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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung eines Anlagensystems
bzw. eines Teils davon, das mindestens eine Organisation, insbesondere
eine Instandhaltungsorganisation, und eine der Organisation zugehörige Umwelt
aufweist. Die Erfindung betrifft ferner eine entsprechende Simulationsvorrichtung.
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Bei
der Optimierung eines bestehenden Anlagensystems lassen sich einzuführende Änderungen
meistens nicht vorab nachweisen. Mit Modellbeschreibungen, formalen
Beschreibungen des zu modellierenden Gegenstands, kann man das Anlagensystem
zumindest grob nachbilden und dann Änderungen rechnerisch simulieren
und darstellen. Diese Beschreibungen können unter Nutzung von EDV-Verfahren
erstellt und von geeigneter Software gelesen und interpretiert werden.
Zur Optimierung werden typischerweise viele Simulationen mit jeweils unterschiedlichen
Einstellgrößen durchgeführt. Eine Optimierung
kann beispielsweise auf eine Verbesserung einer Anlagenverfügbarkeit,
auf eine Senkung von Kosten, auf eine Erhöhung einer Produktqualität und auf
eine Verringerung einer Umweltbelastung hin durchgeführt werden.
Einige dieser Ziele sind typischerweise gegenläufig, z.B. Anlagenverfügbarkeit und
Kosten.
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Ein
Simulation eines Anlagensystems im weiteren Sinne ist beispielsweise
das Computerspiel "Die
Sims", bei dem eine 'Organisation' (eine Familie, ein
Stadtteil usw.) zusammen mit ihrer 'Umwelt' (Hauser, Geschäfte, Freizeitmöglichkeiten
usw.) ganzheitlich simuliert wird.
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Nachteilig
bei den bekannten Systemen ist, dass der Simulationsaufwand hoch
ist und mit erhöhter
Simulationsgenauigkeit überproportional
wächst. Dies
stellt insbesondere ein Problem bei komplexen realen und im besonderen
sicherheitsrelevanten Anlagensystemen dar.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit
zur Optimierung eines Anlagensystems bereitzustellen, die einen
reduzierten Simulationsaufwand ergibt.
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Das
Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein Verhaltens der Organisation
auf Grundlage einer Modellbeschreibung der Organisation und ein Verhalten
der Umwelt auf Grundlage einer von der der Modellbeschreibung der
Organisation getrennten Modellbeschreibung der Umwelt berechnet
bzw. simuliert wird.
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Dies
heisst, dass die Simulationsvorrichtung einen ersten Satz von formalen
Beschreibungen verwendet, typischerweise ein lineares oder nichtlineares
erstes Gleichungssystem, der die Organisation beschreibt, und parallel
dazu einen zweiten Satz von formalen Beschreibungen, der die Umwelt
beschreibt.
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Bei
dieser Sichtweise wird das Anlagensystem um die Organisation herum
definiert. Ein Teil des Anlagensystems betrifft somit die Organisation,
insbesondere eine Instandhaltungsorganisation, mit zugehörigen Eigenschaften,
wie beispielsweise beispielsweise Zahl und Qualifikation des zugehörigen Personals
("Effizienzfaktoren"), Ausrüstung, Organisationsstruktur,
Stundensätze,
Reaktionsschnelligkeit, Planungsgüte (Nachrichtenbehandlung und -dispatch
usw.), aber auch die zugehörige
Ausrüstung,
wie Fahrzeuge, Computer, Fernwartungseinrichtungen usw. in geeigneter
Zusammenstellung, und vieles mehr umfassen. Weitere Modellgrößen (i.a.
Parameter, zugehörige
Parameterwerte und/oder Beziehungen dazwischen) für die Organisation
sind dem Fachmann bekannt.
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Der
andere Teil des Anlagensystems, die 'Umwelt' der Organisation, ist das Gesamtsystem ohne
die Organisation. Die Simulations- bzw. Modellgrößen für die Umwelt, auf welche die
Organisation wirkt, und umgekehrt, können beispielsweise Störparameter
und Fehlerverhalten einer Anlage, die Art und Zahl der Anlagen,
Ausfallkosten, Auslastung und vieles mehr umfassen. Weitere Modellgrößen für die Umwelt
sind dem Fachmann bekannt.
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Bei
einer anderen Sichtweise kann das Anlagensystem beispielsweise um
die Anlage als solche (Fabrik usw.) oder um eine andere Organisation
herum definiert werden.
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Durch
diese Trennung wird erstens die Berechnungskomplexität gesenkt,
da ein Teil von Gleichungsbeziehungen zwischen Organisation und
Umwelt während
eines Simulationsschritts nicht mehr dynamisch berücksichtigt
werden muss. Des weiteren verringert sich auch der eigentliche Simulationsaufwand,
da Beziehungen zwischen der Organisation und der Umwelt nur pauschal
berücksichtigt
zu werden brauchen. So kann die Umwelt für verschiedene Organisationsformen
gleichgelassen werden, oder braucht nur minimal angepasst zu werden.
Dadurch fällt
der Simulationsaufwand im Wesentlichen nur für die Simulation der Organisation
an. Insgesamt erhält
man drastisch kleinere Modelle.
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Entsprechend
weist eine die Aufgabe lösende
Simulationsvorrichtung zumindest eine Simulationsumgebung für eine Simulation
der Organisation auf Grundlage einer Modellbeschreibung der Organisation
mit mindestens einem ersten Speicher zur Speicherung von Werten
von zugehörigen
Modellgrößen auf,
als auch zumindest eine davon getrennte Simulationsumgebung für eine Simulation
der Organisation auf Grundlage einer Modellbeschreibung einer zur
Organisation gehörigen
Umwelt mit mindestens einem zweiten Speicher zur Speicherung von Werten
von zugehörigen
Modellgrößen.
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Es
sollte klar sein, dass diese Simulationsumgebung auf einer Vielzahl
geeigneter Rechneranordnungen laufen kann. So kann beispielsweise die
Simulation auf einem einzigen Rechner mit entsprechenden Speichern
und/oder Ausgabevorrichtung laufen oder auf verteilten Rechnersystemen, z.B.
mehreren Servern, die über
ein Netzwerk miteinander verbunden sind.
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Es
ist vorteilhaft, wenn zur Berücksichtigung gegenseitiger
Einflüsse
zwischen Organisation und Umwelt während der Simulation zwischen
der Modellbeschreibung der Organisation und der Modellbeschreibung
der Umwelt Wechselwirkungsinformation ausgetauscht wird. Eine solche
Wechselwirkungsinformation kann zum Beispiel Objekte und/oder Nachrichten über ein
Auftreten eines Fehlers und seine Behebung, eine Anlagenverfügbarkeit
zur Reparatur oder eine Wartung und so weiter umfassen. Dadurch kann
eine Wechselwirkung berücksichtigt
werden, ohne dass sie aufwändig
im Rahmen eines gemeinsamen Gleichungssystems berechnet werden muss.
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Es
ist auch vorteilhaft, wenn zur Modellbeschreibung der Organisation
und/oder der Umwelt Historiendaten der Organisation und/oder der
Umwelt übernommen
werden. Hierdurch werden erhebliche Aufwendungen bei der Modellerstellung
eingespart.
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Es
ist günstig,
wenn die Historiendaten aus einem Planungs- und Steuerungssystem übernommen
werden, da an einem solchen System ausführliche Daten über die
Anlage(n) vorhanden und einfach abrufbar sind. Auch hierdurch werden
erhebliche Aufwendungen bei der Modellerstellung eingespart.
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Es
ist vorteilhaft, wenn die Historiendaten aus einem Prozessleitsystem übernommen
werden, da ein solches an den meisten Anlagen vorhanden ist.
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Das
obige Verfahren ist insbesondere vorteilhaft für eine Instandhaltungsorganisation.
Dann kann insbesondere das Planungs- und Steuerungssystem ein Instandhaltungsplanungs-
und steuerungssystem (IPS) bzw. CMMS ("Computerized Maintenance Management
System") sein. Ein
IPS als solches ist dem Fachmann bekannt.
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Es
ist zur Optimierung besonders vorteilhaft, wenn aufeinanderfolgende
Simulationsschritte bzw. Simulationsteilschritte als Ablaufsequenz
dargestellt werden können,
so dass man nicht nur Endergebnisse vergleichen kann, sondern auch
das Verhalten der simulierten Einheit über die Zeit nachvollziehen
kann und dabei auch ein Parameterverhalten in Zwischenstadien erkennen
kann. Zwischenschritte können beispielsweise
zeitliche Teilabläufe
der gesamten Simulation umfassen, z.B. simulierte Wochen oder Monate
(oder beliebige andere geeignete Parameter) darstellen, wenn gesamte
Simulation z.B. für
die Nachbildung eines Jahres ausgelegt ist. Das Konzept von Zwischenschritten
ist dem Fachmann vertraut.
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Die
Aufgabe wird auch durch eine Speichervorrichtung, z.B. eine DVD
oder ein anderes Speichermedium, gelöst, welche entsprechenden Programmcode
zur Ermöglichung
bzw. Durchführung der
oben beschriebenen Methode umfasst.
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In
den folgenden Figuren wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels
schematisch genauer beschrieben. Dieses Ausführungsbeispiel ist nicht als
die Erfindung beschränkend
zu verstehen.
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1 zeigt
skizzenhaft eine Vorrichtung zur Simulation und Optimierung einer
Instandhaltungsorganisation;
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2 zeigt
schematisch verschiedene Ablaufschritte einer Simulationsberechnung.
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In 1 ist
eine Vorrichtung zur Simulation und Optimierung eines Anlagensystems,
insbesondere einer Instandhaltungsorganisation, gezeigt.
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Eine
Simulationsvorrichtung 1 enthält einen Prozessor 2 zur
Berechnung eines Verhaltens des Anlagensystems auf Grundlage einer
zugehörigen Modellbeschreibung.
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Dazu
ist eine erste Simulationsumgebung 3 für eine Simulation der Organisation
auf Grundlage einer Modellbeschreibung der Organisation vorhanden,
die hier gestrichelt angedeutet ist. Die erste Simulationsumgebung 3 weist
mindestens einen ersten Speicher 4 zur Speicherung von
Modellgrößen, d.h., im
allgemeinen von Modellparametern, zugehörigen Größen und Beziehungen zwischen
den Parametern, der Organisation auf. Wie schematisch dargestellt, werden
Berechnungen in der Simulationsumgebung 3 von Prozessor 2 unter
Verwendung des ersten Speichers 4 durchgeführt.
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Ferner
ist eine zweite Simulationsumgebung 5 für eine Simulation der Umwelt
auf Grundlage einer Modellbeschreibung der Umwelt vorhanden, die
hier gestrichelt angedeutet ist. Die zweite Simulationsumgebung 5 weist
mindestens einen zweiten Speicher 6 zur Speicherung von
Modellbeschreibungen und Werten zugehöriger Modellgrößen der
Umwelt auf. Wie schematisch dargestellt, werden Berechnungen in
der zweiten Simulationsumgebung 5 ebenfalls von Prozessor 2 unter
Verwendung des zweiten Speichers 6 durchgeführt. Der
Prozessor 2 berechnet somit Simulationen für die getrennten
Simulationsumgebungen 3, 5 getrennt. Der Prozessor
kann dazu beispielsweise multitaskingfähig sein. In anderen Ausführungen
können
unterschiedliche Prozessoren verwendet werden.
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Zwischen
dem ersten Speicher 4 und dem zweiten Speicher 6 besteht
eine Datenverbindung 7, um Wechselwirkungsinformation zwischen
den Speichern 4, 6 auszutauschen, z.B. Objekte
und/oder Nachrichten. Die Wechselwirkungsinformation kann beispielsweise
zwischen einzelnen Berechnungsschritten der Simulationsumgebungen 3, 5 ausgetauscht
werden.
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Zudem
ist die Simulationsvorrichtung 1 zumindest teilweise mit
einem ersten externen Speicher 8 eines IPS verbunden, der
insbesondere, aber nicht nur, Historiendaten über die hier beschriebene Instandhaltungsorganisation
enthält. Über eine
Datenverbindung 9 können
Daten aus dem IPS-Speicher 8 in eine oder beide Simulationsumgebungen 3, 5 übertragen
werden, z.B. deren Speicher 4, 6, wie hier vereinfachend
durch den Pfeil 9 angedeutet. Es können beispielsweise auch mehrere
Datenverbindungen mit jeweils einem Speicher 4, 6 verbunden sein.
Die Datenverbindung 9 muss zur Simulation nicht aufrecherhalten
werden, sondern kann zur einmaligen oder wiederholten Datenübertragung
für nur diese
Zeit bestehen. Mit der Kopplung an das IPS können historische Daten, z.B.
zu Störverhalten, -aufkommen
und -häufigkeit
direkt in die Simulationsumgebung überführt und in einem dafür vorgesehen
Speicher abgelegt werden. Diese Daten dienen als Ausgangspunkt für die Modellbeschreibung Hier ist
die Simulationsvorrichtung 1 auch mit einem zweiten externen
Speicher 10 eines Prozessleitsystems verbunden, der insbesondere,
aber nicht nur, Historiendaten über
die Umwelt enthält. Über eine
Datenverbindung 11 können
Daten aus dem zweiten Speicher 10 in eine oder beide Simulationsumgebungen 3, 5 übertragen
werden, z.B. deren Speicher 4, 6. Die Datenverbindung 11 muss
auch hier zur Simulation nicht aufrechterhalten werden, sondern
kann zur einmaligen oder wiederholten Datenübertragung für nur diese
Zeit bestehen.
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Mittels
einer Eingabeeinheit 12 zur manuellen Parametrisierung
können
Simulationsgrößen, die sich
z.B. in den Speichern 4, 6 befinden durch einen Nutzer
manuell verändert
werden. Dadurch kann das Verhalten des Anlagensystems unter mehreren,
manuell geänderten
Ausgangssituationen berechnet werden.
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Die
jeweiligen Simulationsergebnisse bzw. Teile davon (z.B. nur bestimmte
Größen, wie
Gesamtkosten, Verfügbarkeit
usw. und/oder nur bestimmte Zwischenschritte) werden in einem Ausgabespeicher 13 gespeichert,
ggf. in komprimierter Form. Dieser Speicher 13 kann auch
Teil der Simulationsvorrichtung 1 sein. Die dort gespeicherten
Daten können
unter Verwendung einer Auswerteeinheit 14 reproduziert
bzw. erneut abgespielt werden. Die Ergebnisse können von der Auswerteeinheit 14 unter Nutzung
geeigneter Ausgabeverfahren als reine Ergebnislisten 15a,
in graphischer Darstellung 15b oder als Ablaufsequenz 15c ausgegeben
werden. Dabei ist die Ablaufsequenz 15c zur Nachverfolgung eines
Anlagensystemverhaltens bzw. von Teilen davon (Instandhaltungsorganisation,
Umwelt usw.) besonders vorteilhaft, da hier auch Zwischenzustände begutachtet
werden können.
Die Ablaufsequenz 15c kann beispielsweise eine Videosequenz
oder eine andere graphische Animation sein, insbesondere mit einer
Replay-Funktion.
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Die
Ergebnisse verschiedener Simulationsläufe oder verschiedener Zwischenergebnisse,
die man wie oben beschrieben erhält,
können
mittels einer Vergleichseinheit 16 automatisch oder manuell miteinander
verglichen werden. Die Vergleichsergebnisse werden auf einem geeigneten
Medium 17 gespeichert und können – unter Nutzung z.B. der Auswerteeinheit 14 mit
Ausgabe reiner Ergebnislisten 15a oder in graphischer Darstellung 15b, 15c ausgegeben
werden. Eine Betrachtung der Beschreibungen über mehrere Simulationszyklen
erlaubt dann eine Betrachtung des Verhaltens von Instandhaltung sowie
der Entwicklung der Produktion und Umwelt.
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Insbesondere
ist die beschriebene Methode zur Optimierung einer Instandhaltungsorganisation geeignet,
die eine bestimmte Umwelt instandhält. Die Umwelt, z.B. eine Herstellungsanlage,
wird dabei im Wesentlichen gleich gelassen, und die Instandhaltungsorganisation
wird diesbezüglich
optimiert, was auch meist der Realität entspricht. Dabei können z.B. Instandhaltungsorganisationen
mit grundlegend anderer Struktur oder mit nur kleineren Änderungen
zueinander simuliert und verglichen werden. Die Umwelt kann im Wesentlichen
durch die gleichen Modelle beschrieben werden, was den Simulationsaufwand erheblich
verringert. Allgemein eignet sich die beschriebene Methodik besonders
zur (im Wesentlichen) getrennten Simulation von weitgehend getrennt
beschreibbaren Strukturen bzw. Systemen. Wechselwirkungen können, wie
bereits beschrieben, durch Informationsaustausch berücksichtigt
werden.
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2 zeigt
vereinfacht eine Ausführungsform
verschiedener Ablaufschritte einer Anlagensystemsimulation.
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In
einem ersten Schritt S1 werden Modelle zur Beschreibung einer Organisation
und einer Umwelt aufgestellt.
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In
einem zweiten Schritt S2 wird zwischen diesen Modellen auszutauschende
Information definiert.
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Es
folgt ein dritter Schritt S3, bei dem Historieninformation in die
Modelle eingelesen bzw. übernommen
wird, z.B. von einem IPS und/der einem Prozessleitsystem.
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Danach
erfolgt die Durchführung
bzw. Berechnung der Simulation auf Grundlage der Modellbeschreibungen
und -daten und Informationsaustäusche,
S4.
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Daran,
insbesondere nach festgelegten Zwischenschritten, schließt sich
ein Ausgeben der Simulationsdaten an, S5, und daran ein Auswerten
der Simulationsdaten, S6, welche das berechnete Verhalten der Organisation
zu dem jeweils festgelegten Zustand zumindest teilweise beschreiben.
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Wie
durch den gestrichelten Pfeil vereinfacht angedeutet, können nach
Ausgabe der Simulationsdaten für
einen bestimmten Simulationsdurchlauf, Schritt S5, weitere Simulationsdurchläufe mit
einer anderen Parameterbasis automatisch durchgeführt werden.
Alternativ oder zusätzlich
können
weitere Simulationsdurchläufe
mit einer anderen Parameterbasis nach Auswerten des vorherigen Simulationslaufs, Schritt
S6, durchgeführt
werden.
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Nach
Berechnen mehrerer Simulationsdurchläufe können diese miteinander verglichen
werden, S7.