Kein Folientitel

Bauinformatik II
Softwareanwendungen 1
Relationale Datenbanken
für Bauingenieurprobleme
5. Semester
9. Vorlesung
Entwicklung des Datenschemas
eines Informationssystemes
Prof. Dr.-Ing.
R. J. Scherer
TU Dresden - Institut für Bauinformatik
Nürnberger Str. 31a
2. OG, Raum 204
Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung
Folie-Nr.: 1
Allgemeiner Prozess einer ingenieurmäßigen Systembetrachtung
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
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
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Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung
Folie-Nr.: 2
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)
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Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung
Folie-Nr.: 3
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
?
Input
?
FUNKTION
Output
?
Mechanismus
?
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Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung
Folie-Nr.: 4
Modellierung
Anforderung:
Beschreibung aller Informationen eines Wasserversorgungssystems, die
notwendig sind für
- Dimensionierung,
- Monitoring and
- Lebenszyklus-Management
Wasserversorgungssystem auf einer funktionaler Ebene
Wasser
input
Wasserversorungssystem
(verteile Wasser)
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Wasser
output
Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung
Folie-Nr.: 5
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
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Knoten
verbindet Leitungen
und erlaubt Wasser
Input/Output
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Folie-Nr.: 6
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
Qd1, vd1, pd1
Qd2, vd2, pd2
ld1
„Geometrie“ des
Rohrsystems
erforderlich zur
Ermittlung der
Rohrlängen
Qo-n6
output
Qd5, vd5, pd5
Qd3, vd3, pd3
Qo-n4
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Qd4, vd4, pd4
output
Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung
Folie-Nr.: 7
Grundlage der Modellierung sind Konzepte
Das, bzw. Die Konzepte beschreiben die Grundelemente des Systems
Konzept
Entität 1
Konzept
Beziehung
Start, Ende
Knoten
Konzept
Entität 2
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.
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Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung
Folie-Nr.: 8
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:
Tabelle Knoten
Topologie:
Knoten 2
Tabelle Rohr
nr
nr
Rohr 1
1
2
Knoten 1
1
Start
1
Ende
2
...
..
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Folie-Nr.: 9
Modellierung
Erste Skizze zur Modellierung: Hinzufügen der Geometrie
Konzept
Beziehung
Konzept
Start, Ende
Knoten
Rohr
Attribute
nr
x, y, z
integer
Beispiel:
nr
real
Tabelle Knoten
nr
x
y
z
1
0.5
0.5
2.5
2
1
1.5
1.5
integer
Topologie + Geometrie :
2
y
Tabelle Rohr
nr
1
1
..
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Start
1
Ende
2
...
x
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Folie-Nr.: 10
Einführen der Modellierungssprache EXPRESS-G
EXPRESS-G ist die grafische Notation der Sprache EXPRESS (ISO 10303-11)
REAL
REAL
REAL
x
Knoten
y
Start_Knoten
Rohr
End_Knoten
z
nr
INTEGER
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nr
INTEGER
Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung
Folie-Nr.: 11
Beschreibung der Attribute
Für ein Datenmodell müssen alle Attribute definiert und dokumentiert werden.
REAL
REAL
REAL
x
Knoten
y
Start_Knoten
Rohr
End_Knoten
z
nr
INTEGER
nr
INTEGER
Knoten Position
Anforderungen:
Maßeinheit für x, y and z:
3D, Nutzung eines kartesischen Koordinatensystems
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)
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Folie-Nr.: 12
Beschreibung der Attribute
REAL
REAL
REAL
x
Knoten
y
Start_Knoten
Rohr
End_Knoten
z
nr
INTEGER
nr
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
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Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung
Folie-Nr.: 13
Beschreibung der Attribute
REAL
REAL
REAL
x
Knoten
y
Start_Knoten
Rohr
End_Knoten
z
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.
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Folie-Nr.: 14
Beschreibung der Attribute
Rohr_typ_select
Rohr_parameter
Rohr
nr
Rohr_Typ
(OPT) Parameter
Rohr_Parameter
INTEGER
name
STRING
Durchmesser
REAL
k
REAL
pn
REAL
Zusätzliche Rohrparameter
Anforderungen: Nutzung individueller Rohrtypen als auch Standard-Rohrtypen
Parameter:
Individuelle Rohrtypen -> Durchmesser, k (Rauhigkeit)
pn (Nenndruck)
Standard Rohrtypen -> name (Nutzung einer zusätzl. Bibliothek für
Parameter oder Nutzung der optionalen
Beziehung zu Rohr_Parameter)
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Folie-Nr.: 15
Modellierung weiterer Elemente
(ABS) Knoten
1
Input_Knoten
1
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
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Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung
Folie-Nr.: 16
Modellierung weiterer Elemente und Attribute
(ABS) Knoten
name
Wasser_input
Input_Knoten
Druck
STRING
REAL
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)
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Folie-Nr.: 17
Modellierung weiterer Elemente und Attribute
(ABS) Knoten
Output_Knoten
name
STRING
Verbrauch
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
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Folie-Nr.: 18
Modellierung weiterer Elemente und Attribute
(ABS) Knoten
Inner_Knoten
Wasserverbrauch für das Wasserversorgungssystem
Anforderungen: erbt Definition von Knoten (Position, nr)
-> keine zusätzlichen Attribute
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Folie-Nr.: 19
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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Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung
Folie-Nr.: 20
Erweiterungen für Monitoring
Erweiterung an Knoten
nr
INTEGER
REAL
REAL
Knoten
Druck
Position
Zeit
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)
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Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung
Folie-Nr.: 21
Erweiterungen für Monitoring
Erweiterung am Rohr
INTEGER
REAL
REAL
nr
Rohr
Geschwindigkeit
Position
Zeit
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)
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Bauinformatik II, Softwareanwendungen 1; 9. Vorlesung
Folie-Nr.: 22
Erweiterungen für Monitoring
name
Erweiterung des Systems:
Viskosität
STRING
REAL
Dichte
REAL
Fluid
Definition von Flüssigkeiten
Anforderungen: Name,
Viskosität,
Dichte
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Folie-Nr.: 23
Wasserversorgungssystem als komplettes Modell
nr
INTEGER
druck
REAL
REAL
nr
name
INTEGER
ZEICHENFOLGE
STRING
viskosität
geschwindigkeit
REAL
REAL
dichte
zeit
REAL
zeit
Knoten_Sensor
INTEGER
Rohr_Sensor
REAL
nr
Flüssigkeit
position
name
flüssigkeits_parameter position
ZEICHENFOLGE
STRING
x_coord
REAL
y_coord
Start_Knoten
(ABS)Knoten
nr
Rohr
INTEGER
Start_Knoten
REAL
rohr_parameter
Q
z_coord
REAL
rohr_typ_select
REAL
druck
REAL
Input_Knoten
1
Output_Knoten
Inner_Knoten
(OPT) parameter
Rohr_Typ
name
verbrauch
erforderl_druck
wasser_input
REAL
STRING
ZEICHENFOLGE
REAL
REAL
Rohr_Parameter
durchmesser
PN
k
REAL
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REAL
REAL
nr
STRING
ZEICHENFOLGE
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Folie-Nr.: 24