Bauinformatik Vertiefte Grundlagen Systemtheorie

1. Bauinformatik Vertiefte GrundlagenSystemtheorie 5. Semester 3. Vorlesung Systemobjektmodell Prof. Dr.-Ing. R. J. Scherer Nürnberger Str. 31a 2. OG, Raum 204 TU Dresden - Institut für Bauinformatik Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung

2. Allgemeiner Prozess einer ingenieurmäßigen Systembetrachtung • SystembetrachtungGrobe Definition von Zweck, Funktion, Prozessen und Verhalten Formale Repräsentation des Systems (IDEF0) auf hoher Ebene • Systemobjektmodell = Datenstruktur = {O, R}basierend auf einem Metamodell (= O-O-Modell oder E-R-Modell)Entwicklung eines Datenmodells als O-O- oder E-R-Schema • Implementierung des Schemas in einer SoftwareUmsetzen in ein vereinfachtes E-R-ModellImplementieren in MS ACCESS • Instanziierung eines Ingenieurmodells= Konfiguration des domänenspezifischen Ingenieurmodells aus dem Datenmodell • Numerisches Programm zur Berechnung des Systemverhaltens= Simulation= Prognosebasierend auf einem Modell + Modellannahmen + quantitativen Werten (Statistik) • Kommunikation M2M Maschine mit Maschine, M2H Maschine mit Mensch • Monitoring, Evaluation und Bericht

3. Modell Ein abstraktes Modell ist ein theoretisches Konstrukt, das physikalische, biologische oder soziale Prozesse mit Hilfe einer Menge von Variablen und einer Menge von logischen und qualitativen Beziehungen zwischen ihnen, repräsentiert. Modelle sind so konstruiert, dass sie ein logisches Schlussfolgern innerhalb eines idealisierten logischen Rahmenwerks bzgl. dieser Prozesse ermöglichen, und sie sind ein wichtiger Teil von wissenschaftlichen Theorien (wikipedia)  Modell = bildet ein System ab Systemmodell = Modell

4. System Es gibt Passive Systeme  Verhalten wird nur von außen beeinflusst Aktive Systeme  Verhalten wird durch die Steuergrößen im System beeinflusst Statische Systeme  die Systemkomponenten bleiben immer die gleichen Dynamische Systeme  die Systeme, die ihre Komponenten mit der Zeit wechseln / verändern Beispiele: Statisch passiv: Tragsystem oder passiv gedämpftes Tragsystem Statisch aktiv: aktiv gedämpftes Tragsystem (durch Energiezufuhr), Wasserleitungssystem (Schieber) Dynamisch passiv: Tragsystem beim Ausbilden von Gelenken Dynamisch aktiv: Baustelle, Tragsystem mit sperren von Gelenken

5. Systeme Systeme haben eine Funktionalität (Mindestbedingung) Systeme haben Zustände Systeme haben ein Verhalten Systeme haben Prozesse Systeme lassen sich steuern Systeme können eine Selbststeuerung besitzen Automaten autonome Automaten Zur Steuerung ist ein 2. System, ein Informationssystem notwendig (Anm.: hieraus ist die Informatik im Elektroingenieurwesen entstanden) Systeme sind komplexe Einheiten, die in sich oder mittels Schnittstellen abgeschlossen sind

6. Formalisierung • Unter Formalisierung versteht man • allgemein (wird heute als semi-formal bezeichnet): die Repräsenatation eines Modells in einer objektiven (=eindeutig, vollständig, verständlich) Darstellung, die sicherstellt, dass andere Personen die Repräsentation in der gleichen Weise verstehen (dekodieren), wie es der Schreibende verstanden (kodiert) hat. Dies setzt eine Beschreibungssprache voraus, die grafisch oder textuell basiert ist. Unsere Zeichnungsnormen sind ein Beispiel einer graphischen Beschreibungssprache. Ohne sie wären keine eindeutig verständlichen technischen Zeichnungen möglich. • in der Informatik (wird heute als formal bezeichnet):die Repräsentation in semantischer Form, die von einem Automaten (Software) ausgewertet und in einem Computer verarbeitet werden kann (berechnen, schlusfolgern)

7. Formalisierung Was muss modelliert werden, welches Wissen, welche Information, welche Daten? Objekte Beziehung zwischen den Objekten Verhalten der Objekte Prozess Die Steuerung (Steuerungsinformation) Schnittstelle (M2M) Graphisch interaktive Schnittstelle (M2H)

8. Formalisierung - Methoden Entity Relationship Modell - Datenmanagement - kein Verhalten, meistens keine Information über (Verhaltens-) Konsistenz - Strategie der Modellierung: Vermeidung redundanter Daten - Ziel: Persistente Datenspeicherung (Datenquelle für Anwendungen) Objekt-Orientierte Modellierung - Daten- und Methodenmodell - fortgeschrittenes Programmierkonzept für die Entwicklung von Softwareanwendungen (z.B. JAVA, C++, …) - erlaubt Definition von Verhalten (reaktive Abhängigkeiten zwischen Daten) - Strategie für Modellierung: Wiederverwendbarkeit und Wartung - Ziel: automatische Nutzung der Daten (z.B. Simulation von Tragwerksverhalten) Logik - Wissensrepräsentation und automatische Schlussfolgerung (z.B. Konsistenzprüfung) - Ziel: “Interpretation” von Daten (Umgang mit Information anstatt mit Daten) Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung

9. Vergleichbar mit dem Entity-Relationship Modell Unterstützt durch das erweiterete Entity-Relationship-Modell (z.B. der EXPRESS Sprache) Objektorientierte Datenmodellierung Anpassung der Konzepte des objektorientierten Paradigmas für die Datenmodellierung Grundkonzepte zur Defonition von Datenstrukturen • Objekte • Beziehungen • Attribute Fortgeschrittene Konzepte • Klassifikation • Vererubung (Wiederverwendung und Re-definition von Attributen) • Auswahltypen (select types) • Enumerationen • Aggregationen (Array, Liste, Menge) Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung

10. Funktionalität für Datenvalidierung(Konsistenzprüfung) Objektorientierte Datenmodellierung Bedingungen • inverse Beziehungen • optionale oder obligatorische Attribute • Kardinalitäten für Aggregationen • Regeln (z.B. Definitionsbereich/Wertebereich • Abgeleitete Attribute (funktionale Abhängigkeiten) Die zur Verfügung gestellte Funktionalität unterscheidet sich bei • objektorientierten Modellierungssprachen (z.B. UML, EXPRESS) • Programmiersprachen (C++, Java, etc.) Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung

11. Konzeptuelle Datenmodellierung für das Wasserversorgungssystem Basis für den Aufbau des Datenmodells: Anforderungsanalyse des Wasserversorgungssystems  Beantwortung der Frage: Welche Art von Daten/Information soll gespeichert werden? Steuerung? FUNKTION Input? Output? Mechanismus? Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung

12. Modellierung Beschreibung aller Informationen eines Wasserversorgungssystems, die notwendig sind für - Dimensionierung, - Monitoring and - Lebenszyklus-Management Anforderung: Wasserversorgungssystem auf der funktionaler Ebene Wasserversorungssystem (verteile Wasser) Wasser input Wasser output Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung

13. Modellierung Beschreibung aller Informationen eines Wasserversorgungssystems, die notwendig sind für - Dimensionierung, - Monitoring and - Lebenszyklus-Management Anforderung: Wasserversorungssystem auf technischen (organisatorischen) Ebene Knoten Knoten Knoten Wasserversorgungssystem zerlegt in eine Menge von Subsystemen, verbunden durch Rohre Knoten Knoten verbindet Leitungen und erlaubt Wasser Input/Output Knoten Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung

14. Modellierung Anforderung: Beschreibung aller Informationen eines Wasserversorgungssystems, die notwendig sind für - Dimensionierung, - Monitoring and - Lebenszyklus-Management Wasserversorungssystem mit Wasserfluss für einen spezifischen Anwendungsfall (Instantiierung) Qi-n1 input Qo-n6 output Qd2, vd2, pd2 Qd1, vd1, pd1 ld1 Qd5, vd5, pd5 „Geometrie“ des Rohrsystems erforderlich zur Ermittlung der Rohrlängen Qd4, vd4, pd4 Qd3, vd3, pd3 output Qo-n4 Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung

15. Grundlage der Modellierung sind Konzepte Konzept A Entität 1 Konzept C Beziehung Konzept B Entität 2 Das, bzw. die Konzepte beschreiben die Grundelemente des Systems Start, Ende Knoten Rohr Durch Nutzung von Instanzen dieser Konzepte (Klassen) des Modells können wir die Topologie eines Wasserversorgungssystem aufbauen: Knoten Rohr Knoten Anm.: oftmals werden alle Entitäten eines Modells als die Konzepte des Modells bezeichnet. Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung

16. Modellierung Erste Schritte der Modellierung: beschreibe die Topologie des Wasserversorgungssystems Identifikation der Elemente zur Beschreibung der Topologie Konzept Beziehung Konzept Start, Ende Knoten Rohr Attribute nr nr integer integer Beispiel: Topologie: Tabelle Knoten Tabelle Rohr Knoten 2 Rohr 1 Knoten 1 Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung

17. Modellierung Konzept Beziehung Konzept Erste Schritte der Modellierung: Hinzufügen der Geometrie Start, Ende Knoten Rohr Attribute nr x, y, z nr integer real integer Beispiel: Topologie + Geometrie : Tabelle Rohr Tabelle Knoten 2 y 1 x Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung

18. REAL REAL REAL INTEGER INTEGER Einführen der Modellierungssprache EXPRESS-G x EXPRESS-G ist die grafische Notation der Sprache EXPRESS (ISO 10303-11) Start_Knoten Knoten Rohr y End_Knoten z nr nr Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung

19. REAL REAL REAL INTEGER INTEGER Beschreibung der Attribute x Für ein Datenmodell müssen alle Attribute definiert und dokumentiert werden. Start_Knoten Knoten Rohr y End_Knoten z nr nr Bedeutung: Knoten PositionAnforderungen: 3D, Nutzung eines kartesischen Koordinatensystems Maßeinheit für x, y and z: Variablen sind fixiert auf Meter -> Nutzung eines festen Maßeinheit [m] Bem: Ursprung des genutzten Koordinatensystems: Beschreibung in Welt-Koordinaten z.B. unter Nutzung von GIS oder Beschreibung in einem lokalen Koordinatensystems (ausreichend für Dimensionierung) Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung

20. REAL REAL REAL INTEGER INTEGER Beschreibung der Attribute x Start_Knoten Knoten Rohr y End_Knoten z nr nr Bedeutung: Identifikation von Knoten und RohrenAnforderungen: eindeutige Identifikation erforderlich (z.B. zum Ersatz defekter Rohre etc.) Mögliche Lösung: Menschen-lesbarer Name (string) Numerischer Wert zur Identifikation (integer) – einige Vorteile für Datenmanagement: weniger Speicher, Indexierung heute üblich: beides einsetzen Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung

21. REAL REAL REAL INTEGER INTEGER Beschreibung der Attribute x Start_Knoten Knoten Rohr y End_Knoten z nr nr Bedeutung: Geometrie der RohreAnforderungen: erforderlich zur Ermittlung der Rohrlänge Geometrietyp: gerade Linien -> Startknoten und Endknoten reichen zur Beschreibung der Rohrgeometrie aus Genauer ist es ein Sweep-Model: ein Querschnitt(Durchmesser) der entlang einer Führungsline entlang schwebt. Für gekrümmte Rohre wäre eine geo. Beschreibung der Linie notwendig Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung

22. REAL REAL REAL (OPT) Parameter Rohr_Typ Rohr_typ_select name STRING INTEGER als auch Standard-Rohrtypen Standard Rohrtypen -> name (Nutzung einer zusätzl. Bibliothek für Parameter oder Nutzung der optionalen Beziehung zu Rohr_Parameter) Beschreibung der Attribute Rohr_parameter Rohr nr Rohr_Parameter Durchmesser k pn Bedeutung: Zusätzliche Rohrparameter Anforderungen: Nutzung individueller Rohrtypen Parameter: Individuelle Rohrtypen -> Durchmesser, k (Rauhigkeit) pn (Nenndruck) Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung

23. Modellierung weiterer Elemente (ABS) Knoten 1 1 Eingang_Knoten Ausgang_Knoten Innen_Knoten Bedeutung: Spezialisierung (vollständige) von KnotenAnforderung: unterscheide zwischen Input, Output und Inneren Knoten durch Nutzung des Konzepts der Vererbung Spezialisierung definiert eine disjunkte Menge von Objekten -> Knoten ist eine abstrakte Superklasse für Input_Knoten, Output_Knoten und Inner_Knoten Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung

24. REAL REAL STRING Modellierung weiterer Elemente und Attribute name (ABS) Knoten Wasser_input Druck Eingang_Knoten Bedeutung: Wasserquelle für das WasserversorungssystemAnforderungen: Menschenlesbarer Name der Wasserquelle (name) erbt Definition von Knoten (Position, nr) max. Wasser-Input in liter/sekunde (Wasser_input) Wasserdruck in [m Wassersäule] (Druck) Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung

25. REAL REAL STRING Modellierung weiterer Elemente und Attribute name (ABS) Knoten Verbrauch Ausgang_Knoten erforderlicher_druck Bedeutung: Wasserverbrauch für das WasserversorgungssystemAnforderungen: Menschenlesbarer Name des Wasserverbrauchers, erbt Definition von Knoten (Position, nr) Durchschnitt Wasserverbrauch (Verbrauch) erforderlicher (min.) Wasserdruck Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung

26. Modellierung weiterer Elemente und Attribute (ABS) Knoten Innen_Knoten Bedeutung: Verbindung und Verzweigung im WasserversorgungssystemAnforderungen: erbt Definition von Knoten (Position, nr) -> keine zusätzlichen Attribute Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung

27. Erweiterungen des Datenmodells Erforderliche Erweiterung für Dimensionierung und für Lebenszyklus-Management 1. Dimensionierung für unterschiedliche Wasserentnahmen (z.B. bei Brandlöschung) -> Dimensionierung für unterschiedliche Lastfälle 2. Dokumentation des Wasserflusses über die Zeit (Alterung des Rohrsystems) -> Änderung der Rohrparameter / Durchfluss (Menge, Geschwindigkeit) 3. Monitoring des Wasserflusses -> Hinzufügen eines Fließsensors Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung

28. REAL REAL INTEGER Erweiterungen für Monitoring Erweiterung am Knoten nr Knoten Druck Position Zeit Knoten_Sensor Definition eines KnotensensorsAnforderungen: Wasserdruck und Zeit aus Messung (Druck, Zeit) Position des Knotensensors (implizit durch Relation zum Knoten) Identifikation der Messung mit eindeutiger Nummer (nr) Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung

29. REAL REAL INTEGER Erweiterungen für Monitoring Erweiterung am Rohr nr Rohr Geschwindigkeit Position Zeit Rohr_Sensor Definition von RohrsensorenAnforderungen: Fließgeschwindigkeit und Zeit der Messung (Geschwindigkeit, Zeit) Position des Rohrsensors (implizit durch Relation zum Rohr) Identifikation der Messung mit eindeutiger Nummer (nr) Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung

30. REAL REAL Erweiterungen für Monitoring name STRING Viskosität Erweiterung des Systems: Dichte Fluid Definition von FlüssigkeitenAnforderungen: Name, Viskosität, Dichte Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung

31. Wasserversorgungssystem als komplettes Modell Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung