Master-Arbeit Univ. St. Gallen, 2009.

Master-Arbeit Univ. St. Gallen, 2009.

Bachelor-Arbeit Univ. St. Gallen, 2006.

Bachelor-Arbeit Univ. St. Gallen, 2006.

Die vorliegende Arbeit kombiniert Aspekte der nichtlinearen Dynamik mit denen der Unordnungsphysik. Die bekannte Standardabbildung wird mit einem räumlich ungeordneten aber periodischen Potential modifiziert. Transportexponenten sowohl für den Impuls als auch die kanonisch konjugierte Koordinate für das Standard- und das Zufallsmodell werden gegenübergestellt. Für das Zufallspotential ergibt sich verstärkter Transport. Gemittelte Transportexponenten des Zufallspotentials werden präsentiert und für verschiedene Systemausdehnungen verglichen. / The thesis at hand combines aspects of nonlinear dynamics with the physics of disorder. The standard map potential is replaced by a spatially quenched random periodic potential. Transport exponents for the standard and the random model are determined for the momentum as well as the canonically conjugate coordinate. Transport for the disordered potential is increased in comparison to the standard map. For the random case, quenched average transport exponents are presented. Finite-size effects are examined.

Darmstadt, Techn. Univ., Diss., 2006

Stuttgart, Univ., Diss., 2007.

Im Kern der vorliegenden Arbeit wird eine neue Vorfahrtstrategie zur Steuerung von Materialflüssen an Zusammenführungen vorgestellt. Das Hauptanwendungsgebiet stellen innerbetriebliche Transportsysteme dar, wobei die Erkenntnisse auf beliebige Transport- bzw. Bediensysteme übertragbar sind. Die Arbeit grenzt sich mit der Annahme autokorrelierter Ankunftsprozesse von bisheriger Forschung und Entwicklung ab. Bis dato werden stets unkorrelierte Ströme angenommen bzw. findet keine spezielle Beachtung autokorrelierter Ströme bei der Vorfahrtsteuerung statt. Untersuchungen zeigen aber, dass zum einen mit hoher Konfidenz mit autokorrelierten Materialflüssen zu rechnen ist und in diesem Fall zum anderen von einem erheblichen Einfluss auf die Systemleistung ausgegangen werden muss. Zusammengefasst konnten im Rahmen der vorliegenden Arbeit 68 Realdatensätze verschiedener Unternehmen untersucht werden, mit dem Ergebnis, dass ca. 95% der Materialflüsse Autokorrelation aufweisen. Ferner wird hergeleitet, dass Autokorrelation intrinsisch in Materialflusssystemen entsteht. Die Folgen autokorrelierter Prozesse bestehen dabei in längeren Durchlaufzeiten, einem volatileren Systemverhalten und höheren Wahrscheinlichkeiten von Systemblockaden. Um die genannten Effekte an Zusammenführungen zu eliminieren, stellt die Arbeit eine neue Vorfahrtstrategie HAFI – Highest Autocorrelated First vor. Diese priorisiert die Ankunftsprozesse anhand deren Autokorrelation. Konkret wird die Vorfahrt zunächst so lange nach dem Prinzip First Come First Served gewährt, bis richtungsweise eine spezifische Warteschlangenlänge überschritten wird. Der jeweilige Wert ergibt sich aus der Höhe der Autokorrelation der Ankunftsprozesse. Vorfahrt bekommt der Strom mit der höchsten Überschreitung seines Grenzwertes. Die Arbeit stellt ferner eine Heuristik DyDeT zur automatischen Bestimmung und dynamischen Anpassung der Grenzwerte vor. Mit einer Simulationsstudie wird gezeigt, dass HAFI mit Anwendung von DyDeT die Vorzüge der etablierten Vorfahrtstrategien First Come First Served und Longest Queue First vereint. Dabei wird auch deutlich, dass die zwei letztgenannten Strategien den besonderen Herausforderungen autokorrelierter Ankunftsprozesse nicht gerecht werden. Bei einer Anwendung von HAFI zur Vorfahrtsteuerung können Durchlaufzeiten und Warteschlangenlängen auf dem Niveau von First Come First Served erreicht werden, wobei dieses ca. 10% unter dem von Longest Queue First liegt. Gleichzeitig ermöglicht HAFI, im Gegensatz zu First Come First Served, eine ähnlich gute Lastbalancierung wie Longest Queue First. Die Ergebnisse stellen sich robust gegenüber Änderungen der Auslastung sowie der Höhe der Autokorrelation dar. Gleichzeitig sind die Erkenntnisse unabhängig der Analyse einer isolierten Zusammenführung und der Anordnung mehrerer Zusammenführungen in einem Netzwerk. / The work at hand presents a novel strategy to control arrival processes at merges. The main fields of application are intralogistics transport systems. Nevertheless, the findings can be adapted to any queuing system. In contrast to further research and development the thesis assumes autocorrelated arrival processes. Up until now, arrivals are usually assumed to be uncorrelated and there are no special treatments for autocorrelated arrivals in the context of merge controlling. However, surveys show with high reliability the existence of autocorrelated arrivals, resulting in some major impacts on the systems\' performance. In detail, 68 real-world datasets of different companies have been tested in the scope of this work, and in 95% of the cases arrival processes significantly show autocorrelations. Furthermore, the research shows that autocorrelation comes from the system itself. As a direct consequence it was observed that there were longer cycle times, more volatile system behavior, and a higher likelihood of deadlocks. In order to eliminate these effects at merges, this thesis introduces a new priority rule called HAFI-Highest Autocorrelated First. It assesses the arrivals\' priority in accordance to their autocorrelation. More concretely, priority initially is given in accordance to the First Come First Served scheme as long as specific direction-wise queue lengths are not exceeded. The particular thresholds are determined by the arrival processes\' autocorrelation, wherein the process with the highest volume gets priority. Furthermore, the thesis introduces a heuristic to automatically and dynamically determine the specific thresholds of HAFI-so called DyDeT. With a simulation study it can be shown that HAFI in connection with DyDeT, combines the advantages of the well-established priority rules First Come First Served and Longest Queue First. It also becomes obvious that the latter ones are not able to deal with the challenges of autocorrelated arrival processes. By applying HAFI cycling times and mean queue lengths on the level of First Come First Served can be achieved. These are about 10% lower than for Longest Queue First. Concomitantly and in contrast to First Come First Served, HAFI also shows well balanced queues like Longest Queue First. The results are robust against different levels of throughput and autocorrelation, respectively. Furthermore, the findings are independent from analyzing a single instance of a merge or several merges in a network.

Im Kern der vorliegenden Arbeit wird eine neue Vorfahrtstrategie zur Steuerung von Materialflüssen an Zusammenführungen vorgestellt. Das Hauptanwendungsgebiet stellen innerbetriebliche Transportsysteme dar, wobei die Erkenntnisse auf beliebige Transport- bzw. Bediensysteme übertragbar sind. Die Arbeit grenzt sich mit der Annahme autokorrelierter Ankunftsprozesse von bisheriger Forschung und Entwicklung ab. Bis dato werden stets unkorrelierte Ströme angenommen bzw. findet keine spezielle Beachtung autokorrelierter Ströme bei der Vorfahrtsteuerung statt. Untersuchungen zeigen aber, dass zum einen mit hoher Konfidenz mit autokorrelierten Materialflüssen zu rechnen ist und in diesem Fall zum anderen von einem erheblichen Einfluss auf die Systemleistung ausgegangen werden muss. Zusammengefasst konnten im Rahmen der vorliegenden Arbeit 68 Realdatensätze verschiedener Unternehmen untersucht werden, mit dem Ergebnis, dass ca. 95% der Materialflüsse Autokorrelation aufweisen. Ferner wird hergeleitet, dass Autokorrelation intrinsisch in Materialflusssystemen entsteht. Die Folgen autokorrelierter Prozesse bestehen dabei in längeren Durchlaufzeiten, einem volatileren Systemverhalten und höheren Wahrscheinlichkeiten von Systemblockaden. Um die genannten Effekte an Zusammenführungen zu eliminieren, stellt die Arbeit eine neue Vorfahrtstrategie HAFI – Highest Autocorrelated First vor. Diese priorisiert die Ankunftsprozesse anhand deren Autokorrelation. Konkret wird die Vorfahrt zunächst so lange nach dem Prinzip First Come First Served gewährt, bis richtungsweise eine spezifische Warteschlangenlänge überschritten wird. Der jeweilige Wert ergibt sich aus der Höhe der Autokorrelation der Ankunftsprozesse. Vorfahrt bekommt der Strom mit der höchsten Überschreitung seines Grenzwertes. Die Arbeit stellt ferner eine Heuristik DyDeT zur automatischen Bestimmung und dynamischen Anpassung der Grenzwerte vor. Mit einer Simulationsstudie wird gezeigt, dass HAFI mit Anwendung von DyDeT die Vorzüge der etablierten Vorfahrtstrategien First Come First Served und Longest Queue First vereint. Dabei wird auch deutlich, dass die zwei letztgenannten Strategien den besonderen Herausforderungen autokorrelierter Ankunftsprozesse nicht gerecht werden. Bei einer Anwendung von HAFI zur Vorfahrtsteuerung können Durchlaufzeiten und Warteschlangenlängen auf dem Niveau von First Come First Served erreicht werden, wobei dieses ca. 10% unter dem von Longest Queue First liegt. Gleichzeitig ermöglicht HAFI, im Gegensatz zu First Come First Served, eine ähnlich gute Lastbalancierung wie Longest Queue First. Die Ergebnisse stellen sich robust gegenüber Änderungen der Auslastung sowie der Höhe der Autokorrelation dar. Gleichzeitig sind die Erkenntnisse unabhängig der Analyse einer isolierten Zusammenführung und der Anordnung mehrerer Zusammenführungen in einem Netzwerk.:1 Einleitung 1 1.1 Motivation 1 1.2 Zielsetzung, wissenschaftlicher Beitrag 4 1.3 Konzeption 5 2 Grundlagen 7 2.1 Automatisierung, Steuern, Regeln 7 2.2 System, Modell 10 2.3 Stochastik, Statistik 14 2.3.1 Wahrscheinlichkeitsverteilungen 14 2.3.2 Zufallszahlengeneratoren 21 2.3.3 Autokorrelation als Ähnlichkeits- bzw. Abhängigkeitsmaß 24 2.4 Simulation 29 2.5 Warteschlangentheorie und -modelle 32 2.6 Materialflusssystem 35 2.7 Materialflusssteuerung 37 2.7.1 Steuerungssysteme 37 2.7.2 Steuerungsstrategien 40 2.8 Materialflusssystem charakterisierende Kennzahlen 46 3 Stand der Forschung und Technik 51 3.1 Erzeugung autokorrelierter Zufallszahlen 51 3.1.1 Autoregressive Prozesse nach der Box-Jenkins-Methode 52 3.1.2 Distorsions-Methoden 54 3.1.3 Copulae 56 3.1.4 Markovian Arrival Processes 58 3.1.5 Autoregressive Prozesse mit beliebiger Randverteilung 61 3.1.6 Weitere Verfahren 64 3.1.7 Bewertung der Verfahren und Werkzeuge zur Generierung 65 3.2 Wirken von Autokorrelation in Bediensystemen 68 3.3 Fallstudien über Autokorrelation in logistischen Systemen 75 3.4 Ursachen von Autokorrelation in logistischen Systemen 89 3.5 Steuerung von Ankunftsprozessen an Zusammenführungen 96 3.6 Steuerung autokorrelierter Ankunftsprozesse 100 4 Steuerung autokorrelierter Ankunftsprozesse an Zusammenführungen 105 4.1 Modellannahmen, Methodenauswahl, Vorbetrachtungen 106 4.2 First Come First Served und Longest Queue First 114 4.3 Highest Autocorrelated First 117 4.3.1 Grundprinzip 117 4.3.2 Bestimmung der Grenzwerte 127 4.3.3 Dynamische Bestimmung der Grenzwerte mittels „DyDeT“ 133 4.4 Highest Autocorrelated First in Netzwerken 150 4.5 Abschließende Bewertung und Diskussion 161 5 Zusammenfassung und Ausblick 167 Primärliteratur 172 Normen und Standards 194 Abbildungsverzeichnis 197 Tabellenverzeichnis 199 Pseudocodeverzeichnis 201 Abkürzungsverzeichnis 203 Symbolverzeichnis 205 Erklärung an Eides statt 209 / The work at hand presents a novel strategy to control arrival processes at merges. The main fields of application are intralogistics transport systems. Nevertheless, the findings can be adapted to any queuing system. In contrast to further research and development the thesis assumes autocorrelated arrival processes. Up until now, arrivals are usually assumed to be uncorrelated and there are no special treatments for autocorrelated arrivals in the context of merge controlling. However, surveys show with high reliability the existence of autocorrelated arrivals, resulting in some major impacts on the systems\' performance. In detail, 68 real-world datasets of different companies have been tested in the scope of this work, and in 95% of the cases arrival processes significantly show autocorrelations. Furthermore, the research shows that autocorrelation comes from the system itself. As a direct consequence it was observed that there were longer cycle times, more volatile system behavior, and a higher likelihood of deadlocks. In order to eliminate these effects at merges, this thesis introduces a new priority rule called HAFI-Highest Autocorrelated First. It assesses the arrivals\' priority in accordance to their autocorrelation. More concretely, priority initially is given in accordance to the First Come First Served scheme as long as specific direction-wise queue lengths are not exceeded. The particular thresholds are determined by the arrival processes\' autocorrelation, wherein the process with the highest volume gets priority. Furthermore, the thesis introduces a heuristic to automatically and dynamically determine the specific thresholds of HAFI-so called DyDeT. With a simulation study it can be shown that HAFI in connection with DyDeT, combines the advantages of the well-established priority rules First Come First Served and Longest Queue First. It also becomes obvious that the latter ones are not able to deal with the challenges of autocorrelated arrival processes. By applying HAFI cycling times and mean queue lengths on the level of First Come First Served can be achieved. These are about 10% lower than for Longest Queue First. Concomitantly and in contrast to First Come First Served, HAFI also shows well balanced queues like Longest Queue First. The results are robust against different levels of throughput and autocorrelation, respectively. Furthermore, the findings are independent from analyzing a single instance of a merge or several merges in a network.:1 Einleitung 1 1.1 Motivation 1 1.2 Zielsetzung, wissenschaftlicher Beitrag 4 1.3 Konzeption 5 2 Grundlagen 7 2.1 Automatisierung, Steuern, Regeln 7 2.2 System, Modell 10 2.3 Stochastik, Statistik 14 2.3.1 Wahrscheinlichkeitsverteilungen 14 2.3.2 Zufallszahlengeneratoren 21 2.3.3 Autokorrelation als Ähnlichkeits- bzw. Abhängigkeitsmaß 24 2.4 Simulation 29 2.5 Warteschlangentheorie und -modelle 32 2.6 Materialflusssystem 35 2.7 Materialflusssteuerung 37 2.7.1 Steuerungssysteme 37 2.7.2 Steuerungsstrategien 40 2.8 Materialflusssystem charakterisierende Kennzahlen 46 3 Stand der Forschung und Technik 51 3.1 Erzeugung autokorrelierter Zufallszahlen 51 3.1.1 Autoregressive Prozesse nach der Box-Jenkins-Methode 52 3.1.2 Distorsions-Methoden 54 3.1.3 Copulae 56 3.1.4 Markovian Arrival Processes 58 3.1.5 Autoregressive Prozesse mit beliebiger Randverteilung 61 3.1.6 Weitere Verfahren 64 3.1.7 Bewertung der Verfahren und Werkzeuge zur Generierung 65 3.2 Wirken von Autokorrelation in Bediensystemen 68 3.3 Fallstudien über Autokorrelation in logistischen Systemen 75 3.4 Ursachen von Autokorrelation in logistischen Systemen 89 3.5 Steuerung von Ankunftsprozessen an Zusammenführungen 96 3.6 Steuerung autokorrelierter Ankunftsprozesse 100 4 Steuerung autokorrelierter Ankunftsprozesse an Zusammenführungen 105 4.1 Modellannahmen, Methodenauswahl, Vorbetrachtungen 106 4.2 First Come First Served und Longest Queue First 114 4.3 Highest Autocorrelated First 117 4.3.1 Grundprinzip 117 4.3.2 Bestimmung der Grenzwerte 127 4.3.3 Dynamische Bestimmung der Grenzwerte mittels „DyDeT“ 133 4.4 Highest Autocorrelated First in Netzwerken 150 4.5 Abschließende Bewertung und Diskussion 161 5 Zusammenfassung und Ausblick 167 Primärliteratur 172 Normen und Standards 194 Abbildungsverzeichnis 197 Tabellenverzeichnis 199 Pseudocodeverzeichnis 201 Abkürzungsverzeichnis 203 Symbolverzeichnis 205 Erklärung an Eides statt 209

Eine klassische Art, die Dynamik nichtlinearer Systeme zu beschreiben, besteht in der Analyse ihrer Fourierspektren. Für periodische und quasiperiodische Prozesse besteht das Fourierspektrum nur aus diskreten Deltafunktionen. Das Spektrum einer chaotischen Bewegung ist hingegen durch das Vorhandensein einer stetigen Komponente gekennzeichnet. In der Arbeit geht es um einen eigenartigen, weder regulären noch vollständig chaotischen Zustand mit sogenanntem singulärstetigen Leistungsspektrum. <br /> Unsere Analyse ergab verschiedene Fälle aus weit auseinanderliegenden Gebieten, in denen singulär stetige (fraktale) Spektren auftreten. Die Beispiele betreffen sowohl physikalische Prozesse, die auf iterierte diskrete Abbildungen oder gar symbolische Sequenzen reduzierbar sind, wie auch Prozesse, deren Beschreibung auf den gewöhnlichen oder partiellen Differentialgleichungen basiert. / One of the classical ways to describe the dynamics of nonlinear systems is to analyze theur Fourier spectra. For periodic and quasiperiodic processes the Fourier spectrum consists purely of discrete delta-functions. On the contrary, the spectrum of a chaotic motion is marked by the presence of the continuous component. In this work, we describe the peculiar, neither regular nor completely chaotic state with so called singular-continuous power spectrum. <br /> Our investigations concern various cases from most different fields, where one meets the singular continuous (fractal) spectra. The examples include both the physical processes which can be reduced to iterated discrete mappings or even symbolic sequences, and the processes whose description is based on the ordinary or partial differential equations.