Bauinformatik II Softwareanwendungen 1

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1 Bauinformatik II Softwareanwendungen 1
Relationale Datenbanken für Bauingenieurprobleme 5. Semester 8. Vorlesung Informationssysteme für Ingenieursysteme Prof. Dr.-Ing. R. J. Scherer Nürnberger Str. 31a 2. OG, Raum 204 TU Dresden - Institut für Bauinformatik Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 8. Vorlesung

2 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 Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 8. Vorlesung

3 Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 8. 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 Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 8. Vorlesung

4 Allgemeiner Prozess einer ingenieurmäßigen Systembetrachtung
Systembetrachtung Grobe Definition von Zweck, Funktion, Prozessen und Verhalten Formale Repräsentation des Systems (IDEF0) auf hoher Ebene 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 Implementierung des Schemas in einer Datenbanksoftware; heute zweckmäßig als Relationale Datenstruktur (Näherungen) Instanziierung eines Ingenieurmodells = Konfiguration des domänenspezifischen Ingenieurmodells aus dem Datenmodell Numerisches Programm zur Berechnung des Systemverhaltens = Simulation = Prognose basierend auf einem Modell + Modellannahmen + quantitativen Werten (Statistik) (= {O-O + Impl} + {Instanziierung} ) 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 Modellannahmen Monitoring, Evaluation und Bericht Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 8. Vorlesung

5 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 DoW Discourse of the world Wasserspeicher konsumieren  erforderliches Speichervolumen versorgen Abnehmer transportieren & verteilen Versorgungsleitungen Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 8. Vorlesung

6 Unterschiedliche Sichten auf ein System
definiert die Funktion und die Unterteilung in Subfunktionen (Subsysteme) Systemfunktionsmodel Wassergewinnung Wasserspeicher Systemarchitektur definiert die Komponenten Versorgungsleitungen Abnehmer Physikalisches System Technisches System Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 8. Vorlesung

7 Definition eines Systems aus Funktionssicht
Wasser- einspeisung Elemente des Versorgungssystems Abnehmer FUNKTION Input Output Der Input muß durch eine Funktion transformiert werden und der Output muß ein Produkt der Transformation sein FUNKTION Input Output FUNKTION Input Output Dies ist ein Neuronaler-Netzwerk-Ansatz. NN simulieren das Systemverhalten, ohne die Systemfunktion nach aussen bekannt zu geben. FUNKTION Input Output Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 8. Vorlesung

8 Aggregation von Systemen
Ein System wird aus Elementen aufgebaut (Aggregation). Die Aggregation konfiguriert die Topologie des Systems. Die Aggregation ist eine hierarchische Struktur der Elemente. Beispiel: Wasserversorgungssystem Wassereinspeisung Wasserspeicher Hauptversorgungsltgn. Sekundäre Versorg.-ltgn. Verteilungs-Leitungen Hausanschluss-Leitungen Abnehmer/Wasserabnahme Wasserverlust Wasser- einspeisung Wasserspeicher Abnehmer Hauptversorgungsleitung Verteilungsleitungen Sekundäre Vers.-Leitungen Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 8. Vorlesung

9 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 Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 8. Vorlesung

10 Subsystem durch Schachtelung von Systemen
Das System im System  Reduktion der Komplexität  Subsystem, Supersystem, Metasystem Problem der Unterscheidung und Separation unterschiedlicher Sichten Wasserversorgungssystem Mgmt. des Wasserversorgungssyst. Monitoring des Wasserversorgungssyst. Informationsmanagmentsystem (Metasystem) Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 8. Vorlesung

11 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 Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 8. Vorlesung

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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. Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 8. Vorlesung

13 Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 8. Vorlesung
Funktion Eine Aktivität, Prozess oder Transformation (modelliert durch ein IDEF0 Rechteck) beschrieben durch ein Verb, das den Inhalt der Aktivität beschreibt. Funktions- Name Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 8. Vorlesung

14 Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 8. Vorlesung
Input Reale Objekte oder Daten, die zur Ausführung der Funktion notwendig sind. Benannt mit einem Substantiv Funktions- Name Input Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 8. Vorlesung

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Output Objekte oder Daten die das Resultat der Funktion nach Transformation des Inputs sind Benannt mit einem Substantiv Funktions- Name Output Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 8. Vorlesung

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Steuerung Bedingungen, die zur Produktion eines korrekten Outputs erforderlich sind Benannt mit einem Substantiv Steuerung Funktions- Name Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 8. Vorlesung

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Mechanismus Mechanismus (Person, Gerät, oder Daten) der die Funktion ausführt Benannt mit einem Substantiv Funktions- Name Mechanismus Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 8. Vorlesung

18 Erweiterte Repräsentation von Systemen (IDEF0)
Die beiden Primären Modellkomponenten sind Funktionen und Daten/Objekte, die mit diesen Funktionen in Wechselwirkung stehen Funktions- Name Input Output Steuerung Mechanismus Rechtecke repräsentieren Funktionen die angeben was erreicht werden soll. Der Funktionsname ist ein Verb Pfeile repräsentieren Daten oder Objekte, die von der Funktionen benötigt oder durch sie produziert werden. Jeder Pfeil wird durch ein Substantiv benannt. Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 8. Vorlesung

19 Dekomposition in Sub-Systeme
Sub-Systeme können geschachtelt oder sequenziell sein Top-Level Kontext Diagramm Eltern Diagram Allgemein A0 Elterndiagramme repräsentieren einen höheren Abstraktionsgrad als Kinddiagramme A-0 Dieses Rechteck ist Elter dieses Kinddiagramms 1 Detailliert 2 Kind Diagramm 3 4 A4 A0 Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 8. Vorlesung

20 Top-Level Kontext-Diagram
Unterstützender Text 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. Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 8. Vorlesung

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Kind-Diagramm Unterstützender Text 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. Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 8. Vorlesung

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Eltern-Diagramm Unterstützender Text 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. Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 8. Vorlesung

23 Dekomposition in Sub-Systeme
Ein Diagramm enthält maximal 6 und mindestens 3 Funktionen 1 2 3 A43 A4 Diese Numerierung zeigt, dass die Funktion detailliert wurde 1 2 3 A43 Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 8. Vorlesung

24 Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 8. Vorlesung
Geklammerte Pfeile C1 ( ) I1 ( ) ( ) O1 ( ) M1 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. Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 8. Vorlesung

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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. Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 8. Vorlesung

26 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. Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 8. Vorlesung

27 Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 8. Vorlesung
Verweis-Nummern 2 A252 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. Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 8. Vorlesung

28 Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 8. Vorlesung
Output Output kann Steuerung werden Output kann Input werden A A Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 8. Vorlesung

29 Bündelung und Gabelung
Die Kombination von Pfeilen (Bündelung) zu einem Pfeil oder die Separation eines Pfeiles in mehrere Pfeile (Gabelung) wird durch die Pfeilvereinigung bzw.-verzweigungssyntax ausgedrückt. C A B C B A Bündelung der Pfeile B und C Pfeil A Gabelung des Pfeils A resultiert in Pfeilen B und C Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 8. Vorlesung

30 Beispiel: Wasserversorgungssystem
Topograpie, etc. Wasserbedarf des Abnehmers gespeichertes Wasser versorgen mit Wasser Versorger Rechtecke repräsentieren Funktionen die angeben was erreicht werden soll. Der Funktionsname ist ein Verb Pfeile repräsentieren Daten oder Objekte, die von der Funktionen benötigt oder durch sie produziert werden. Jeder Pfeil wird durch ein Substantiv benannt. Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 8. Vorlesung

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Geschichte von IDEF0 Unterstützender Text 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. Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 8. Vorlesung

32 Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 8. Vorlesung
Literatur Draft Federal Information Processing Standards Publication 183 Announcing the Standard for "INTEGRATION DEFINITION FOR FUNCTION MODELING (IDEF0)", 1993 Dezember 21, Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 8. Vorlesung

33 Definition von Zielen und Zwischenzielen
Bericht  Aktueller Zustand Ziel Bewertung der Rentabilität Kosten aus erhöhter Pumpleistung + Verlust Einnahmen Zwischen- ziele Rauhigkeit Verlust Druckdaten Fließdaten Versorgungsdaten Verbrauchsdaten Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 8. Vorlesung

34 Beispiel: Überwachung eines Wasserversorgungssystems
Top-Level Kontext Diagramm Anforderungen an Qualität und Quantität Kosten aufgrund erhöhter Pumpleistung und Wasserverlust überwache Lebenszyklus Betriebsdaten Planungsdaten A0 Betreiber ZWECK: Überwachung und Info-verarbeitung zur Wartung des Wasserversorgungssystems SICHT: Wartungsteam und Entscheidungsträger A-0 Überwachung des Wasserversorgungssystems Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 8. Vorlesung

35 Beispiel: Überwachung eines Wasserversorgungssystems
Der ganze Prozess ist zeitabhängig, d.h. er muß regelmäßig aktualisiert werden. Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 8. Vorlesung

36 Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 8. Vorlesung
Systemverhalten Systemverhalten = Aggregation des Verhaltens aller Grund-Subsysteme Jedes Basis-Subsystem ist ein isoliertes System  1. Gesetz der Thermodynamik gilt  Erhaltung der totalen Energie Rauhigkeit "Element Leitung" transportiere Wasser Q1 hLoss,1 v1 p1 Q2 hLoss,2 v2 p2 Zustands- Variablen Zustands- Variablen Erhalt der totalen Energie Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 8. Vorlesung

37 Elementverhalten eines Grundelements
ELT Erhalt der totalen Energie EL HGL p = hydrostat. Druck ρ = Dichte des Wassers v = Fließgeschwindigkeit g = Erdbeschleunigung z = Höhe Rohr hLoss = Druckverlust = Reibungskoeffizient L = Rohrlänge dh = hydraulischer Durchm. L k = relative Rauhigkeit der Rohrwand Re = Reynolds Zahl μ = dynamische oder absolute Viskosität NN 1 2 Annahme: stationärer Fluß, reibungsfreie und inkompressible Flüssigkeit Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 8. Vorlesung

38 Beispiel: Wasserversorgungssystem
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39 Beispiel: Wasserversorgungssystem
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40 Beispiel: Wasserversorgungssystem
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41 Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 8. 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 Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 8. Vorlesung

42 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! Vereinfachung Umkehrung Unmöglich Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 8. Vorlesung