System und Modell Der Systembegriff und sein Umfeld - CES
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<strong>System</strong>:<br />
Vorlesung „Simulationstechnik"<br />
(Dr. M. Syrjakow)<br />
Vorlesung: Simulationstechnik<br />
<strong>System</strong> <strong>und</strong> <strong>Modell</strong><br />
<strong>Der</strong> <strong>System</strong>begriff <strong>und</strong> <strong>sein</strong> <strong>Umfeld</strong><br />
• Abgegrenzte Anordnung von aufeinander einwirkenden Gebilden<br />
[Lexikon der Informatik <strong>und</strong> Datenverarbeitung].<br />
• Solche Gebilde können sowohl Gegenstände als auch<br />
Denkmethoden <strong>und</strong> deren Ergebnisse (z.B. Organisationsformen,<br />
mathematische Methoden, Programmiersprachen) <strong>sein</strong>.<br />
• Diese Anordnung wird durch eine Hüllfläche von ihrer Umgebung<br />
abgegrenzt oder abgegrenzt gedacht.<br />
<strong>Der</strong> <strong>System</strong>begriff <strong>und</strong> <strong>sein</strong> <strong>Umfeld</strong><br />
Weitere <strong>System</strong>definitionen:<br />
• Menge von miteinander in Beziehung stehender Teile<br />
(Komponenten), die zu einem gemeinsamen Zweck interagieren.<br />
[Forrester 72]<br />
• Ein von <strong>sein</strong>er Umwelt abgegrenzter Wirklichkeitsbereich<br />
[Schmidt 85]. Ein reales <strong>System</strong> ist immer offen, d.h. es<br />
steht mit <strong>sein</strong>er Umwelt in Beziehung.<br />
Sehr allgemeine Begriffsdefinitionen, die sich auf alle<br />
Formen von <strong>System</strong>en (technische, biologische, soziale,<br />
organisatorische, etc.) anwenden lassen.<br />
Vorlesung „Simulationstechnik"<br />
(Dr. M. Syrjakow)<br />
Dr. Michael Syrjakow<br />
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Vorlesung „Simulationstechnik"<br />
(Dr. M. Syrjakow)<br />
Vorlesung: Simulationstechnik<br />
<strong>Der</strong> <strong>System</strong>begriff <strong>und</strong> <strong>sein</strong> <strong>Umfeld</strong><br />
In dieser Vorlesung werden technische <strong>System</strong>e betrachtet.<br />
Technisches <strong>System</strong>:<br />
• <strong>System</strong>, das ausschließlich aus technischen Bestandteilen<br />
besteht. [Lexikon der Informatik <strong>und</strong> Datenverarbeitung]<br />
• Die Beschreibung eines technischen <strong>System</strong>s umfaßt dessen<br />
statische Struktur (<strong>System</strong>komponenten <strong>und</strong> deren<br />
Verknüpfung über Schnittstellen) sowie dessen dynamisches<br />
Verhalten, das durch die im <strong>System</strong> ablaufenden<br />
Prozesse festgelegt wird.<br />
Prozeß:<br />
<strong>Der</strong> <strong>System</strong>begriff <strong>und</strong> <strong>sein</strong> <strong>Umfeld</strong><br />
• Geschlossener Vorgang in einem <strong>System</strong>, bei dem Materie,<br />
Energie <strong>und</strong>/oder Information umgeformt wird <strong>und</strong>/oder<br />
transportiert wird. [DIN 66201]<br />
Vorlesung „Simulationstechnik"<br />
(Dr. M. Syrjakow)<br />
Dr. Michael Syrjakow<br />
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Vorlesung „Simulationstechnik"<br />
(Dr. M. Syrjakow)<br />
Vorlesung: Simulationstechnik<br />
<strong>Der</strong> <strong>System</strong>begriff <strong>und</strong> <strong>sein</strong> <strong>Umfeld</strong><br />
<strong>System</strong>analyse:<br />
• <strong>System</strong>atische Untersuchung komplexer <strong>System</strong>e mit dem Ziel, den<br />
Entscheidungsverantwortlichen umfassende Informationen über die mit<br />
ihren Handlungsmaximen <strong>und</strong> Handlungsalternativen verb<strong>und</strong>en<br />
Konsequenzen zur Verfügung zu stellen. [Page 91]<br />
<strong>System</strong>theorie:<br />
• Allgemeine Theorie des Zusammenhangs zwischen Struktur <strong>und</strong> Verhalten<br />
von <strong>System</strong>en. Gesucht wird nach Gr<strong>und</strong>prinzipien, die gleichermaßen für<br />
alle <strong>System</strong>e gelten, die in den unterschiedlichen wissenschaftlichen<br />
Disziplinen erforscht werden. [Page 91]<br />
<strong>System</strong>–<br />
eingang<br />
<strong>System</strong>–<br />
elemente<br />
<strong>System</strong>–<br />
eingang<br />
Vorlesung „Simulationstechnik"<br />
(Dr. M. Syrjakow)<br />
Gr<strong>und</strong>legende <strong>System</strong>begriffe<br />
S 1<br />
S 4<br />
<strong>System</strong>umgebung<br />
S 2<br />
<strong>System</strong><br />
Dr. Michael Syrjakow<br />
S 3<br />
Rückkopplungen<br />
<strong>System</strong>–<br />
ausgang<br />
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Vorlesung „Simulationstechnik"<br />
(Dr. M. Syrjakow)<br />
Vorlesung: Simulationstechnik<br />
Gr<strong>und</strong>legende <strong>System</strong>begriffe<br />
<strong>System</strong>element:<br />
• Nicht weiter unterteilbare oder als nicht weiter unterteilbar<br />
betrachtete Komponenten eines <strong>System</strong>s, denen Eigenschaften<br />
(Attribute) zugeordnet werden können.<br />
Zustandsvariable:<br />
• Veränderliche Eigenschaft eines <strong>System</strong>s.<br />
Zustand des <strong>System</strong>s:<br />
• Menge der Werte aller Zustandsvariablen zu einem bestimmten<br />
Zeitpunkt.<br />
Vorlesung „Simulationstechnik"<br />
(Dr. M. Syrjakow)<br />
Gr<strong>und</strong>legende <strong>System</strong>begriffe<br />
<strong>System</strong>verhalten:<br />
• Zustandsfolgen, die sich ergeben, wenn sich die Werte der<br />
Zustandsvariablen im Verlauf der Zeit ändern.<br />
Komplexität eines <strong>System</strong>s:<br />
• Hängt von der Anzahl der <strong>System</strong>elemente <strong>und</strong> deren<br />
Beziehungen (kausale Beeinflussungen) untereinander<br />
(Verflechtungsgrad) ab.<br />
Dr. Michael Syrjakow<br />
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Vorlesung „Simulationstechnik"<br />
(Dr. M. Syrjakow)<br />
Vorlesung: Simulationstechnik<br />
Gr<strong>und</strong>legende <strong>System</strong>begriffe<br />
Offenes <strong>System</strong>:<br />
• Steht mit <strong>sein</strong>er Umwelt (<strong>System</strong>umgebung) in Beziehung;<br />
reale <strong>System</strong>e sind praktisch immer offen.<br />
Geschlossenes <strong>System</strong>:<br />
• Im Idealfall ein <strong>System</strong>, auf das keinerlei Umwelteinflüsse<br />
einwirken.<br />
Vorlesung „Simulationstechnik"<br />
(Dr. M. Syrjakow)<br />
Gr<strong>und</strong>legende <strong>System</strong>begriffe<br />
Statisches <strong>System</strong>:<br />
• <strong>Der</strong> <strong>System</strong>zustand bleibt unverändert im Zeitverlauf.<br />
Dynamisches <strong>System</strong>:<br />
• <strong>Der</strong> <strong>System</strong>zustand ändert sich im Zeitverlauf.<br />
Dr. Michael Syrjakow<br />
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zustandskontinuierlich<br />
zustandsdiskret<br />
<strong>System</strong>zustand<br />
<strong>System</strong>zustand<br />
Vorlesung „Simulationstechnik"<br />
(Dr. M. Syrjakow)<br />
Vorlesung: Simulationstechnik<br />
Einteilung dynamischer <strong>System</strong>e<br />
zeitkontinuierlich<br />
Zeit<br />
Zeit<br />
a)<br />
c)<br />
<strong>System</strong>zustand<br />
<strong>System</strong>zustand<br />
zeitdiskret<br />
Zeit<br />
Zeit<br />
festes Zeitraster<br />
b)<br />
d)<br />
festes Zustandsraster<br />
Dr. Michael Syrjakow<br />
a Kontinuierliche<br />
<strong>System</strong>e<br />
b <strong>System</strong>e diskreter<br />
Ereignisse<br />
c Diskrete <strong>System</strong>e<br />
d Ganzzahlige<br />
zeitdiskrete <strong>System</strong>e<br />
e Sonderfall von b) aber<br />
ohne festes Zeitraster:<br />
Ereignisorientierte<br />
diskrete <strong>System</strong>e<br />
Einteilung dynamischer <strong>System</strong>e<br />
Deterministische <strong>System</strong>e:<br />
• <strong>System</strong>e mit deterministischem Verhalten. Dieses liegt dann vor, wenn<br />
eine eindeutige Folge von Zuständen bzw. Abläufen gegeben ist, d.h.<br />
eine Ursache mit Notwendigkeit zu einer bestimmten Wirkung führt.<br />
Stochastische <strong>System</strong>e:<br />
• <strong>System</strong>e mit stochastischem Verhalten. Dieses liegt dann vor, wenn<br />
keine eindeutige Folge von Zuständen bzw. Abläufen gegeben ist, d.h.<br />
ein <strong>und</strong> dieselbe Ursache zu verschiedenen Wirkungen führen kann.<br />
Vorlesung „Simulationstechnik"<br />
(Dr. M. Syrjakow)<br />
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Vorlesung: Simulationstechnik<br />
Einteilung dynamischer <strong>System</strong>e<br />
Gemischte oder hybride <strong>System</strong>e:<br />
• <strong>System</strong>e, die aus verschiedenartigen Teilsystemen<br />
zusammengesetzt sind.<br />
Vorlesung „Simulationstechnik"<br />
(Dr. M. Syrjakow)<br />
Vorlesung „Simulationstechnik"<br />
(Dr. M. Syrjakow)<br />
Beziehung “<strong>System</strong> - <strong>Modell</strong>“<br />
Die gleichen Definitionen, die für <strong>System</strong>e aufgestellt<br />
wurden, können auch auf <strong>Modell</strong>e angewandt werden.<br />
Zu beachten ist:<br />
Bei der <strong>Modell</strong>bildung muß der Typ des <strong>Modell</strong>s nicht mit<br />
dem Typ des <strong>System</strong>s übereinstimmen.<br />
In den meisten Fällen liegt hier sogar keine<br />
Übereinstimmung vor.<br />
Dr. Michael Syrjakow<br />
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Vorlesung „Simulationstechnik"<br />
(Dr. M. Syrjakow)<br />
Vorlesung: Simulationstechnik<br />
<strong>Modell</strong>e<br />
• <strong>Modell</strong>e sind das Ergebnis des Vorgangs der <strong>Modell</strong>bildung,<br />
bei dem <strong>System</strong>e auf <strong>Modell</strong>e abgebildet werden.<br />
• <strong>Modell</strong>e sind selbst wiederum <strong>System</strong>e, die aber die<br />
Elemente <strong>und</strong> Relationen des Ursprungssystems in<br />
veränderter Weise darstellen. [Page 91]<br />
• <strong>Modell</strong>e sind materielle oder immaterielle <strong>System</strong>e, die<br />
andere <strong>System</strong>e so darstellen, daß eine experimentelle<br />
Manipulation der abgebildeten Strukturen <strong>und</strong> Zustände<br />
möglich ist. [Niemeyer 77]<br />
• Bedeutungsvielfalt<br />
– schwierig zu definieren<br />
Vorlesung „Simulationstechnik"<br />
(Dr. M. Syrjakow)<br />
<strong>Der</strong> <strong>Modell</strong>begriff<br />
– jede Definition greift zu kurz<br />
• Ähnliche Probleme auch bei Begriffen aus dem <strong>Umfeld</strong><br />
des <strong>Modell</strong>begriffs<br />
– Original<br />
– Wirklichkeit<br />
– Abbild<br />
Dr. Michael Syrjakow<br />
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Vorlesung „Simulationstechnik"<br />
(Dr. M. Syrjakow)<br />
Vorlesung: Simulationstechnik<br />
Allgemeine <strong>Modell</strong>theorie (Stachowiak, 1973)<br />
Original<br />
(reales <strong>System</strong><br />
oder <strong>Modell</strong>)<br />
Vorlesung „Simulationstechnik"<br />
(Dr. M. Syrjakow)<br />
Abstraktion<br />
Subjekt<br />
Zweck<br />
Dr. Michael Syrjakow<br />
<strong>Modell</strong><br />
(vereinfachtes Abbild<br />
des Originals)<br />
Prozeß der <strong>Modell</strong>bildung beim Menschen<br />
Menschliches Bewußt<strong>sein</strong><br />
Ordnen <strong>und</strong><br />
Interpretieren<br />
von Daten<br />
<strong>Modell</strong>aufbau<br />
1<br />
Wirklichkeit<br />
Umwelt<br />
Originalsystem<br />
Abstraktion<br />
Idealisieung<br />
Abstraktes<br />
<strong>System</strong>modell<br />
2 Abstraktes<br />
<strong>System</strong>modell<br />
k Abstraktes<br />
<strong>System</strong>modell<br />
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Vorlesung „Simulationstechnik"<br />
(Dr. M. Syrjakow)<br />
Vorlesung: Simulationstechnik<br />
Wozu <strong>Modell</strong>e?<br />
• Durchführung von Experimenten, die am Original nicht durchgeführt<br />
werden sollen, können oder dürfen<br />
• Verstehen eines Gebildes<br />
• Kommunizieren über ein Gebilde<br />
• Gedankliches Hilfsmittel zum Gestalten <strong>und</strong> Bewerten eines Gebildes<br />
• Spezifikation von Anforderungen an ein geplantes Gebilde<br />
• Aufstellen/Prüfen von Hypothesen über beobachtete oder postulierte<br />
Phänomene<br />
• Gefahrloses <strong>und</strong> kostengünstiges Training/Ausbildung<br />
• Ersatz für ein fehlendes oder defektes Originalsystem<br />
• Unterhaltung<br />
• etc.<br />
Vorlesung „Simulationstechnik"<br />
(Dr. M. Syrjakow)<br />
<strong>Modell</strong>e in der Informatik<br />
• von zentraler Bedeutung aufgr<strong>und</strong> der hohen Komplexität von<br />
Informatiksystemen<br />
– permanente Erhöhung der (bereits zahlreichen)<br />
Abstraktionsebenen<br />
– zusätzliche orthogonale Sichten<br />
– <strong>Modell</strong>-getriebene <strong>System</strong>entwicklung<br />
• grob klassifizierbar in<br />
– <strong>Modell</strong>e für die Informatik (als Hilfsmittel zum Verstehen,<br />
Konstruieren <strong>und</strong> Beurteilen von Informatiksystemen)<br />
– <strong>Modell</strong>e für Bereiche außerhalb der Informatik, die mit Mitteln der<br />
Informatik umgesetzt werden<br />
Dr. Michael Syrjakow<br />
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Vorlesung „Simulationstechnik"<br />
(Dr. M. Syrjakow)<br />
Vorlesung: Simulationstechnik<br />
Klassifikation von <strong>Modell</strong>en<br />
Möglichkeiten zur Klassifikation:<br />
• Art der Untersuchungsmethode<br />
• Abbildungsmedium<br />
• Art der Zustandsübergänge<br />
• Verwendungszweck<br />
Klassifikation nach Abbildungsmedium <strong>und</strong><br />
Untersuchungsmethode<br />
materiell immateriell<br />
verbal<br />
<strong>Modell</strong>e<br />
informal<br />
grafischdeskriptiv<br />
mathematisch<br />
Vorlesung „Simulationstechnik"<br />
(Dr. M. Syrjakow)<br />
formal<br />
grafischmathematisch<br />
analytisch simulativ analytisch simulativ<br />
Dr. Michael Syrjakow<br />
• materielles <strong>Modell</strong>:<br />
Schiffsmodell<br />
• verbales <strong>Modell</strong>:<br />
umgangssprachliche Beschreibung<br />
• grafisch-deskriptives <strong>Modell</strong>:<br />
Flußdiagramm<br />
• mathematisches <strong>Modell</strong>:<br />
Gleichungssystem<br />
• grafisch-mathematisches <strong>Modell</strong>:<br />
Petri-Netz<br />
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Vorlesung: Simulationstechnik<br />
Klassifikation nach Art der Zustandsübergänge<br />
<strong>Modell</strong>e<br />
statisch dynamisch<br />
Vorlesung „Simulationstechnik"<br />
(Dr. M. Syrjakow)<br />
kontinuierlich diskret<br />
deterministisch stochastisch deterministisch stochastisch<br />
Klassifikation nach dem Verwendungszweck<br />
Erklärungsmodelle<br />
Vorlesung „Simulationstechnik"<br />
(Dr. M. Syrjakow)<br />
Prognosemodelle<br />
<strong>Modell</strong>e<br />
Gestaltungsmodelle<br />
Dr. Michael Syrjakow<br />
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Optimierungsmodelle<br />
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<strong>Modell</strong>ierung <strong>und</strong> Simulation<br />
Vorlesung „Simulationstechnik"<br />
(Dr. M. Syrjakow)<br />
Vorlesung: Simulationstechnik<br />
Literatur<br />
• Thomas Sauerbier: Theorie <strong>und</strong> Praxis von Simulationssystemen; Vieweg, 1999.<br />
• Bernd Page: Diskrete Simulation; Springer, 1991.<br />
• Grams, Timm: Simulation: Strukturiert <strong>und</strong> objektorientiert programmiert; BI-<br />
Wissenschaftsverlag, 1992.<br />
• Liebl, Franz: Simulation: Problemorientierte Einführung; Oldenbourg, 1992.<br />
• Bossel, Hartmut: <strong>Modell</strong>bildung <strong>und</strong> Simulation; Vieweg, 1993.<br />
• Kaufmann, W.J.; Smarr, L.L.: Simulierte Welten; Spektrum Akademischer Verlag,<br />
1994.<br />
• Fishwick, P.A.: Simulation Model Design and Execution: Building Digital Worlds;<br />
Prentice Hall, 1995.<br />
• Herbert Stachowiak: Allgemeine <strong>Modell</strong>theorie. Springer-Verlag, 1973.<br />
Dr. Michael Syrjakow<br />
25<br />
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