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

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

2 Folie-Nr.: 2 Allgemeiner Prozess einer ingenieurmäßigen Systembetrachtung 1. 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-Modell Implementieren in MS ACCESS 4. Instanziierung eines Ingenieurmodells = Konfiguration des domänenspezifischen Ingenieurmodells aus dem Datenmodell 5. Numerisches Programm zur Berechnung des Systemverhaltens = Simulation = Prognose basierend auf einem Modell + Modellannahmen + quantitativen Werten (Statistik) 6. Kommunikation M2M Maschine mit Maschine, M2H Maschine mit Mensch 7. Monitoring, Evaluation und Bericht

3 TU Dresden - Institut für Bauinformatik 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 ab Systemmodell = Modell

4 TU Dresden - Institut für Bauinformatik 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 Folie-Nr.: 4

5 TU Dresden - Institut für Bauinformatik 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

6 TU Dresden - Institut für Bauinformatik Folie-Nr.: 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 TU Dresden - Institut für Bauinformatik 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

8 TU Dresden - Institut für Bauinformatik Folie-Nr.: 8 Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung 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)

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

10 TU Dresden - Institut für Bauinformatik Folie-Nr.: 10 Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung 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

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

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

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

14 TU Dresden - Institut für Bauinformatik Folie-Nr.: 14 Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung Modellierung Q i-n1 Q d1, v d1, p d1 Q d2, v d2, p d2 Q d3, v d3, p d3 Q d4, v d4, p d4 Q d5, v d5, p d5 Q o-n4 Q o-n6 Geometrie des Rohrsystems erforderlich zur Ermittlung der Rohrlängen l d1 input output Anforderung: Beschreibung aller Informationen eines Wasserversorgungssystems, die notwendig sind für - Dimensionierung, - Monitoring and - Lebenszyklus-Management Wasserversorungssystem mit Wasserfluss für einen spezifischen Anwendungsfall (Instantiierung)

15 TU Dresden - Institut für Bauinformatik Folie-Nr.: 15 Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung Grundlage der Modellierung sind Konzepte Das, bzw. die Konzepte beschreiben die Grundelemente des Systems KnotenRohr Start, Ende Konzept A Entität 1 Konzept B Entität 2 Konzept C Beziehung 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.

16 TU Dresden - Institut für Bauinformatik Folie-Nr.: 16 Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung Modellierung nr KnotenRohr Start, Ende Konzept Beziehung integer nr Attribute integer nr StartEnde 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

17 TU Dresden - Institut für Bauinformatik Folie-Nr.: 17 Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung Modellierung Erste Schritte der Modellierung: Hinzufügen der Geometrie nrxyz KnotenRohr Start, Ende Konzept Beziehung integerreal nrx, y, z Attribute integer nr StartEnde Beispiel: x y 1 2 Topologie + Geometrie : Tabelle Knoten Tabelle Rohr

18 TU Dresden - Institut für Bauinformatik Folie-Nr.: 18 Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung Einführen der Modellierungssprache EXPRESS-G EXPRESS-G ist die grafische Notation der Sprache EXPRESS (ISO ) KnotenRohr nr REAL INTEGER REAL x y z Start_Knoten End_Knoten nr INTEGER

19 TU Dresden - Institut für Bauinformatik Folie-Nr.: 19 Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung Für ein Datenmodell müssen alle Attribute definiert und dokumentiert werden. Rohr Start_Knoten End_Knoten nr INTEGER Bedeutung: Knoten Position Anforderungen: 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 x y z

20 TU Dresden - Institut für Bauinformatik Folie-Nr.: 20 Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung Start_Knoten End_Knoten Knoten REAL x y z Rohr Bedeutung: Identifikation von Knoten und Rohren Anforderungen: 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 Beschreibung der Attribute

21 TU Dresden - Institut für Bauinformatik Folie-Nr.: 21 Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung nr INTEGER nr INTEGER 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_Knoten KnotenRohr Beschreibung der Attribute

22 TU Dresden - Institut für Bauinformatik Folie-Nr.: 22 Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung 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 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 Beschreibung der Attribute

23 TU Dresden - Institut für Bauinformatik Folie-Nr.: 23 Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung Bedeutung:Spezialisierung (vollständige) von Knoten Anforderung: 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_KnotenAusgang_KnotenInnen_Knoten 1 Modellierung weiterer Elemente 1

24 TU Dresden - Institut für Bauinformatik Folie-Nr.: 24 Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung Druck Bedeutung: Wasserquelle für das Wasserversorungssystem Anforderungen: 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

25 TU Dresden - Institut für Bauinformatik Folie-Nr.: 25 Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung Bedeutung: Wasserverbrauch für das Wasserversorgungssystem Anforderungen: 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 Modellierung weiterer Elemente und Attribute

26 TU Dresden - Institut für Bauinformatik Folie-Nr.: 26 Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung Bedeutung: Verbindung und Verzweigung im Wasserversorgungssystem Anforderungen: erbt Definition von Knoten (Position, nr) -> keine zusätzlichen Attribute (ABS) Knoten Innen_Knoten Modellierung weiterer Elemente und Attribute

27 TU Dresden - Institut für Bauinformatik Folie-Nr.: 27 Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung 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

28 TU Dresden - Institut für Bauinformatik Folie-Nr.: 28 Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung Erweiterungen für Monitoring Erweiterung am Knoten Definition eines Knotensensors Anforderungen: 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 nr INTEGER REAL Druck Zeit

29 TU Dresden - Institut für Bauinformatik Folie-Nr.: 29 Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung Erweiterungen für Monitoring Erweiterung am Rohr Definition von Rohrsensoren Anforderungen: 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 nr INTEGER REAL Geschwindigkeit Zeit

30 TU Dresden - Institut für Bauinformatik Folie-Nr.: 30 Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung Erweiterungen für Monitoring Erweiterung des Systems: Definition von Flüssigkeiten Anforderungen: Name, Viskosität, Dichte STRING Fluid REAL name REAL Viskosität Dichte

31 TU Dresden - Institut für Bauinformatik Folie-Nr.: 31 Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung Wasserversorgungssystem als komplettes Modell


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