Modelle Vorlesung 1: Modelle als Basis realer und virtueller Anlagen

Präsentation zum Thema: "Modelle Vorlesung 1: Modelle als Basis realer und virtueller Anlagen"—  Präsentation transkript:

1 Modelle Vorlesung 1: Modelle als Basis realer und virtueller Anlagen
Inhalt Was ist ein Modell ? Beispiel für Modelle komplexer Systeme Was kann man mit Modellen tun ? Simulation technischer Systeme, WS 03/04 Vorlesung 1 Modelle

2 Konsistenz, Konvergenz Analyse und Darstellung
Bildung von Modellen Problem physikalisches Modell mathematisches Modell Analyse des mathe- matischen Modells Existenz und Lösungen numerisches Modell Konsistenz, Konvergenz Entwurf und Implementierung eines Programmes Simulation Daten- Beschaffung Modul Verknüpfung Analyse und Darstellung der Ergebnisse Simulation technischer Systeme, WS 03/04 Vorlesung 1 Modelle

3 Problem: Wärmebedarf eines Wohngebäudes
Lüftungs- verluste Solare Wärmegewinne Ta Ti Interne Wärmegewinne Wärmebedarf Transmissions- verluste Simulation technischer Systeme, WS 03/04 Vorlesung 1 Modelle

4 Physikalisches Modell
Zonenweise stationäre Energiebilanz bei vorgegebener Sollinnentemperatur : Transmissionsverluste : Lüftungsverluste : Interne Wärmegewinne : Solare Wärmegewinne : Ausnutzungsgrad Simulation technischer Systeme, WS 03/04 Vorlesung 1 Modelle

5 Mathematisches Modell
Statisches Verfahren auf monatlicher Basis mit folgenden Gleichungen: Transmissionsverluste: Lüftungsverluste: n Luftwechsel Interne Wärmegewinne: Mittlere interne Wärmegewinne auf der Basis eines durchschnittlichen 2,7-Personenhaushaltes bezogen auf die Wohnraumfläche Solare Wärmegewinne: F bedeuten Abminderungsfaktoren für Verschattung, Sonnenschutz und Rahmenanteil Simulation technischer Systeme, WS 03/04 Vorlesung 1 Modelle

6 Mathematisches Modell
Transmissionsverluste: Lüftungsverluste: Interne Wärmegewinne: Solare Wärmegewinne: Ausnutzungsgrad: Stationäres Punktmodell Simulation technischer Systeme, WS 03/04 Vorlesung 1 Modelle

7 Beispielgebäude EFH - Isometrie
Simulation technischer Systeme, WS 03/04 Vorlesung 1 Modelle

8 Modell des Architekten (Ziel Darstellung und Raumgefühl)
Block A: Schnitt Weitere architektonische Modelle in Vorlesung Simulation technischer Systeme, WS 03/04 Vorlesung 1 Modelle

9 Modell des Ingenieurs (Modell Raum als Bild und attributiert - Ziel Beschreibung von Verhalten)
Attribute Simulation technischer Systeme, WS 03/04 Vorlesung 1 Modelle

10 Beispiel Gebäudemodellierung
Architektonisches Modell Thermisches Modell 1 Thermisches Modell 2 Simulation technischer Systeme, WS 03/04 Vorlesung 1 Modelle

11 Ergebnis 1 Es gibt ganz verschiedene Möglichkeiten Modelle zu gestalten Modelle sind zweckgebunden Simulation technischer Systeme, WS 03/04 Vorlesung 1 Modelle

12 Eigenschaften von Modellen
- beschreiben Ausschnitt der Welt - haben beschränkte Gültigkeit - unterliegen vielen Fehlerquellen Ÿ Modelle sind - nicht wahr, aber brauchbar - nicht verifizierbar, aber validierbar - nicht richtig, aber nützlich Ÿ Modellergebnisse benötigen - Interpretation - Validierung - Daten Simulation technischer Systeme, WS 03/04 Vorlesung 1 Modelle

13 Reale Welt Beschreibbar Weltausschnitte je als dynamisches System
Aktionsfähige Einheiten wirken zur Erreichung gemeinsamer Ziele, dabei werden Güter und Nachrichten (Daten) - bearbeitet, - über Verbindungen getauscht, - in Speichern koordiniert. Einheiten haben Eigenschaften und innere Strukturen (sie sind selber Weltausschnitte mit eigener Hierarchie) und können durch Botschaften (Informationsflüsse) aktiviert werden. Dynamische Systeme erfordern Kontrollflüsse. Simulation technischer Systeme, WS 03/04 Vorlesung 1 Modelle

14 Methoden zur Beschreibung von Weltausschnitten
Funktionale Beschreibung Welt beschrieben durch relevante Funktionen. Funktionen : können strukturiert sein, - laufen kontrolliert ab. Beispiel : Organigramm Datenfluss-Diagramme - strukturierte Analyse Die Welt wird beschrieben durch Datenströme Daten werden : - beschrieben, - transformiert, - gespeichert, - weitergegeben. Beispiel : Bilanz Informationsflüsse Die Welt wird beschrieben durch Informationseinheiten (Entities) mit Attributen, - Relationen, - Strukturen, - Verweisen. Beispiel : Ablaufpläne Objektorientierte Modelle Die Welt wird beschrieben durch Komponenten. Komponenten sind aufgebaut aus Teilkomponenten und Objekten. Objekte beschreiben Dinge und ihr Verhalten über Parameter und Methoden. Komponenten kommunizieren über Botschaften und nehmen fremde Methoden als Dienste in Anspruch Beispiel : Virtuelle Systeme Simulation technischer Systeme, WS 03/04 Vorlesung 1 Modelle

15 Beispiele komplexer Systeme
Modellierung von Anlagen in Gebäuden Ziele: Minimierung des Energieverbrauchs durch Ersatz von Energie durch Intelligenz Kontrolle von Gebäude, Anlage und Anlagenverhalten durch modellbasierte Methoden Beispiel 2 Informationssystem zur kooperativen Verarbeitung von Umweltdaten Ziele: Einbringung von Umweltgesichtspunkten in Entscheidungsprozesse durch integrale Behandlung der Umweltbelange Nutzung verteilten Wissens über verteilte Datenbanken und darauf operierende Agenten zur Erbringung von wissensintensiven Dienstleistungen Simulation technischer Systeme, WS 03/04 Vorlesung 1 Modelle

16 Anlagen in Gebäuden - Datenquellen für das Produktdatenmodell
Nicht alle Daten werden von allen Nutzern des PDM benötigt. Häufig sind die Daten in anwendungsabhängiger Form zusammenzufassen. Für Fachanwender sind die Produktdatenmodelle daher durch Aspektmodelle zu ergänzen. Simulation technischer Systeme, WS 03/04 Vorlesung 1 Modelle

17 Anlagen in Gebäuden Aufgaben, für die Daten aus dem Produktdatenmodell verwendet werden können Simulation technischer Systeme, WS 03/04 Vorlesung 1 Modelle

18 Reale und virtuelle Anlagen -1
Produkt und Produktmodell (PDM + Methoden) Zusammenspiel während des Lebenszyklus Simulation technischer Systeme, WS 03/04 Vorlesung 1 Modelle

19 Reale und virtuelle Anlagen - 2
Wechselspiel von Produkt und Produktmodell am Beispiel der energetischen Optimierung Optimierungen können in allen Phasen des Lebenszyklus eines Gebäudes erfolgen Phase 1: Planung Energetische Optimierung des Gebäudeentwurfes durch dynamische Gebäudesimulation. Optimale Auswahl der technischen Anlagen durch wissensbasierte Systeme . Phase 2: Bau Optimierung der Auslegung und der Arbeitspunkte durch dynamische Anlagensimulation. Phase 3: Betrieb Anpassung der virtuellen Anlage an das tatsächliche Verhalten der realen Anlage. Optimierung des Anlagenbetriebes und der Wartung (Erkennung von fehlerhaften Entwicklungen) durch ständigen Vergleich des Soll-Ist-Verhaltens aus Messungen an der virtuellen und der realen Anlage. Simulation technischer Systeme, WS 03/04 Vorlesung 1 Modelle

20 Ergebnis 2 Modelle werden zunehmend komplexer:
mehr Einflüsse, mehr Nutzungen Bestandteile von Modellen werden zunehmend ähnlicher Messdaten, Beschreibungsdaten, Stammdaten Abschätzung, Auslegung, Betrieb Modelle können über gesamte Lebensdauer eines Systems genutzt werden Datenbestand wächst mit System Aufgaben unterschiedlichen Phasen Konsequenz: Trennung von Beschreibung und Verhalten Simulation technischer Systeme, WS 03/04 Vorlesung 1 Modelle

21 Modelle zur Interpretation von Daten
Modelle verhalten sich im Rahmen ihrer Gültigkeit wie Realität Modelle können Realität ergänzen, wenn Daten lückenhaft sind Daten ungenau sind Daten interpretationsbedürftig sind Daten fehlen Realität kann an Modellen gemessen werden Synoptische Prüfung von Daten Bewertung von Entwurfsalternativen Optimierung von Systemen Aufspüren von Fehlern Schulung im Umgang mit komplexen Systemen Simulation technischer Systeme, WS 03/04 Vorlesung 1 Modelle

22 Grundlagen der Verbesserung von Modellen
Ÿ Rechnerleistung - erlaubt detaillierte physikalische und mathematische Beschreibung als Grundlage der Modelle Ÿ Software Engineering - erlaubt, komplexe Modelle in Programme umzusetzen Ÿ Kommunikationstechnik - erlaubt Bereitstellung aktueller Zustandsdaten für realitätsnahe Simulation Simulation technischer Systeme, WS 03/04 Vorlesung 1 Modelle

23 Nutzen besserer Modelle
Interpolation zwischen Messwerten (Verringerung teuerer Messungen) Korrelation verschiedener Bereiche (Gesamtschau statt Einzeleffekt) Untersuchung von alternativen Lösungen (Variantenkonstruktion) Optimierung des Betriebs unter aktuellen Randbedingungen Untersuchungen in Grenzbereichen (Störfallsimulation) Simulation technischer Systeme, WS 03/04 Vorlesung 1 Modelle

24 Diese Fragen sollten Sie beantworten können
Was ist das Ziel der Vorlesung - Ingenieure haben Techniken entwickelt, um komplexe Anlagen zu entwerfen, zu bauen und zu betreiben. Die Übertragung dieser Techniken ins Software Engineering erlaubt es ähnlich komplexe Anlagen auf dem Rechner zu planen, zu implementieren und zu betreiben Was ist ein Modell - Abstraktion Wie sind technische Modelle strukturiert - horizontal und vertikal Was sind die mathematischen Grundbeziehungen technischer Modelle - Erhaltungsgleichungen in integraler und differenzieller Form Simulation technischer Systeme, WS 03/04 Vorlesung 1 Modelle

25 VDI-Definitionen zur Modellierung durch Simulation -1
VDI-Richtlinie 3633 (Beuther Verlag, Berlin 1996) definiert den Begriff des Systems “Abgegrenzte Anordnung von Komponenten, die miteinander in Beziehung stehen. Es ist gekennzeichnet durch: - Systemgrenze, Systemein- und ausgangsgrößen - Subsysteme, Systemelemente, - Aufbaustruktur - Ablauflogik - Zustandübergänge und -größen“, den Begriff des Modells „Ein Modell ist eine vereinfachte Nachbildung eines existierenden oder gedachten Systems mit seinen Prozessen in einem anderen begrifflichen oder gegenständlichen System. Es unterscheidet sich hinsichtlich der untersuchungs-relevanten Eigenschaften nur innerhalb eines vom Untersuchungsziel abhängigen Toleranzrahmens vom Vorbild“. Es wird genutzt, um eine bestimmte Aufgabe zu lösen, deren Durchführung mittels direkter Operationen am Original nicht möglich oder zu aufwendig wäre. - Gedankliches Modell: Modell, das noch nicht in ein Simulationsmodell umgesetzt wurde. - Experimentierbares Modell oder Simulationsmodell: Reales Modell, das aus dem gedanklichen Modell entstand und mit dem Experimente durchgeführt werden können.“ Simulation technischer Systeme, WS 03/04 Vorlesung 1 Modelle

26 VDI-Definitionen zur Modellierung durch Simulation -2
Den Prozess der Modellierung „Die Modellierung umfasst bei der Simulation das Umsetzen eines existierenden oder gedachten Systems in ein experimentierbares Modell“, und der Begriff der Simulation: „Simulation ist ein Verfahren zur Nachbildung eines Systems mit seinen dynamischen Prozessen in einem experimentierbaren Modell, um zu Erkenntnissen zu gelangen, die auf die Wirklichkeit übertragbar sind. Im weiteren Sinne wird unter Simulation das Vorbereiten, Durchführen und Auswerten gezielter Experimente mit einem Simulationsmodell verstanden. Mit Hilfe der Simulation kann das zeitliche Ablaufverhalten komplexer Systeme untersucht werden“. Auf Basis des Modells vom Verhalten eines Systems können Entwurf und Steuerung von Anlagen geplant werden. Die Steuerung geschieht über die Leittechnik. Die VDI-Richtlinie 3814 definiert als Aufgaben und Zielsetzung beim Einsatz von Gebäudeleittechnikanlagen das Leiten (DIN 19222) von betriebstechnischen Anlagen, d.h. die "Übernahme oder Unterstützung folgender Aufgaben: - Anlagenautomation - Betriebskontrolle - Betriebsführung - Archivierung - Betriebsanalyse - Energiemanagement - Instandhaltungsmanagement." Als wesentlichstes Element wird der Erhalt der Selbständigkeit der betriebstechnischen Anlagen gefordert. Simulation technischer Systeme, WS 03/04 Vorlesung 1 Modelle

27 Literatur zu objektorientierter Analyse und Entwurf
/ 1/ Parnas, D.L.: On the Criteria to be Used in Decomposing Systems into Mdules. Communications of the ACM, Vol. 5, No. 12, , 1972. / 2/ Chen, P.:The Entity-Relationship Model - Toward a Unified View of Data. ACM Transactions on Database Systems, Vol.1, 1976 / 3/ Yourdon, E.: Constantine, L.L.: Structured Design. New York:Yourdon Press, 1975/1979. / 4/ De Marco, T.: Structured Analysis and System Specification. New York: Yourdon Inc., 1978/1979. / 5/ Meyer, B.: Objektorientierte Softwareentwicklung. München/Wien: Hanser; London: Prentice-Hall, 1988/1990. / 6/ Yourdon, E.: Modern Structured Analysis. Englewood Cliffs, Prentice-Hall, 1989. / 7/ Ward, P.T.: Mellor, S.J.: Strukturierte Systemanalyse von Echtzeit-Systemen. München/Wien: Hanser; London: Prentice-Hall, 1991. / 8/ Coad, P.: Yourdon, E.: Object-Oriented Analysis, 2. Edition. Englewood Cliffs, Yourdon Inc./Prentice-Hall, 1991. / 9/ Coad, P.: Yourdon, E.: Object-Oriented Design. Englewood Cliffs, Yourdon Inc./Prentice-Hall, 1991. /10/ Booch, G.: Object-oriented Design with Applications. Redwood City, California: Benjamin/Cummings /12/ Rumbaugh, J., et.al.: Object-Oriented Modeling and Design. Englewood Cliffs, New Jersey: Prentice Hall, 1991. /12/ Nagl, W.D.: Computertechnologie und Managementpraxis: Datenbanken und Objekte. Addison-Wesley, 1992. /13/ Raasch, J.: Systementwicklung mit strukturierten Methoden. München/Wien: Hanser, 2. Auflage, 1992 /14/ Wedeking, H.: Objektorientierte Schema-Entwicklung - Ein kategorierter Ansatz für Datenbanken und Programmierung. Mannheim: B.I.-Reihe Informatik, Bd 85, 1992. Simulation technischer Systeme, WS 03/04 Vorlesung 1 Modelle

28 Literatur zu objektorientierter Analyse und Entwurf
//15/ Yourdon, E.: Die westliche Programmierkunst am Scheideweg. Hanser-Verlag, 1993. /16/ Ebbinghaus, J., Wiest, G.: Status objektorientierter Techniken. Forschungsbericht des Forschungsinstitutes für anwendungsorientierte Wissensverarbeitung. Uni Ulm, Oktober 1994. /17/ Schäfer, S.: Objektorientierte Entwurfsmethoden. Addison Wesley, 1994. /18/ Stein, W.: Objektorientierte Analysemethoden. Vergleich, Bewertung, Auswahl. BI-Wissenschaftsverlag, 1994. /19/ Yourdon, E.: Object Oriented System Design. Englewood Chiffs, New Jersey: Prentice Hall, 1994. /20/ Gamma, E., et.al.: Design Patterns-Elements of Reusable Object-oriented Software. Addison Weseley, (deutsche Ausgabe 1996) /21/ Coad, P., Nicola, J.: Object-Oriented Programming. Yourdon Press, Prentice Hall, Englewood Cliffs, 1993. /22/ Balzert, H.: Methoden der objektorientierten Systemanalyse. Angewandte Informatik Band 14. BI Wissenschaftsverlag, Mannheim, 1995. /23/ Rumbaugh, J., Booch, G.: Unified Method V 0.8 (1995). Metamodell Guide, Notation Summary, Reference ^ Manual und User Guide. Rational Software Corp. (kontinuierliche Fortschreibung) /24/ Booch, G.: Object-oriented Analysis and Design with Applications. Redwood City, California: Benjamin/Cummings /25/ Booch, G., Rumbaugh, J., Jacobsen, I.: The Unified Method Language for Object-Oriented Development, Documentation Set 0.9 Addendum, Rational Software Corporation, Santa Clara, 1996. /26/ Oestereich, B.: Objektorientierte Softwareentwicklung: Analyse und Design mit dem Unified Method (modeling) Language. Oldenburg Verlag, München, Wien, 1998 (4. Auflage UML 1.2) Simulation technischer Systeme, WS 03/04 Vorlesung 1 Modelle

29 Literatur zu objektorientierter Analyse und Entwurf
/27/ Burkhardt, R.: UML - Unified Modeling Language. Objektorientierte Modellierung für die Praxis, Addison-Wesley, August 1997. /28/ Neumann, H.: Objektorientierte Entwicklung mit der Unified Modeling Language, Carl Hanser Verlag, München 1998. /29/ Fowler, M., R. Scott: UML Distilled: A Consise Guide for Applications Developers, Addison-Wesley, 1997 (deutsche Ausgabe bei Longman, Bonn). /30/ Dröschel, W., et al.: Inkrementelle und objektorientierte Vorgehensweise mit dem V-Modell ‘97, Oldenbourg Verlag /31/ Dröschel, W., Heuser, W., Midderhoff, R. (Hrsg.): Incrementelle und objektorientierte Vorgehensweisen mit dem V-Modell 97. Oldenburg Verlag 1998. /32/ Kahlbrandt, Bernd: Software-Engineering. Objektorientierte Software-Entwicklung mit der Unified Modeling Language. Springer-Verlag; Berlin, Heidelberg, New York, ISBN X. /33/ Breymann, Ulrich: Komponenten entwerfen mit der C++ STL. Addison-Wesley, Longman Verlag GmbH, 1999. /34/ Oestereich, B. (Hrsg.): Erfolgreich mit Objektorientierung, Vorgehensmodelle und Managementpraktiken für die objektorientierte Softwareentwicklung. Oldenburg Verlag, München 1999. /35/ Balzert, Helmut: Lehrbuch der Softwaretechnik. Spektrum Akademischer Verlag, 1996. /36/ Booch, G.: Rumbaugh, J., Jacobsen, I.: The UML User‘s Guide. Addison Wesley Pub. Comp., 1998. /37/ Szyperski, C.: Component Software - Beyond Object-Oriented Propramming Adison Wesley Longman, 1998. /38/ Doberkat, E.-E. Das siebte Buch. Objektorientierung mit C++. G.B. Teubner, 2000. Simulation technischer Systeme, WS 03/04 Vorlesung 1 Modelle