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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
TU Dresden - Institut für Bauinformatik
Relationale Datenbankenfür Bauingenieurprobleme
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Folie-Nr.: 2Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9.
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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
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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)
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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?
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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
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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
Beschreibung aller Informationen eines Wasserversorgungssystems, die notwendig sind für
- Dimensionierung,- Monitoring and - Lebenszyklus-Management
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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:
Beschreibung aller Informationen eines Wasserversorgungssystems, die notwendig sind für
- Dimensionierung,- Monitoring and - Lebenszyklus-Management
Wasserversorungssystem mit Wasserfluß für einen spezifischen Anwendungsfall
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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.
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Modellierung
nr
1
2
..
Knoten RohrStart, Ende
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
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ModellierungErste Skizze zur Modellierung: Hinzufügen der Geometrie
nr x y z
1 0.5 0.5 2.5
2 1 1.5 1.5
..
Knoten RohrStart, Ende
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
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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
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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
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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
Beschreibung der Attribute
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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
Beschreibung der Attribute
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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
Beschreibung der Attribute
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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
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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
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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
Modellierung weiterer Elemente und Attribute
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Folie-Nr.: 19Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9.
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Wasserverbrauch für das WasserversorgungssystemAnforderungen: erbt Definition von Knoten (Position, nr)
-> keine zusätzlichen Attribute
(ABS) Knoten
Inner_Knoten
Modellierung weiterer Elemente und Attribute
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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
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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
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Erweiterungen für Monitoring
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
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Folie-Nr.: 23Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9.
Vorlesung
Erweiterungen für Monitoring
Erweiterung des Systems:
Definition von FlüssigkeitenAnforderungen: Name,
Viskosität,
Dichte
STRING
Fluid
REAL
name
REAL Viskosität
Dichte
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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