- 1 - GKSPro - EINE MODULARE DATEN

GKSPro - EINE MODULARE DATEN- UND AUSWERTUNGSPLATTFORM FÜR
KOMPLEXE MESSPROJEKTE
Dr.-Ing. Thomas Stolp
GID Gesellschaft für Informatikdienste mbH
Waldstraße 231
15732 Eichwalde
Dipl.-Phys. Steffen Pönitz
GGB Gesellschaft für Geomechanik und Baumesstechnik mbH
Leipziger Straße 14
04579 Espenhain
Aufgaben der Bauwerksüberwachung erfordern neben leistungsfähigen Auswertungs- und Visualisierungstechnologien zunehmend Werkzeuge zur Systematisierung der anfallenden Daten und anderer Informationen. Seit 1995 entwickelt die GGB
mbH gemeinsam mit Partnern aus dem IT-Bereich Software für die Datenverwaltung
und Auswertung im Rahmen komplexer Messprojekte. Ergebnis dieser Entwicklung
ist das System GksPro, das in diesem Beitrag vorgestellt wird.
1 Motivation und Entwicklung
Ausgangpunkt der Entwicklung von GKSPro war eine Bestandsaufnahme typischer
Eigenschaften und Anforderungen komplexer Messprojekte aus unterschiedlichen
Fachbereichen, die u.a. folgende Schwerpunkte und Schlußfolgerungen ergab:
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Messdaten resultieren aus unterschiedlichen Verfahren und Systemen
Messdaten liegen in unterschiedlichen Formaten vor
Messdaten gelangen über verschiedene Schnittstellen in den
Auswertungsprozess
Messdaten können in unterschiedlicher Qualität und mit Qualitätsattributen
versehen vorliegen
Messdaten liegen in unterschiedlichen zeitlichen Auflösungen vor
Messdaten werden ergänzt durch dokumentierende und beschreibende
Informationen (z.B. zu den Messeinrichtungen)
Die Vielfalt der Verfahren, Systeme, Schnittstellen und Formate sollte nicht auf
das fachbezogene Auswertungsgeschehen durchschlagen
Messdaten müssen – unabhängig von ihrer Herkunft und ihren Eigenschaften
im o.g. Sinne – zueinander in Beziehung gesetzt, gemeinsam visualisiert und
miteinander verrechnet werden können
Einheitliche Verfahren sollten auch im Bereich des Benutzerzugangs zu den
Daten sowie bei sämtlichen Prozessen der Datendokumentation, -sicherung
und –archivierung eingesetzt werden
diese Eigenschaften und Anforderungen sind weitgehend unabhängig vom
Überwachungsobjekt/ -typ.
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1995 begann die GGB Gesellschaft für Geomechanik und Baumesstechnik mbH
gemeinsam mit Partnern aus dem IT-Bereich mit der Konzeption und Entwicklung
des Geotechnischen KommunikationsSystems GKSPro. Seitdem wurde das System
in zahlreichen Projekten der geotechnischen und Bauwerksüberwachung –u.a. bei
Talsperren- erfolgreich eingesetzt.
GKSPro verwaltet Daten aus verschiedenen Quellen (automatische Messanlagen
verschiedener Hersteller, Handmesssysteme, dokumentierende Daten zu Bauwerken
und Messsystemen) nach einem einheitlichen Schema in einer Datenbank.
Dateiorientierte Datenbestände (z.B. EXCEL, ASCII) sowie Daten aus anderen
Datenbanken (z.B. ORACLE) können referenziert oder integriert werden. Neben
Berechnungs-, Analyse-, Visualisierungs-, Berichts- sowie Im- und Exportfunktionen
stehen interne Programmierschnittstellen für projektspezifische Erweiterungen zur
Verfügung. Projektgebundene Datenstrukturen, Berechnungsverfahren,
Strukturelemente und Benutzeroberflächen (z.B. CAD-Pläne, Fotos) können
eingebunden werden. Auf dieser Grundlage entstehen offene vorhabenspezifische
Auswertungs- und Dokumentationsplattformen.
Eine Übersicht über die Leistungsmerkmale von GKSPro ist im Anhang enthalten.
Anwender
Automatische
Messanlagen
Handmesssysteme
Graf. Formate
(WMF,EMF, ..)
GksPro
Excel, Word
Textformate
(ASCII, ..)
-
Datenbanken
(SQL)
Excel, Word
Erfassung
Systematische
Speicherung
Auswertung
Visualisierung
Dokumentation
Archivierung
Textformate
(ASCII, ..)
Datenbanken
von Messdaten und
assoziierten Informationen
…
…
Datenbank
Standardschnittstelle
Schrittweise Erweiterung um neue Formate, Geräte, Hersteller, ..
Abbildung 1: GKSPro - Schnittstellen und Funktionen (Überblick)
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2 GKSPro – Einsatzgebiete und Projekte
GKSPro wird für Aufgaben der geotechnischen und Bauwerksüberwachung in folgenden Bereichen eingesetzt:
!
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Wasserbau, z.B.
o Projekte der Landestalsperrenverwaltung des Freistaates Sachsen
o Projekte der Thüringer Fernwasserversorgung
Verkehrswegebau, z.B.
o BAB A38, Südumfahrung Leipzig
o ICE-Neubaustrecke Erfurt-Halle/Leipzig, mehrere Bauabschnitte
o Wasserstraßenkreuz Magdeburg, Setzungsmessungen Kanalbrücke
o BAB A71, mehrere Bauabschnitte
Deponiebau, z.B.
o Zentraldeponie Cröbern
o Deponie Hannover-Lahe
Tunnelbau
o GKSPro ist Bestandteil der Konzeption zur zentralen Messdatenverwaltung für den Citytunnel Leipzig
Sonstiges
o DASA-Erweiterung Finkenwerder
o Spezialmodule, z.B. Auswertung von Drucksondierungen.
Die Flexibilität von GKSPro basiert auf seiner modularen Struktur. Während wichtige,
immer wiederkehrende Funktionalitäten im Basissystem zusammengefasst sind,
werden objekttyp- und projektspezifische Funktionen in Modulen bereitgestellt
(Abbildung 2).
Benutzermodule
Projektmodule
Module
Verkehrswege
Basissystem
GKSPro-Basis
Talsperren,
Dämme
Tunnel
….
Datenbank
Abbildung 2: GKSPro – modulare Struktur
3 GKSPro im Wasserbau: Beispielhafte Projekthierarchie
Anhand von Beispielprojekten soll gezeigt werden, welche Möglichkeiten der Messdatenerfassung und –verwaltung sowie der Dokumentation in einer frei definierbaren
Hierarchie, die den üblichen Baumstrukturen entspricht, bestehen.
Die GKSPro-Arbeitsfläche ist zweigeteilt. Im linken Bereich ist die Gesamtstruktur
aller in der Datenbank enthaltener Daten und Dokumente dargestellt. Der rechte Be-3-
reich enthält die Auflistung von vordefinierten Auswertungen (Diagramme, Exportdateien) und kann für die grafische Darstellung von Messwerten genutzt werden.
Projekt-Knoten
Gliederungsknoten
Berechnete Messstelle
Verknüpfte Messstelle
(Excel)
Auswertungen
Fotodokumentation
Mobile Lotvermessung
Bestandsdokumentation
(z.B. Auto-CAD)
Protokolle (z.B. MS Word)
Glötzl-Datenbank
Fremd-Datenbank
Abbildung 3: Projekthierarchie einer Datenbank
Durch die Unterteilung in Gliederungsknoten (ohne Daten) und Objektknoten (Messdaten, berechnete Daten, Dokumente oder andere digital verfügbare Informationen)
kann der Anwender eine übersichtliche Projektstruktur erzeugen. Die visuelle Unterscheidung der Knotentypen wird durch die Verwendung von Miniaturbildern unterstützt. Damit wird einerseits der Knotentyp verdeutlicht, andererseits wird auch auf
die Quelle der enthaltenen Daten verwiesen. Der Anwender kann jederzeit neue
Gliederungs- oder Messstellenknoten erzeugen, sofern er im Datenbanksystem entsprechende Rechte erhalten hat.
Der wesentliche Vorteil von GKSPro ist die integrative Zusammenführung verschiedenster Daten eines Bauwerkes unter einer Bedienoberfläche. Dem Anwender stehen in konzentrierter Form Informationen zur Verfügung, die eine Bewertung aktueller Bauwerkszustände in kürzester Zeit ermöglichen, ohne Informationen aus mehreren Quellen sammeln zu müssen. Messwerte und Berechnungen sind flexibel darstellbar (Diagramme, Multidiagramme, Tabellen, etc.). Es sind die aus Tabellenkalkulationsprogrammen bekannten Funktionalitäten verfügbar. Analysetools für statistische Betrachtungen sind integriert.
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Zusätzlich zum Arbeiten im Verzeichnisbaum kann optional mit einfachen Mitteln
eine grafische Benutzeroberfläche für das Projekt erzeugt werden (Abbildung 5).
Messstellen werden hierbei z.B. gemäß ihrer Einbaukoordinaten in einer CAD-Zeichnung angeordnet.
Abbildung 4: Multidiagramm
Interaktive Messstelle
Abbildung 5: Grafische Benutzeroberfläche
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Die Messstellensymbole in grafischen Benutzeroberflächen sind interaktiv, d.h.
Messdaten oder andere gespeicherte Informationen können per Mausklick abgerufen
oder einer Auswertung zugeführt werden.
Zu jeder Messstelle können beschreibende Informationen (z.B. Stammdaten, Daten
aus der Bauphase, Koordinaten, Kabelverläufe, Sensorparameter, andere Kenngrößen) gespeichert werden. Hierbei kann über die Eintragung der Gültigkeitsdauer
eine dauerhafte Archivierung von Daten z.B. bei einem Sensortausch erfolgen. Für
die Berechnung von Meßwerten werden weiterhin die Parameter in ihrer jeweiligen
Gültigkeitsdauer angewandt.
Abbildung 6: Kenngrößen und Parameter einer Messstelle
GKSPro bietet flexible Berechnungsmöglichkeiten an. Hierbei sind insbesondere
Kompensation (z.B. Luftdruck, Temperatur), Fehlerbetrachtungen, die Verrechnung
von Wertsprüngen und Bezugswerten sowie die Umrechnung in physikalisch richtige
Größen anhand von Kalibrierdaten zu nennen.
Abbildung 7: Parameter einer berechneten Messstelle
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4 Integration in bestehende Daten- und Auswertungsumgebungen
Beim Einsatz von GKSPro ist in der Regel von bestehenden Daten- und Auswertungsszenarien auszugehen.
Oft sind die etablierten Vorgehensweisen gekennzeichnet durch ein hohes Niveau
der Auswertung und Dokumentation einerseits (etwa auf der Basis fachspezifischer
Spezialprogramme oder von Microsoft Excel) und eine geringe Ausprägung der Datensystematik andererseits. Letzteres hat zur Folge, dass neben dem Aufwand für
die erforderlichen Datentransformationen (zwischen verschiedenen Systemen, Formaten etc.) auch Aufwand für die organisatorische Sicherstellung der Datenintegrität
entsteht, ohne diese letztlich vollständig gewährleisten zu können.
Bei der Integration von GKSPro in bestehende Umgebungen sind demzufolge zwei
wichtige Aufgaben zu lösen:
1. Zusammenführung der Daten
Wie bereits in Abbildung 1 dargestellt, besitzt GKSPro auf der Importseite verschiedene Schnittstellen, die die Integration vorhandener datei- und datenbankorientierter
Datenbeständ zulässt. Durch die Nutzung der ADO- bzw. ODBC-Technologie wird
eine hohe Flexibilität erreicht. Voraussetzung ist letztlich nur die Verfügbarkeit von
ADO- oder ODBC-Treibern für den entsprechenden Datei- bzw. Datenbanktyp sowie
die Einhaltung von tabellarischen Strukturen. Das Spektrum reicht von tabellarisch
aufgebauten Textdateien bis hin zu ORACLE- oder MS SQL-Server-Datenbanken.
Für die Integration von Spezialformaten, die sich den Standards entziehen, kann der
Schnittstellenbestand schrittweise erweitert werden.
Zur Integration von Excel-Daten wird eine eigene Technologie angeboten, die mit
den Mitteln der Windows-Zwischenablage arbeitet und den Integrationsprozess besonders komfortabel gestaltet. Durch Kopieren der betreffenden Bereiche eines Excel-Arbeitsblattes in die Zwischenablage und anschließendes Ausführen der Einfügen-Funktion in der GKSPro-Hierarchie entstehen Verweise auf die Excel-Daten und
der aktuelle Datenbestand wird eingelesen. Anschließend kann der Anwender entscheiden, ob der Verweis bestehen bleiben oder die Excel-Datenquelle abgekoppelt
werden soll. Im erstgenannten Fall wird die Excel-Datei regelmäßig auf neue bzw.
veränderte Daten geprüft und die GKSPro-Datenbank entsprechend aktualisiert. Dies
ist insbesondere dann interessant, wenn Excel weiter als Erfassungsoberfläche genutzt werden soll.
Die Wahlmöglichkeit zur Aktualisierung der Daten besteht auch für ADO/ODBC-Datenquellen, d.h. bei Bedarf werden die Datenquellen regelmäßig auf neue bzw. veränderte Daten geprüft und die GKSPro-Datenbank entsprechend aktualisiert.
2. Bereitstellung von Daten zur Weiterverarbeitung in anderen Anwendungen
GKSPro verfügt über umfangreiche Auswertungs-, Visualisierungs- und Dokumentationsmöglichkeiten. Dennoch kann der Bedarf einer Weiternutzung vorhandener
Auswertungsmittel bestehen, insbesondere bei fachspezifischen Spezialprogrammen, aber auch bei bewährten Excel-Szenarien. GKSPro unterstützt dies durch Bereitstellung von entsprechenden Ausgabeformaten.
Die Einbindung einer Excel-Auswertung kann z.B. wie folgt vorgenommen werden:
! Anlegen einer Auswertung von Typ „Extern“ in GKSPro
! Angabe der Excel-Datei, die die Auswertungsfunktionalität bereitstellt
! Spezifikation der Daten, mit denen die Auswertung durchgeführt werden soll
und der Bereiche in der Excel-Datei, in denen die Daten bereitzustellen sind.
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Wird die Auswertung nun in GKSPro aufgerufen, so werden die betreffenden Daten
auf dem jeweils aktuellen Stand in die Excel-Datei übertragen und diese wird geöffnet. Anschließend ist die Excel-Oberfläche aktiv und der Anwender kann wie gewohnt arbeiten. Dabei ist es unerheblich, ob die Daten ursprünglich aus einer ExcelDatei oder einer beliebigen anderen Datenquelle stammen.
Die Schnittstellen für die Zusammenführung von Daten und für die Bereitstellung von
Daten zur Weiterverarbeitung in anderen Anwendungen bilden gemeinsam mit den
internen Auswertungs-, Visualisierungs- und Dokumentationsmöglichkeiten von
GKSPro die Basis für eine schrittweise Datenintegration sowie den Übergang zu einer Vereinheitlichung und Vereinfachung des Auswertungsgeschehens innerhalb
bestehender Umgebungen. Auswertungen über System-, Format- und Projektgrenzen hinweg können zunehmend „auf Knopfdruck“ erstellt werden, da Transformationsschwellen entfallen.
5 Zusammenfassung
GKSPro wird als Daten- und Auswertungsplattform für komplexe Messprojekte der
geotechnischen und Bauwerksüberwachung eingesetzt. Neben Funktionen für die
Erfassung, Speicherung, Auswertung, Visualisierung, Dokumentation und Archivierung von Messdaten und assoziierten Informationen bietet GKSPro die Mittel für einen schrittweisen Übergang von heterogenen Daten- und Auswertungsumgebungen
hin zu integrierten datenbankbasierten Lösungen. Dabei können Messdaten im
Kontext mit dokumentierenden Informationen zum Projekt, zu den Messeinrichtungen
etc. gespeichert und ausgewertet werden.
Die Anwendung in der Praxis hat gezeigt, dass mit zunehmendem Datenvolumen die
vorhandenen System-, Datei-, Format- und Projektgrenzen überschritten werden.
Durch die Einführung des GKSPro bei einer Vielzahl von Nutzern aus verschiedenen
Fachbereichen werden positive Effekte sichtbar, sie sich in einer verbesserten und
beschleunigten Datenauswertung und nicht zuletzt auch in einer Kostenersparnis
zeigen. Dies wirkt sich unmittelbar auf die Effizienz des Auswertungsgeschehens aus
und ermöglicht neue, übergreifende Sichtweisen.
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Anhang: GKSPro – Leistungsmerkmale im Überblick
Im folgenden sind wesentliche Merkmale von GKSPro in Stichpunkten zusammengefasst. In Abhängigkeit von der konkreten Überwachungsaufgabe können die einzelnen Punkte unterschiedlich gewichtet sein:
Übersicht
! Systematische Speicherung von Daten aus verschiedenen Quellen
! Transparente und nachvollziehbare Strukturierung der Datenbestände
! Standardverfahren für die Integration, Berechnung, Auswertung und
Visualisierung von Messdaten und assoziierten Informationen
! Bereitstellung von Messdaten zur Verarbeitung in anderen Anwendungen.
Datenspeicherung
! Relationale Datenbank
! Speicherung aller anfallenden Daten, unabhängig von ihrer Struktur und
fachlichen Zuordnung, in einem einheitlichen logischen Schema
! Schnittstelle zur Erweiterung des Datenmodells um projektspezifische Strukturen
! Integration aller relevanten Informationen über
o die Messaufgabe und ihre Durchführung (z.B. Messrhythmus)
o die eingesetzten Geräte/Sensoren (Hersteller, Fabrikat, Auflösung, Genauigkeit, Seriennummer, Kalibrierdaten etc.); ggf. zeitabhängig, d.h.
bei Wechsel des Gerätes/Sensors fortschreibbar und jeweils den
Messwerten zuordenbar
o die Instrumentierung (einbauspezifische Daten und Berichte, Foto- und
sonstige Bilddokumentation)
o Messwerte und Messwertattribute
o die zeitliche Gültigkeit von Messwerten sowie Verfahren für die
Generierung von Zustandsaussagen zwischen den einzelnen Messzeitpunkten (z.B. für die Verknüpfung von Messwerten verschiedener
Messstellen in Auswertungen, wenn nicht zum gleichen Zeitpunkt gemessen wurde)
o die Zuordnung von Rohdaten und abgeleiteten Daten zu physikalischen
Kategorien und Einheiten
in das Datenmodell
! Rohdatensicherung und Sicherstellung der Nachvollziehbarkeit sämtlicher
Stufen der Datenumwandlung und –Interpretation; bei Bedarf redundanzfreie
Realisierung
! Sicherstellung der physischen Verfügbarkeit und der logischen Transparenz
der Daten über lange Zeiträume
! Mehrbenutzerfähigkeit
! Benutzer- und gruppenspezifische Vergabe von Zugriffsrechten.
Messwertattribute
! Zuordnung von Attributen zu Messwerten (Qualität, Vertrauenswürdigkeit;
wahlweise Berücksichtigung der Messwerte in Auswertungen in Abhängigkeit
von den Attributen)
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!
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Kennzeichnung von Bezugswerten (Nullmessungen); Möglichkeit der Angabe
mehrerer Bezugswerte für eine Messstelle; wahlweise Einbeziehung von
Messwerten in Auswertungen absolut oder relativ zur jeweiligen Nullmessung
Kennzeichnung von Wertsprüngen (Offsets), die durch Veränderungen in der
Messeinrichtung entstehen (z.B. Neuinstrumentierung), und automatisches
Herausrechnen der Wertsprünge bei der Verarbeitung der Messwerte.
Datenstruktur
! Strukturierung sämtlicher Daten auf Basis einer projektbezogenen Hierarchie
! Uneingeschränkte Hierarchietiefe
! Uneingeschränkte Referenzen innerhalb der Hierarchie.
Datenquellen
! Manuelle Dateneingabe
! Lesen von Daten Handmesssystemen und aus automatischen Messanlagen
! Schnittstelle zur Konfiguration des Imports aus Fremdformaten (Excel, Textformate etc.)
! SQL-Schnittstelle zur Integration von Daten aus Fremddatenbanken.
Datenauswertung
! „Berechnete Messstellen“: Definition von Messstellen durch Berechnungsvorschriften, denen andere Messstellen zugrunde liegen; redundanzfreie Ermittlung der Werte zur Laufzeit; Einfache Formulierung von Differenz-, Anstiegsund Nullwertkriterien für Datenreihen; Rechnen mit globalen Konstanten; beliebig tiefe Berechnungshierarchien; Statistik-Funktionen; Analyse von Korrelationen und Durchführung von Kompensationen; Curve Fitting (Polynome u.a.
Funktionstypen); Fourier-Analyse
! Schnittstelle zur Integration projektspezifischer Algorithmen
! Automatische Berücksichtigung des Zeitversatzes (Messzeitpunkte stimmen
nicht überein) bei der Verrechnung mehrerer Messstellen (z.B. Interpolation);
Möglichkeit der Definition von Gültigkeitsgrenzen für Messwerte (In welchem
zeitlichen Abstand von einem Messzeitpunkt kann ein Messwert noch als gültig angesehen -z.B. einer Interpolation zugrundegelegt- werden?)
!
!
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Visualisierung von Messdaten und assoziierten Informationen in Diagrammen
und Tabellen
Diagramme mit Zoomfunktion, Datenpunktinformation, Zuordnung von Attributen zu Datenpunkten, Behandlung/ Kennzeichnung undefinierter Datenpunkte,
Einteilung von Zeitachsen in Perioden (z.B. Jahr, Monat, Tag, …) in mehreren
Ebenen, Ergänzung durch erläuternde Grafiken und Texte, Einfügen von
Grenzwertlinien
Isoliniendarstellungen auf Basis der im System gespeicherten Koordinaten der
Messstellen: für ausgewählte Zeitpunkte, für Veränderungen zwischen ausgewählten Zeitpunkten.
Export von Daten und Auswertungen
! Exportschnittstelle zur Übergabe von Daten und Auswertungsergebnissen an
andere Anwendungen zur weiteren Verarbeitung
! Bereitstellung aufbereiteter Auswertungsdaten (Diagramme, Tabellen) in Standardformaten (WMF/EMF, RTF, Excel) für die Einbindung in externe Dokumente oder sonstige Weiterverarbeitungen
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!
!
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Zusammenführung von Tabellen und Diagrammen in komplexen Berichten auf
der Basis von Microsoft Word für Windows; automatische Berichtsaktualisierung für neue Berichtszeiträume
Integration komplexer Excel-Auswertungsszenarien
Übergabe grafischer Elemente (z.B. Isolinien) an AutoCAD.
Konfigurierbare Bedienoberfläche
! Benutzer- und berechtigungsabhängige Konfiguration der Bedienoberfläche;
benutzer- und berechtigungsabhängige Menüstrukturen
! Wahlweise Einbeziehung projektspezifischer Grafiken (Übersichtspläne,
technische Zeichnungen, Fotos etc.), sowohl im Sinne einer begleitenden Dokumentation, als auch im Sinne aktiver Dialogelemente zur Steuerung des
Systems; Navigation in den Projekt- und Datenstrukturen durch hierarchische
grafische Dialoge.
Sonstiges
! Standardverfahren für die Integration, Berechnung, Auswertung und
Visualisierung von
o Daten aus Inklinometermessungen (horizontal, vertikal)
o Daten aus Messungen mit hydrostatischen Sonden
o Daten aus Schlauchwaagenmessungen
o Daten aus Extensometermessungen
o Daten aus Drucksondierungen (CPT)
o u.a.
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