Informationsmanagement u. Numerische Methoden

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1 Fakultät Bauingenieurwesen Institut für Bauinformatik, Prof. Dr.-Ing. Raimar J. Scherer Informationsmanagement u. Numerische Methoden Relationale und Objekt-orientierte Datenstrukturen 6. Semester 5. Übung: Objekt-orientierte Datenstrukturen I

2 Übersicht 1) Objekt-orientierte Datenstrukturen 2) Datenmodellierung Was muss modelliert werden? 3) Konzepte der O-O-Modellierung 4) Modellierungssprache EXPRESS-G 5) Aufgabe: Modell eines Durchlaufträger Folie 2

3 Objektorientierte Datenstrukturen 1) Beschreibung der realen Welt anhand von Objekten und deren Verhalten (Analogie zur menschliche Denkweise) 2) Definition der Objekte durch Klassen, Attribute, Beziehungen zwischen den Klassen und Methoden (Verhalten der Objekte) 3) Beziehungen zwischen Klassen sind Informationsträger 4) Anwendung des Konzeptes der Vererbung zur Beschreibung hierarchischer Strukturen (Generalisierung, Spezialisierung) 5) Prinzip der Objekt- bzw. Datenkapselung 6) Textuelle Modellierung EXPRESS Grafische Darstellung EXPRESS-G oder UML 7) IFC-Datenschema wichtigste objektorientierte Datenstruktur im Bauwesen Folie 3

4 Was muss modelliert werden? welches Wissen, welche Information, welche Daten? Objekte Objektattribute Beziehung zwischen den Objekten Beziehungseigenschaften (z.b. Aggregation, Kardinalität) Was kann modelliert werden? Verhalten der Objekte (Änderung des Objektzustandes) Prozess Die Steuerung (Steuerungsinformation) Schnittstelle (M2M - Machine to Machine) Graphisch interaktive Schnittstelle (M2H - Machine to Human) Folie 4

5 Objektorientierte Datenmodellierung Grundkonzepte zur Definition von Datenstrukturen: - Objekte - Beziehungen - Attribute Erweiterte Konzepte: - Klassifikation - Vererbung (Wiederverwendung und Re-Definition von Attributen) - Auswahltypen (select types) - Aufzählungstypen (Enumerationen) - Aggregationen (Array, Liste, Menge) Folie 5

6 Objektorientierte Datenmodellierung Randbedingungen: - inverse Beziehungen - optionale oder obligatorische Attribute - Kardinalitäten für Aggregationen - Regeln (z. B. Definitionsbereich/Wertebereich) - Abgeleitete Attribute (werden erst berechnet) Funktionalität für Datenvalidierung (Konsistenzprüfung) Die zur Verfügung gestellte Funktionalität unterscheidet sich bei objektorientierten Modellierungssprachen (z.b. UML, EXPRESS) sowie bei Programmiersprachen (C++, Java, etc.). Folie 6

7 EXPRESS-G Modellierungselemente EXPRESS-G ist die grafische Notation der Sprache EXPRESS (ISO ) Klassenname Klasse (Menge von Objekten mit ähnlichen Eigenschaften) (ABS) Klassenname Abstrakte Klasse (nicht instanziierbar) Folie 7

8 EXPRESS-G Modellierungselemente Einfache Datentypen: Binary Eine Folge von 1 und 0 (bspw ) Boolean WAHR(1) oder FALSCH(0) Integer Ganzzahlige Werte Logical WAHR, FALSCH oder UNBEKANNT Number Real oder Integer Real Fließkommazahl String Alphanumerische Zeichenkette Folie 8

9 EXPRESS-G Modellierungselemente Attribute und Beziehungen bezeichnung String Stütze länge Real obligatorisch fertigteil Boolean optional Folie 9

10 EXPRESS-G Modellierungselemente Beziehungen zwischen Klassen Stütze besitztmaterial Material Notation in EXPRESS: ENTITY Stütze; besitztmaterial : Material; END_ENTITY; ENTITY Material; END_ENTITY; Folie 10

11 EXPRESS-G Modellierungselemente Beziehungen zwischen Klassen Stütze besitztmaterial Material Notation in EXPRESS: ENTITY Stütze besitztmaterial END_ENTITY; Attribut : Material; Wertebereich Material_1 Attributausprägung/Instanz Stütze_1 besitztmaterial : Material_1 Folie 11

12 EXPRESS-G Modellierungselemente Kardinalität und Aggregation Beschreibung L[1:?] String Raum besitztumgrenzung A[3:4] besitztzugang S[1:?] wird_gemietet_von B[0:?] Wand Tür Mietername L[1:?] A[1:?] B[1:?] S[1:?] LIST geordnete Menge von Werten (Objekten, Attributwerten) mit variabler (Feld-) Größe ARRAY geordnete Menge von Werten mit fester Größe BAG ungeordnete Menge von Werten, Duplizität erlaubt SET ungeordnete Menge von Werten, Duplizität nicht erlaubt Folie 12

13 EXPRESS-G Modellierungselemente Superklasse und Subklasse (Vererbung) Die Vererbung wird verwendet, um eine Struktur zur Klassifizierung aufzubauen. Ein Subtyp erbt alle Eigenschaften des Supertyps. (ABS)Material bezeichnung e-modul String Real Spezialisierung 1 (ABS)Beton Stahl Holz 1 Generalisierung Ortbeton Spritzbeton UW-Beton Walzbeton Hinweis: 1 bedeutet exklusive Vererbung, jedes Material ist entweder Beton oder Stahl oder Holz Folie 13

14 EXPRESS-G Modellierungselemente Inverse Beziehungen besitztumgrenzung A[3:4] (INV) umgrenzt S[1:2] Wand Raum ist_teil_von [1:1] (INV) hatraum S[1:?] Stockwerk Raum umgrenzt S[1:2] Wand Raum hatraum S[1:?] Stockwerk Folie 14

15 EXPRESS-G Modellierungselemente Aufzählungstypen (Enumeration Data Type) Ein Aufzählungsdatentyp (Aufzählungsliste) gibt eine bestimmte Menge an Werten vor, die das Attribut besitzen kann. Raum TypNutzung NutzungTypeEnum Notation in EXPRESS: TYPE NutzungTypeEnum = ENUMERATION OF (BÜRO, WOHNEN, PARKEN, VERSAMMLUNG, NUTZERDEFINIERT, NICHTDEFINIERT); END_TYPE; Folie 15

16 EXPRESS-G Modellierungselemente Definierte Datentypen (Defined Type) Definierte Datentypen werden anstelle einfacher Datentypen (String, Real etc.) benutzt um die Aussagekraft und die Lesbarkeit des Modells zu erhöhen. beschreibung Text String Stütze fläche_querschnitt Flächenmaß Real Notation in EXPRESS: TYPE Text = STRING; END_TYPE; TYPE Flächenmaß = ; END_TYPE; Folie 16

17 EXPRESS-G Modellierungselemente Auswahltypen (Select Data Type) Definiert eine Wahl zwischen verschieden Optionen. Wird häufig verwendet um zwischen verschiedenen Objekt-Typen auszuwählen. Messgerät Volumenmaß misstphysgr Real MessgrößeSelect Flächenmaß Notation in EXPRESS: TYPE MessgroesseSelect = SELECT (Volumenmass, Flaechenmass, Massenmass, ); END_TYPE; Spannung Kraft Flächenmaß Folie 17

18 EXPRESS-G Modellierungselemente Seiteeferenzen Bei großen Modellen ist eine Darstellung auf einem Bild/Blatt nicht möglich. Daher wird das Modell auf mehrere Teilbilder mit entsprechenden Referenzen verteilt. Zu Referenz: Von -Referenz: Source Target zuseite#, Index#, Target Seite#, Index# (vonseite#) Folie 18

19 EXPRESS-G Modellierungselemente Abgeleitete Wertebreiche: Ein abgeleitetes Attribut stellt eine Eigenschaft dar, deren Wert durch die Auswertung eines Ausdrucks berechnet wird. (DER) Fläche Real Kreis Notation in EXPRESS: x y Radius ENTITY Kreis; x : Real; y : Real; Radius : Real; DERIVE Fläche : Real:=PI*Radius**2; END_ENTITY; Real Real Real Folie 19

20 EXPRESS-G Modellierungselemente Modell- (Schema-) Schnittstellen Wird verwendet um die Elemente eines fremden Schemas für ein anderes Schema nutzbar zu machen. Schemata: Bauwerk Kalkulation Stütze Kalkulation.Endpreis Bemerkung: Schemaschnittstellen sind erforderlich aufgrund der Modularisierung des Datenmodells: - eine Menge von Schemata bildet ein Modell - wiederverwendbare Schemata (ein Schema in mehreren Modellen) - effizientere Verwaltung des Datenmodells Folie 20

21 EXPRESS-G Modellierungselemente Klassenname Klasse Relation obligatorische Relation (exakt 1) String (einfache) Datentypen Relation optionale Relation (0 oder 1) Enum Aufzählungen Relation S[1:?] Aggregations- Relation (1 oder n) Select Selektionen Relation S[1:?] Aggregationsrelation (0,1 oder n) Label Definierte Datentypen Relation (INV) Relation Inverse Relation (1 oder n) S, Ref, Klasse S, Ref (vons) Schema.Klasse zu-referenz von-referenz Modellschnittstelle Definitionsverweis 1 Relation exklusiv Regel-Relation UNDODER Super/Subklasse Schema.Klasse Modellschnittstelle Definitionsverwendung Selektion Folie 21

22 Aufgabe 5: Modellierung eines DLT Beschreibung aller Informationen die für - Statische Berechnung, - Bemessung und - Konstruktive Ausbildung eines Durchlaufträgers erforderlich sind. Annahmen: - 2D-Modell (x-ko längs, y-ko senkrecht zur Trägerachse) - Unbegrenzte Anzahl an Feldern - Querschnitte feldweise konstant - zul. Lagerung: starr und verschieblich Modellschema: EXPRESS-G Werkzeuge: z.b. Microsoft Visio, EDRAW Max (Trial-Version) Folie 22

23 Aufgabe 5: erf. Objekttypen Welche Elemente eines DLTs sollten als Klassen modelliert werden? Folie 23

24 Aufgabe 5: erf. Objekttypen Knoten Auflager Feld Last Querschnitt Folie 24

25 Aufgabe 5: Topologie Wie kann die Topologie eines DLT modelliert werden? Folie 25

26 Aufgabe 5: Topologie (Bsp.) Feld Start_Knoten End_Knoten Knoten Folie 26

27 Aufgabe 5: Topologie + Geometrie Wie können die topologischen Elemente um Geometrieinformationen erweitert werden? Feld Start_Knoten End_Knoten Knoten Folie 27

28 Aufgabe 5: Topologie + Geometrie (Bsp.) Feld Start_Knoten End_Knoten Knoten x länge y Folie 28

29 Aufgabe 5: Statik Welche Elemente sind erforderlich, damit eine statische Berechnung Durchgeführt werden kann? Feld Start_Knoten End_Knoten Knoten x länge y Folie 29

30 Aufgabe 5: Statik Feld Start_Knoten End_Knoten (ABS)Knoten x länge 1 y RandKnoten FeldKnoten Folie 30

31 Aufgabe 5: Statik Feld Start_Knoten End_Knoten (ABS)Knoten x länge 1 y RandKnoten FeldKnoten Start_Knoten End_Knoten Feld länge Folie 31

32 Aufgabe 5: Statik Feld Start_Knoten End_Knoten (ABS)Knoten x länge 1 y RandKnoten FeldKnoten Liegt_in Start_Knoten End_Knoten Feld länge Folie 32

33 Aufgabe 5: Statik (ABS)Knoten 1 x y RandKnoten 1 FeldKnoten (INV) enthält L[1:?] Liegt_in AuflagerStarr AuflagerVersch Start_Knoten End_Knoten Feld länge Folie 33

34 Aufgabe 5: Statik (Bsp.) 35, 1 (37) (ABS)Knoten x y 1 RandKnoten FeldKnoten (INV) enthält L[1:?] 1 Liegt_in AuflagerStarr AuflagerVersch Start_Knoten End_Knoten Feld versch_y versch_x BOOLEAN länge BOOLEAN Folie 34

35 Aufgabe 5: Querschnitt (Bsp.) Feld hat_querschnitt I x (ABS)Querschnitt besitzt_material (ABS)Material 1 Standardprofil FreiProfil Profiltyp ProfiltypenSelect DIN_HEB_Enum DIN_IPE_Enum DIN_HEA_Enum EXPRESS-Notation: TYPE DIN_HEB_Enum = ENUMERATION OF (HEB100, HEB150, HEB200); END_TYPE; Folie 35

36 Aufgabe 5: Lasten (Bsp.) lastgröße Lastwert STRING bezeichnung bel_knoten Einzellast 35, 1, Knoten 1 (ABS)Last Darstellbare Linienlast bel_knoten A[2:?] Linienlast lasttyp RK n FK n FK n+2 RK n+1 SBW-g Lastgröße L[2:?] Lastwert LasttypenEnum Lasttypen z.bsp: Eigenlast; Verkehrslast SBW-q Teil-sbw_select sicherheitsbeiwert Lastfall lasten L[1:?] SBW-q_red STRING bezeichnung lastfälle L[1:?] Lastfallkombination Folie 36