte keine triviale Aufgabe ist.  

    Unscharfe Problembeschreibung

    Problembeschreibung

    Hintergrund ist die Untersuchung der Leistungsfähigkeit einer Reihe von Kreuzungen die bereits real existieren. Da diese Kreuzungen Schlüsselpositionen im Münchener Innenstadtverkehr besetzen, ist ihre Leistungsfähigkeit von besonderer Bedeutung. Die momentane Situation ist, dass der zu untersuchende Straßenabschnitt teilweise stark überlastet ist, so dass es hier häufig zu Stausituationen kommt. Es soll daher in einer Untersuchung festgestellt werden, welche Beschaltungen der vorhandenen Signalanlagen zu einer Optimierung des Verkehrsflusses führen.

    Da Experimente in den jeweiligen Kreuzungen auf Grund von erheblichen zu erwartenden Verkehrsbehinderungen nicht möglich sind, soll zur Evaluierung der Leistungsfähigkeit und Einschätzung baulicher Maßnahmen auf die Technik der Computer-Simulation zurückgegriffen werden. Hierzu ist eine Reihe von Simulationsmodellen für die betreffenden Kreuzungen anzufertigen.

    Die auf Basis der Simulation gewonnenen Erkenntnisse sollen dann neben anderen Maßnahmen (wie Expertenbefragungen) in die Entscheidungen über die optimale Beschaltung der Signalanlagen einfließen.

    Szenario

    Modelliert werden sollen mehrere Kreuzungen auf dem Münchener Altstadtring (Lenbachplatz / Pacellistraße, Sonnenstraße / Lenbachplatz, Sonnenstraße / Josephspitalstraße und Sendlinger-Tor-Platz). Die Topologie der Kreuzungen wurde bereits in einer Reihe von CAD-Zeichnungen erfasst. Ferner wurden in einer durchgeführten Untersuchung die Verkehrsströme auf den Kreuzungen festgestellt und das Verkehrsaufkommen an einem typischen Arbeitstag erhoben. Diese Unterlagen stehen zur Unterstützung der Modellierung und zur Durchführung der Simulationsexperimente zur Verfügung.

    Die erwähnten Verkehrsströme können als Eingabeparameter für die zu entwickelnden Modelle angesehen werden. Dabei ist noch nicht festgelegt wie die Auslastung der Ströme zu generieren ist. Eine Möglichkeit wäre die direkte Speisung der erhobenen Daten als Eingabe. Besser wäre hier aber eine Ermittlung von statistischer Verteilungen die verwendet werden können, um die Eingabeströme zu generieren.

    Ausführungsumgebung

    Da die zu entwickelnden ausführbaren Modelle später wiederverwendet werden sollen und die Ausführungsumgebung deswegen nicht auf eine Plattform / ein Betriebssystem festgelegt werden kann, soll Plattformunabhängigkeit gewährleistet sein. Dazu soll die Entwicklung der ausführbaren Modelle mittels der Programmiersprache Java geschehen.

    Die Eingabeparameter der Simulation (Verkehrsaufkommen auf den einzelnen Verkehrsströmen), sollen durch den Bediener beeinflussbar sein. Hierfür ist eine Anwenderschnittstelle zu definieren. Die Ergebnisse der Simulation sollen später statistisch ausgewertet werden, weshalb sie in ein log-File geschrieben werden sollen.

    Auswirkungen

    Da die auf Grund der Simulationsergebnisse durchzuführenden Ampelbeschaltungen weitgehende Auswirkungen auf den Straßenverkehr haben, müssen die entwickelten Modelle ausreichend verifiziert und validiert werden. Dies soll in einer späteren Phase geschehen. Um die V&V-Aktivitäten später zu ermöglichen, bzw. zu erleichtern, muss eine ausreichende Dokumentation aller Phasen der Modellentwicklung sichergestellt sein.

    Literatur

    Literaturhinweise zu den Themengebieten des Modellbildungsprozesses und der Verkehrssimulation sind im BSCW zu finden.