WP3-13 Bauinformatik Vertiefte Grundlagen

1. WP3-13 Bauinformatik Vertiefte Grundlagen 2. Vorlesung Repräsentation von Systemen (IDEF0) Prof. Dr.-Ing. R. J. Scherer Nürnberger Str. 31a 2. OG, Raum 204 TU Dresden - Institut für Bauinformatik

2. Repräsentation von Systemen (IDEF0) • Input(1) und Output (2) ist nicht ausreichend für eine zufriedenstellende Repräsentation von Systemen. Es werden zusätzlich gebraucht: •  (3) Steuerung (4) Mechanismus (= Methoden, Akteure) Die Grafische Modellierungssprache IDEF0 • IDEF0 = funktionale Beschreibung des Systems • IDEF0 = Modellierungssprache  assoziierte Regeln und Techniken zur Entwicklung strukturierter grafischer Repräsentationen eines Systems oder einer Firma • IDEF0 = Integration Definition Function Modelling, Level 0 • IDEF0 = basiert auf der (US) Air Force Wright Aeronautical Laboratories Integrated Computer-Aided Manufacturing (ICAM) Architecture

3. Anwendung von IDEF0 • Für neue Systeme kann IDEF0 zur Verbesserung der Entwurfs-arbeit verwendet werden, erstens für die Definition von Anforde-rungen und Spezifikation der Funktionen und dann zum Entwurf einer Implementierung, die die Anforderungen erfüllt und die Funktionen ausführt. • Für bestehende Systeme kann IDEF0 zur Analyse der System-funktionen, des Systemverhaltens und der Mechanismen, die zu ihrer Ausführung führen, verwendet werden.

4. Funktion • Eine Aktivität, Prozess oder Transformation (modelliert durch ein IDEF0 Rechteck) • beschrieben durch ein Verb, das den Inhalt der Aktivität beschreibt. Funktions- Name

5. Input • Reale Objekte oder Daten, die zur Ausführung der Funktion notwendig sind. • Benannt mit einem Substantiv Funktions- Name Input

6. Output • Objekte oder Daten die das Resultat der Funktion nach Transformation des Inputs sind • Benannt mit einem Substantiv Funktions- Name Output

7. Steuerung • Bedingungen, die zur Produktion eines korrekten Outputs erforderlich sind • Benannt mit einem Substantiv Steuerung Funktions- Name

8. Mechanismus • Mechanismus (Person, Gerät, oder Daten) der die Funktion ausführt • Benannt mit einem Substantiv Funktions- Name Mechanismus

9. Steuerung Funktions- Name Input Output Mechanismus Repräsentation von Systemen mit IDEF0 Die beiden Primären Modellkomponenten sind Funktionen und Daten/Objekte, die mit diesen Funktionen in Wechselwirkung stehen Rechtecke repräsentieren Funktionen die angeben was erreicht werden soll. Der Funktionsname ist ein Verb Pfeile repräsentieren Daten oder Objekte, die von der Funktionen benötigt oder durch sie produziert werden. Jeder Pfeil wird durch ein Substantiv benannt.

10. Dekomposition in Sub-Systeme Subsysteme können geschachtelt oder sequenziell sein Top-Level Kontext Diagramm Eltern Diagram Allgemein 0 A0 Elterndiagramme repräsentieren einen höheren Abstraktionsgrad als Kinddiagramme A-0 Dieses Rechteck ist Elter dieses Kinddiagramms 1 Detailliert Kind Diagramm 2 3 4 A4 A0

11. Dekomposition in Sub-Systeme Ein Diagramm enthält maximal 6 und mindestens 3 Funktionen 1 2 3 A43 A4 Diese Nummerierung zeigt, dass die Funktion detailliert wurde 1 2 3 A43

12. Geklammerte Pfeile C1 ( ) O1 ( ) I1 ( ) • Die Klammerung eines Pfeils am Rechteck bedeutet, dass die Daten oder Objekte, die durch diese Pfeile ausgedrückt werden nicht notwendig für das Verständnis nachfolgender Dekompositionsebenen sind und daher nicht im Kinddiagramm enthalten sind. ( ) M1

13. Geklammerte Pfeile ( ) • Die Klammerung am ungebundenen Ende bedeutet, dass die Daten oder Objekte am nächst höheren (Eltern) Dekompositionsgrad nicht notwendig sind und daher nicht mit der Eltern-Funktion verbunden sind. ( ) ( ) ( )

14. Nummerierung von Funktionen • Jede Funktion soll in der rechten unteren Ecke innerhalb des Rechtecks nummeriert werden. • Dieses Nummerierungssystem ist erforderlich, um die eindeutige Identifikation der Funktionen innerhalb des Diagramms sowie Verweise darauf zu ermöglichen. • Sie werden auch zur Referenzierung auf die Funktionen aus textuellen Beschreibungen der Diagramme benutzt. • Die Funktionsnummer für die alleinstehende Funktion auf dem A-0 Kontextdiagramm hat die Nummer 0 (null). • Die Nummern für die Funktionen in allen anderen Diagrammen sollen 1,2,3 bis max. 6 sein. 0

15. Verweis-Nummern • Eine Verweisnummer steht an der rechten unteren Ecke außerhalb des Rechtecks. Sie kennzeichnet die Funktion als Eltern-Funktion und ist gleichzeitig die Diagrammnummer des Kind-Diagramms. • Die Verweisnummer wird angeführt von der Diagrammnummer des Elterndia-gramms gefolgt von der Nummer der Elternfunktion, die detailliert werden soll.z.B.: die Verweisnummer der Funktion 2 im Diagramm A25 ist A252. 2 A252

16. A A Output • Output kann Steuerung werden • Output kann Input werden

17. Bündelung und Gabelung Die Kombination von Pfeilen (Bündelung) zu einem Pfeil oder die Separation eines Pfeils in mehrere Pfeile (Gabelung) wird durch die Pfeilvereinigungs- bzw. Pfeil-verzweigungssyntax ausgedrückt. Gabelung des Pfeils A resultiert in Pfeilen B und C C A B C B A Bündelung der Pfeile B und C zu Pfeil A

18. Beispiel: Wasserversorgungssystem Topographie, etc. Wasserbedarf des Abnehmers gespeichertesWasser versorgen mit Wasser Versorger Rechtecke repräsentieren Funktionen, die angeben was erreicht werden soll. Der Funktionsname ist ein Verb. Pfeile repräsentieren Daten oder Objekte, die von der Funktionen benötigt oder durch sie produziert werden. Jeder Pfeil wird durch ein Substantiv benannt.

19. Definition von Zielen und Zwischenzielen Bericht Aktueller Zustand Ziel Bewertung der Rentabilität Kosten aus erhöhter Pumpleistung + Verlust Einnahmen Zwischen- ziele Rauhigkeit Verlust Druckdaten Fließdaten Versorgungsdaten Verbrauchsdaten

20. Beispiel: Überwachung eines Wasserversorgungssystems Top-Level Kontext Diagramm Anforderungen an Qualität und Quantität Kosten aufgrund erhöhter Pumpleistung und Wasserverlust überwache Lebenszyklus Betriebsdaten Planungsdaten 0 A0 Betreiber ZWECK: Überwachung und Info-verarbeitung zur Wartung des Wasserversorgungssystems SICHT: Wartungsteam und Entscheidungsträger A-0 Überwachung des Wasserversorgungssystems

21. Beispiel: Überwachung eines Wasserversorgungssystems Der ganze Prozess ist zeitabhängig, d.h. er muß regelmäßig aktualisiert werden.

22. Systemverhalten Systemverhalten = Aggregation des Verhaltens aller Grund-Subsysteme Jedes Basis-Subsystem ist ein isoliertes System  1. Gesetz der Thermodynamik gilt  Erhaltung der totalen Energie Rauhigkeit "Element Leitung" transportiere Wasser Q2 hLoss,2 v2 p2 Q1 hLoss,1 v1 p1 Zustands- variablen Zustands- variablen Erhalt der totalen Energie

23. Elementverhalten eines Grundelements ELT Erhalt der totalen Energie EL HGL p = hydrostat. Druck ρ = Dichte des Wassers v = Fließgeschwindigkeit g = Erdbeschleunigung z = Höhe Rohr hLoss = Druckverlust • = Reibungskoeffizient L = Rohrlänge dh = hydraulischer Durchm. L k = relative Rauhigkeit der Rohrwand Re = Reynolds Zahl μ = dynamische oder absolute Viskosität NN 1 2 Annahme: stationärer Fluss, reibungsfreie und inkompressible Flüssigkeit

24. Beispiel: Wasserversorgungssystem

25. Beispiel: Wasserversorgungssystem

26. Beispiel: Wasserversorgungssystem

27. Nachteile von IDEF0 Bei der Anwendung von IDEF0 sollte man sich folgender Nachteile bewusst sein: • Komplexität der Diagramme • Unterscheidung und Trennung unterschiedlicher Sichten • Schwierige Identifikation und Unterscheidung zwischen Steuerung und Inputs • Unzureichende Semantik zur Repräsentation der Verzweigungen der Abläufe • Ungenaue Spezifikation der Daten (nur textuelle Beschreibung) IDEF0 ist eine Top-Level Beschreibung eines Systems, besonders geeignetfür die Kommunikation zwischen Auftraggeber und Entwickler. Eine weitere Möglichkeit auf diesem Level bietet z. B. UML durch die sog. USE CASE (Anwendungs-) Diagramme und Szenarien.

28. Modellierungsansätze • Ein Modell ist eine vereinfachte Abbildung der Realität • Ein Modell wird zur Repräsentation einer Menge von Komponenten eines Systems oder einer Domäne genutzt. • Die Abbildung ist beschränkt auf die Ojekte, die für die Untersuchung relevant sind • Um das Modell handhabbar zu machen, müssen Modellverein-fachungen eingeführt werden • Vereinfachungen sind irreversibel  für eine Detaillierung ist ein neues Modell und eine neue Berechnung erforderlich! Vereinfachung Umkehrung Unmöglich

29. Literatur • Draft Federal Information Processing Standards Publication 183: "INTEGRATION DEFINITION FOR FUNCTION MODELING (IDEF0)", 1993http://www.idef.com/pdf/idef0.pdf • Object Management Group: „OMG Unified Modeling Language Specification“,Framingham, MA,1998. http://www.omg.org • W.W. Royse:„Managing the development of large software systems“in: „Tutorial: Software Engineering project management“, IEEE Computer Socienty, Washington DC, pp. 118 – 127, 1970.