Bauinformatik Vertiefte Grundlagen Systemtheorie

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1 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 Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung

2 Allgemeiner Prozess einer ingenieurmäßigen Systembetrachtung
Systembetrachtung Grobe Definition von Zweck, Funktion, Prozessen und Verhalten Formale Repräsentation des Systems (IDEF0) auf hoher Ebene 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 Implementierung des Schemas in einer Software Umsetzen in ein vereinfachtes E-R-Modell Implementieren in MS ACCESS 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) Kommunikation M2M Maschine mit Maschine, M2H Maschine mit Mensch Monitoring, Evaluation und Bericht

3 Modell 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 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

5 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

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 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)

8 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) Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung

9 Objektorientierte Datenmodellierung
Anpassung der Konzepte des objektorientierten Paradigmas für die Datenmodellierung Grundkonzepte zur Defonition von Datenstrukturen Objekte Beziehungen Attribute Vergleichbar mit dem Entity-Relationship Modell Fortgeschrittene Konzepte Klassifikation Vererubung (Wiederverwendung und Re-definition von Attributen) Auswahltypen (select types) Enumerationen Aggregationen (Array, Liste, Menge) Unterstützt durch das erweiterete Entity-Relationship-Modell (z.B. der EXPRESS Sprache) Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung

10 Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung
Objektorientierte Datenmodellierung 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.) Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung

11 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

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

13 Modellierung Anforderung:
Beschreibung aller Informationen eines Wasserversorgungssystems, die notwendig sind für - Dimensionierung, - Monitoring and - Lebenszyklus-Management Wasserversorungssystem auf technischen (organisatorischen) Ebene 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

14 Modellierung Anforderung:
Beschreibung aller Informationen eines Wasserversorgungssystems, die notwendig sind für - Dimensionierung, - Monitoring and - Lebenszyklus-Management Wasserversorungssystem mit Wasserfluss für einen spezifischen Anwendungsfall (Instantiierung) 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

15 Grundlage der Modellierung sind Konzepte
Das, bzw. die Konzepte beschreiben die Grundelemente des Systems Konzept A Entität 1 Konzept C Beziehung Konzept B 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

16 Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung
Modellierung Erste Schritte der 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

17 Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung
Modellierung Erste Schritte der 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

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

19 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 Bedeutung: Knoten Position Anforderungen: D, 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) Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung

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

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

22 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 Bedeutung: Zusätzliche Rohrparameter Anforderungen: Nutzung individueller Rohrtypen Parameter: Individuelle Rohrtypen -> Durchmesser, k (Rauhigkeit) pn (Nenndruck) Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung

23 Modellierung weiterer Elemente
(ABS) Knoten 1 1 Eingang_Knoten Ausgang_Knoten Innen_Knoten 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 Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung

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

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

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

27 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 Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung

28 Erweiterungen für Monitoring
Erweiterung am 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

29 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, Zeit) Position des Rohrsensors (implizit durch Relation zum Rohr) Identifikation der Messung mit eindeutiger Nummer (nr) Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung

30 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

31 Wasserversorgungssystem als komplettes Modell
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