Einführung in die Simulationstechnik - Prozessvisualisierung mit WinGPSS und Proof Animation
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Handelshochschule Otto-von-Guericke-
Stockholm Universität
Magdeburg
Einführung in die
Simulationstechnik
Prozessvisualisierung mit WinGPSS und
Proof Animation™
Dr. Henry HerperAnimation „Der Begriff Animation wird vom lateinischen Wort „animare“ abgeleitet und bedeutet zum Leben erwecken. Die Animation bezeichnet die Erzeugung und Präsentation von Bildfolgen, in denen Änderungen (z.B. Zustandsänderungen und Bewegungen von Modellelementen) einen visuellen Effekt bedingen. Unter visuellem Effekt kann eine über die Zeit variierende Position, die Änderung von Form, Farbe, Transparenz, Struktur und Musterung eines Objektes, die Änderung der Beleuchtung sowie der Position, Orientierung und Brennweite der Kamera verstanden werden. In diesem Kontext setzt sich Computeranimation mit der Technik zur synthetischen Erzeugung von bewegten und belebten Bildern mit Hilfe des Rechners und geeigneter Programme auseinander.“ /VDI-Richtlinie 3633 Blatt 11, Seite 2/ 2
Animationssystem proof
Das Animationssystem Proof-Animation™ gehört zur
Klasse der 2D-Animationssysteme. Dieses
Werkzeug ist wegen seiner Einfachheit und
Leistungsfähigkeit für den Einsatz in der schulischen
Ausbildung geeignet. Es erlaubt die Darstellung
gleichzeitiger, flüssiger Bewegungen für hunderte von
Objekten. Die Animation läuft mit einstellbarem, zur
Realzeit proportionalem Tempo.
Proof Animation™ ist ein Produkt der
3proof-Animationsmodell
Layout des Layout des
realen Systems Animationsmodells
proof-
Animationsmodell
WinGPSS Animation-Trace-
Simulationsmodell File
4Wann sollten Animationssysteme
eingeführt werden?
Aus didaktischer Sicht kann die Animation auch vor
der Simulationssprache eingeführt werden. Die
Animation selbst ist eine einfache Form der
Taktsimulation.
Die Animation bietet sich zur Eingewöhnung in die
Welt der Simulation an, weil sie die unmittelbare
visuelle Kontrolle der geschaffenen Modelle erlaubt.
Das Animationssystem Proof kann unabhängig von der
Simulation zur Visualisierung von Daten verwendet
werden.
5Arbeitsschritte zur Entwicklung des
Animationsmodels
1. Erstellen eines (maßstabsgetreuen) Layouts
2. Definition und Gestaltung der Objektklassen
3. Definition der Pfade
4. Festlegung der Sichten
Die Schritte 1 – 4 können mehrfach in beliebiger
Reihenfolge durchgeführt werden.
6Modi von Proof-Animation™
Zur Entwicklung, zum Test und zur Präsentation von
Animationsmodellen ist Proof Animation™ in sechs
verschiedenen Modi nutzbar. Das sind:
• Run – Modus, in dem ein Animationslauf stattfinden und
gesteuert werden kann.
• Presentation – ist ein Modus, in dem vorbereitete
Präsentationsanweisungen, die zu einem Präsentationsfile
(name.psf) zusammengefasst sind, vorgeführt und gesteuert
werden können.
• Draw – ist ein Modus, in dem ein Bildhintergrund, eine feste
Szenarie gezeichnet wird. Neben statischen, unveränderlichen
Komponenten werden im Draw-Modus auch Messages, Bars und
Plots definiert, die während der Animation variable Werte
annehmen können.
7Modi von Proof-Animation™
• Class – dient zur Definition von graphischen Klassen. Instanzen
dieser Klasse kann man im Draw-Mode erzeugen und fest in das
Layout einfügen und mit Animationsanweisungen während eines
Animationslaufes erzeugen (Create), bewegen und verändern und
wieder vernichten (Destroy).
• Path – ist ein Modus, in dem Pfade (Paths) definiert werden
können, auf denen sich Objekte bewegen.
• Debug – ist ein Modus, der die Abarbeitung einer Animation
(eines .atf-Files) in Zeitschritten oder in Einzelschritten erlaubt und
dabei die Auswahl und Identifikation von Objekten ermöglicht.
81. Erstellung des Layouts
Das Layout wird aus graphischen Elementarobjekten
zusammengesetzt. Die Gestaltung des Layouts erfolgt im Draw-
Modus von Proof Animation™ interaktiv.
Im Draw-Modus erscheint eine neue Werkzeug-Leiste und ein
leeres Zeichenblatt, auf dem ein Layout gestalten kann.
Auszoomen (stufenweise) Scrollbar ein/aus
Zoom-Box Home-View
Einzoomen (stufenweise)
Speichern einer Datei (Originalansicht,
vom Nutzer
Öffnen einer Datei 9
einstellbar)1. Erstellung des Layouts Arbeitsschritte: 1. Erstellen des Bildhintergrundes oder einer festen Szenerie. Damit wird der Betrachter dabei unterstützt, das reale System wieder zu erkennen, das im Modell nachgebildet wird. 2. Durch Linien und Bögen werden die Verläufe von Pfaden vorbereitet. Pfade lassen sich nur auf vorbereitet Linien legen. Sollen sie bei der Animation unsichtbar sein, so müssen sie mit der speziellen Farbe Backdrop gezeichnet werden. 3. Objekte werden als Instanzen vorher definierter Klassen erzeugt und sie erhalten Namen und feste Positionen. 4. Nachrichten (Messages), Balken (Bars) und Diagramme (Plots) werden definiert. 5. Ansichten werden definiert, die Ausschnitte der Szenarien mit unterschiedlichem Maßstab und mit unterschiedlicher Unterteilung in Fenster zeigen. 10
1. Erstellung des Layouts - Arbeitsblatt
Das Arbeitsblatt verfügt über ein Koordinatensystem. Dieses
Arbeitsblatt kann über die Zoomeinstellung beliebig skaliert
werden. Der Wert 1 entspricht einer Einheit im
Koordinatensystem. Proof Animation™ arbeitet mit einem
Gleitkommakoordinatensystem, das Maßstabsänderungen in
einem große Wertebereich unterstützt. Daher ist es
zweckmäßig, jedes Anwendungsbeispiel mit realen
geometrischen Maßeinheiten zu identifizieren.
Für die Verwendung in Verbindung mit WinGPSS ist es
zweckmäßig, nur den ersten Quadranten zu nutzen. Das
Bedeutet, das ausschließlich positive X- und Y-Werte
verwendet werden.
Das Arbeitsblatt wird im Layout-File gespeichert.
111. Erstellung des Layouts - Linien
Linien werden über den
Menüpunkt „Linie“ erzeugt. Der
Anfangs- und Endpunkt kann
mit der Maus oder über das
Linienmenü festgelegt werden.
Weiterhin kann eine Farbe für
die Linien definiert werden.
Linien können beliebig editiert
werden.
Eine Sonderform der Linie ist
der Polygonzug. Damit können
mehrere zusammenhängende
Linien gezeichnet werden.
Editiert werden die Linien als
Einzellinie. 121. Erstellung des Layouts - Kreisbogen
Für das Zeichnen eines
Kreisbogens wird der Menüpunkt
„Kreisbogen“ erzeugt. Es stehen
mehrere Möglichkeiten zur
Verfügung den Kreisbogen zu
parametrisieren. Dazu kann wieder
die Maus oder die Tastatur
verwendet werden.
131. Erstellung des Layouts - Text
Einen Text gibt man ein, indem
man zunächst die mit A markierte
Schaltfläche anklickt. Dabei öffnet
sich ein Fenster, in das der
darzustellende Text einzugeben
ist. Anschließend wird der Text
positioniert und parametrisiert.
Ein Text ist statisch. Er kann
während des Animationslaufes
nicht verändert werden.
141. Erstellung des Layouts -
Zusatzfunktionen
Snap ist eine Hilfsfunktion, die mittels
eines Gitters die Orientierung beim
Zeichnen erleichtert oder das
Zusammenfügen von Endpunkten der
darzustellenden graphischen Objekte
unterstützt.
Trim ist eine Funktion zum Entfernen
überstehender Stücke von Linien und
Kreisbögen. Wenn Trim eingeschaltet
ist, braucht man überstehende Enden
nur anzuklicken, um sie zu entfernen.
151. Erstellung des Layouts -
Zusatzfunktionen
Box Edit ist eine Hilfsfunktion, die
mittels eines Gitters die
Orientierung beim Zeichnen
erleichtert oder das
Zusammenfügen von Endpunkten
der darzustellenden graphischen
Objekte unterstützt.
Undo macht die vorhergegangene
Operation rückgängig. Die Undo-
Funktion ist einstufig.
161. Erstellung des Layouts -
Zusatzfunktionen
Fillet ist eine Funktion, die zwei
sich schneidende Geraden durch
einen Kreisbogen mit
einstellbarem Radius miteinander
verbindet und dabei optional eine
Trim-Funktion ausführt.
Bei der Anwendung ist es
zweckmäßig, einen geeigneten
Radius einzustellen und
anschließend in den Raum
zwischen den beteiligten Linien in
der Nähe des Schnittpunktes
klicken.
172. Objektklassen und Objekte
Proof-Animationen beruhen auf der Bewegung von Instanzen
benutzerdefinierter Objektklassen. Klassen werden im Class-
Modus gestaltet und definiert. Sie sind Komponenten des
Layout-Files. Nachdem man eine Objektklasse definiert hat,
kann man beliebig viele Objekte dieser Klasse erzeugen,
positionieren, bewegen und vernichten.
Die Objektklassen werden im Class-Modus erzeugt. Die in der
Werkzeugleiste verfügbaren Tools entsprechen fast vollständig
denen des Draw-Modus. Der voreingestellte Maßstab
unterscheidet sich von dem des Draw-Modus im Verhältnis
10:1. Die Klassen sind die Muster die Objekte.
Vorhandene Klassen können im Class-Modus bearbeitet
werden.
182. Objektklassen und Objekte -
Klassendefinition
Für jede Klasse kann ein eigenes Koordinaten-
system definiert werden. Dieses gilt auch für die
Objekte der Klasse. Angaben zur Bewegung
eines Objektes beziehen sich immer auf den
Nullpunkt seines lokalen Koordinatensystems.
Schritte zur Klassendefinition:
1. Auswahl von New Class
2. Eingabe des Klassennamens
3. Definition der Klasse mit Hilfe von Linien,
Bögen, Texten und Nachrichten
4. Festlegen der Klassenattribute
Für den Klassennamen müssen Großbuchstaben verwendet
werden. Bei Verwendung mit WinGPSS darf der Name nicht
mehr als 6 Zeichen haben. 192. Objektklassen und Objekte –
Klassendefinition - Attribute
Orientierung
Directional: Direktionale Objekte orientieren ihre
lokale x-Achse immer an der Tangente des
Pfades, auf dem sie sich bewegen.
Non-Directional: Nicht direktionale Objekte
halten den Winkel zwischen ihrer x-Achse und
der globalen x-Achse bei Wegbiegungen
unverändert.
For Clr, Aft Clr: For Clearence und Aft
Clearence bestimmen den Abstand, der beim
Auftreffen auf andere Objekte auf einem
akkumulierenden Pfad einzuhalten ist.
202. Objektklassen und Objekte –
Klassendefinition - Attribute
Orientierung
RGP Offset: Der Abstand des Rear Guidance
Point, des zweiten Führungspunktes für die
Bewegung auf Pfaden, vom
Koordinatenursprung wird festgelegt. Er liegt
immer links vom Ursprung auf der lokalen x-
Achse.
Speed: Ein positiver oder negativer Wert, der
die Geschwindigkeit von Objekten der Klasse
auf einem Pfad festlegt, kann angegeben
werden. Objekte dürfen individuelle
Geschwindigkeiten haben. Diese können über
die Simulation bestimmt werden und an Stelle
der Klassengeschwindigkeit zur Steuerung der
Bewegung genutzt werden. 212. Objektklassen und Objekte -
Nachrichten
Klassen können Besitzer von
Nachrichten (Messages) sein.
Auf diese Weise kann man z.B.
verschiedene Instanzen einer
Klasse unterscheidbar machen
oder Werte anzeigen, die sich im
Lauf der Zeit verändern können.
Diese Nachrichten werden im
lokalen Koordinatensystem
positioniert und vollziehen alle
Bewegungen eines Objektes mit
diesem gemeinsam.
Diese Funktion ist in WinGPSS
zur Zeit noch nicht verfügbar.
222. Objektklassen und Objekte -
Layoutobjekte
Es gibt zwei Möglichkeiten, Objekte zu
erzeugen:
• vor Beginn des Animationslaufes im
Draw-Modus
Im Draw-Modus wird über die Taste
„Layoutobjekt einfügen“ ein neues
Layoutobjekt erzeugt. Dieses wird
positioniert und ggf. mit einem neuen
Farbattribut versehen.
• während des Animationslaufes durch
Create (vom Simulationsprogramm
gesteuert)
232. Objektklassen und Objekte – Erzeugen
von Objekten im Simulationsmodell
Jedes Objekt muss eine eindeutige Nummer haben. Über
diese Nummer werden alle Attributänderungen und
Operationen mit diesem Objekt durchgeführt.
Es ist zweckmäßig, der Transaktion, die durch das
Graphikobjekt visualisiert werden soll, die gleiche Nummer in
einem Parameter zuzuweisen. Da jede Nummer nur einmal
vergeben werden darf, sollte die Nummerierung fortlaufend
erfolgen. Dazu ist ein Skalar als Zähler geeignet.
242. Objektklassen und Objekte – Erzeugen
von Objekten im Simulationsmodell
Erzeugung eines
Objektes
Bei der Erzeugung des Objektes wird eine Verknüpfung zwischen
Objektnummer und Klassentyp hergestellt. Die Erzeugung erfolgt
mit dem Create-Kommando des Help-Blockes. Das Objekt wird
noch nicht dargestellt. Es steht jetzt für weitere Operationen zur
Verfügung. Die Daten werden im Animations Trace.File (.atf)
gespeichert. 252. Objektklassen und Objekte – Entfernen
von Objekten aus dem Simulationsmodell
Entfernen eines
Objektes
Beim Entfernen des Objektes wird das Objekt, unabhängig von
seinem Zustand, aus der Animation entfernt. Die Identifikation
erfolgt über die Objektnummer. Zum Entfernen wird der Befehl
Help-Destroy verwendet.
262. Objektklassen und Objekte – Bewegen
eines Objektes
Bewegen eines
Objektes
Zum Bewegen kann der Befehl Help-Move verwendet werden.
Das Objekt wird mit geradlinig, gleichförmiger Bewegung von
seinem Ausgangspunkt zum angegebenen Zielpunkt in der
vorgegeben Zeit bewegt.
272. Objektklassen und Objekte – Färben
eines Objektes
Färben eines
Objektes
Zum Färben kann der Befehl Help-Color verwendet werden.
Damit kann während des Animationslaufes die Farbe von
Objekten verändert werden, um z.B. Zustandsänderungen
anzuzeigen.
282. Objektklassen und Objekte –
Verändern der Objektzuordnung
Ändern eines
Objektes
Zustandsänderungen im Modell können durch unterschiedliche
Graphikobjekte visualisiert werden. Mit dem Help-Change-
Block kann während des Animationslaufes der Transaktion ein
anderes Graphikobjekt zugeordnet werden.
293. Pfade
Objekte können sich frei, oder auf Pfaden bewegen Pfade
werden im Path-Modus definiert und im Layoutfile gespeichert.
Pfade besitzen verschiedene Attribute. Die Bewegung von
Objekten auf Pfaden wird durch Animationstracekommandos
gesteuert.
Pfade müssen aus Linien und Kreisbögen im Draw-Modus
konstruiert werden. Die graphischen Primitive müssen immer
zuerst gezeichnet werden. Es können beliebige Farben
verwendet werden. Wird als Farbe Backdrop gewählt, so ist die
Pfadlinie im Run-Modus unsichtbar.
303. Pfade - Menü
erstes vorhergehendes nächstes letztes
Segment Segment Segment Segment
auswählen auswählen auswählen auswählen
Pfad vor dem
aktuellen
Segment
erweitern
Pfad nach
dem aktuellen
neuen Pfad aktuelles
Pfad Segment
hinzufügen Segment
löschen erweitern
löschen
Kontrollieren Editieren der Richtung des
des aktiven Segmente im aktuellen
Pfades Draw-Modus Segmentes ändern 313. Pfade – Pfade erstellen
Zur Erstellung eines neuen Pfades wird in den Path-Modus
gewechselt. Es wird nur der Menüpunkt Pfad hinzufügen
angeboten. Wird dieser ausgewählt, so wird man zur Eingabe
eines Pfadnamens aufgerufen.
Der Pfad sollte nur aus Großbuchstaben bestehen und in
Verbindung mit WinGPSS maximal 6 Zeichen lang sein.
Anschließend sind die Funktionen der Menüleiste aktiv.
323. Pfade – Pfade erstellen
Um einen Pfad zu spezifizieren klickt man zunächst auf einen
Punkt im hinteren Teil des ersten Wegsegmentes. Dieses
Wegsegment erscheint nun in roter Farbe und man kann die
Wegbestimmung fortsetzen, indem man auf ein dahinter liegenden
Teil des geplanten Weges klickt. Pfade, deren Definition
abgeschlossen ist, erscheinen in blauer Farbe.
Anschließend sollte man die Korrektheit des Pfades mit der
Kontrollfunktion prüfen.
Im nächsten Schritt werden die Wegattribute festgelegt.
Nach der Definition der benötigten Wege wird das Layoutfile
gespeichert.
333. Pfade – Platzieren eines Objektes
Platzieren eines
Objektes
Zum Platzieren wird der Befehl Help-Place verwendet. Durch
Angabe der Koordinaten erfolgt eine Platzierung auf die
entsprechende Position im Layoutfile.
Wird ein Pfadname angegeben, so wird das Objekt auf den
Anfangspunkt dieses Pfades gesetzt. 343. Pfade – Platzieren eines Objektes
Für einen akkumulierenden Pfad werden Objekte, die sich schon
am Ende des Pfades befinden, zurückgeschoben, um Platz zu
machen, falls squeeze angegeben ist.
Wenn squeeze nicht angegeben ist und das Ende des Pfades
schon besetzt ist, erfolgt eine encroachement-Warnung.
Zum aktuellen Zeitpunkt der Animationszeit beginnt das Objekt
seine Bewegung auf dem Pfad. Die Bewegung dauert solange,
bis das Ende des Pfades erreicht ist, oder ein neues .ATF-
Kommado die Bewegung unterbricht.
353. Pfade – Platzieren eines Objektes
Die Bewegungsgeschwindigkeit ist bestimmt durch
• die definierte Pfadgeschwindigkeit. Sei wird ignoriert, falls
• eine Klassengeschwindigkeit für diese Objektklasse
festliegt. Diese ist überschreibbar durch
• eine Objektgeschwindigkeit, welche dem Objekt direkt
zugeordnet ist.
363. Pfade – Bewegen eines Objektes
Festlegen der
Geschwindigkeit
Jedem Objekt kann eine individuelle Objektgeschwindigkeit
zugewiesen werden. Dazu wird der Befehl Help-Speed
verwendet. Die Objektgeschwindigkeit wird in Wegeinheit pro
Einheit der Animationszeit angegeben.
373. Pfade – Bewegen eines Objektes
Festlegen der
Bewegungszeit
Mit dem Befehl Help-TIME wird die Zeit festgelegt, in der sich
ein Objekt über einen angegebenen Pfad bewegt bzw. die
Restzeit, die das Objekt noch auf dem Pfad verbringen soll. Es
ist zu beachten, dass Kollisionen vermieden werden.
383. Pfade - Attribute
• Length – nicht direkt, sondern nur durch
Änderung der Geometrie des Pfades
beeinflussbar
• Speed – kann direkt eingegeben werden. Mit
Eingabe von Speed wird automatisch das
Attribut Time berechnet
• Time – kann direkt eingetragen werden.
Damit ändert sich automatisch Speed.
• LagTime – ist ein Attribut, das nur für
akkumulierende Pfade sinnvoll ist. Es definiert
eine Verzögerungszeit für Objekte auf dem
akkumulierenden Pfad. Die Lag-Time bestimmt
die Zeitlücke zwischen dem Starten der
39
Objekte aus einem Stau.3. Pfade - Attribute
• Accum/Non-Accum – bezieht sich immer auf
das Attribut akkumulierend (accumulating).
Diese Eigenschaft betrifft das Verhalten von
Objekten beim Aufeinandertreffen auf einem
Pfad. Wenn sich Objekte mit unterschiedlicher
Geschwindigkeit auf einem akkumulierenden
Pfad bewegen, können sie einander nicht
überholen. Sie müssen einen Abstand
einhalten, der durch den Clearance-Parameter
der Objekte bzw. der entsprechenden Klasse
bestimmt ist. Das gilt auch für das Erreichen
des Pfadendes.
Auf einem nicht akkumulierenden Pfad
überholen Objekte einander, indem sie sich
bildlich durchdringen. 403. Pfade - Attribute
• Validation ON/OFF – entscheidet über die
Kontrolle von Objektbewegungen auf
akkumulierenden Pfaden. Die Ausgabe einer
Warnung erfolgt nur, wenn Validation ON
gesetzt ist. Dabei können folgende
Konfliktsituationen auftreten:
• Leapfrog – Von einem akkumulierenden
Pfad wird nicht das führende, sondern ein
späteres Objekt entfernt.
• Encroachment – Zwei Objekte auf einem
akkumulierenden Pfad laufen ineinander.
Das kann z.B. geschehen, wenn Objekte
am Anfangspunkt in zu schneller Folge
eintreffen. 414. Nachrichten
Messages (Nachrichten) kann man als vordefinierte
Objektklassen betrachten. Man kann ebenso wie bei
nutzerdefinierten Objektklassen beliebig viele Objekte erzeugen
und spezifizieren. Das erfolgt im Draw-Modus. Die Aktualisierung
dieser Objekte erfolgt durch ATF-Kommandos. Aktualisierung
bedeutet hier die Zuweisung aktueller Werte im Verlauf der
Animation.
Messages werden benutzt, um während eines Animationslaufes
Werte anzuzeigen. Die Anzeige ist alphanumerisch.
424. Nachrichten - Definition
Die Definition einer Message erfolgt
im Draw-Modus. Es wird der Name
der Message angegeben. Auch hier
ist wieder bei Verwendung von
WinGPSS die Einschränkung auf 6
Zeichen zu beachten.
Es kann ein Prototyp angegeben
werden, durch dessen Gestaltung
man eine Vorstellung über das
spätere Aussehen der Message
erhält.
Anschließend kann die Message
positioniert und gestaltet werden.
434. Nachrichten - Ausgabe
Mit dem Help-Write-Block wird ein numerischer Wert oder eine
Zeichenkette zur Aktualisierung der Nachricht gesendet. Es sind
auch Skalare oder Parameter als Werte zugelassen.
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