TU Dresden - Institut für Bauinformatik Folie-Nr.: 1 Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung Bauinformatik II Softwareanwendungen 1 5. Semester

TU Dresden - Institut für Bauinformatik

Folie-Nr.: 1Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9.

Vorlesung

Bauinformatik IISoftwareanwendungen 1

5. Semester9. Vorlesung

Entwicklung des Datenschemas eines Informationssystemes

Prof. Dr.-Ing. R. J. Scherer

Nürnberger Str. 31a2. OG, Raum 204


Relationale Datenbankenfür Bauingenieurprobleme



Vorlesung

Allgemeiner Prozess einer ingenieurmäßigen Systembetrachtung

1. Systembetrachtung Grobe Definition von Zweck, Funktion, Prozessen und Verhalten Formale Repräsentation des Systems (IDEF0) auf hoher Ebene

2. 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

3. Implementierung des Schemas in einer Datenbanksoftware; heute zweckmäßig als Relationale Datenstruktur

4. Instanziierung eines Ingenieurmodells= Konfiguration des domänenspezifischen Ingenieurmodells aus dem Datenmodell

5. Numerisches Programm zur Berechnung des Systemverhaltens= Simulation= Prognosebasierend auf einem Modell + Modellannahmen + quantitativen Werten (Statistik) (= {O-O + Impl} + {Instanziierung} )

6. 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

7. Monitoring, Evaluation und Bericht



Vorlesung

FormalisierungAnwendungsbereiche 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)



Vorlesung

Konzeptuelle Datenmodellierung für das Wasserversorgungssystem

Basis für den Aufbau des Datenmodells:

FUNKTIONInput?

Output?

Anforderungsanalyse des Wasserversorgungssystems

Beantwortung der Frage:Welche Art von Daten/Information soll gespeichert werden?

Steuerung?

Mechanismus?



Vorlesung

Wasserversorungssystem(verteile Wasser)

ModellierungAnforderung:

Beschreibung aller Informationen eines Wasserversorgungssystems, die notwendig sind für

- Dimensionierung,- Monitoring and - Lebenszyklus-Management

Wasserversorgungssystem auf einer funktionaler Ebene

Wasser input

Wasser output



Vorlesung

ModellierungAnforderung:

Wasserversorungssystem auf Knotenebene

Knoten

Knoten

Knoten

Knoten

KnotenKnoten

Wasserversorgungssystem zerlegt in eine Menge von Subsystemen, verbunden

durch Rohreverbindet Leitungen und erlaubt Wasser

Input/Output





Vorlesung

Modellierung

Qi-n1

Qd1, vd1, pd1Qd2, vd2, pd2

Qd3, vd3, pd3Qd4, vd4, pd4

Qd5, vd5, pd5

Qo-n4

Qo-n6

„Geometrie“ des Rohrsystems

erforderlich zur Ermittlung der

Rohrlängen

ld1

input

output

output

Anforderung:



Wasserversorungssystem mit Wasserfluß für einen spezifischen Anwendungsfall



Vorlesung

Grundlage der Modellierung sind KonzepteDas, bzw. Die Konzepte beschreiben die Grundelemente des Systems

Knoten RohrStart, Ende

KonzeptEntität 1

KonzeptEntität 2

KonzeptBeziehung

Knoten

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.



Vorlesung

Modellierung

nr

1

2

..


Konzept KonzeptBeziehung

integer

nr

Attribute

integer

nr

nr Start Ende

1 1 2

...

Beispiel:

Knoten 1

Knoten 2

Rohr 1

Topologie: Tabelle Knoten Tabelle Rohr

Erste Skizze zur Modellierung: beschreibe die Topologie des Wasserversorgungssystems

Identifikation der Elemente zur Beschreibung der Topologie



Vorlesung

ModellierungErste Skizze zur Modellierung: Hinzufügen der Geometrie

nr x y z

1 0.5 0.5 2.5

2 1 1.5 1.5

..


Konzept KonzeptBeziehung

integer real

nr x, y, z

Attribute

integer

nr

nr Start Ende

1 1 2

...

Beispiel:

x

y

1

2Topologie + Geometrie :

Tabelle Knoten Tabelle Rohr



Vorlesung

Einführen der Modellierungssprache EXPRESS-G EXPRESS-G ist die grafische Notation der Sprache EXPRESS (ISO 10303-11)

Knoten Rohr

nr

REAL

INTEGER

REAL

REAL

x

y

z

Start_Knoten

End_Knoten

nr

INTEGER



Vorlesung

Für ein Datenmodell müssen alle Attribute definiert und dokumentiert werden.

RohrStart_Knoten

End_Knoten

nr

INTEGER

Knoten PositionAnforderungen: 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)

Beschreibung der Attribute

nr

INTEGER

Knoten

REAL

REAL

REAL

x

y

z



Vorlesung

Start_Knoten

End_KnotenKnoten

REAL

REAL

REAL

x

y

z

Rohr

Identifikation von Knoten und RohrenAnforderungen: 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

nr

INTEGER

nr

INTEGER




Vorlesung

nr

INTEGER

nr

INTEGER

REAL

REAL

REAL

x

y

z

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.

Start_Knoten

End_KnotenKnoten Rohr




Vorlesung

Rohr

REAL

Durchmesser

nr

INTEGER

Zusätzliche Rohrparameter Anforderungen: Nutzung individueller Rohrtypen

Parameter: Individuelle Rohrtypen -> Durchmesser, k (Rauhigkeit)pn (Nenndruck)

Rohr_typ_select Rohr_parameter

Rohr_Parameter

REAL

k

REAL

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




Vorlesung

Spezialisierung (vollständige) von KnotenAnforderung: 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

Input_Knoten Output_Knoten Inner_Knoten

1

Modellierung weiterer Elemente

1



Vorlesung

Druck

Wasserquelle für das WasserversorungssystemAnforderungen: 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

Input_Knoten

REAL

STRING

REAL

Wasser_input

name

Modellierung weiterer Elemente und Attribute



Vorlesung

Wasserverbrauch für das WasserversorgungssystemAnforderungen:: Menschenlesbarer Name der Wasserquelle,

erbt Definition von Knoten (Position, nr)Durchschnitt Wasserverbrauch (Verbrauch)

erforderlicher (min.) Wasserdruck

(ABS) Knoten

Output_Knoten REAL

STRING

Verbrauch

name

REAL erforderlicher_druck




Vorlesung

Wasserverbrauch für das WasserversorgungssystemAnforderungen: erbt Definition von Knoten (Position, nr)

-> keine zusätzlichen Attribute

(ABS) Knoten

Inner_Knoten




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



Vorlesung

Erweiterungen für Monitoring

Erweiterung an Knoten

Definition eines KnotensensorsAnforderungen: 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

nrINTEGER

REAL

Druck

Zeit



Vorlesung


Erweiterung am Rohr

Definition von RohrsensorenAnforderungen: Fließgeschwindigkeit und Zeit der Messung (Geschwindigkeit)

Position des Rohrsensors (implizit durch Relation zum Rohr)

Identifikation der Messung mit eindeutiger Nummer (nr)

Rohr

Rohr_Sensor

REAL Position

nrINTEGER

REAL

Geschwindigkeit

Zeit



Vorlesung


Erweiterung des Systems:

Definition von FlüssigkeitenAnforderungen: Name,

Viskosität,

Dichte

STRING

Fluid

REAL

name

REAL Viskosität

Dichte



Vorlesung

Wasserversorgungssystem als komplettes Modell

(ABS)Knoten RohrStart_Knoten

Start_Knoten

REALx_coord

REAL

REAL

y_coord

z_coord

INTEGER nr

Input_Knoten Output_Knoten

ZEICHENFOLGEname

STRING

REAL

wasser_input

REAL

REAL

verbrauch

INTEGERnr

rohr_typ_select

rohr_parameter

Rohr_Typ

ZEICHENFOLGE

name

STRING Rohr_Parameter

(OPT) parameter

REAL

durchmesser

REAL REAL

PN

k

ZEICHENFOLGESTRING

nr

Knoten_Sensor

position

nr INTEGER

REAL

REAL

druck

zeit

Rohr_Sensor

nr INTEGER

REAL

REAL

geschwindigkeit

zeit

position

1

Inner_Knoten

1druck

Flüssigkeit

Q

REAL

REAL

REALviskosität

flüssigkeits_parameter

dichte

ZEICHENFOLGEname

STRING

REAL

erforderl_druck

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