TU Dresden - Institut für Bauinformatik Folie-Nr.: 1 Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 8....

TU Dresden - Institut für Bauinformatik

Folie-Nr.: 1Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 8.

Vorlesung

Bauinformatik IISoftwareanwendungen 1

5. Semester8. Vorlesung

Informationssysteme für IngenieursystemeProf. Dr.-Ing. R. J. Scherer

Nürnberger Str. 31a2. OG, Raum 204


Relationale Datenbankenfür Bauingenieurprobleme



Vorlesung

Was ist ein Informationssystem für Ingenieursysteme?Ein Informationssystem für Ingenieursysteme (ISI) ist ein Informations- und

Datenmanagementsystem für ein Ingenieursystem, wie z.B. für ein:• ein Tragsystem, Heizungssystem,• ein Versorgungssystem (Wasser, Gas, Strom, Abwasser, Multimedia), • ein Verkehrssystem (Straßen, Bahn, Hafen, Flughafen)das Daten sammelt Daten verwaltet das dafür sorgt, dass Daten zu Information verarbeitet werden (einbinden

von Tragwerksanalyse, etc) diese Information Ingenieuren und Managern aufbereitet und zur

Verfügung stellt (grafische Darstellung, Tabellen, Berichte)

ISI nutzt die Computer- und Informationstechnologie zur Lösung von Ingenieur- als auch Geschäftsaufgaben und -problemen

ISI ist ingenieur- als auch geschäfts- und managementorientiert und baut auf einem Mindestmaß an technischen Wissen auf.

ISI ist ein Metasystem für Ingenieursysteme



Vorlesung

Ziele eines ISI

• Ingenieure, Manager und Entscheidungsträger so mit Informationen zu versorgen, dass sie für ihren Verantwortungsbereich den richtigen Informationsausschnitt und keine Informationsflut erhalten und somit den Überblick behalten, jederzeit nach Bedarf gezielt und leicht weitere detaillierte Information selektieren können

• Ein ISI soll geeignet sein für die – Unterstützung täglicher Routineaufgaben– Unterstützung von Kontrollaufgaben– Verbesserung der Planung von Erneuerung und Erweiterung– Verbesserung der Reaktion auf Fehlverhalten und Störungen– Strategische Entscheidungen



Vorlesung

Allgemeiner Prozess einer ingenieurmäßigen Systembetrachtung1. Systembetrachtung

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

2. Datenstruktur = {O,R} basierend auf einem spezifischen Metamodell (= O-O-Modell / E-R-Modell)Entwicklung eines Datenmodells als O-O-/E-R-Schema = Ideale Datenstruktur der Konzepte

3. Implementierung des Schemas in einer Datenbanksoftware; heute zweckmäßig als Relationale Datenstruktur (Näherungen)

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) (= {O-O + Impl} + {Instanziierung} )

6. Kommunikation• M2M: zwischen Datenbank (= Information) Und Berechnungsprogramm (= Numerik)

= Datenaustausch (Datenkonversion durch importierendes Programm)• M2H: Berichte, d.h. grafische und alphanumerische Repräsentation der Ergebnisse (Ausgabe

und Systemwechsel) aber auch Eingabe, Modell und Modellannahmen7. Monitoring, Evaluation und Bericht



Vorlesung

Definition eines "Systems"• Ein System ist eine Menge verbundener Elemente, die ein Ganzes ergeben und in

organisierter Art und Weise zur Erreichung eines Ziels interagieren.• Ein System kann durch eine Anzahl an Entitäten (Objekte, Elemente) beschrieben

werden, die sich gegenseitig beeinflussen und für die ein oder mehrere Modelle erstellt werden, die die Objekte sowie die möglichen Beziehungen untereinander umfassen. Dies resultiert in einer Systemtopologie.

• Beispiel: Die Hauptelemente eines Wasserversorgungssystems

Wasserspeicher

VersorgungsleitungenAbnehmer

konsumieren erforderliches Speichervolumen versorgen

transportieren & verteilen

DoW Discourse ofthe world



Vorlesung

Unterschiedliche Sichten auf ein System

Systemfunktionsmodel

Systemarchitektur

Physikalisches SystemTechnisches System

definiert die Funktion und die Unterteilung in Subfunktionen (Subsysteme)

Wasserspeicher

Versorgungsleitungen

Abnehmer

Wassergewinnung

definiert die Komponenten



Vorlesung

Definition eines Systems aus Funktionssicht

FUNKTIONInput Output




Der Input muß durch eine Funktion transformiert werden und der Output muß ein Produkt der Transformation sein

Dies ist ein Neuronaler-Netzwerk-Ansatz. NN simulieren das Systemverhalten, ohne die Systemfunktion nach aussen bekannt zu geben.

Wasser-einspeisung

AbnehmerElemente des Versorgungssystems



Vorlesung

Abnehmer

Verteilungsleitungen

Sekundäre Vers.-Leitungen

Hauptversorgungsleitung

Aggregation von SystemenEin System wird aus Elementen aufgebaut (Aggregation).Die Aggregation konfiguriert die Topologie des Systems.Die Aggregation ist eine hierarchische Struktur der Elemente.

Beispiel: Wasserversorgungssystem

WassereinspeisungWasserspeicherHauptversorgungsltgn.Sekundäre Versorg.-ltgn.Verteilungs-LeitungenHausanschluss-LeitungenAbnehmer/WasserabnahmeWasserverlust

Wasserspeicher

Wasser-einspeisung



Vorlesung

Vorteile des Systemdenkens• Anwendung von Konzepten zur Identifikation von Anforderungen

für neue Systeme und Problemen in bestehenden Systemen• Rahmenwerk für ganzheitliche Problemlösung und

Entscheidungsfindung.• Strukturierung von Prozessen um zu verstehen, wie Systeme

organisiert sind und wie sie arbeiten• Reduzierung der Systemkomplexität• Fokussierung von Managern auf die allgemeinen Ziele und

Geschäftsprozesse, während Ingenieure mit Details versorgt werden. • Blick auf das Ganze• Steuerung des Systemverhaltens• Wiederholte Anwendung von Lösungen (-sprozesse) für Probleme,

die Variationen eines Problems sind Analogien



Vorlesung

Subsystem durch Schachtelung von Systemen

Wasserversorgungssystem

Mgmt. des Wasserversorgungssyst.

Monitoring des Wasserversorgungssyst.

Das System im System Reduktion der Komplexität Subsystem, Supersystem, MetasystemProblem der Unterscheidung und Separation unterschiedlicher Sichten

Informationsmanagmentsystem (Metasystem)



Vorlesung

Erweiterte Repräsentation von Systemen (IDEF0)

• Input(1) und Output (2) ist nicht ausreichend für eine zufriedenstellende Repräsentation von Systemen. Es werden zusätzlich gebraucht:

• (3) Steuerung(4) Mechanism (= Methoden, Akteuere)

Grafische Modellierungssprache IDF0• IDEF0 = funktionale Beschreibung des Systems• IDEF0 = Modellierungssprache assoziierte Regeln und Techniken zur

Entwicklung strukturierter grafischer Repräsentationen eines Systems oder einer Firma

• IDEF0 = Integration Definition Function Modelling, Level 0• IDEF0 = basiert auf der (US) Air Force Wright Aeronautical Laboratories

Integrated Computer-Aided Manufacturing (ICAM) Architecture



Vorlesung

Anwendung von IDEF0• Für neue Systeme kann IDEF0 zur Verbesserung der Entwurfsarbeit

verwendet werden, erstens für die Definition von Anforderungen und Spezifikation der Funktionen und dann zum Entwurf einer Implementierung, die die Anforderungen erfüllt und die Funktionen ausführt.

• Für bestehende Systeme kann IDEF0 zur Analyse der Systemfunktionen, des Systemverhaltens und der Mechanismen, die zu ihrer Ausführung führen, verwendet werden.



Vorlesung

Funktion

• Eine Aktivität, Prozess oder Transformation (modelliert durch ein IDEF0 Rechteck)

• beschrieben durch ein Verb, das den Inhalt der Aktivität beschreibt.

Funktions-Name



Vorlesung

Input

• Reale Objekte oder Daten, die zur Ausführung der Funktion notwendig sind.

• Benannt mit einem Substantiv

Funktions-NameInput



Vorlesung

Output

Funktions-Name Output

• Objekte oder Daten die das Resultat der Funktion nach Transformation des Inputs sind




Vorlesung

Steuerung

• Bedingungen, die zur Produktion eines korrekten Outputs erforderlich sind


Funktions-Name

Steuerung



Vorlesung

Mechanismus• Mechanismus (Person, Gerät, oder Daten) der die

Funktion ausführt


Funktions-Name

Mechanismus



Vorlesung

Die beiden Primären Modellkomponenten sind Funktionen und Daten/Objekte, die mit diesen Funktionen in Wechselwirkung stehen

Funktions-NameInput Output

Steuerung

Mechanismus

Rechtecke repräsentieren Funktionen die angeben was erreicht werden soll. Der Funktionsname ist ein VerbPfeile repräsentieren Daten oder Objekte, die von der Funktionen benötigt oder durch sie produziert werden. Jeder Pfeil wird durch ein Substantiv benannt.

Erweiterte Repräsentation von Systemen (IDEF0)



Vorlesung

Dekomposition in Sub-Systeme

A0

A0

A-0

Eltern Diagram

Kind Diagramm

Allgemein

Detailliert

0

Dieses Rechteck ist Elter dieses Kinddiagramms

12

34

A4

Top-Level Kontext Diagramm

Sub-Systeme können geschachtelt oder sequenziell sein

Elterndiagramme repräsentieren einen

höheren Abstraktionsgrad als Kinddiagramme



Vorlesung

Top-Level Kontext-Diagram• Jedes Modell soll ein Top-Level Kontext-Diagramm haben, auf dem der Sinn

des Modells durch eine einzige Funktion und seine Begrenzenden Inputs, Outputs, Steuerungen und Mechanismen repräsentiert wird. Dieses Kontext-Diagramm erhält die Nummer A-0. Die Pfeile auf diesem Diagramm führen zu nicht mit abgebildeten Funktionen ausserhalb des Modellierungsgebiets. Sie definieren den Modellfokus. Da das ganze Modell hier durch ein einziges Rechteck repräsentiert wird, ist der beschreibende Name in diesem Rechteck sehr allgemein. Das selbe gilt für die Schnittstellenpfeile, da diese ebenfalls die gesamte Menge an externen Schnittstellen zum modellierten Gegenstand repräsentieren. Das A-0 Diagramm definiert außerdem den Anwendungsbereich bzw. die Anwendungsgrenzen und die Ausrichtung.

• Das A-0 Kontext-Diagramm soll auch kurze Erläuterungen bezüglich der Sichtweise und des Zwecks des Modells geben, die helfen sollen die Erstellung und die Begrenzung des Modells zu unterstützen.

• Die wichtigsten Aspekte werden in der ersten Hierarchieebene modelliert und werden in Subfunktionen aufgeteilt bis alle relevanten Details adäquat ausgedrückt sind.

• Jede Subfunktion wird individuell durch ein Rechteck repräsentiert, wobei ein Elternrechteck durch Kinddiagramme auf dem nächst niedrigeren Ebene detailliert wird. Alle Kinddiagramme müssen im Geltungsbereich des Kontext-Diagramms der übergeordneten Ebene liegen.

Unterstützender Text



Vorlesung

Kind-Diagramm

• Die einzige Funktion des Kontext-Diagramms der übergeordeten Ebene kann durch Erstellung von Kind-Diagrammen in Sub-Funktionen zerlegt werden.

• Jede dieser Sub-Funktionen kann wiederum in Kind-Diagrammen zerlegt werden.

• Aus einem gegebenen Diagramm können einige, keine oder alle Funktionen zerlegt werden.

• Jedes Kinddiagramm enthält Kindfunktionen und Pfeile, die zusätzliche Details zur Verfügung stellen.

• Das Kinddiagramm, das aus der Zerlegung einer Funktion stammt umfasst den selben Modellbereich wie die Elternfunktion. Daher kann das Kinddiagramm als “Inhalt” der Elternfunktion betrachtet werden.




Vorlesung

Eltern-Diagramm

• Ein Eltern-Diagramm enthält eine oder mehrere Eltern-Funktionen. • Jedes normale (nicht-kontext) Diagramm ist auch ein Kind-Diagramm,

da es per Definition eine Elternfunktion detailliert.• Damit kann ein Diagramm sowohl ein Eltern-Diagramm als auch ein

Kind-Diagramm sein. • Desgleichen kann eine Funktion sowohl eine Eltern-Funktion als auch

eine Kind-Funktion sein.• Die primäre hierarchische Beziehung besteht zwischen der Eltern-

Funktion und der Kind-Funktion, die die Eltern-Funktion detailliert.




Vorlesung

Dekomposition in Sub-Systeme

A4

12

3A43

A43

12

3

Diese Numerierung zeigt, dass die Funktion detailliert wurde

Ein Diagramm enthält maximal 6 und mindestens 3 Funktionen



Vorlesung

Geklammerte Pfeile

• Die Klammerung eines Pfeiles am Rechteck bedeutet, dass die Daten oder Objekte, die durch diese Pfeile ausgedrückt werden nicht notwendig für das Verständnis nachfolgender Dekompositionsebenen sind und daher nicht im Kinddiagramm enthalten sind.

( )

( )

( )

( )

I1

M1

C1

O1



Vorlesung

Geklammerte Pfeile

• Die Klammerung am ungebundenen Ende bedeutet, dass die Daten oder Objekte am nächst höheren (Eltern) Dekompositionsgrad nicht notwendig sind und daher nicht mit der Eltern-Funktion verbunden sind.

(

)

( )

( )

( )



Vorlesung

Nummerierung von Funktionen

• Jede Funktion soll in der rechten unteren Ecke innerhalb des Rechtecks nummeriert werden.

• Dieses Nummerierungssystem ist erforderlich um die eindeutige Identifikation der Funktionen innerhalb des Diagramms zu ermöglichen und Verweise zu.

• Sie werden auch zur Referenzierung auf die Funktionen aus textuellen Beschreibungen der Diagramme benutzt.

• Die Funktionsnummer für die alleinstehende Funktion auf dem A-0 Kontextdiagramm hat die Nummer 0 (null).

• Die Nummern für die Funktionen in allen anderen Diagrammen sollen 1,2,3 bis max. 6 sein.

0



Vorlesung

Verweis-Nummern

• Eine Verweisnummer steht an der rechten unteren Ecke ausserhalb des Rechtecks. Sie kennzeichnet die Funktion als Eltern-Funktion und ist gleichzeitig die Diagrammnummer des Kind-Diagramms.

• Die Verweisnummer wird angeführt von der Diagrammnummer des Elterndiagramms gefolgt von der Nummer der Elternfunktion, die detailliert werden soll.z.B.: die Verweisnummer der Funktion 2 im Diagramm A25 ist A252.

2

A252



Vorlesung

Output• Output kann Steuerung werden

• Output kann Input werden

A

A



Vorlesung

Bündelung und Gabelung

Gabelung des Pfeils A resultiert in Pfeilen B und C

C

B

A

A

BC

Bündelung der Pfeile B und C Pfeil A

Die Kombination von Pfeilen (Bündelung) zu einem Pfeil oder die Separation eines Pfeiles in mehrere Pfeile (Gabelung) wird durch die Pfeilvereinigung bzw.-verzweigungssyntax ausgedrückt.



Vorlesung


versorgen mit Wasser

gespeichertesWasser

Wasserbedarf des Abnehmers

Topograpie, etc.

Versorger

Rechtecke repräsentieren Funktionen die angeben was erreicht werden soll. Der Funktionsname ist ein VerbPfeile repräsentieren Daten oder Objekte, die von der Funktionen benötigt oder durch sie produziert werden. Jeder Pfeil wird durch ein Substantiv benannt.



Vorlesung

Geschichte von IDEF0• Während der 1970er suchte das U.S. Air Force Program for Integrated Computer Aided

Manufacturing (ICAM) nach Möglichkeiten um die Produktivität der Produktion durch systematische Anwendung der Computertechnologie zu verbessern.

• Als Resultat entwickelte das ICAM Programm eine Serie von Techniken, die als IDEF (ICAM Definition) Techniken bekannt sind, und die folgendes beinhalten::

– IDEF0, zur Entwicklung eines “Funktionsmodells”. Ein Funktionsmodell ist eine strukturierte Repräsentation von Funktionen, Aktivitäten oder Prozessen des modellierten Systems oder Fachgebiets.

– IDEF1, zur Entwicklung eines “Informationsmodells”. Ein Informationsmodell repräsentiert die Struktur und die Semantik von Information des modellierten Systems oder Fachgebiets.

– IDEF2, zur Entwicklung eines “Dynamischen Modells”. Ein dynamisches Modell repräsentiert die zeitabhängigen Verhaltens-Charakteristika des modellierten Systems oder Fachgebiets.

• 1983, erweiterte das U.S. Air Force Integrated Information Support System Programm die IDEF1 Informationsmodellierungstechnik weiter zur IDEF1X (IDEF1 Extended), einer semantischen Datenmodellierungstechnik.

• IDEF0 und IDEF1X werden weitgehend durch Regierung, Industrie und Geschäftssektoren genutzt um die Modellierungsansträngungen in einem breiten Bereich von Geschäfts- und Anwendungsfeldern zu unterstützen.




Vorlesung

Literatur

• Draft Federal Information Processing Standards Publication 183 Announcing the Standard for "INTEGRATION DEFINITION FOR FUNCTION MODELING (IDEF0)", 1993 Dezember 21, http://www.idef.com/pdf/idef0.pdf



Vorlesung

Definition von Zielen und Zwischenzielen

Druckdaten Fließdaten VerbrauchsdatenVersorgungsdaten

Rauhigkeit Verlust

Kosten aus erhöhter Pumpleistung + Verlust Einnahmen

Bewertung der Rentabilität

Bericht Aktueller Zustand Ziel

Zwischen-ziele



Vorlesung

Beispiel: Überwachung eines Wasserversorgungssystems

überwache Lebenszyklus

Betriebsdaten

Anforderungen anQualität und Quantität

Betreiber

Kosten aufgrunderhöhter Pumpleistung und Wasserverlust

Top-Level Kontext Diagramm

0

A-0 Überwachung des Wasserversorgungssystems

ZWECK: Überwachung und Info-verarbeitung zur Wartung des Wasserversorgungssystems

SICHT: Wartungsteam und Entscheidungsträger

Planungsdaten

A0



Vorlesung

Der ganze Prozess ist zeitabhängig, d.h. er muß regelmäßig aktualisiert werden.

TITEL:KNOTEN: NR.:A0 Soll-Ist-Vergleich

4

vergleiche

3

summiere zu Gesamtkosten

Ct

5

bewerte Rentabilität

Ct/CPr

Prognose der künftigen

Entwicklung

Betriebswirt

Betriebswirt

Bauing.

Planungsdaten

1A1

berechne Pumpkosten

2A2

berechne Verlustkosten

Betriebsdaten

Bauing.

Bauing.

Beispiel: Überwachung eines Wasserversorgungssystems



Vorlesung

SystemverhaltenSystemverhalten = Aggregation des Verhaltens aller Grund-SubsystemeJedes Basis-Subsystem ist ein isoliertes System

1. Gesetz der Thermodynamik gilt Erhaltung der totalen Energie

"Element Leitung"transportiere

Wasser

Q1

hLoss,1

v1

p1

Q2

hLoss,2

v2

p2

Zustands-

Variablen

Rauhigkeit

Erhalt der totalen Energie

Zustands-

Variablen



Vorlesung

Elementverhalten eines Grundelements

konst)h,v,p,,z(fh LossELT

2...1,Lossh

2z

NN

EL

HGL

Annahme: stationärer Fluß, reibungsfreie und inkompressible Flüssigkeit

ELT

g2v2

2

gp2

1,Lossh

g2v2

1

gp1

1z

1 2

p = hydrostat. Druck ρ = Dichte des Wassers v = Fließgeschwindigkeit g = Erdbeschleunigungz = Höhe Rohr hLoss = Druckverlust

)v,d,L,(fh 1ii,Loss

= ReibungskoeffizientL = Rohrlängedh = hydraulischer Durchm.

L

)d,k(Re,f hk = relative Rauhigkeit der RohrwandRe = Reynolds Zahl

vAQ

Erhalt der totalen Energie

),,v,d(fRe μ = dynamische oder absolute Viskosität



Vorlesung


2

berechne notwendigen

Einspeisedruck

3

berechne Pumpkostenpmin,input

Alle QVerbrauch

Bauing.

Bauing.

Cp

TITEL:KNOTEN: NR.:A1 Berechnung der Pumpkosten

Alle pmin,Verbrauch



Vorlesung

TITEL:KNOTEN: NR.:A2 Berechnung der Verlustkosten

1A21

berechne Verlust

2

berechne Verlustkosten

DV

Bauing.

Bauing. Cw

Betriebsdaten




Vorlesung

TITEL:KNOTEN: NR.:A21 Berechnung Wasserverlust

1

summiere

2

berechne Differenz

Entnahme aus Wasserspeicher

Verbrauch proAbnehmer

SVerbrauch

Verlust




Vorlesung

Nachteile von IDEF0

Bei der Anwendung von IDEF0 sollte man sich folgender Nachteile bewußt sein:• Komplexität der Diagramme• Unterscheidung und Trennung unterschiedlicher Sichten• Schwierige Identifikation und Unterscheidung zwischen Steuerung und Inputs



Vorlesung

Modellierungsansätze• Ein Modell ist die vereinfachte

Abbildung der Realität.• Ein Modell wird zur

Repräsentation einer Menge von Komponenten eines Systems oder einer Domäne genutzt.

• Die Abbildung ist beschränkt auf die Ojekte, die für die Untersuchung relevant sind

• Um das Modell handhabbar zu machen, müssen Modellvereinfachungen eingeführt werden

• Vereinfachungen sind irreversibel für eine Detaillierung ist ein neues Modell und eine neue Berechnung erforderlich!

Vere

infa

chun

g

Umkehrung Unmöglich

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