Assistenz für die Simulation in Produktion und Logistik

Eine literaturbasierte Einordnung

ZeitschriftIndustry 4.0 Science
Ausgabe41. Jahrgang, 2025, Ausgabe 5, Seite 66-76
Open Accesshttps://doi.org/10.30844/I4SD.25.5.66
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Abstract

Der Einsatz der ereignisdiskreten Simulation für komplexe Produktions- und Logistiksysteme wird trotz marktgängiger Simulationswerkzeuge immer herausfordernder. Er bedingt umfangreiches Fachwissen, eine hohe Datenqualität und zeitliche sowie finanzielle Ressourcen. Seit vielen Jahren wird daher die methodische und organisatorische Unterstützung der Durchführung von Simulationsstudien gefordert und erforscht. Dieser Beitrag möchte basierend auf einer Analyse einschlägiger Publikationen die bisherigen Forschungen zur Verbesserung des Simulationseinsatzes einordnen, die Frage nach der Notwendigkeit einer Assistenz für die Anwendung der ereignisdiskreten Simulation aufwerfen und Handlungsfelder aufzeigen.

Keywords

Artikel

Der Einsatz der ereignisdiskreten Simulation für komplexe Produktions- und Logistiksysteme wird trotz marktgängiger Simulationswerkzeuge immer herausfordernder. Er bedingt umfangreiches Fachwissen, eine hohe Datenqualität und zeitliche sowie finanzielle Ressourcen. Seit vielen Jahren wird daher die methodische und organisatorische Unterstützung der Durchführung von Simulationsstudien gefordert und erforscht. Dieser Beitrag möchte basierend auf einer Analyse einschlägiger Publikationen die bisherigen Forschungen zur Verbesserung des Simulationseinsatzes einordnen, die Frage nach der Notwendigkeit einer Assistenz für die Anwendung der ereignisdiskreten Simulation aufwerfen und Handlungsfelder aufzeigen.

Motivation zur Reduzierung von Hürden beim Simulationseinsatz

Obwohl sich der Einsatz der ereignisdiskreten Simulation bei der Planung und dem Betrieb von Produktions- und Logistiksystemen seit vielen Jahren in der Industrie bewährt hat, bestehen auch heute noch Hemmnisse bei der Anwendung. Diese begründen sich insbesondere durch einen hohen Modellierungsaufwand, fehlende Daten oder eine unzureichende Datenqualität, eine für den Untersuchungszweck nicht erreichbare hinreichende Modellgültigkeit und einen hohen Experimentieraufwand.

Darüber hinaus führt insbesondere der Fachkräftemangel dazu, dass qualifiziertes Personal für die konsequente Anwendung der Simulation fehlt. Dieses ist vor allem vor dem Hintergrund der Umsetzung digitaler Zwillinge notwendig. Daher beschäftigen sich Forschungen seit Jahren mit der Reduktion des Aufwandes beim Simulationseinsatz und der effizienteren Durchführung von Simulationsstudien.

Der vorliegende Beitrag analysiert literaturbasiert, wie unterschiedliche Phasen einer Simulationsstudie unterstützt werden können, und zeigt mögliche Assistenzen phasenorientiert auf. Das Feld der simulationsgestützten Assistenzsysteme wird nicht betrachtet. Abgerundet wird der Beitrag durch eine Diskussion offener Forschungsthemen.

Kurze Begriffseinordnung zu Assistenz und Assistenzsystemen

Der Begriff „Assistenzsystem“ im Kontext der Entscheidungsunterstützung ist nicht neu. Bereits 2008 wurde im Rahmen des Sonderforschungsbereichs SFB 559 „Modellierung großer Netze der Logistik“ zu diesem Begriff ein disziplinübergreifender Diskurs zwischen Informatik, Logistik und Soziologie geführt. Danach werden in [1, S. 242] Assistenzsysteme als „rechnerbasierte Systeme, die den Menschen bei der Entscheidungsfindung und -durchführung unterstützen,“ bezeichnet; zudem wird in [1, S. 242] festgelegt, dass Assistenzsysteme zur Entscheidungsunterstützung „durch die Merkmale Identifikation einer Lösungsmenge, Auswahl und Bewertung von Alternativen sowie autonomes Agieren gekennzeichnet“ sind.

Die Autoren ergänzen, dass das Leistungspotenzial von Assistenzsystemen in „der Fähigkeit, intelligente Prozeduren durchzuführen, bei deren Ausführung die Menschen angesichts hoher Schwierigkeitsgrade und (System-)Komplexitäten aufgrund ihrer begrenzten kognitiven Fähigkeiten systematisch scheitern“ [1, S. 242] liegt.

Assistenzsysteme als Mensch-Maschine-Systeme besitzen je nach Umfang einer digitalen Unterstützung unterschiedliche Automatisierungsstufen und damit unterschiedliche Verteilungen der Aufgaben und Entscheidungen zwischen Mensch und Rechner. Assistenzwerkzeuge zur Unterstützung der Aufgaben bei der Durchführung von Simulationsstudien in Produktion und Logistik werden u. a. in [2] diskutiert; hier wird allerdings der Fokus auf die Bereitstellung von Wissen und Assistenzfunktionen zur Verringerung von Routinetätigkeiten gelegt; die Entscheidungsunterstützung liegt hier nur bedingt im Fokus.

Mit dem fortschreitenden Einsatz von Methoden der künstlichen Intelligenz (KI) werden zunehmend auch Entscheidungsprozesse auf den Rechner verlagert. Der im Rahmen dieses Beitrags verwendete Begriff „Assistenz“ wird in Bezug auf die Unterstützung von Simulationsstudien allerdings bewusst weiter gefasst als Assistenzsystem. Er umfasst für die Literaturrecherche sowohl rechnerbasierte Werkzeuge als auch Forschungen zur Aufwandreduzierung wie bspw. Vorgehensmodelle und Methodiken. Diese Erweiterung wird gewählt, da sich aus zunächst nicht rechnergestützten Assistenzen bei entsprechender Akzeptanz in der Anwendung rechnerbasierte Umsetzungen realisieren lassen.

Assistenz für die ereignisdiskrete Simulation

Zur Untersuchung der Bandbreite der Assistenz für die ereignisdiskrete Simulation wird eine Recherche in der einschlägigen wissenschaftlichen Simulationsliteratur durchgeführt. Hierfür werden die Tagungsbände zur ASIM-Fachtagung „Simulation in Produktion und Logistik“ sowie zum „ASIM-Symposium Simulationstechnik SST“ seit 2010 analysiert. Weiterhin werden die Tagungsbände der Winter Simulation Conference in produktions- und logistikbezogenen Tracks seit 2010 sowie die Ausgaben des Journal of Simulation sowie der Simulation Notes Europe seit 2020 einbezogen.

Auf Basis von Titel und Abstract werden Publikationen identifiziert, deren Ergebnisse in den Bereichen Assistenz oder Assistenzsystem entsprechend dem obigen Begriffsverständnis verortet sind. Weitere projektbezogene Literatur aus den aktuellen Grundlagenforschungsprojekten LOCsGEN – Generierung von Kennflächen für Kommissioniersysteme unter Untersicherheit (DFG 544959882) sowie KL4SiM – Automatisierte Generierung von Strukturvarianten für Simulationsmodelle der Produktion und Logistik mittels kombinatorischer Logik (DFG 511349842), die sich mit dem verbesserten Einsatz der Simulation beschäftigen, wird ebenfalls berücksichtigt.

Durch dieses Vorgehen werden zunächst 69 wissenschaftliche Beiträge identifiziert. Basierend auf der bereits erwähnten Definition von Assistenz sowie den Zwischenergebnissen der initialen Recherche wird der folgende Suchstring für eine systematische Recherche in der Datenbank Web of Science formuliert:

(TI=(“discrete-event simulation”) OR TI=(“discrete event simulation”) OR AB=(“discrete-event simulation”) OR AB=(“discrete event simulation”) ) AND (ALL=(“production”) OR ALL=(“manufacturing”) OR ALL=(“logistic“)) AND (ALL=(“standardization”) OR ALL=(“standardisation”) OR ALL=(“procedure model“)OR ALL=(“checklist“) OR ALL=(“guide“) OR ALL=(“knowledge base”) OR ALL=(“template“) OR ALL=(“automat“) OR ALL=(“ontolog“) OR ALL=(“machine learning”) OR ALL=(“LLM“) OR ALL=(“Large Language Model“) OR ALL=(“Large-Language Model“)).

Der Suchzeitraum wird auf die Jahre ab 2010 beschränkt. Insgesamt werden durch diese Abfrage zunächst 545 Treffer ermittelt, die basierend auf Titel und Abstract ausgewertet werden, wobei zunächst 81 Quellen für die Überprüfung des Volltexts aus der Datenbank aufgenommen werden.

Hinzu kommen 69 Quellen, die bereits in der initialen Recherche identifiziert werden, sodass in Summe die Inhalte von 150 wissenschaftlichen Beiträgen anhand des Volltexts ausgewertet werden. Nach Überprüfung der Inhalte verbleiben 73 Quellen, die sich mit der Assistenz während der Durchführung von Simulationsstudien beschäftigen. Bei Quellen, die direkt aufeinander aufbauende Weiterentwicklungen desselben Autorenteams darstellen, wird jeweils nur die aktuelle Quelle aufgenommen. Diese sind in der Konzeptmatrix in Bild 1 aufgelistet und ihren zugehörigen Simulationsstudienphasen zugeordnet. Die Phasen orientieren sich an den Phasen des Vorgehensmodells zur Durchführung von Simulationsstudien nach [3, S. 6], betrachten aber nicht die Angebotsphase.

Zudem werden unter Modellbildung („MB“) die Systemanalyse, die Modellformalisierung und Implementierung subsumiert. Die beiden Phasen der Datenbeschaffung und Datenaufbereitung werden der Informations- und Datengewinnung („I/D“) zugeordnet. Die Verifikation und Validierung (V&V) der Daten und Modelle sind keine eigene Phase, ziehen sich aber als Aufgaben durch alle Phasenergebnisse und werden daher ebenfalls betrachtet. Die in Bild 1 aufgelisteten Quellen werden im nachfolgenden Text mit [ID 1] – [ID 73] indiziert.

Bild 1: Konzeptmatrix der recherchierten Quellen eingeordnet nach den Phasen einer Simulationsstudie.
Bild 1: Konzeptmatrix der recherchierten Quellen eingeordnet nach den Phasen einer Simulationsstudie.

Assistenz für die Modellbildung

Die Anzahl an Publikationen zur Assistenz in der Modellbildung (Bild 1) zeigt, dass für die recht aufwendige Phase der Modellerstellung immer wieder Effizienzsteigerungen erforscht werden und hier insbesondere die Reduzierung von Aufwänden der manuellen Modellerstellung durch den Einsatz einer (teil-)automatischen Modellgenerierung (AMG) im Fokus steht.

Die Autoren in [ID 8] fassen den Begriff der AMG als Gruppe von Ansätzen auf, bei denen Modelle nicht gänzlich manuell, sondern über die Nutzung (simulations-)externer Datenquellen datengetrieben generiert werden. Beispiele für derartige Datenquellen sind Computer-Aided-Design-Modelle (CAD-Modelle), auf deren Basis Simulationsmodelllayouts automatisch generiert bzw. überprüft werden können.

Im Rahmen dieses Beitrags wird das Begriffsverständnis um externalisiertes Wissen als Basis für die AMG erweitert. So stellt [ID 25] ein ontologiebasiertes Software-Modul für die automatische Konfiguration und Überprüfung von Modelllayouts vor, während in [ID 30] ein ontologiebasierter Ansatz zur Modellversionierung präsentiert wird, welcher die Erkennung und Aufzeichnung von Änderungen in verschiedenen Modellversionen einschließlich einer Überprüfung von Inkonsistenzen ermöglicht.

[ID 73] nutzt einen semantischen Modellierungsansatz zur Modellerstellung und Ergebnisvisualisierung, während [ID 31] Ontologien zur Förderung der Interoperabilität zwischen Simulationsmodellen und anderen Werkzeugen der Digitalen Fabrik anwenden.

In [ID 16, ID 21] werden Ontologien abgefragt, um passende Ressourcen für die Darstellung in einem Simulationsmodell zu identifizieren. Aus den aufgezeigten Forschungen wird die Reife des Einsatzes semantischer Modelle in der Simulation ersichtlich, die in den aufgezeigten Forschungen als Modelle der symbolischen künstlichen Intelligenz (SKI) aufgefasst werden können.

Weitere Ansätze für die Assistenz in Form von SKI nutzen zur AMG die Softwaresynthese auf Basis kombinatorischer Logik. Ein Beispiel hierfür findet sich in [ID 42]; die Autoren erzeugen algorithmisch verschiedene Maschinenkonfigurationen in Modellvarianten durch Softwaresynthese, um die Simulationsmodellvarianten anschließend im Vertrieb für die gemeinsame Systemlösungsfindung beim Kunden einzusetzen.

Weitere Publikationen fokussieren die Automatisierung der Transformation von Phasenergebnissen während der Modellbildung. Ein Beispiel hierfür ist der Beitrag [ID 55], in welchem die Autoren ein Assistenzsystem zur AMG eines ausführbaren Modells auf Basis eines vorhandenen (semiformalen) Konzeptmodells (als Ergebnis der Phase der Systemanalyse) präsentieren. Hieran anknüpfend setzen jüngste Forschungen Large Language Models (LLMs) ein, um auf Basis natürlichsprachiger Beschreibungen automatisch Modellspezifikationen und ausführbare Modelle zu generieren [ID 15, ID 33].

Besonders in [ID 15] wird die Idee aufgegriffen, LLMs als Technologie für eine „Copilot“-Anwendung für die Modellerstellung einzusetzen. LLMs sind Modelle des maschinellen Lernens (ML), die auf Basis von Daten trainiert werden. Weitere datengetriebene Ansätze finden sich ebenfalls im Kontext der Modellbildung. So nutzen bspw. [ID 22, ID 41, ID 47] Process-Mining-Algorithmen, um auf Basis von Ereignisdaten ausführbare Modelle bzw. Modellparameter (teil-)automatisch zu extrahieren. [ID 50] extrahieren auf der Basis von Daten aus speicherprogrammierbaren Steuerungen Modellstrukturen einschließlich der Modelltopologie.

Ein weiteres Beispiel für Assistenz während der Modellbildung sind standardisierte Schnittstellen wie CMSD (Core Manufacturing Simulation Data), die besonders während der 2010er Jahre Anwendung fanden. So nutzen [ID 7, ID 8, ID 29] Daten im CMSD-Format, um Aufwände im Zusammenhang mit der Modellierung von Elementen wie Ressourcen, Schichtmodellen oder Aufträgen zu reduzieren. [ID 51] präsentieren standardisierte Datenstrukturen, damit Anwender mit geringer Kenntnis eines spezifischen Simulationswerkzeugs Modelle erstellen können.

Die aufgezeigten Forschungen legen die Schlussfolgerung nahe, dass Assistenz im Kontext der Modellbildung bereits eine Bandbreite an Methoden der künstlichen Intelligenz umfasst – jedoch diese noch keine vollwertigen Assistenzsysteme darstellen.

Assistenz für die Informations- und Datengewinnung

Um Simulation erfolgreich durchführen zu können, müssen die jeweils relevanten Informationen und Daten beschafft und aufbereitet werden. Dies stellt jedoch eine erhebliche Herausforderung dar. Gründe hierfür sind u. a. fehlende Daten, ein begrenzter Zugang zu Datenquellen sowie eine mangelnde Datenqualität [ID 38]. Die Ansätze zur Unterstützung der Informations- und Datenbeschaffung (Bild 1) zielen daher darauf ab, die mit der Informations- und Datengewinnung verbundenen Aufwände zu reduzieren, die Eingangsdatenqualität zu verbessern und somit die Ergebnisgüte der Simulation maßgeblich zu verbessern.

Zur Unterstützung der Informations- und Datenbeschaffung liegen bereits Vorgehensmodelle [ID 13, ID 18, ID 38] und Softwarewerkzeuge [ID 39] vor. [ID 38] erweitert das Vorgehensmodell zur Durchführung einer Simulationsstudie [3], um Phasen zur Informations- und Datenbeschaffung sowie um ein konsequentes Verifikations- und Validierungskonzept dieser Phasenergebnisse. Die einzelnen Schritte reichen von der Zieldefinition über die Informationsidentifikation, -erhebung und -erfassung bis hin zur Datenstrukturierung und -analyse sowie der Datennutzbarkeitsprüfung.

Zudem gibt es spezielle Softwarewerkzeuge zur Unterstützung der Datenbeschaffung, -aufbereitung und -analyse über die verschiedenen Phasen der Simulationsstudie hinweg. So umfassen EDASim [ID 11] und AssistSim [ID 39] Hilfsfunktionen für die Auswahl, Validierung und Aufbereitung von Eingangsdaten sowie für die Analyse von Ausgangsdaten aber auch für die Experimentplanung und Durchführung (siehe auch weiter unten). Sie sind inzwischen gemeinsam als Assistenzsystem am Markt erhältlich [4].

Ein weiterer Ansatzpunkt ist die Nutzung eines Expertensystems, welches relevantes Simulationswissen umfasst [ID 44]. Die strukturierte Erfassung und Verwaltung des Expertenwissens nach einem definierten Regelwerk verbessert die Datenbeschaffung und -aufbereitung und reduziert den Lern- und Schulungsaufwand für die Simulationsanwendung. Die Umsetzung des Expertensystems kann beispielsweise in Form eines Wikis erfolgen [ID 19]. Insbesondere visuelle Wikis ermöglichen die kollaborative Erstellung und Pflege von Systembeschreibungen und erleichtern die Kommunikation zwischen der Modellierungs- und Fachabteilung [ID 19].

Des Weiteren werden Datenrepositories zur Datenbeschaffung [ID 65] und die Wertstromanalyse als ergänzende Methode zur Datenerfassung eingesetzt [ID 5]. Letztere visualisiert Material- und Informationsflüsse und erleichtert so die Identifizierung benötigter Daten sowie die Kategorisierung bereits vorhandener Informationen. Dies vereinfacht den Datenerhebungsprozess und liefert wertvolle Einblicke in das zu modellierende System.

Neben einer Assistenz für die Durchführung der Informations- und Datenbeschaffung setzen weitere Ansätze den Schwerpunkt auf die Verbesserung des Zugangs zu Daten und Informationen. Die Autoren in [ID 1] zeigen, wie aus bereinigten RFID-Daten Zeitparameter für die Simulation extrahiert werden können, um so Aufwände im Zusammenhang mit einer manuellen Datenerhebung zu vermeiden. [ID 3, ID 8] präsentieren ein Tool zur Extraktion simulationsrelevanter Daten aus verschiedenen betrieblichen Informationssystemen wie (z. B. ERP- oder ME-Systemen), das bereits durch die Anwendung statistischer Verfahren fehlende Daten extrapoliert und somit aufbereitet.

Eine ähnliche Funktionalität bietet das Tool von [ID 59], das jedoch darüber hinaus Daten im CMSD-Format formalisiert und diese somit simulationswerkzeugunabhängig formal beschreibt. Einen ähnlichen jedoch weniger funktionalen Ansatz stellen [ID 34] durch einen Connector für die Übertragung von Betriebsdaten in ein Simulationsmodell vor.

[ID 62, ID 65] stellen ebenfalls einen Ansatz zur Vorverarbeitung von Daten durch die Anwendung statistischer Verfahren für besonders produktvariantenreiche Untersuchungssysteme vor. Anstatt direkt die Eigenschaften eines Datums zu verändern, nutzt ihr Framework Clustering, um automatisch repräsentative Produktfamilien für die Simulation auszuwählen, auf deren Basis Schlüsse für das Gesamtsystem abgeleitet werden können. Dadurch verringern sich die Aufwände im Zusammenhang mit der Informations- und Datengewinnung, Modellbildung und Experimentdurchführung.

Assistenz für die Phase „Experimente und Analyse“

Die Phase „Experimente und Analyse“ kann zeitaufwendig sein, da sie die Planung und Durchführung einer Vielzahl von Simulationsexperimenten und deren Analyse umfasst. Assistenzsysteme bieten hier vielfältige Möglichkeiten zur Aufwandsreduktion (Bild 1). So versuchen Werkzeuge wie das bereits erwähnte AssistSim [ID 39] bzw. das marktgängige Werkzeug SimAssist [4] oder SAFE [ID 49] die Experimentplanung und -durchführung zu automatisieren, um Zeit zu sparen und die Fehleranfälligkeit zu reduzieren. Die Unterstützung umfasst den Entwurf des Experimentplans mit den zu variierenden Parameterkonfigurationen bis hin zur Ergebnisauswertung und -visualisierung; dies kommt insbesondere auch unerfahrenen Anwenderinnen und Anwendern zugute. Weitere Ansätze zur Automatisierung der Simulationsexperimentplanung und -durchführung finden sich beispielsweise in [ID 18, ID 68].

Zusätzlich gibt es einige Ansätze, welche einzelne Aspekte bei der Experimentplanung und -durchführung unterstützen. Zu diesen gehören z. B. die templatebasierte Simulationsexperimentspezifikation [ID 56] und die automatische Variation von Modellstrukturen mittels kombinatorischer Logik [ID 69, ID 70]. Im Vergleich zu den Ansätzen, die in der Modellbildung [ID 42] angewandt werden, werden in diesem Fall ausgehend von einem validen ausführbaren Modell automatisch Modellstrukturvarianten generiert, sodass eine automatisierte Strukturvariation zugelassen wird. Dadurch können eine Vielzahl an Modellstrukturvarianten simuliert und in Bezug auf ihre Ergebnisgüte verglichen werden.

Ein weiterer wichtiger Ansatz ist die statistische Metamodellierung [ID 32, ID 37, ID 71, ID 72]. Anstatt eine große Anzahl aufwendiger Simulationsexperimente durchzuführen, wird ein vereinfachtes, approximatives Modell – das Metamodell – auf Basis von wenigen Simulationsläufen und Replikationen erstellt. Dieses Metamodell kann dann genutzt werden, um das Verhalten des zugrundeliegenden Simulationsmodells in einem größeren Parameterraum zu untersuchen.

Des Weiteren gibt es Ansätze zur verteilten Simulation [ID 43, ID 64], um die Modellierung großer und komplexer Produktions- und Logistiksysteme zu ermöglichen und die damit verbundene Rechenlast zu bewältigen. Häufig werden Standards [ID 6, ID 64] verwendet, um die Interoperabilität der verteilten Simulationsmodelle zu fördern. Neben Ansätzen für die webbasierte Verteilung von Simulationsexperimenten gibt es auch verteilte Simulation auf mobilen Endgeräten [ID 43], sodass eine flexiblere und zugänglichere Durchführung von Simulationsstudien für unerfahrene Personen möglich ist.

Zusätzlich können durch die Visualisierung von Simulationsexperimenten [ID 17] die Analyse und Kommunikation der Ergebnisse erleichtert werden, um allen beteiligten Personen einen intuitiven Zugang zu ermöglichen. In diesem Kontext erlauben zudem cloudbasierte Assistenzsysteme [ID 2, ID 66] die flexible Durchführung und den Zugriff auf Simulationsexperimente über mobile Endgeräte.

Assistenz für die Verifikation und Validierung

V&V-Softwarefunktionalitäten werden heute bereits in marktgängigen ereignisdiskreten Simulationswerkzeugen zur Überprüfung des ausführbaren Modells (z. B. Konsistenzchecks) oder auch der Eingangs- und Ergebnisdaten (z. B. Funktionen zur Regressions- und Korrelationsanalyse oder zur Berechnung von Konfidenzintervallen) angeboten [5]. Zudem werden einzelne V&V-Techniken wie z. B. die Animation direkt durch die Werkzeuge unterstützt (zu V&V-Techniken vgl. u. a. [6]).

Allerdings ist die V&V-Assistenz oftmals anwendungsspezifisch und nicht durchgängig für alle Phasen des Simulationsvorgehens nutzbar. Beispielsweise präsentieren [ID 23] ein Assistenzsystem zur V&V systembetriebsparalleler Simulationsmodelle in der Halbleiterindustrie. [ID 47] bietet ein Framework für die V&V auf Basis operativer Daten und unter Nutzung von Process-Mining, das jedoch nur während der Modellbildung eingesetzt werden kann.

Assistenz für die Nachnutzung

Durchgeführte Simulationsstudien bieten wertvolle Erfahrungen für die Anwendung der Simulation in Folgestudien, vorausgesetzt, die gewonnenen Informationen und das gewonnene Wissen sind entsprechend dokumentiert. Hierfür stellt [ID 61] eine ontologiebasierte Methodik zur Unterstützung der Nachnutzung von Simulationswissen vor, die auf einer kontinuierlich erweiterten Wissensbasis basiert.

Bewertung der Analyse und offene Forschungsthemen

Die aufgezeigten Forschungen verdeutlichen einerseits die Vielfalt an Formen der Assistenz im Kontext einer Simulationsstudie, sie zeigen jedoch auch, dass die Ergebnisse der Forschungsanstrengungen einen unterschiedlichen Reifegrad besitzen und dass eine durchgängige Assistenz fehlt.

So stehen beispielsweise für die Experimentphase Werkzeuge zur Automatisierung der Experimentplanung und -durchführung und für die Phase der Informations- und Datengewinnung Werkzeuge für die Datenaggregation und -aufbereitung zur Verfügung. In den Phasen der Modellbildung weisen die vielfältigen Ansätze zur Assistenz wie bspw. die Standardisierung von Schnittstellen, die Nutzung simulationswerkzeugunabhängiger Modellformalismen oder die statistische Metamodellierung über den Betrachtungszeitraum der letzten 15 Jahre auf Trends hin – eine Konsolidierung scheint aber noch nicht ersichtlich.

Wenig ausgereift ist die Forschung zur Assistenz für die V&V sowie die Nachnutzung von Ergebnissen. Zwar sind auch hier Vorgehensmodelle sowie Methodiken als Forschungsergebnisse zur Assistenz identifizierbar, jedoch ist der Umfang der Forschungen im Vergleich zu den zuvor genannten Phasen begrenzt; hierin liegt Forschungspotenzial, da nur durch eine durchgängige V&V belastbare Untersuchungen durchgeführt und diese durch eine systematische Nachnutzung von Ergebnissen beschleunigt werden können.

Die Analyse der wissenschaftlichen Literatur zeigt, dass es für verschiedene Aufgaben in den Phasen einer Simulationsstudie eine Vielfalt an Formen der Assistenz gibt, die zum Teil als Checklisten, Vorgehensmodelle, Softwarefunktionen oder auch eigenständige Werkzeuge umgesetzt sind. Allerdings sind Assistenzsysteme zur tatsächlichen Entscheidungsunterstützung (im Sinne der zu Beginn des Beitrags eingeführten Definition) noch kaum vorhanden, obwohl der Bedarf sowie damit verbundene Forschungslücken sowohl in der Wissenschaft als auch in der Anwendung erkennbar sind. Durchgängige phasenübergreifende Assistenzsysteme fehlen vollständig. Damit diese Lücken geschlossen werden, müssen sich die zukünftigen Handlungsfelder für Assistenzsysteme im Kontext der Simulation auf folgende Aspekte beziehen:

  1. Verbesserung der automatisierten Erzeugung von Modellen
  2. Qualitätskonforme und zeitsynchrone Informationsgewinnung für Simulationsmodelle auf Basis von realen Systemdaten
  3. Sicherstellung der Validität von Modellen und Daten durch eine durchgängige und geführte V&V-Assistenz
  4. Natürlichsprachige Planung, Durchführung und Auswertung von Experimenten sowie Reduktion des Experimentaufwands bei gleichzeitiger Verbesserung der Ergebnisgenauigkeit
  5. Schaffung eines nachhaltigen wieder- und weiterverwendbaren Simulationswissens auch nach Projektende
  6. Regelbasierte Befähigung zur Interoperabilität von Modellen und Werkzeugen

Aktuelle Forschungen zu Methoden der statistischen Metamodellierung, zur künstlichen Intelligenz oder auch zu theoretischen Modellen der Informatik können hier zielführend unterstützen (z. B. [8] sowie [ID 15, ID 32, ID 70]). So birgt der Einsatz von LLMs für die Handlungsfelder 1 und 3 Anwendungspotenzial, während Methoden der statistischen Metamodellierung vor allem bei 5 eingesetzt werden können.

Als weiterer Ausgangspunkt für das Handlungsfeld 5 bieten theoretische Modelle der Informatik wie in [ID 70] erweiterte Möglichkeiten für die automatische Variation nicht-numerischer Parameter wie Strukturen oder Steuerungsstrategien im Rahmen von Experimenten. Für das Handlungsfeld 2 werden Methoden der statistischen Datenanalyse und KI einzusetzen sein, während bei Handlungsfeld 4 maschinelle Lernverfahren und bei Handlungsfeld 6 Ontologien zum Einsatz kommen können.

Vor dem Hintergrund des kombinierten Einsatzes der Simulation mit anderen einschlägigen Verfahren wie bspw. der Optimierung, dem maschinellen Lernen oder Process-Mining gewinnt die Interoperabilität von Modellen und Werkzeugen (Handlungsfeld 7) ebenfalls zunehmend an Bedeutung (bspw. zur Umsetzung digitaler Zwillinge) und bedarf entsprechender Assistenz bspw. in Form von ontologiebasierten „Copilot“-Anwendungen.

Beim Einsatz von KI-Methoden – und dabei insbesondere Verfahren des maschinellen Lernens wie bspw. LLMs – sind auch im Kontext der Simulation die Erklärbarkeit von KI („Explainable ArtificiaI Intelligence“ oder „XAI“) bzw. weiterführend die Vertrauenswürdigkeit („Trustworthy Artificial Intelligence“ [9]) wesentliche Voraussetzungen für die erfolgreiche Umsetzung von Assistenz in den aufgezeigten Handlungsfeldern.

Zusammenfassung und Ausblick

Basierend auf einer Literaturanalyse ermittelt der Beitrag verschiedene Möglichkeiten der Assistenz entlang des Vorgehensmodells für die ereignisdiskrete Simulation in Produktion und Logistik, um so Forschungslücken abzuleiten.

Aus der Recherche wird erkennbar, dass es bereits eine Vielzahl an Assistenzmöglichkeiten zur Unterstützung des Simulationseinsatzes gibt. Allerdings wird auch deutlich, dass Assistenzsysteme zur Entscheidungsunterstützung für die Simulation auch in den methodischen Grundlagen noch längst nicht hinreichend erforscht sind. Methoden aus den Bereichen KI und Statistik, welche die ereignisdiskrete Simulation ergänzen, können neue Wege der Entscheidungsunterstützung eröffnen und so Zeit- und Aufwandsreduktionen bei Simulationsstudien ermöglichen.

Dies ist ein Originalbeitrag. Die englische Übersetzung finden Sie unter der DOI: 10.30844/I4SE.25.5.64


Literatur

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