TU Dresden - Institut für Bauinformatik Folie-Nr.: 1 Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9....

TU Dresden - Institut für BauinformatikFolie-Nr.: 1Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung

Bauinformatik Vertiefte Grundlagen

Systemtheorie

5. Semester3. Vorlesung

Systemobjektmodell

Prof. Dr.-Ing. R. J. Scherer

Nürnberger Str. 31a2. OG, Raum 204

TU Dresden - Institut für Bauinformatik

TU Dresden - Institut für BauinformatikFolie-Nr.: 2

Allgemeiner Prozess einer ingenieurmäßigen Systembetrachtung1. Systembetrachtung

Grobe Definition von Zweck, Funktion, Prozessen und Verhalten Formale Repräsentation des Systems (IDEF0) auf hoher Ebene

2. 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

3. Implementierung des Schemas in einer Software Umsetzen in ein vereinfachtes E-R-ModellImplementieren in MS ACCESS

4. Instanziierung eines Ingenieurmodells= Konfiguration des domänenspezifischen Ingenieurmodells aus dem Datenmodell

5. Numerisches Programm zur Berechnung des Systemverhaltens= Simulation= Prognosebasierend auf einem Modell + Modellannahmen + quantitativen Werten (Statistik)

6. Kommunikation M2M Maschine mit Maschine, M2H Maschine mit Mensch

7. Monitoring, Evaluation und Bericht


Modell

Folie-Nr.: 3

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 abSystemmodell = Modell


SystemEs 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 GelenkenFolie-Nr.: 4


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

Folie-Nr.: 5

TU Dresden - Institut für BauinformatikFolie-Nr.: 6

FormalisierungUnter 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)


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)

Folie-Nr.: 7


Formalisierung - MethodenEntity 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)


Objektorientierte Datenmodellierung

Grundkonzepte zur Defonition von Datenstrukturen- Objekte

- Beziehungen

- Attribute

Anpassung der Konzepte des objektorientierten Paradigmas für die Datenmodellierung

Fortgeschrittene Konzepte- Klassifikation

- Vererubung (Wiederverwendung und Re-definition von Attributen)

- Auswahltypen (select types)

- Enumerationen

- Aggregationen (Array, Liste, Menge)

Vergleichbar mit dem Entity-Relationship Modell

Unterstützt durch das erweiterete Entity-Relationship-Modell

(z.B. der EXPRESS Sprache)


Bedingungen- inverse Beziehungen

- optionale oder obligatorische Attribute

- Kardinalitäten für Aggregationen

- Regeln (z.B. Definitionsbereich/Wertebereich

- Abgeleitete Attribute (funktionale Abhängigkeiten)

Funktionalität für Datenvalidierung(Konsistenzprüfung)

Die zur Verfügung gestellte Funktionalität unterscheidet sich bei • objektorientierten Modellierungssprachen (z.B. UML, EXPRESS) • Programmiersprachen (C++, Java, etc.)

Objektorientierte Datenmodellierung


Konzeptuelle Datenmodellierung für das Wasserversorgungssystem

Basis für den Aufbau des Datenmodells:

FUNKTIONInput?

Output?

Anforderungsanalyse des Wasserversorgungssystems

Beantwortung der Frage:Welche Art von Daten/Information soll gespeichert werden?

Steuerung?

Mechanismus?


Wasserversorungssystem(verteile Wasser)

ModellierungAnforderung:

Beschreibung aller Informationen eines Wasserversorgungssystems, die notwendig sind für

- Dimensionierung,- Monitoring and - Lebenszyklus-Management

Wasserversorgungssystem auf der funktionaler Ebene

Wasser input

Wasser output


ModellierungAnforderung:

Wasserversorungssystem auf technischen (organisatorischen) Ebene

Knoten

Knoten

Knoten

Knoten

KnotenKnoten

Wasserversorgungssystem zerlegt in eine Menge von Subsystemen, verbunden

durch Rohreverbindet Leitungen und erlaubt Wasser

Input/Output

Beschreibung aller Informationen eines Wasserversorgungssystems, die notwendig sind für



Modellierung

Qi-n1

Qd1, vd1, pd1Qd2, vd2, pd2

Qd3, vd3, pd3Qd4, vd4, pd4

Qd5, vd5, pd5

Qo-n4

Qo-n6

„Geometrie“ des Rohrsystems

erforderlich zur Ermittlung der

Rohrlängen

ld1

input

output

output

Anforderung:Beschreibung aller Informationen eines Wasserversorgungssystems, die notwendig sind für


Wasserversorungssystem mit Wasserfluss für einen spezifischen Anwendungsfall(Instantiierung)


Grundlage der Modellierung sind KonzepteDas, bzw. die Konzepte beschreiben die Grundelemente des Systems

Knoten RohrStart, Ende

Konzept AEntität 1

Konzept BEntität 2

Konzept CBeziehung

Knoten

Knoten

Rohr

Durch Nutzung von Instanzen dieser Konzepte (Klassen) des Modells können wir die Topologie eines Wasserversorgungssystem aufbauen:

Anm.: oftmals werden alle Entitäten eines Modells als die Konzepte des Modells bezeichnet.


Modellierung

nr

1

2

..


Konzept KonzeptBeziehung

integer

nr

Attribute

integer

nr

nr Start Ende

1 1 2

...

Beispiel:

Knoten 1

Knoten 2

Rohr 1

Topologie: Tabelle Knoten Tabelle Rohr

Erste Schritte der Modellierung: beschreibe die Topologie des Wasserversorgungssystems

Identifikation der Elemente zur Beschreibung der Topologie


ModellierungErste Schritte der Modellierung: Hinzufügen der Geometrie

nr x y z

1 0.5 0.5 2.5

2 1 1.5 1.5

..


Konzept KonzeptBeziehung

integer real

nr x, y, z

Attribute

integer

nr

nr Start Ende

1 1 2

...

Beispiel:

x

y

1

2Topologie + Geometrie :

Tabelle Knoten Tabelle Rohr


Einführen der Modellierungssprache EXPRESS-G EXPRESS-G ist die grafische Notation der Sprache EXPRESS (ISO 10303-11)

Knoten Rohr

nr

REAL

INTEGER

REAL

REAL

x

y

z

Start_Knoten

End_Knoten

nr

INTEGER


Für ein Datenmodell müssen alle Attribute definiert und dokumentiert werden.

RohrStart_Knoten

End_Knoten

nr

INTEGER

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)

Beschreibung der Attribute

nr

INTEGER

Knoten

REAL

REAL

REAL

x

y

z


Start_Knoten

End_KnotenKnoten

REAL

REAL

REAL

x

y

z

Rohr

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

nr

INTEGER

nr

INTEGER



nr

INTEGER

nr

INTEGER

REAL

REAL

REAL

x

y

z

Bedeutung: Geometrie der Rohre Anforderungen: 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

Start_Knoten

End_KnotenKnoten Rohr



Rohr

REAL

Durchmesser

nr

INTEGER

Bedeutung: Zusätzliche Rohrparameter Anforderungen: Nutzung individueller Rohrtypen

Parameter: Individuelle Rohrtypen -> Durchmesser, k (Rauhigkeit)pn (Nenndruck)

Rohr_typ_select Rohr_parameter

Rohr_Parameter

REAL

k

REAL

pn

Rohr_Typ

name

STRING

(OPT) Parameter

Standard Rohrtypen -> name (Nutzung einer zusätzl. Bibliothek für Parameter oder Nutzung der optionalen Beziehung zu Rohr_Parameter)

als auch Standard-Rohrtypen



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

(ABS) Knoten

Eingang_Knoten Ausgang_Knoten Innen_Knoten

1

Modellierung weiterer Elemente

1


Druck

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)

(ABS) Knoten

Eingang_Knoten

REAL

STRING

REAL

Wasser_input

name

Modellierung weiterer Elemente und Attribute


Bedeutung: Wasserverbrauch für das WasserversorgungssystemAnforderungen: Menschenlesbarer Name des Wasserverbrauchers,

erbt Definition von Knoten (Position, nr)Durchschnitt Wasserverbrauch (Verbrauch)

erforderlicher (min.) Wasserdruck

(ABS) Knoten

Ausgang_Knoten REAL

STRING

Verbrauch

name

REAL erforderlicher_druck



Bedeutung: Verbindung und Verzweigung im WasserversorgungssystemAnforderungen: erbt Definition von Knoten (Position, nr)

-> keine zusätzlichen Attribute

(ABS) Knoten

Innen_Knoten



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


Erweiterungen für Monitoring

Erweiterung am Knoten

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)

Knoten

Knoten_Sensor

REAL Position

nrINTEGER

REAL

Druck

Zeit



Erweiterung am Rohr

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)

Rohr

Rohr_Sensor

REAL Position

nrINTEGER

REAL

Geschwindigkeit

Zeit



Erweiterung des Systems:

Definition von FlüssigkeitenAnforderungen: Name,

Viskosität,

Dichte

STRING

Fluid

REAL

name

REAL Viskosität

Dichte


Wasserversorgungssystem als komplettes Modell

(ABS)Knoten RohrStart_Knoten

Ende_Knoten

REALx_coord

REAL

REAL

y_coord

z_coord

INTEGER nr

Eingang_Knoten Ausgang_Knoten

ZEICHENFOLGEname

STRING

REAL

wasser_input

REAL

REAL

verbrauch

INTEGERnr

rohr_typ_select

rohr_parameter

Rohr_Typ

ZEICHENFOLGE

name

STRING Rohr_Parameter

(OPT) parameter

REAL

durchmesser

REAL REAL

PN

k

ZEICHENFOLGESTRING

nr

Knoten_Sensor

position

nr INTEGER

REAL

REAL

druck

zeit

Rohr_Sensor

nr INTEGER

REAL

REAL

geschwindigkeit

zeit

position

1

Innen_Knoten

1druck

Flüssigkeit

Q

REAL

REAL

REALviskosität

flüssigkeits_parameter

dichte

ZEICHENFOLGEname

STRING

REAL

erforderl_druck

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