Bauinformatik II Softwareanwendungen 1 Relationale Datenbanken für Bauingenieurprobleme 5. Semester 9. Vorlesung Entwicklung des Datenschemas eines Informationssystemes Prof. Dr.-Ing. R. J. Scherer Nürnberger Str. 31a 2. OG, Raum 204 TU Dresden - Institut für Bauinformatik Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung

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 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; 9. Vorlesung

Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung Formalisierung Anwendungsbereiche von Modellierungstechniken: Entity Relationship Modell - Datenmanagement - kein Verhalten, meistens keine Information über Konsistenz - Strategie für Modellierung: Vermeidung redundanter Daten - Ziel: Persistente Datenspeicherung (Datenquelle für Anwendungen) Object-Orientierte Modellierung - 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: Nutzung der Daten (z.B. Simulation von Tragwerksverhalten) Logik - Wissensrepräsentation für künstliche Intelligenz und automatische Schlußfolgerung (z.B. Konsistenzprüfung) - Ziel: “Interpretation” von Daten (Umgang mit Information anstatt mit Daten) Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung

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

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

Modellierung Anforderung: Beschreibung aller Informationen eines Wasserversorgungssystems, die notwendig sind für - Dimensionierung, - Monitoring and - Lebenszyklus-Management Wasserversorungssystem auf Knotenebene 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

Modellierung Anforderung: Beschreibung aller Informationen eines Wasserversorgungssystems, die notwendig sind für - Dimensionierung, - Monitoring and - Lebenszyklus-Management Wasserversorungssystem mit Wasserfluß für einen spezifischen Anwendungsfall input Qi-n1 Qo-n6 Qd2, vd2, pd2 output 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

Grundlage der Modellierung sind Konzepte Das, bzw. Die Konzepte beschreiben die Grundelemente des Systems Konzept Entität 1 Konzept Beziehung Konzept Entität 2 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

Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung Modellierung Erste Skizze zur 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 nr 1 2 .. nr Start Ende 1 2 ... Rohr 1 Knoten 1 Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung

Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung Modellierung Erste Skizze zur Modellierung: Hinzufügen der Geometrie Konzept Beziehung Konzept Start, Ende Knoten Rohr Attribute nr x, y, z nr integer real integer Beispiel: Topologie + Geometrie : Tabelle Knoten Tabelle Rohr 2 y nr x y z 1 0.5 2.5 2 1.5 .. nr Start Ende 1 2 ... 1 x Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung

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

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

Beschreibung der Attribute x REAL Start_Knoten y Knoten Rohr REAL End_Knoten z REAL nr nr INTEGER INTEGER 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 Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung

Beschreibung der Attribute x REAL Start_Knoten y Knoten Rohr REAL End_Knoten z REAL nr nr INTEGER INTEGER Geometrie der Rohre Anforderungen: erforderliche zur Ermittlung der Rohrlänge Festlegung: nur Unterstützung von geraden Linien -> Startknoten und Endknoten reichen zur Beschreibung der Rohrgeometrie aus Gekrümmte Rohre sind mit dem diesem Modell nicht möglich. Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung

Beschreibung der Attribute Rohr_parameter Rohr_typ_select Rohr nr 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 Rohr_Parameter INTEGER Durchmesser k pn REAL REAL REAL Zusätzliche Rohrparameter Anforderungen: Nutzung individueller Rohrtypen Parameter: Individuelle Rohrtypen -> Durchmesser, k (Rauhigkeit) pn (Nenndruck) Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung

Modellierung weiterer Elemente (ABS) Knoten 1 1 Input_Knoten Output_Knoten Inner_Knoten 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 Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung

Modellierung weiterer Elemente und Attribute (ABS) Knoten name STRING Wasser_input REAL Druck Input_Knoten REAL 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) Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung

Modellierung weiterer Elemente und Attribute (ABS) Knoten name STRING Verbrauch Output_Knoten REAL erforderlicher_druck REAL Wasserverbrauch für das Wasserversorgungssystem Anforderungen:: Menschenlesbarer Name der Wasserquelle, erbt Definition von Knoten (Position, nr) Durchschnitt Wasserverbrauch (Verbrauch) erforderlicher (min.) Wasserdruck Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung

Modellierung weiterer Elemente und Attribute (ABS) Knoten Inner_Knoten Wasserverbrauch für das Wasserversorgungssystem Anforderungen: erbt Definition von Knoten (Position, nr) -> keine zusätzlichen Attribute Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung

Erweiterung für Lebenszyklusmanagement Erforderliche Erweiterung für Dimensionierung und Lebenszyklus-Management 1. Dimensionierung für unterschiedliche Wasserentnahmen (z.B. bei Brandlösuchung) -> Dimensionierung für unterschiedliche Lastfälle 2. Dokumentation des Wasserflusses im Zeitverlauf (Alterung des Rohrsystems) -> Änderung der Rohrparameter / Durchfluß (Menge, Geschwindigkeit) 3. Monitoring des Wasserflusses -> Hinzufügen eines Fließsensors Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung

Erweiterungen für Monitoring Erweiterung an Knoten nr INTEGER Knoten Druck REAL Position Zeit REAL Knoten_Sensor 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) Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung

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

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

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