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274 Pages·2003·4.69 MB·German

by  Marcel B. Endejan

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Marcel Boris Endejan
Die vorliegende Arbeit wurde vom Fachbereich Elektrotechnik - der Universität Kassel
als Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-
Ing.) angenommen.

Erster Gutachter: Prof. Dr. Joseph Alcamo
Zweiter Gutachter: Prof. Dr. Heinrich Werner
3. Prof. Dr. Werner Kleinkauf
4. Prof. Dr. Andreas Ernst

Tag der mündlichen Prüfung 22. September 2003

Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek
Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über
http://dnb.ddb.de abrufbar

Zugl.: Kassel, Univ., Diss. 2003
ISBN 3-89958-046-X

© 2003, kassel university press GmbH, Kassel
www.upress.uni-kassel.de

Umschlaggestaltung: M. B. Endejan, unter Verwendung einer Zeichnung von Wolfram
Gothe, Hamburg ([email protected]) / 5 Büro für Gestaltung,
Kassel
Druck und Verarbeitung: Unidruckerei der Universität Kassel
Printed in Germany
Danksagung
Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen meiner T¨atigkeit als wissen-
schaftlicher Mitarbeiter am wissenschaftlichen Zentrum fu¨r Umweltsystemfor-
schung der Universit¨at Kassel. Dem Direktor des Zentrums, Herrn Prof. Dr.
Joseph Alcamo, danke ich fu¨r seine Unterstu¨tzung w¨ahrend der Anfertigung
der Dissertation und fu¨r die U¨bernahme des Gutachtens. Fu¨r die freundli-
che Bereitschaft zur Anfertigung des Zweitgutachtens danke ich Herrn Prof.
Dr. Heinrich Werner. Fu¨r die Bereitschaft zur Mitwirkung in der Promotions-
kommission danke ich Herrn Prof. Dr. Werner Kleinkauf und Herrn Prof. Dr.
Andreas Ernst.
Meinen Kolleginnen und Kollegen am Wissenschaftlichen Zentrum fu¨r Um-
weltsystemforschung danke ich fu¨r die gute Arbeitsatmosph¨are, die stete Dis-
kussionsbereitschaftunddieM¨oglichkeit,einigeinderArbeitvorgestellteKon-
zepteinderPraxiserprobenzudu¨rfen.HerrnRu¨digerSchaldachdankeichfu¨r
dieDiskussionensowiefu¨rdieDurchsichtdesManuskriptsundseinekritischen
Anmerkungen. Fu¨r die Unterstu¨tzung bei der Realisierung einiger Programme
danke ich Herrn Stephan Lauer. Herrn Achim Manche sei gedankt fu¨r die vie-
lenHilfestellungenbeitechnischenFragenundProblemen.Einganzbesonderer
Dank geht an Frau Dr. Martina Fl¨orke und Herrn Dr. Michael M¨arker, die mit
ihrenAnmerkungenundVorschl¨agenundihremunermu¨dlichenInteresseeinen
entscheidenden Beitrag zur Gestalt der vorliegenden Arbeit geleistet haben.
Meinen Mitbewohnerinnen Vesna Joki´c, Meike Siebert und Helena Siebert
sowie meinem Mitbewohner Ljubomir Adˇzi´c danke ich fu¨r die sehr sch¨one At-
mosph¨are w¨ahrend der letzten zwei Jahre. Herrn Ljubomir Adˇzi´c danke ich
auch dafu¨r, dass er mir bei einigen Realisierungsfragen mit Rat und Tat zur
Seite stand.
DerWegzurAnfertigungdieserArbeitwarnichtimmerklar.Daherm¨ochte
ich mich bei all jenen bedanken, die mich – bewusst oder unbewusst – auf die-
senWeggebrachthabenundmichermutigten,ihnweiterzugehen.Sodankeich
meinen Eltern Frau Karin Ritter und Herrn Heinz Josef Endejan fu¨r ihre Un-
terstu¨tzung und fu¨r die M¨oglichkeit der freien Wegwahl. Mein innigster Dank
gehtanFrauKlaraRaasundHerrnJakobRaas,diemichvondenerstenSchrit-
ten an begleitet und ihnen Halt gegeben haben. Sehr herzlich danken m¨ochte
ich meiner Freundin Dagmar Ritterbusch, die selbst in der Abschlussphase der
Arbeit viel Geduld und Verst¨andnis gezeigt hat und – trotz der r¨aumlichen
Entfernung – immer unterstu¨tzend an meiner Seite war.
i
ii
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
1.1 Hintergrund . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Rahmen und Ziel der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Struktur der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 Grundlagen 7
2.1 Integriertes Assessment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.1 Globaler Wandel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.2 Assessment des globalen Wandels . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Modellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3 Software-Entwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.1 Entwicklungsphasen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.2 Software-Architektur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3 Stand der Technik 25
3.1 Integrierte Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.1.1 Definitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.1.2 Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.1.3 Frameworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.1.4 Entwicklungsumgebungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.2 Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2.1 Standardisierungs-Organisationen. . . . . . . . . . . . . 41
3.2.2 High Level Architecture (HLA) . . . . . . . . . . . . . . 47
3.2.3 NIST/ECMA-Referenz-Modell . . . . . . . . . . . . . . 52
3.2.4 Open Distributed Processing – Reference Model . . . . 52
3.2.5 OpenGIS Service Architecture . . . . . . . . . . . . . . 55
3.3 Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4 Systemdefinition 69
4.1 OOA-Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.1.1 Gesamtmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.1.2 SISA-Ressourcen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
iii
iv INHALTSVERZEICHNIS
4.2 Anforderungsdefinition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.2.1 Allgemeine Anforderungen. . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.2.2 Ziele und Funktionen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.2.3 System-Einsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.2.4 System-Umgebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.2.5 System-Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.2.6 System-Leistungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.2.7 Benutzungsschnittstellen. . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.2.8 Qualit¨ats-Zielbestimmung . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.2.9 Testszenarien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.2.10 Entwicklungs-Umgebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.3 Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5 Architektur-Entwicklung 95
5.1 Komponenten-U¨bersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.2 Komponenten-Entwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.2.1 Katalogmanager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.2.2 Metadaten-Sammler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.2.3 Dokumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.2.4 Simulationslaufmanager . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
5.2.5 Simulationssystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
5.2.6 Datenzugriff und Datenbanksystem . . . . . . . . . . . . 134
5.2.7 Geodatenverarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
5.2.8 Datenverarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
5.2.9 Aufgabensteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
5.2.10 Ergebnisanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
5.2.11 Modellanalyse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
5.3 Gesamtarchitektur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
5.3.1 Komponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
5.3.2 Interaktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
5.4 Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
6 Realisierung 165
6.1 Beispielmodell GLASS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
6.2 Komponenten-U¨bersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
6.3 Komponenten-Realisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
6.3.1 Dokumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
6.3.2 Katalogmanager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
6.3.3 Simulationssystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
6.3.4 Simulationslaufmanager . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
6.3.5 Datenzugriff und Datenbasis . . . . . . . . . . . . . . . 190
6.3.6 Datenverarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
6.4 Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
INHALTSVERZEICHNIS v
7 Zusammenfassung und Ausblick 205
7.1 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
7.2 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
Literaturverzeichnis 213
A Glossar 229
B Datenmodelle und Schnittstellen 233
B.1 Datenmodell zu Personen und Organisationen . . . . . . . . . . 234
B.2 Zusammenfassung des SISA-Datenmodells . . . . . . . . . . . . 235
B.3 Zusammenfassung der SISA-Schnittstellen . . . . . . . . . . . . 236
C Standards 237
C.1 U¨bersichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
C.2 HLA-Regeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
D Programm-Quelltexte 245
D.1 PHP-Beispiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
D.2 Metadaten-Datei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
D.3 Metadaten-Sammler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
D.4 Simulationseinstellungen und Datenzugriff . . . . . . . . . . . . 250
D.5 Simulationssystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
D.6 Datenzugriff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
D.7 Geodatenverarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
vi INHALTSVERZEICHNIS
Abbildungsverzeichnis
2.1 Grundstruktur des globalen Beziehungsgeflechts . . . . . . . . . 9
2.2 Erstellung eines Simulationsmodells . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.1 Architektur des Systems GLOBESIGHT . . . . . . . . . . . . . 30
3.2 Architektur Object Modeling System . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3 Schematische Modellstruktur von PRISM . . . . . . . . . . . . 34
3.4 Systemarchitektur von DANUBIA . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.5 Architektur der Modellumgebung M . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.6 High Level Architekture – U¨bersicht . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.7 HLA-Prinzip der Daten- und Interaktionsweitergabe . . . . . . 51
3.8 NIST/ECMA Referenz-Architektur . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.9 Statisches Modell des Dienste-Konzepts der ISO/DIS 19119 . . 57
3.10 Logische Vier-Schichten-Architektur der ISO/DIS 19119 . . . . 62
3.11 Physikalische Mehrschichten-Architektur der ISO/DIS 19119 . 63
4.1 OOA-Modell eines Systems zum simulationsbasierten integrier-
ten Assessments (SISA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.2 Ressourcen eines SISA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.3 Anwendungsfalldiagramm des SISA . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.4 Anforderung an die System-Daten . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.1 U¨bersicht der SISA-Komponenten . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.2 Verbindung zwischen SISA-Komponenten und SISA-Zielen. . . 99
5.3 Geor¨aumliche Ressourcen im Sinne des OpenGIS-Konsortiums 101
5.4 Von den OpenGIS Catalog Services genutzte Klassen . . . . . . 102
5.5 Schnittstellen-Software zum Einsatz von OpenGIS Services . . 104
5.6 Schnittstellen des Katalogmanagers . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.7 Datenmodell des Katalogs und der Katalogeintr¨age . . . . . . . 108
5.8 Minimaler Elementsatz der ISO/DIS 19115 . . . . . . . . . . . 112
5.9 Datenmodell zur Speicherung von Metadaten . . . . . . . . . . 117
5.10 Prinzip des Metadaten-Sammlers . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5.11 Schnittstelle des Metadaten-Sammlers . . . . . . . . . . . . . . 119
vii
viii ABBILDUNGSVERZEICHNIS
5.12 Datenmodell des Metadaten-Sammlers . . . . . . . . . . . . . . 120
5.13 Schnittstellen der Dokumentationskomponente . . . . . . . . . 121
5.14 Datenmodell fu¨r Personen/Organisationen . . . . . . . . . . . . 123
5.15 Datenmodell fu¨r Projekte u. Simulationsstudien . . . . . . . . . 124
5.16 Datenmodell fu¨r Szenario-Informationen . . . . . . . . . . . . . 126
5.17 Datenmodell fu¨r Simulationsl¨aufen . . . . . . . . . . . . . . . . 126
5.18 Datenmodell fu¨r Aufgaben-Informationen . . . . . . . . . . . . 127
5.19 Datenmodell fu¨r Anmerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
5.20 Simulationsmodelle und deren Einstellungen . . . . . . . . . . . 129
5.21 Schnittstellen des Simulationslaufmanagers . . . . . . . . . . . 130
5.22 Zusammenhang Simulationsmodell u. Modelleinstellungen . . . 131
5.23 Datenmodell des Simulationslaufmanagers . . . . . . . . . . . . 132
5.24 Schnittstellen des Simulationssystems . . . . . . . . . . . . . . 134
5.25 Komponenten zum Datenzugriff und zur Datenhaltung . . . . . 136
5.26 Schnittstelle des Datenbanksystems . . . . . . . . . . . . . . . . 137
5.27 Schnittstelle der Datenzugriffskomponente . . . . . . . . . . . . 138
5.28 Datenmodell der Datenzugriffskomponente. . . . . . . . . . . . 138
5.29 Schnittstellen der Komponente zur Geodatenverarbeitung . . . 141
5.30 Schnittstelle zur allgemeinen Datenverarbeitung . . . . . . . . . 142
5.31 Schnittstelle zur Aufgabensteuerung . . . . . . . . . . . . . . . 144
5.32 Schnittstelle der Analyse-Komponente . . . . . . . . . . . . . . 145
5.33 Prinzip der Modellanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
5.34 Schnittstellen zur Modellanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
5.35 Einfaches Datenmodell zur Modellanalyse . . . . . . . . . . . . 148
5.36 Komponenten der Architektur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
5.37 Architektur-Dynamik – Erzeugung von Simulationsergebnissen 155
5.38 Architektur-Dynamik – Sammlung von Metadaten . . . . . . . 157
5.39 Architektur-Dynamik – Analyse eines Modells . . . . . . . . . . 159
6.1 Struktur des GLASS-Modells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
6.2 Tabelle zur Speicherung der Anmerkungen . . . . . . . . . . . . 170
6.3 U¨bersicht zum Realisierungsbeispiel der SISA-Komponenten . . 171
6.4 Datenbankzugriff u¨ber Web-Browser . . . . . . . . . . . . . . . 172
6.5 Dokumentation der Daten u¨ber Personen/Organisationen . . . 173
6.6 Anzeige der Daten u¨ber Personen/Organisationen. . . . . . . . 174
6.7 Uniform Resource Identifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
6.8 Web-Seite zur Generierung eindeutiger Namen . . . . . . . . . 178
6.9 Anzeige der Ressourcen-Liste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
6.10 Web-Seite zur Metadaten-Erfassung . . . . . . . . . . . . . . . 181
6.11 Web-Seite zur Anzeige von Metadaten . . . . . . . . . . . . . . 184
6.12 Basisklasse der Simulationsmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . 185
6.13 Prinzip eines Adapters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
6.14 Kommunikation u¨ber Sockets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188