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Unterstützung der messtechnischen Langzeitüberwachung

1. Auf fachlicher Ebene werden durch die Anwendung des Multiagentensystemansatzes und die ganzheitliche Betrachtung des Monitoringprozesses Verbesserungen gegen ber den bestehen den Bauwerksmonitoringsystemen erreicht Hervorzuheben sind die durch das Monitoringsys tem gebotene i durchg ngige Softwareunterst tzung ii zeitnahe Entscheidungsunterst t zung und iii integrierte Datenauswertung F r eine durchg ngige Softwareunterst tzung wurde der softwaretechnischen Realisie rung des Bauwerksmonitoringsystems ein allgemeiner Monitoringablauf zugrundegelegt der alle Arbeitsschritte des Bauwerksmonitoring umfasst Die bisher h ndisch ausgef hrten und sinnvoll automatisierbaren Teilschritte des Monitoringprozesses werden von spezialisierten Agententypen bearbeitet sodass die Monitoringbeteiligten von Routineaufgaben entlastet werden F r eine zeitnahe Entscheidungsunterst tzung werden die erfassten Messdaten auf der Basis der entwickelten agentenbasierten Infrastruktur zeitnah in Datenbanksystemen abgelegt und den Beteiligten ber ihren pers nlichen Agenten bereitgestellt der einen geziel ten Zugriff auf die Hard und Softwareressourcen des Bauwerksmonitoringsystems erm glicht Zus tzlich stellen auf die Auswertungsaufgabe abgestimmte Agententypen Vorbewertungen und grafische Aufbereitungen der Messwerte bereit um die Kontrolle der Messwerte durch die Beteiligten zu erleichtern Eine integrierte Datenauswertung wird durc
2. Abbildung 6 10 Unterfenster zur Visualisierung der Messwerte als Zeitreihe Der ABT setzt die Analyse der Messwerte mit der Ansicht von Messreihen f r die Stauh he fiir das Pendellot in y Richtung F2PY und fiir die am Bauwerk gemessene Temperatur D2L1 fort da hier ggfs signifikante Ver nderungen zu beobachten sind 6 4 ANALYSE DER MESSWERTE 123 6 4 2 Regressionsanalyse der radialen Verformungen Auch die Ermittlung von Staumauerverformungen ist Sache des ABT Hierzu werden mathematisch statistische Verfahren eingesetzt Eine derartige Untersuchung wird blicher weise alle 10 Jahre im Rahmen einer Vertieften berpr fung gem DVWK Merkblatt 222 durchgef hrt Im Rahmen dieser Analyse wird zun chst der Zusammenhang zwischen den Einflussgr en Stauh he Temperatur und Zeit und der Zielgr e radiale Verformung der Staumauer un tersucht Hierzu werden im Data Center die entsprechenden Messreihen f r die Temperatur und Stauh he im Betrachtungszeitraum ausgew hlt und die zugeh rige Analyse durchge f hrt Die ausgew hlten Messdaten werden dabei durch das Bauwerksmonitoringsystem aus der Messdatenbank geladen und an den Statistikagenten weitergeleitet wo diese dann f r eine statistische Analyse zur Verf gung stehen Die statistische Analyse wird in einem eigenem Unterfenster des pers nlichen Agenten durch sef hrt das als Konsole ausgelegt wurde Die Konsole besteht aus zwei Bereichen eine
3. Teil IV Anhang 133 Anhang A Datenlogger Dieser Anhang soll einen kurzen berblick ber Datenlogger geben Der Inhalt des Anhangs wurde in gro en Teilen der Diplomarbeit Mittrup 02 entnommen A 1 Definition Datenlogger sind elektronische Ger te zur Erfassung von Betriebs und Umweltdaten Sie bernehmen selbstst ndig verschiedenste Messaufgaben Die Spanne der erh ltlichen Logger reicht dabei von einfachen Ger ten mit begrenztem Leistungsumfang bis zu mikroprozessor gesteuerten Ger ten die neben Messaufgaben vielf ltige Steuerungs und Regelungsaufgaben bernehmen k nnen Typische Anwendungsgebiete f r Datenlogger sind Prozess berwachung Maschinentiberwachung Transportiberwachung Verkehrs berwachung Umwelt berwachung Bauwerks berwachung Materialtest und Fahrzeugtest Eine grundlegende Definition eines Datenloggers sieht folgenderma en aus Datenlogger f hren in bestimmten Zeitabst nden Sensormessungen durch und speichern die Messergebnisse im internen Speicher Damit ergibt sich folgender Mindestfunktionsumfang 1 Interne Zeitmessung und steuerung f r mindestens ein Messprogramm 2 Anschlussm glichkeiten f r mindestens einen Sensor 3 Vorhalten eines internen Speicher 4 Schnittstelle f r den Datentransfer und die Administration des Ger tes von einem ex ternen Rechner aus 135 136 ANHANG A DATENLOGGER Der b
4. Zum Einsatz kommen heute neben konventionellen elektrischen Sensoren zunehmend auch piezo elektrische elektro rheologische und optische Sensoren auf Glasfaserbasis sowie Mi krosysteme so genannte mikroelektromechanische Systeme engl Micro Electro Mechanical 18 KAPITEL 2 STAND DER FORSCHUNG Tabelle 2 2 Sensoren fiir das Bauwerksmonitoring Wikipedia 08 Messgr e Sensor Entfernung Absolutwertgeber Inkrementalgeber Seilzugl ngengeber Ultraschallsensor Beschleunigung Quartz Accelerometer Piezo elektrischer Sensor Mikrosysteme MEMS Dehnung Dehnungsmessstreifen DMS mit Folien mit Draht Halbleiter Dehnungsmessstreifen Schwingsaitenaufnehmer Druck Differenzdrucksensor Silizium Drucksensor Keramischer Drucksensor Barometer Luftdruckmessger t Feuchte Coulometrischer Feuchtesensor fiir Luftfeuchtigkeit Hygrometer fiir Luftfeuchtigkeit Tensiometer fiir Bodenfeuchtigkeit Kraftsensor Federk rper Kraftaufnehmer Piezo elektrischer Sensor Temperatur Bimetallthermometer Pyroelektrischer Sensor Pyrometer Thermoelement Widerstandsthermometer Hei leiter NTC Kaltleiter PTC PT100 System MEMS Wikipedia 08 MEMS die urspr nglich f r die Kommunikations oder Mikrosystemtechnik entwickelt wurden Moderne intelligente Sensoren engl smart sensors Smart Sensor verf gen dabei zumeist auch ber eine eigene Auswerteelek tronik besitzen also spezielle Prozessoren oder Contr
5. Nutzer Statistik agent 7 Mess datenbank Statistik software 155 Abbildung C 1 Bekanntschaften zwischen den Agenten des Bauwerksmonitoringsystems Be kanntschaftsdiagramm 156 ANHANG C ARTEFAKTE UND MODELLE CA Interaktionstabellen C 4 1 Sensorikagent Interaktion Verantw IP Rolle Mit Wann Beantworte Frage nach 6 FIPA R Daten Anfrage erhalten aktuellem Messwert Request verteilungsagent Beantworte Anfrage 3 FIPA R Daten Anfrage erhalten Beobachtungen zu Request verteilungsagent holen Beantworte Anfrage 5 FIPA R Daten Anfrage erhalten Speicherort zu holen Request verteilungsagent Beantworte Anfrage 7 FIPA R Pers Agent Anfrage erhalten Ger teinfo zu holen Request Beantworte Anfra 8 Query R Pers Agent Anfrage erhalten ge Kommandos zu Ref bertragen Registriert sich beim 9 FIPA I Gelbe Seiten Start des Agenten DF Agenten Request Agenten C 4 2 Messdateiagent Interaktion Verantw IP Rolle Mit Wann Beantworte Anfrage 3 FIPA R Daten Anfrage erhalten Beobachtungen zu Request verteilungsagent holen Beantworte Anfrage 4 FIPA R Pers Agent Anfrage erhalten Metainformationen zu Request holen Registriert sich beim 5 FIPA I Gelbe Seiten Start des Agenten DF Agenten Request Agenten C 4 INTERAKTIONSTABELLEN C 4 3 Datenverteilungsagent Interaktion Holt Messdaten Leitet Messdaten wel ter Beantwortet Anfrage Zeitplan zu senden Registriert sich beim Gelbe Seiten Ag
6. plausibel erkl rbaren Werte gemessen wurden 6 2 UBERWACHUNGSSZENARIO 115 Tagesmessdaten Ennepetalsperre 308 306 304 302 Stauh he m NN 300 298 0 20 40 60 80 100 120 Gewichtslot mm Lufttemperatur Grad Celsius e N o o o o Lit SS ke le Fo a a Lf 1 I Al ES E 1 0 0 0 60 80 100 120 E 1 2 E 3 2 4 O N 5 6 0 20 40 60 80 100 120 Zeit Wochen Abbildung 6 4 Der Validierung zugrundegelegte Messwerte aus der automatisierten Daten erfassung der Ennepetalsperre 116 KAPITEL 6 VALIDIERUNG 6 2 3 Fiktives Szenario Eine Verteilung des entwickelten Bauwerksmonitoringsystems RAMON auf das Rechnernetz des Ruhrverbandes und eine Validierung durch die Monitoringbeteiligten erschien im Hin blick auf den laufenden Talsperrenbetrieb und die hohen Sicherheitsanforderungen sowohl an die Talsperre als auch an die IT Infrastruktur nicht sinnvoll Um das Monitoringsystem den noch tiber mehrere Rechner zu verteilten wird das System anhand eines fiktiven Szenarios validiert das sich an der Praxis orientiert und auf den in Unterabschn beschriebenen Monitoringablauf aufbaut Das Bauwerksmonitoringsystem wird hierbei auf mehrere Rechner des lehrstuhleigenen Netzes verteilt Als Szenario dient das verteilte Arbeiten der Fachexperten Talsperrenmeister TSM Talsper reningenieur TSI und Abteilungsleiter ABT Es wird vorausgesetzt dass die Beteiligten an de
7. Verschiebung Mauer Seite 1 von2 Abbildung 6 8 Automatisch generierter Messbericht 6 4 ANALYSE DER MESSWERTE 121 Zur abschlie enden Evidenzverst rkung pr ft der TSI die aktuellen Messwerte der Ennepe talsperre Hierzu bedient er sich seines pers nlichen Agenten der ber das Internet mit dem Messrechner an der Ennepetalsperre kommunizieren kann Da der Arbeitsablauf mit dem un ter beschriebenen Ablauf identisch ist wird der Ablauf an dieser Stelle nicht nochmals beschrieben Auch der Talsperreningenieur findet keine weiteren Indizien f r eine kritische Ver nderung am Bauwerk und kommt zu dem Schluss dass es sich um einen Fehler in der Datenerfassung gehandelt hat Das beschriebene Teilszenario zeigt dass das Bauwerksmonitoringsystem sensitiv auf Ab weichungen in den Messwerten reagiert und dennoch eine zuverl ssige Vorbewertung der Messwerte liefert Das System ist in der Lage die Monitoringbeteiligten sowohl bei der Er kennung von Abweichungen als auch bei der Kontrolle der Messwerte auf mehreren Wegen zu unterst tzen 6 4 Analyse der Messwerte Im zweiten Teil des fiktiven Szenarios wird die Analyse der erfassten Messwerte ber einen Zeitraum von mehreren Monaten bis zu mehreren Jahren betrachtet Es wird angenommen dass diese Analyse vom Leiter der Fachabteilung ABT durchgef hrt wird Zur Interak tion mit dem Bauwerksmonitoringsystem steht auf dem Rechner des Abteilungsleiter ein pers
8. Coefficients Intercept data D2L1 data Stauhoehe data Datumsindex 203 06388 0 23492 0 67074 0 00269 Abbildung 6 12 Unterfenster mit Konsole zur Durchf hrung statistischer Analysen Das Resultat der statistischen Analyse sind die Koeffizienten des Regressionsmodells Uber die Anweisung summary ennepe 1m wird eine Zusammenfassung des Regressionsmodells ausge geben um die G te der Anpassung zu berpr fen Listing zeigt die Ausgabe des Bau werksmonitoringsystems die alle relevanten Informationen zum erstellten Regressionsmodell enthalt Listing 6 1 Zusammenfassung des berechneten Regressionsmodells Call lm formula data F2PX data D2L1 data Stauhoehe datafDatumsindex Residuals Min 10 Median 30 Max 2 99799 0 77915 0 01910 0 87825 2 65046 Coefficients Estimate Std Error t value Pr gt t Intercept 2 031e 02 7 093e 00 28 63 lt 2e 16 data D2L1 2 349e 01 7 844e 03 29 95 lt 2e 16 kk data Stauhoehe 6 707e 01 2 320e 02 28 91 lt 2e 16 kk data Datumsindex 2 690e 03 1 647e 04 16 33 lt 2e 16 x x Signif codes 0 0 001 x 0 01 0 05 0 1 1 Residual standard error 1 063 on 787 degrees of freedom 12 observations deleted due to missingness Multiple R squared 0 8958 Adjusted R squared 0 8954 F statistic 2255 on 3 and 787 DF p value lt 2 2e 16 Die G te des gesamten Regressionsmodells l sst sich an der F Statistik F 2255 ablesen Die F
9. B 7 Aktualisierungsschritt Berechne fiir jedes Cluster die neuen Mittelwerte Diese bilden die Zentren der Beobachtungen in dem Cluster 1 t 1 Y a Xj es Der Algorithmus konvergiert wenn die Zuweisungen sich nicht mehr ndern B 1 4 Mann Kendall Test Die Voraussetzung normalverteilter Daten ist bei Messdaten aus der Talsperren berwachung h ufig nicht erf llt Zur Erkennung von Trends in normal sowie nicht normalverteilten Daten ist der verteilungsfreie Mann Kendall Test geeignet Der Test zerlegt hierzu eine gegebene Zeitreihe y t 1 N in 2 Teilreihen uge H 1 N lundy t t 1 4 2 N und vergleicht diese Teilreihen elementweise 1 f r Y gt Yy 0 fiir Y Yy B 9 1 f r Yt lt Yy B 1 KENNGROSSEN UND TESTVERFAHREN 141 mit k t IDN t 2 t t Die Mann Kendall Statistik ergibt sich mit diesem Schema nach Gleichung N 1 N gt y Zk B 10 t 1 t t 1 Die Teststatistik wird gef hrt nach Gleichung 0 fiir S 0 ut tM f r sonst B 11 V s 1 mit V s NW 1 QN 5 und m lfiir S lt 0 m lf r S gt 0 Ist ue gr er als die 1 a 2 Quantile der Standardnormalverteilung kann ein Trend nicht widerlegt werden Del gt Ul ay2 B 12 B 1 5 Mann Whitney Test Der verteilungsfreie U Test nach Mann Whitney und Wilcoxon zerlegt eine gegebene Zeitreihe yz t 1 N zun chst in zwei Teilreihen y1 Ym und Ym 1 N mit den Teilumf ngen m und n wobei gilt N m
10. Zum Leistungsumfang des DT600 geh ren u a Datataker Crew 01 Anschl sse f r max 40 Sensoren mit Erweiterungsmodulen bis zu 120 Sensoren Sofortabfrage eines oder mehrerer Sensoren Zeitgesteuertes Abfragen in Intervallen von 1 Sekunde 1 Minute 1 Stunde oder 1 Tag bis zu mehreren Monaten Alarmgesteuertes Abfragen von Sensoren und nderung des Abfrageprogramms von Sensoren 4 interne Programme zur Abfrage von Sensoren ein Programm f r die direkte Abfrage von Sensoren von einem externen Rechner aus 20 Alarme Linearisierung der Sensoren ber 20 vom Anwender definierbare Gleichungen und li neare St tzkurven Ausgabe der Messdaten im ASCII Format die M glichkeit zur Programmierung des Loggers ber einen kompletten Befehlssatz Statistische Datenauswertung u a Integral Standardabweichung Interner Akku gepufferter Speicher fiir 13650 Messwerte 64 kB Erweiterung des Speichers durch PCMCIA Speicherkarte auf bis zu 340000 Messwerte 1MB Interne Echtzeituhr 138 ANHANG A DATENLOGGER RS 232 Schnittstelle serielle Schnittstelle zur Kommunikation mit einem externen Rechner Betrieb von bis zu 32 Datenlogger dieses Typs durch einen Steuerrechner An dieser Stelle sei nur kurz darauf hingewiesen das der DataTaker DT600 auch f r kom plexe Steuerungs und Regelungsaufgaben geeignet ist Durch die Kombination von Alarm
11. zur L sung typischer Probleme des Bauingenieurwesens wie den Brandschutz die verteilt kooperative Tragwerksplanung und die numerische Simulation nachgewiesen werden An den beteiligten Lehrst hlen in Bochum Darmstadt und Bonn wurden dazu Referenzimplementie rungen auf der Basis der Multiagenten bzw der Peer to Peer P2P Technologie realisiert F r den baulichen Brandschutz realisierte Thei Thei 05 ein Multiagentensystem mit dem die zugrundeliegenden vernetzt kooperativen Arbeitsprozesse agentenorientiert abgebil det werden und die Systemnutzer durch Agenten mit Fachwissen gezielt unterst tzt werden Das Multiagentensystem besteht aus drei wesentlichen Agententypen einem i station ren Wrapper Agenten zur Integration von Fachinformationen und vorhandenen Fachanwendun gen einem ii mobilen Transportagenten zur Informations bertragung und recherche sowie einem iii mobilen Verarbeitungsagenten zur berpr fung der Anforderungen des baulichen Brandschutzes F r den Austausch der relevanten Informationen Geb udemodelle wurden existierende Standards Industry Foundation Classes in das Multiagentensystem integriert Der f r die berpr fung der Anforderungen verantwortliche Agententyp bildet das Brand schutzwissen ab indem die Fakten aus den Modellen der Fachplaner gemeinsam mit den bereitgestellten Regeln der Brandschutzverordnungen verarbeitet werden F r die Tragwerksplanung entwickelte Bilek in Bilek 06
12. 5 Modellbasierte Bewertung Die Verfahren zur modellbasierten Beurteilung von Bauwerken verwenden strukturmechanische Modelle zur numerischen Simulation des Bauwerksverhaltens Die Verfahren ber cksichtigen bei der Struktur und Lebens daueranalyse von Bauwerken zunehmend Aspekte der Zuverl ssigkeit wobei die Be rechnung je nach Stufe mit Methoden steigender Genauigkeit erfolgen kann vgl Abb 2 2 BAUWERKSMONITORING 21 Bewertung von Bauwerken Quantitative Bewertung Modellbasierte Bewertung Qualitative Bewertung Messwertbasierte Bewertung Stufe 0 Subjektive auf Erfahrung beruhende Bewertung von Deteriorations folgen und anderer Schaden nach visueller Inspektion Stufe 1 Direkte Bewertung der Gebrauchs tauglichkeit aus gemessenen Lasteinwirkun gen Stufe 2 Bewertung der Sicherheit und Gebrauchs tauglichkeit mittels einfacher modellbasierter Methoden Daten aus Dokumenten Stufe 3 Bewertung der Sicherheit und Gebrauchs tauglichkeit mittels verfeinerter modellbasierter Methoden Daten aus Experimenten Stufe 4 Anpassung der Zielzuverlassig keitswerte und Bewertung der Sicherheit und Gebrauchs tauglichkeit mit mod bauwerks spezifischen Werten Stufe 5 Probabilistische Bewertung der Sicherheits und Ge brauchstaug lichkeitswerte Daten aus Experimenten Monitoring etc Monitoring etc Abbildung 2 6 Verfahren zur Bewertung der Bauwerkss
13. Ablesung fest installierter Messeinrichtungen erg nzt um das Verhalten des Bauwerks anhand von Messwerten und einfacher Grenzwerte kontinuierlich zu berpr fen Eine genauere Schadenserfassung und Zustandsbewertung als in den Inspektionen erfolgt im Rahmen der Bauwerkspr fungen Hierzu werden die sichtbaren Schadenserscheinungen zun chst visuell oder durch handnahes Pr fen z B Abklopfen festgestellt Auf der Basis dieser Ergebnisse erfolgt dann die Ermittlung der Schadensursache wobei die Bewertung der Sch den vom Bauwerkspr fer durchgef hrt wird F r den zahlenm ig gro en Bestand an Stra enbr cken wurde zur Sicherstellung einer m glichst einheitlichen Vorgehensweise bei der Erfassung und Auswertung von Sch den ein Schadensbewertungskatalog erarbeitet und in die Ausf hrungsrichtlinie aufgenommen Das Ergebnis der Pr fung ist in diesem Fall eine Zustandsnote die zwischen 1 0 sehr guter Bauwerkszustand und 4 0 ungen gender Bauwerkszustand liegen kann F r andere Bauwerksarten wie Talsperren ist die Vorgehensweise im Vergleich mit Br ckenbauwerken jedoch weniger genau definiert vgl DIN 19700 04 2 1 2 Zus tzliche Untersuchungen am Bauwerk Zur Objektivierung der visuellen Inspektionen sowie zur Ermittlung quantitativer Informa tionen ber die Schadensart den Schadensumfang und die Schadensursachen m ssen bei unklarem Schadensbild kritisch eingestuften Bauwerksteilen oder dem Verdacht auf visuell nicht e
14. An diesem Anwen dungsfall sind alle Systemnutzer beteiligt die Messdaten lesen und oder bearbeiten d rfen Anwendungsfall AF5 Messdaten verwalten Umfang Bauwerksmonitoringsystem Ebene Anwenderziel Prim rakteur Monitoringexperte Akteur und Interessen Monitoringexperte Will Messdaten verwalten Statiker Will Messdaten verwalten Bauwerksbesitzer betreiber Will Messdaten verwalten Standardablauf 1 Monitoringexperte hat Messdaten die er sie bearbeiten m chte 2 System zeigt Messwerte zur Bearbeitung an 3 Monitoringexperte w hlt Messwerte aus 4 Monitoringexperte bearbeitet Messwerte 5 System speichert Messwerte Erweiterungen Alternative Abl ufe a Monitoringexperte l scht Messdaten Spezielle Anforderungen nderungen an Messwerten m ssen mit Datum und Bearbeiter protokolliert werden Bearbeitung soll interaktiv erfolgen C 1 ANWENDUNGSF LLE 149 C 1 6 Anwendungsfall AF6 Messdaten grafisch aufbereiten Anwendungsfall AF6 Messdaten grafisch aufbereiten Durch die automatisierte Erfassung von Messwerten kann eine gro e Datenmenge entste hen die gezielt gefiltert und aufbereitet werden muss um von den berwachungsbeteiligten sinnvoll ausgewertet werden zu k nnen Die berwachungsbeteiligten bereiten die Messda ten blicherweise zur leichteren Auswertung in grafischer Form auf Die Visualisierung von Messdaten erfolgt dabei in Form von Punkt Streu Linien S ulendiagramm
15. Brazier B Dunin Keplicz N R Jennings J Treur Formal specification of Multi Agent Systems a real world case Tagungsband Proceedings of the First Interna tional Conference on Multi Agent Systems ICMAS Band 95 Seiten 25 32 1995 Brooks 85 R Brooks A robust layered control system for a mobile robot In MIT AI Memo 864 MIT AI Lab September 1985 Brooks 86 R Brooks A robust layered control system for a mobile robot IEEE Journal of Robotics and Automation 2 1 14 23 1986 Brooks 91 R Brooks Intelligence without representation Artificial Intelligence 47 1 3 139 159 1991 Bundesanstalt f r Materialforschung und pr fung Berlin 04 Bundesanstalt f r Material forschung und priifung Berlin ZfPBau Kompendium Verfahren der Zerst rungsfrei en Pr fung im Bauwesen http www bam de microsites zfp_kompendium welcome Online Quelle Bussmann 92 S Bussmann J M ller A negotiation framework for co operating agents In S M Deen Hrsg Tagungsband Proceedings of the CKBS SIG Seiten 1 17 Kelle UK 1992 Cherubim 05 C Cherubim Das 2 Stab Modell ein deterministisches Modell fiir tempe raturbedingte Bewegungen der Krone von Gewichtsstaumauern Dresdner Wasserbauliche Mitteilungen 29 591 605 2005 Chouinard 06 L Chouinard V Roy Performance of statistical models for dam monitoring data Tagungsband Proc of the 11th Int Conference on Computing and Decision Making LIT
16. Einfluss des Wasserdrucks als Polynom maximal 4 Grades der Stauh he T t saisonaler Einfluss als Summe bis zu vier trigonometrischer Funk tionen C Konstante R Residuen Bis heute ist die HST Methode in vielen L ndern das dominierende Verfahren um die Verformungsmessungen aus der Talsperren berwachung zu analysieren Chouinard 06 Die Methode wird stetig verfeinert um die Prognosegenauigkeit zu steigern Ein neuerer Ansatz wurde z B von Horlacher et al in vorgestellt Darin wird ein real gemessener Temperaturverlauf ber die Gleitmittelwerte der Lufttemperatur in das Modell aufgenommen um den saisonalen Einfluss auf das Bauwerksverhalten genauer zu beschreiben TP 0 t arp Otni arpi frai Ot ni rpai Ot n2 Or p22 Dan lnal 6 2 mit btn Gleitmittelwert der Lufttemperatur ber n von Datum t zur cklie gende Tage Die Gleitmittelwerte k nnen dabei entsprechend variiert werden z B n1 5 Tage und n2 30 Tage um das Modell an beobachtete Temperaturverl ufe anzupassen 6 1 TALSPERRENUBERWACHUNG 109 Die deterministischen Verfahren beschreiben das Bauwerksverhalten ausschlie lich auf der Basis deterministisch angenommener physikalischer Zusammenh nge hierbei werden kei ne beobachteten Daten zur Modellbildung herangezogen Ein Vorteil der deterministischen Verfahren ist dass die rein determistischen Verfahren auch eine Betrachtung von Extrem situationen erlauben Zur Diskretisie
17. String Rcommand o a nn OD FF O N Hr String ret null try if Rcommand trim length 0 do nothing command is empty cor Pe else Execute command in R REXP xp c parseAndEval Rcommand ret xp asString Rh e e e e pp N ODO a A W N e 00 u 5 6 NUTZUNG VON MESSDATEN 99 19 catch RserveException rse 20 RserveException transport layer 21 e g Rserve is not running 22 logger error rse getMessage 23 catch REXPMismatchException mme 24 REXP mismatch exception we got something 25 we didn t think we get 26 logger error mme get Message 27 catch Exception e 28 something else 29 logger error Unexpected error e getMessage 30 31 return ret 32 Um die visuelle Auswertung von Messdaten effektiv zu unterst tzen wird der Verhaltens baustein RServerBehaviour so erg nzt dass auch das Versenden von Grafiken m glich ist Grafiken k nnen somit durch die Eingabe entsprechender Anweisungen in der grafischen Benutzungsschnittstelle des pers nlichen Agenten lokal erstellt und betrachtet werden Die Grafik wird dazu vom Benutzer ber den pers nlichen Agenten angefordert auf dem Ser ver berechnet und als Inhalt einer Agentennachricht vom Statistikagenten zum pers nlichen Agenten transportiert Auf der Seite des pers nlichen Agenten wird die Grafik dann entpackt und in einem Dokumentfens
18. g 2engl Semantic Web for Earth and Environmental Terminology Sammlung mehrerer Ontologien der NASA die Begriffe zur Erd und Umweltbeobachtung definieren 5 8 MONTORING ONTOLOGIE 103 Stanford Center for Biomedical Informatics Research 08 wobei aus den modellierten Kon zepten Pr dikaten usw mittels des Beanynizer Plugins Braubach 05 Klassen fiir das Java basierte Ontologiemodell vgl Unterabschn 3 3 5 der verwendeten Agentenplattform JADE generiert wurden KAPITEL 5 IMPLEMENTIERUNG 104 E H ad Luoustousyd UODEAIISSIONUISQVY UODEARSQOIITOSIIT JUAUI3 MS LITA UO RA I3SQO IOSIJLO 59 1Ye apadt En oe Ad JU3UI3 MSE oul UODEARSAIO est E eshda9u0 JuoTEAIISIO meet mr UONEAIISIO A sm so HAS IMYEIISIARSIO gos AjguenOstH est es BST_ RST adALuoWwwousUg J93M0 JO SUISTE JMOYHAPIALIS QU est uowuouwyd yu xa duo 5 4391109 ach ag aam JuoNeARsgo syUJOJNpPoAg est Eu est _ ASI EST J3M0J0 SUISTE J GPIALIS qrun yu ajdurs BSI AUO IJPIALISP est BST BST opa regen SUOTEARSIO 21018 r 13 QUI3PT JUISL mem UO ISIAH Abbildung 5 19 Entwickelte Bauwerksmonitoring Ontologie 5 9 VERTEILUNGSKONZEPT FUR DIE PRAXIS 105 5 9 Verteilungskonzept fiir die Praxis Die oben beschriebene Grobarchitektur des Bauwerksmonitoringsystems wird durch ein ex emplarisches Verteilungskonzept fiir die Systemkomponenten verfeinert
19. id 1 27 id 4 28 id 6 29 ch A 30 id 0 31 phenomenonType vgl rs engl Structured Query Language Datenbanksprache f r relationale Datenbanksysteme Hibernate Query Language Abfragesprache des Mapping Frameworks Hibernate 94 KAPITEL 5 IMPLEMENTIERUNG 32 Temperature 33 name Temperature 34 phenomena sequence 35 id 0 36 quantity 37 Quantity 38 units 39 Kelvin 40 name Kelvin 41 symbol K 42 id 0 43 amount 4 828000068664551 44 id 0 Die serialisierte Darstellung des Messwertes beginnt mit den Slots fiir den Zeitpunkt der Messung samplingTime und den Zeitpunkt des Ergebnisses resultTime Die Informationen zum Objekt bzw zur Eigenschaft feature auf die sich die Messung bezieht sind in den Zeilen 10 bis 30 zu finden An dieser Stelle wird ein Objektgraph serialisiert da die Eigenschaft Feature hierarchisch untergliederbar ist Danach folgen die Informationen zum beobachteten Merkmal phenomenonType zum Wert quantity sowie zur Einheit units der Messung Da die auf der FIPA SL basierende Darstellung und der sich daraus ergebende JADE interne Serialisierungsmechanismus hinsichtlich der Performanz nicht optimiert sind musste eine skalierbare L sung f r die bertragung der Messdaten implementiert werden die die robuste bertragung gro er Datenmengen sicherstellt Zu diesem Zweck wird das FIPA Request Interaktionsprotokoll so erweitert dass die Messwerte in Paketen vorgegeb
20. nlicher Agent zur Verf gung der den Zugriff auf alle verteilt gespeicherten Messdaten erm glicht 6 4 1 Auswahl und Ansicht der Messschriebe Der Abteilungsleiter erstellt den j hrlichen Sicherheitsbericht nach f r die Ennepetalsperre Hiernach sind die Ergebnisse der Messungen und die Beobachtungen zusammenzustellen und hinsichtlich der Talsperrensi cherheit zu beurteilen Der Schwerpunkt ist dabei auf die Darstellung der Messergebnisse zu legen w hrend eine mathematisch statistische Analyse mittels geeigneter Verfahren der sog vertieften berpr fung vorbehalten bleibt die alle 10 Jahre durchgef hrt werden muss Zur Analyse wird der pers nliche Agent des ABT gestartet und im Bereich Sensor Data des Data Center die Namen der Messstellen eingegeben Da zun chst die Verformungen der Staumauer von Interesse sind wird F2PX Pendellot in Profil F2 als Name der Messstelle ein gegeben Danach wird der gew nschte Zeitraum ausgew hlt Da die Messdaten als Diagramm aufbereitet werden sollen wird ein Diagram angefordert und die Datenabfrage gestartet vgl Abb 6 9 122 KAPITEL 6 VALIDIERUNG Sensor Data Sensor Mo D MM De Dn Sa So sz ya se F2PX From 79904100 EA E zznusmez 08 10 2009 To 18 12 2009 Mo Di Mi Do Fr Sa So 123 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 Heute ist der 18 Dezember 2009 TEA nrane Y Abb
21. weil dieser allgemein anwendbar ist ohne zus tzliche Konfiguration auskommt und sich somit sehr gut f r den Dateivergleich in einem dynamischen Umfeld eignet Im zweiten Schritt werden dann die in der Messdatei als neu erkannten Zeilen weitergeleitet in Messwertobjekte transformiert und schlie lich mit den bereits erfassten Messgr en vergli chen 4 4 3 Rechnerbasierte Prognose des Bauwerksverhaltens Zur automatisierten Bewertung der Messdaten ist es essentiell wichtig Messwerte mittels quantitativer Modelle berechnen zu k nnen um Vergleichswerte f r die gemessenen Werte zu erhalten Prototypisch wird deshalb f r das Bauwerksmonitoringsystem ein Prognosemo dell erstellt das zur automatisierten Bewertung der Messdaten in der Fachdom ne Talsper ren berwachung verwendet werden kann Zu diesem Zweck wurden mehrere Analyse und Prognosemodelle aus der Talsperren berwachung evaluiert als ein f r die Prognose des Bau werksverhaltens geeigneter Ansatz wurde die HST Methodd eruiert vgl Mittrup 05 Die HST Methode erlaubt es die Zielgr e Verformung auf der Basis der Einflussgr en Stauh he Temperatur und zeitabh ngige plastische Verformung zu berechnen Die Anwendung der HST Methode auf die Messdaten des Referenzbauwerks Ennepetalsperre ist in Abb dargestellt Die Koeffizienten des Funktionsansatzes wurden auf der Basis realer Messdaten ermittelt Der Vergleich zwischen gemessenen und be
22. 1 5 Mann Whitney Test 141 AAA AAA 142 143 aaa sa aes eee ee oie eae G4 144 Labo ea 144 nn ua be ou ames 145 oras haw 146 oro ya 147 fans bh ORG RE es 148 A 149 aboga ea 150 BEES 151 en 152 TEA IEEE 153 TEA 155 AIN 156 C 4 1 Sensorikagentl nen 156 C 4 2 Messdateiagent 2 2 222 Co a 156 0 4 3 Datenverteilungsagent ooa a o a a a a a 157 C 4 4 Datenverarbeitungsagent 2 nn nn 157 C 4 5 Datenspeicherungsagent 2 22 a a a a 158 0 4 6 Berichtsagent 2 2 CC Co a 158 AT Filteragent 4 466456834485 A Ee a A en A 159 AS Statistikagent ooo a a ee Hm 159 C 4 9 Pers nlicher Agent 160 0 4 10 Observer Age 161 C 5 Dienstbeschreibungen 2 22 Coon nenn 162 C 5 1 Sensorikagent e 162 0 5 2 Messdatelagedtl moon een 162 0 5 3 Datenverteilungsagent 0o oa a a a a a 162 C 5 4 Datenverarbeitungsagent 2 2 2 CC a 163 95 Statistikagent bb scs ee PARES EER POE diret amp Hee ei 163 C 5 6 Datenspeicherungsagent 2 ao a a a o 163 0 5 7 Pers nlicher Agent 22 2 CC e e 164 Literaturverzeichnis 175 Abbildungsverzeichnis een dagen eae mee 4 Dados Espada os 5 2 1 Degradation der Bauwerkstragf higkeit 10 WEE 14 2 3 Inhalte f r ein Monitoringkonzept nn 15 2 4 Messstrategien f r das Langzeitmonitoring 2222 2 nn nn 16 2 0 Messgr en e o 17 2 6 Bewertungsverfahren 2 CC
23. Abk rzung CSHM engl Civil Structural Health Monitoring f r das SHM an Bauwerken verwendet 2 2 BAUWERKSMONITORING 15 Bauwerksmonitoring Phanomen St tzmauern Stauanlagen Hochbauten Andere Verhalten Elektrische Optische Akustische Mechanische Geod tische Schadens fortschritt Aktion Lasten Umwelt Reaktion Verformung Alterung Andere Sch den Abbildung 2 3 Wichtige Inhalte fiir ein Monitoringkonzept nach Santa Santa 05 mente eingrenzen Santa 05 In einem ganzheitlichen Monitoringkonzept sind schlie lich auch Strategien zur Schadenserkennung und Bewertung der Bauwerkssicherheit zu entwerfen 2 2 3 Dauer und Frequenz von Messungen Ein wichtiger Teil des Konzepts ist zun chst die Festlegung der Dauer und der Frequenz von Messungen der sog Messstrategie Die Messstrategien k nnen dabei hinsichtlich der Uberwa chungsdauer in die i Kurzzeit und ii Langzeitiiberwachung unterteilt werden Die Auswahl einer Messstrategie richtet sich primar nach den zu erfassenden Bauwerksph nomenen Die Kurzzeittiberwachung ist eine Messstrategie um den Zustand eines Bauwerks zu einem be stimmten Zeitpunkt zu untersuchen Die Kurzzeit berwachung kommt blicherweise dann zur Anwendung wenn die Sicherheit des Bauwerks entweder aufgrund eines entdeckten Mangels bzw Schadens am Bauwerk oder durch nderungen nderung der Verkehrslasten nderun gen am Tragsystem Ert chtigung des Bauwerks usw beu
24. Agent aufgrund von u eren Umst nden von einem Zustand in den anderen ndert sich auch sein Verhalten Von Vorteil ist dass die Subsumptionsarchitektur nach oben offen ist Auf den h chsten Ebenen finden aufwendige T tigkeiten ihren Platz Verzichtet man darauf reagiert der Agent im Rahmen seiner Handlungsweisen unmittelbar auf die Umgebung und reagiert damit in vielen F llen sehr robust 34 KAPITEL 3 MULTIAGENTENSYSTEME Agent mit Subsumptionsarchitektur Reasoning about behaviour of objects Avoid obstacle Abbildung 3 3 Subsumptionsarchitektur nach Brooks Brooks 85 3 2 3 Hybride Architekturen Hybride oder geschichtete Architekturen erlauben sowohl ein reak tives als auch ein deliberatives Agentenverhalten F r die erforderliche Flexibilit t kombi nieren Agenten mit hybrider Architektur ein reaktives mit einem deliberativen Subsystem Die einzelnen Subsysteme des Agenten werden dabei in hierarchischen Schichten angeordnet Innerhalb der Schichtenarchitektur sind prinzipiell zwei Kontrollfliisse m glich eine horizon tale oder eine vertikale Schichtung Bei einer horizontalen Schichtung werden die einzelnen Schichten direkt mit den Sensoreing ngen und den Aktorausg ngen verbunden Der Vorteil dieser Architektur ist ihre Einfachheit da der Agent bei n Verhalten n Schichten besitzt Es kann jedoch bei der Verarbeitung von Sensoreingaben zu Inkonsistenzen zwischen den ein zelnen Schichten kommen sodass eine Vermit
25. Bettzieche Vertiefte Analyse von Messwerten der Talsperren berwachung Wissenschaftliche Berichte Wissenschaftliche Zeitschrift der Hochschule Mittweida FH 165 166 LITERATURVERZEICHNIS 2002 Bilek 06 J Bilek Vernetzt kooperative Tragwerksplanung mit ingenieurspezifischen Soft wareagenten Doktorarbeit Fakult t fiir Bauingenieurwesen Ruhr Universit t Bochum 2006 Bloch 04 M Bloch Entwicklung eines Software Agenten zur Verwaltung komplexer Daten best nde aus dem Bauwesen Diplomarbeit Lehrstuhl fiir Ingenieurinformatik im Bauwe sen Ruhr Universit t Bochum 2004 B cker 05 D B cker Statistische Analyse von Messdaten aus der Talsperren berwa chung Diplomarbeit Lehrstuhl f r Hydrologie Wasserwirtschaft und Umwelttechnik Ruhr Universit t Bochum 2005 Bond 88 A H Bond L Gasser An Analysis of Problems and Research in DAI In A H Bond L Gasser Hrsg Readings in Distributed Artificial Intelligence Seiten 3 35 Mor gan Kaufmann San Mateo Kalifornien 1988 Botts 07 M Botts A Robin OpenGIS Sensor Model Language SensorML Implementa tion Specification OpenGIS Publicly Available Standard OGC 07 000 Open Geospatial Consortium 2007 Bratman 87 M Bratman Intention Plans and Practical Reason Harvard University Press Cambridge MA USA 1987 Braubach 05 L Braubach A Pokahr A Walczak Jadex beanynizer http jadex Online Quelle 2009 09 01 Brazier 95 F
26. Datenerfassung zun chst in Rohdatenform vor und m ssen vor der Speicherung in das gew nschte Zieldatenformat gebracht werden Das Multiagen tensystem soll deshalb die Funktionalit t besitzen automatisiert erfasste Messwerte aus den Speichern der Datenerfassungssysteme oder aus Dateien zu extrahieren die Messwerte um zuwandeln und in eine Zieldatenbank zu laden bzw an anderer Stelle abzulegen Dieser An wendungsfall schlie t keine menschlichen berwachungsbeteiligten ein und wird von Agenten des Multiagentensystems automatisiert ausgef hrt Anwendungsfall AF8 Messdaten extrahieren Umfang Bauwerksmonitoringsystem Ebene Subfunktion Prim rakteur Agent Datenerfassung Akteur und Interessen Agent Datenerfassung Will Messwerte zur Weiterverarbeitung von Quelle zu Ziel transportieren Agent Datenverarbeitung Standardablauf 1 Messwerte liegen nach der Erfassung in Dateiform vor 2 System holt Datei von Quelle ab 3 System transportiert Datei zum Ziel Erweiterungen Alternative Abl ufe a Messdaten liegen in internem Speicher des DAQ Systems vor Spezielle Anforderungen Interaktion mit in situ installierten Datenerfassungssystemen insbesondere Datenloggern 152 ANHANG C ARTEFAKTE UND MODELLE C 1 9 Anwendungsfall AF9 Rohdatenformate verarbeiten Anwendungsfall AF9 Rohdatenformate verarbeiten Messdaten aus Rohdatenformat verarbeiten und in Zieldatenformat bringen Anwendungsfall AF8 Rohdatenf
27. Form eines S ulen 6 3 PLAUSIBILITATSKONTROLLE DER MESSWERTE 119 diagramms dargestellt Darunter befindet sich ein S ulendiagramm mit den aktuellen Sicker wassermengenmessung aus dem Kontrollstollen der Staumauer Auf der rechten Seite des Fensters sind zwei Zeitreihendiagramme zur Visualisierung der aktuellen Porenwasserdruck und Verformungsmessungen angeordnet Im vorliegenden Fall stellt der Talsperrenmeister nach Betrachtung der Messdaten fest dass die aktuellen Messdaten keine ungew hnlich hohen Werte aufweisen sondern hinsichtlich Gr e und Verlauf plausibel sind und kritische Ver nderungen des Staubauwerks ausgeschlos sen werden k nnen Offensichtlich handelt es sich bei dem festgestellten Ausrei er um einen Messfehler der durch eine ussere St rung des Messprozesses verursacht wurde Dies ist bei der Messung der Verformung z B durch eine Ber hrung des Lotdrahtes oder durch Kon denswasser auf den optischen Sensoren m glich Der TSM informiert somit den Leiter der Betriebsstelle und teilt ihm mit dass von der Lotanlage im Profil F2 zwar einzelne Messfehler vorliegen aber dennoch nach Pr fung der aktuellen Messwerte kein St rfall festzustellen ist 6 3 3 Kurzfristige Kontrolle der Messwerte Der Talsperreningenieur TSI ist als Leiter der Betriebsstelle verpflichtet die Meldung des Talsperrenmeisters zu berpr fen Ihm obliegt es grobe Abweichungen der Messwerte zu erkennen aber vor al
28. Idee der Multiagentensysteme MAS k nstlichen rechnerba sierten Organisationen deren kollaboratives Probleml sungsverhalten auf der Kooperation der einzelnen Agenten beruht und die nach der jeweiligen Problemstellung in Suborganisa tionen strukturiert sind In dieser Arbeit wird ein Multiagentensystem nach Bond amp Gasser als ein Softwaresystem aufgefasst in dem mehrere Agenten durch die Koordi nation ihres Wissens sowie ihrer Ziele F higkeiten und Pl ne gemeinsam handeln und so Probleme l sen Die Agenten eines MAS k nnen als autonome Softwarekomponenten betrachtet werden die im Gegensatz zu Diensten Services nicht nur reaktives sondern auch proaktives Verhalten zeigen k nnen Sie sind f r die ihnen zugewiesenen Prozesse zust ndig und werden in den Softwaresystemen eingesetzt um das Erreichen von Zielen zu berwachen H ufig besitzen die Agenten detaillierte Ausf hrungspl ne die das Erreichen von zuvor definierten Teilzielen unterst tzen und auf diese Weise zum Gesamtziel hinf hren Im Folgenden werden die Begriffe Agent und Softwareagent synonym verwendet 30 KAPITEL 3 MULTIAGENTENSYSTEME Mit Hilfe von Multiagentensystemen l sst sich die Konstruktion komplexer Systeme vereinfa chen indem eine Abstraktionsebene eingef hrt wird in der autonome interagierende Akteure die Agenten das System steuern und berwachen Neu am Multiagentensystemansatz ist also der Anspruch
29. Infrastructure San Diego CA USA March 2003 LITERATURVERZEICHNIS 171 Maes 95 P Maes Artificial life meets entertainment Lifelike autonomous agents Commu nications of the ACM Special Issue on New Horizons of Commercial and Industrial Al 38 11 108 114 November 1995 Maierhofer 03 C Maierhofer M Krause E Niederleithinger H Wiggenhauser Non destructive testing methods at bam for damage assessment and quality assurance in civil engineering Tagungsband International Symposium on Nondestructive Testing in Civil Engineering Berlin 2003 Marx 06 A Marx Entwicklung eines Software Agenten zur Integration von FEM Software in ein agentenbasiertes Talsperren Monitoring System Diplomarbeit Lehrstuhl f r Inge nieurinformatik im Bauwesen Ruhr Universit t Bochum 2006 Masera 95 A Masera S Lancini F G Piccinelli Application of a Knowledge Support System to Dam Safety a User Report Tagungsband IABSE Colloquium Knowledge Support Systems in Civil Engineering Seiten 217 220 Bergamo 1995 International Association for Bridge and Structural Engineering Mayfield 96 J Mayfield Y Labrou T Finin Evaluating KQML as an Agent Communica tion Language Intelligent Agents II LNAI 1037 347 360 1996 Mehdianpour 04 M Mehdianpour W R cker R G Rohrmann Zur Tragf higkeitsbewer tung bestehender Bauwerke Stahlbau 73 4 236 241 2004 Metzler 04 H Metzler Die Erhaltung von B
30. Interaktion mit Mess und Datenerfassungssystemen ein Sensorikagent in der Klasse HardwareSensorsAgent verwendet Andererseits wird zur losen dateibasierten Kopplung mit den bestehenden Mess und Datenerfassungssystemen ein Messdateiagent in der Klasse FileSensorsAgent implementiert In den folgenden Unter abschnitten wird zun chst die Implementierung der spezifizierten Verantwortlichkeiten in die Agententypen und anschlie end die Realisierung der Kommunikation mit Mess und Daten erfassungssystemen erl utert 5 2 1 Sensorikagent Der Sensorikagent wird im Paket de rub bi inf monitoring sensors realisiert Das Paket besteht aus dem Sensorikagenten HardwareSensorsAgent sowie den Verhaltensbausteinen vel hierzu auch Unterabschn 3 4 3 9 2 ERFASSUNG VON MESSDATEN 3 zur Abbildung des Agentenverhaltens Die Verhaltensbausteine werden auf der Basis der Ver antwortlichkeitentabelle in C 1 identifiziert und in entsprechenden Klassen softwaretechnisch umgesetzt In Abb 5 2 sind die Verhaltensbausteine des Sensorikagenten sowie der Kontroll fluss innerhalb des Agententypen schematisch dargestellt HardwareSensorsAgent ee ZH gez Bi DescribeSensorsBehaviour i N WriteBehaviour ReadBehaviour Abbildung 5 2 Verhaltensbausteine des Sensorikagenten Es werden insgesamt sechs Verhaltensbausteine implementiert die die Hauptverantwortlich keiten die i zeitgesteuerte Erfassung von Messgr en ii Komm
31. Teststatistik wird berechnet zu 1 n n n2 2 2 2 Le L4 La 1 1 1 1 n 5 na 5 AA A ES Ist Fehow gr er als die 1 a 2 Quantile der F Verteilung mit k und n na 2k Freiheits sraden kann die Nullhypothese nicht verworfen werden und es liegt ein Sprung vor Fehow B 20 Ferow gt Ficaja k n n2 2k B 21 Anhang C Artefakte und Modelle aus der Analyse und Entwur sphase 144 ANHANG C ARTEFAKTE UND MODELLE C 1 Anwendungsf lle Im Folgenden werden die Anwendungsf lle beschrieben die der Konzeption des Multiagen tensystems zugrunde gelegt wurden Die Beschreibung basiert auf der in be schriebenen formalen Darstellung C 1 1 Anwendungsfall AF1 Bauwerksph nomene erfassen Anwendungsfall AF1 Bauwerksph nomene erfassen Eine der wichtigsten Funktionalit ten des zu entwickelnden Bauwerksmonitoringsystems be steht in der automatisierten Erfassung von Bauwerksph nomenen Da die Durchf hrung des physikalischen Messvorgangs durch den Einsatz von Mess und Datenerfassungssyste men weitgehend automatisiert ist gilt es f r die Nutzer einen Fernzugriff auf die Hardware komponenten zu realisieren Die Nutzer konfigurieren dabei prim r die in situ installierten Mess und Datenerfassungssysteme die Erfassung erfolgt danach autonom auf der Basis der Ger tekonfiguration Die Datenerfassungssysteme sollen deshalb ber das Multiagentensys tem zugreifbar und steuerbar sein An
32. Weitergabe der Dateien zwischen den berwachungsbeteiligten erfolgt per Email oder per Datentr ger An der Auswertung der Messdaten sind verschiede ne Fachdisziplinen insbesondere Geologen und Vermesser beteiligt Die Messdaten werden von verschiedenen berwachungsbeteiligten mit unterschiedlichen Zielsetzungen analysiert und abschlie end von einem Statiker Fachingenieur ausgewertet Dieser Statiker nimmt ei ne Sicherheitsbewertung vor und verfasst einen entsprechenden Bericht Die Auswertung der Messdaten durch den Geologen und Vermesser erfolgt in ca halbj hrlichen Intervallen Die Sicherheitsbeurteilung und die Berichtserstellung wird j hrlich durchgef hrt 4 1 ANALYSE EINES MONITORINGABLAUFS 59 Start DAQ TS Meister TS Ingenieur Geologe Vermessungs Statiker Betriedsstelle Betriebsstelle Betriebsstelle Zentrale ingenieur Fachingenieur Zentrale Zentrale Aufbereitung Kontrolle Speicherung Geol Analyse Geod Analyse BE EEE BEE EEE O Ende Abbildung 4 2 Beispielhaft betrachteter Monitoringablauf der Ennepetalsperre UML Aktivit tsdiagramm 56 KAPITEL 4 KONZEPTION 4 1 3 Formalisierung F r eine bessere bertragbarkeit auf andere Bauwerkstypen wie Br cken oder Tunnelbauwer ke wird der Monitoringablauf von bauwerksspezifischen Arbeitsschritten abstrahiert und als ein generischer Prozess formalisiert Der Monitoringablauf umfasst eine Reihe sowohl manuell als auch automa
33. Weiterhin ist auch zu ber cksichtigen dass die Speicherung von Messdaten vorwiegend in lokalen Datenbanken erfolgt und die verteilt gespeicherten Messdaten f r die berwachungsbeteiligten zugreifbar sein m ssen Schlie lich soll auch untersucht werden wie die Verarbeitung und Auswertung der durch das Bauwerksmonitoring erhobenen Messdaten computerbasiert unterst tzt werden kann Die laufende Erfassung von Bauwerkph nomenen produziert vor allem bei der Messung von dynamischen Prozessen eine gro e Datenmenge die gezielt gefiltert umgewandelt und aufbereitet werden muss um f r die weitere Verarbeitung n tzlich zu sein Da dieser Ar beitsschritt ohne eine geeignete Computerunterst tzung einen hohen manuellen Arbeitsauf wand erzeugen kann sollen in dem zu entwickelnden Multiagentensystem geeignete Methoden zur Datenverarbeitung und analyse verf gbar sein Die Analysemethodik muss hierbei idea lerweise die Auswirklungen sich ndernder Umgebungs und Betriebsbedingungen auf das Bauwerksverhalten ber cksichtigen um anormale Bauwerkszust nde und schleichende zeit abh ngige Sch digungsprozesse erkennen zu k nnen 4 1 2 Monitoringablauf Als Grundlage f r die Entwicklung eines Bauwerksmonitoringsystems wird ein exempla rischer Monitoringablauf analysiert der in der Praxis zur messtechnischen Dauer berwa chung von Talsperren durchgef hrt wird Beispielhaft betrachtet wird der berwa
34. Wooldridge Introduction to Multiagent Systems John Wiley amp Sons Inc New York NY USA 2001 Wooldridge 95 M Wooldridge N R Jennings Intelligent Agents Theory and Practice Knowledge Engineering Review 10 2 115 152 1995 Zambonelli 03 F Zambonelli N R Jennings M Wooldridge Developing multiagent sys tems The Gaia methodology ACM Transactions on Software Engineering and Methodo logy TOSEM 12 3 317 370 2003 Ziegler 07 C Ziegler Sinn oder nicht Sinn c t Magazin f r Computertechnik 21 172 2007
35. angewendet Beispiele finden sich in Farrar 99 Farrar 00 Sohn 01 oder In neueren Ans tzen werden modellfreie Verfahren verst rkt auf statische Bauwerkspara meter wie Verformungen und Spannungen angewendet um Sch den zu erkennen In der Doktorarbeit wird z B ein sehr interessanter auf der Hauptkomponentenanalyse beruhender Ansatz zur Identifikation anormaler Daten angewendet Seit langem angewendet werden modellfreie Verfahren in der Talsperren berwachung z B in oder in abgewandelter Form in seit kurzem aber auch in der berwachung von Br ckenbauwerken Lanata 05 Einen alternativen sehr aktuellen Ansatz zur automatisierten Schadenserkennung an Bau werken stellt die Anwendung von Data Mining Techniken Witten 99 auf dynamische sowie statische Bauwerksparameter dar Das Data Mining wurde in anderen Bereichen insbesondere im Banken und Wirtschaftssektor bereits erfolgreich zur Extraktion von Mustern und Wis sen aus Massendaten eingesetzt Die Anwendung des Data Mining wird deshalb gegenw rtig auch im Bauingenieurwesen untersucht In wird z B ein Clustering Algorithmus zur Analyse von Messdaten Klassifikation von Messwerten aus der Schallemissionsanalyse in einem drahtlosen Sensornetzwerk verwendet 2 2 8 Bewertung der Bauwerkssicherheit Unter Ber cksichtigung der oben erl uterten Einzelstrategien ist ein Bauwerksmonitoring system schlie lich auf die zur Sicherheitsbewertung des Bauwerks angewendeten Verfah
36. ansehen und Messdaten archivieren sowie die ma gebenden Nutzer des Bauwerksmonito ringsystems enth lt Das Diagramm zeigt dass die Steuerung von Datenerfassungssystemen DAQ Systeme ein eigener Anwendungsfall ist der von den Anwendungsf llen Messgr e erfassen und Messdaten ansehen miteingeschlossen wird Es ist in diesem Zusammenhang zu beachten dass die in situ installierten automatisierten Mess und Datenerfassungssysteme externe Akteure des Monitoringsystems sind mit denen das zu entwickelnde Bauwerksmoni toringsystem zur Erfassung von Messgr en interagieren muss Der Hauptgrund f r die Be handlung der Mess und Datenerfassungssysteme als externe Akteure ist dass die Erfassung von Messgr en mittels Mess und Datenerfassungssystemen durch die Erstellung und bertragung von Messprogrammen zwar von au en gesteuert werden kann der Daten erfassungsvorgang auf der Basis der installierten Hardwarekomponenten jedoch weitgehend automatisiert und ohne u ere Kontrolle erfolgt Aus diesem Grund wird in in Abschnitt 4 5 1 ein eigenes Konzept zur Einbindung von Mess und Datenerfassungssystemen entwickelt Eine ausf hrliche formale Beschreibung aller relevanten Anwendungsf lle ist dem Anhang Anwendungsf lle zu entnehmen 60 KAPITEL 4 KONZEPTION 4 2 2 Erstidentifikation von Agententypen Die Grobmodellierung eines Multiagentensystems erfolgt durch Erstidentifikation von geeig
37. die Auftragnehmer Agenten als Antwort auf die Aus schreibung und 3 die Beurteilung der abgegebenen Angebote 1 Ausschreibung 2 Bieten 3 Vergabe Manager Manager Manager O O OO OO OO Contractors Contractors Contractors o o o Abbildung 3 5 Phasen des Contract Net Interaktionsprotokolls Im Vorgriff auf Kapitel 4 sei erw hnt dass die Koordination in dem in dieser Arbeit entwi ckelten Multiagentensystem auf der Einf hrung einer hierarchischen Organisationsstruktur in Verbindung mit einer dynamischen Auftragsvergabe an spezialisierte Agenten Auf die Darstellung weiterer Ans tze zur Agentenkoordination wie die Multiagentensystemplanung Georgeff 83 Georgeff 84 oder Verhandlung wird aus diesem Grund an dieser Stelle verzichtet 3 3 5 Ontologien Ontologien sind ein informatischer Ansatz zur eindeutigen formalen Darstellung und Orga nisation von dom nenspezifischem Wissen der im Bereich der Multiagentensysteme sowie anderen Informatikbereichen wie dem semantischen Web oder der Bioinformatik zur An wendung kommt Mittels einer Ontologie wird ein Ausschnitt der realen Welt auf ein com puterverarbeitbares Modell abgebildet das die relevanten Begriffe engl concepts dieses Weltausschnitts der sog Dom ne enth lt Dieser Vorgang wird nach als Kon zeptualisierung bezeichnet Eine Ontologie ist eine formale explizite Spezifikation einer gemeinsamen Konzeptualisierung Ontologien k nnen
38. eee 96 56 1 Berichtsagent errada a a Ye Reem a 96 00 2 Filteoracenti esos ow eo ee a AA 97 5 6 3 otatistikapent 4 24 4 Awe be aw aw DRA a a ewe a Os 98 5 6 4 Pers nlicher Agent ao 99 5 7 Selbstdiagnose Selbst berwachung 101 9 7 1 System berwachungsagent e 101 ee ee 101 ee ee eae eee eee ee 104 6 Validierung 107 6 1 Talsperrenitiberwachung 2 2 2 2 ee ee 107 6 1 1 Analyse und Prognosemodelle f r Staumauern 107 6 1 2 Talsperren berwachung nach DIN 19700 2 109 SSES 112 6 2 1 Referenzsystem Ennepetalsperrel e 112 ee TAN 114 AI eee ee ee ee 116 6 3 Plausibilit tskontrolle der Messwertel 2 2 2 2 2 En nn nn 116 6 3 1 Erkennung grober Abweichungen und rechnerbasierte Vorbewertung 116 EEE ee eee eae ee 117 Aa ae 119 EEE a a 121 6 4 1 Auswahl und Ansicht der Messschriebel 22222222200 121 nn 123 SEENEN 125 6 5 Zusammenfassende Wertung 127 7 Zusammenfassung und Ausblick 129 7 1 Zusammenfassung 4a wu dws oR we Ew SKE a nd 129 eRe ee eee ee eee eee ee ee 130 ES Ms ehre EEN 131 IV Anhang 133 135 ER 135 A 136 AAA 136 A 2 2 Anschlussm glichkeiten f r Sensoren 222222222 136 A 2 3 Interner Speicher 136 A 2 4 Schnittstelle zum externen Rechner 0 4 137 A 3 Datenlogger DataTaker DT600 e 137 iv INHALTSVERZEICHNIS 139 aaa as Saa 139 cenar arias evo 139 adas naa rada ETC 139 A 140 EA 140 B
39. ein kooperationsunterst tzendes Multiagentensystem in dem die Gesamtl sung der verteilt kooperativen Planungsaufgabe 46 KAPITEL 3 MULTIAGENTENSYSTEME schrittweise durch mehrere Agententypen erfolgt die auf der Basis eines formalisierten Pla nungsprozesses zur Probleml sung miteinander interagieren Das Zusammenspiel der Fach planer Softwareagenten und den eingesetzten planungsspezifischen Ressourcen wurde auf der Basis eines hierarchischen Drei Ebenen Ansatzes gel st vgl Abb 3 10 Fachplaner Unterst tzung Kooperations Agenten Wrapper Agentensystem Ebene Agenten fachspezifisch zugeschnittene Software Agenten Prozess Agenten Zugriff Einbettung Ressourcen Ebene Petri Netze MaS INE Daten ANSYS Software FE Software Wissen DENT EIA Normen Abbildung 3 10 Drei Ebenen Modell aus Bilek 06 Auf der Ebene der realen Welt befinden sich dabei die menschlichen Aufgabentr ger die auf der n chst tieferen Ebene der Agentensystem Ebene durch mehrere Software Agenten in ihren Planungst tigkeiten zielgerichtet und effektiv unterst tzt werden Auf der untersten Ebene der Ressourcen Ebene wurden die notwendigen planungsrelevanten Ressourcen wie z B spezifische Ingenieur oder Standardb rosoftware und Produktdatenmodelle angeord net Der Planungsprozess wurde auf der Basis dieses Grobkonzepts durch mehrere Teilmo delle f r die planungsre
40. erm glichen vgl Unterabschn 2 2 6 baw 2 2 7 SHM Systeme liefern hierbei auf Anfrage Informationen ber jede signifikante Ver nderung oder Schaden an einer Struktur Mufti 011 Die Anwen dungsgebiete des SHM erstrecken sich ber das Bauingenieurwesen den Maschinenbau sowie die Luft und Raumfahrttechnik Der Aufbau von Bauwerksmonitoring und SHM Systemen wird in Abschnitt 2 3 erl utert 14 KAPITEL 2 STAND DER FORSCHUNG Das CSHM soll mittelfristig dazu beitragen die Bauwerksentwiirfe effizienter und 6konomi scher zu machen und die Tragf higkeit bestehender Bauwerke besser auszunutzen Es ist von sro er Bedeutung um innovative Konstruktionen zu berwachen und Daten bereitzustellen auf deren Grundlage wichtige nderungen in der Konstruktion erm glicht werden Auf dem Forschungsgebiet der intelligenten Materialien Strukturen engl smart materials structures wird das SHM gar als eine essentielle Technik betrachtet um langfristig intelligente Mate rialien bzw Bauwerke zu entwickeln die Lasteinwirkungen selbstt tig erkennen sich steuern und den neuen Bedingungen aktiv anpassen vgl Abb 2 2 komplex Materialien Strukturen mit Form oder Vibrationskontrolle aterialien Auto adapt Detektion Steuerung Aktion Materialien Strukturen mit Health Monitoring Regelbare Materialien Detektion externe Steuerung Aktion Komplexit t one ee er m
41. implementiert der sich beim AMS registriert und auf wichtige Plattformereignisse wartet Die Interaktion mit dem AMS wird mithilfe der Klasse AMSSubscriber implementiert die als vorgefertigter Verhaltens baustein den Nachrichtenversand empfang wesentlich vereinfacht indem die Registrierung entsprechender EventHandler Klassen beim AMS unterst tzt wird Beispielhaft ist in Listing 5 4 die Implementierung und Registrierung eines Event Handlers f r das Ereignis dead agent dargestellt Listing 5 4 Interaktion mit dem AMS mittels des vorgefertigen Verhaltensbausteins AMS Subscriber 1 AMSSubscriber as new AMSSubscriber 2 protected void installHandlers Map handlers 3 EventHandler terminationsHandler new EventHandler 4 public void handle Event ev 5 DeadAgent da DeadAgent ev 6 logger warn Agent da getAgent getName 7 died 8 inform registered agents about event 9 e 10 E 11 12 ef 13 handlers put IntrospectionVocabulary DEADAGENT 14 terminationsHandler 15 16 5 8 Bauwerksmonitoring Ontologie Alle Agenten des Bauwerksmonitoringsystems werden mit grundlegendem Wissen ber die wichtigsten Begriffe und Konzepte der Dom ne Bauwerksmonitoring und ihre Zusam menh nge ausgestattet Dieses Wissen wird den Agenten in Form einer Ontologie bereit 102 KAPITEL 5 IMPLEMENTIERUNG gestellt Die entwickelte Ontologie fiir das Bauwerksmonitoring umfasst eine formale Be sc
42. in das textbasierte ACL Nachrichtenformat eine relativ gro e Datenmenge und als Folge daraus ein Speicher berlauf entstehen kant Die Zerlegung der Messdaten wird mittels der freien Java Bibliothek Super CSV implementiert da die Bibliothek den Verarbeitungsvorgang von CSV Dateien durch einen internen Validierungsmechanismus und ein konsequent objektorientiertes Kon zept sehr gut unterst tzt Die Anpassung des Datenverarbeitungsagenten an spezifische Da tenformate muss dabei f r jedes verwendete Dateiformat einzeln erfolgen da sich der Verar beitungsvorgang nicht verallgemeinern l sst F r jedes Dateiformat ist somit ein spezifischer Sengl comma separated values Standard f r einfach strukturierte Textdateien vgl hierzu auch Unterabschn 5 5 1 92 KAPITEL 5 IMPLEMENTIERUNG Daten verarbeiten Daten laden Daten zerlegen Daten umwandeln Messdaten Java Messdaten CSV Start Abbildung 5 9 Einzelschritte zur Datenverarbeitung UML Aktivit tsdiagramm Datenverarbeitungsagent innerhalb des Bauwerksmonitoringsystems vorzusehen Zur Iden tifikation eines Datenverarbeitungsagenten wird in der Dienstbeschreibung des Datenverar beitungsagenten die Eigenschaft format eingef hrt die Informationen ber das Dateiformat enth lt 5 5 Pflege von Messdaten 5 5 1 Datenspeicherungsagent Die Verwaltung und Archivierung erfasster Messdaten wird einem Datenspeicherungsagenten bertragen der prototypisch
43. in ihrer Umwelt Im Gegensatz zu deliberativen Agenten planen reaktive Agen ten ihre Aktionen nicht im voraus und bestehen aus mehreren sog Kompetenzmodulen die direkt mit den Sensoren Schnittstellen des Agenten verbunden sind Die Kompetenzmodule verarbeiten das Ereignis und steuern die Aktoren des Agenten Die bekannteste reaktive Architektur ist die Subsumptionsarchitektur von Brooks Brooks 85 Sie wurde von Brooks f r den Robotikbereich entwickelt und beruht auf der Hypothese dass ein in einer unbekannten Umgebung sich befindender Agent Roboter auf eine Karte einen Plan und sogar auf ein Ged chtnis verzichten k nnte und trotzdem in der Lage w re autonom zu agieren Den weit vorausplanenden deliberativen Agenten s o die lange rechneten und dann wenig taten stellte Brooks seine Idee einer Intelligenz ohne Repr sentation Brooks 91 gegen ber Ab Mitte der achtziger Jahre entwarf er erste Roboter nach dem neuen Prinzip das er als Subsumption Architecture bezeichnete Die Subsumptionsarchitektur verfolgt den eleganten Ansatz komplexes Verhalten auf einem Fundament simpler Verhaltensbausteine aufzubauen Die einfachen Kompetenzmodule des Agenten wie z B Avoid Obstacles werden von abstrakteren Handlungsweisen wie ex plore eingefasst oder subsumiert s Abb 3 3 Der Agent verf gt hierbei ber eine Reihe definierter Zust nde der aktuelle Zustand des Roboters ist stets eindeutig Wechselt der
44. in unterschiedlichen Ontologiesprachen mit jeweils unterschiedlicher Aus drucksst rke umgesetzt werden Als zugrundeliegender Standard hat sich hier die Extensible 40 KAPITEL 3 MULTIAGENTENSYSTEME Markup Language XML durchgesetzt Alle wichtigen Ontologiesprachen wie RDF bzw RDF Schema DAML of und OWL H sind XML basiert und erm glichen die Formu lierung elementarer Aussagen wobei die Eindeutigkeit von Konzepten durch sog Uniform Resource Identifierg 9 URIs hergestellt wird Einfache Aussagen bestehen aus Subjekt Pr dikat und Objekt sog Tripel und lassen sich untereinander zu einem Graph vernet zen H her entwickelte Ontologiesprachen erlauben schlie lich eine semantisch untermauerte logische Definition von Konzepten sodass auch ein maschinelles Schlussfolgern komplexer Sachverhalte m glich wird In Abbildung ist beispielhaft die Aussage Messung 1234 hat die Einheit Millimeter in RDF dargestellt Subjekt Pr dikat und Objekt sind jeweils durch eine URI definiert Das Pr dikat hat die Einheit wird im Beispiel durch die URI http www inf bi rub de monitoring hasUnit abgebildet http www units org millimeter http www inf bi rub de monitoring hasUnit http www observations org measurement id 1234 lt xml version 1 0 encoding UTF 8 gt lt rdf RDF xmins rdf http www w3 org 1999 02 22 rdf syntax ns xmiIns dag http www inf bi rub de monitoring gt lt
45. internes auf unterschiedliche Bauwerksarten anwendbares Datenmodell das die zentralen Begriffe der Dom ne Bauwerksmonitoring aufnimmt und mit einer semantischen Beschreibung verkn pft Das entwickelte Bauwerksmonitoringsystem wurde abschlie end an einem praxisorientierten Szenario aus der Talsperren berwachung validiert Anhand von mehreren Beispielen wurde gezeigt wie die Monitoringbeteiligten in der Bearbeitung blicher Arbeitsschritte unterst tzt werden Es wurde unter anderem erl utert wie die an einem Referenzbauwerk erfassten Mess sr en mithilfe des entwickelten Multiagentensystems analysiert und die Messdaten hinsicht lich der baulichen Sicherheit interpretiert werden k nnen 7 2 Bewertung der Ergebnisse Im Rahmen dieser Dissertation wurde das seit kurzem in der Ingenieurinformatik etablierte Agentenparadigma auf die Dom ne Bauwerksmonitoring angewendet Durch die konsequen te agentenorientierte Zerlegung des Monitoringproblems wird die wirklichkeitsnahe Abbildung des in der Praxis verteilt ablaufenden Monitoringprozesses und die Integration der beste henden Mess und Datenerfassungssysteme wie z B der vor Ort installierten Sensoren und 7 3 AUSBLICK 131 Datenerfassungsgerate erreicht Im Zentrum der entwickelten L sung stehen die kollaborativ ausgelegten Softwareagenten die jeweils spezifische Fachlogik zur Bearbeitung eines Arbeits schritts aufnehmen und durch ihr Zusammenwirken ein leistungsf higes M
46. more 20 ee 25 coa od 26 AN 30 a aa ee 33 ee ee E ee 34 3 4 HIPDA Reouest Jnteraktonsprotokoll 38 BEES 39 3 6 RDP Tripell misses oud we OOH oe eae we OO Ow EN 40 EEE 41 a a apodo 43 buenas 44 3 10 Drei Ebenen Modell aus Bilek pi 46 fassungssystemen Sytemskizze e 52 4 2 Beispielhaft betrachteter Monitoringablauf oa a aa a a 55 poet eee en ade ey ee ee EEEE ee es eau eae ee 56 fat te ao a aos 59 Se be eek eee ange eeeedeaseue oa 2 4 65 HESE 66 a 68 METE AAA 13 nara asadas dad 75 ee ee ee ee ee 76 4 11 Dom nenmodell f r das Bauwerksmonitoring 18 Be rav 84 aa ges eee es 85 5 3 Paket de rub bi inf monitoring sensors UML Klassendiagramm 86 vi ABBILDUNGSVERZEICHNIS dar ee ee ee 87 o 88 aaa 89 5 7 Paket de rub bi inf monitoring daq 90 e 91 5 9 Einzelschritte zur Datenverarbeitung UML Aktivit tsdiagramm 92 aa oh dais om os 92 EE 95 ee ee ass a e 96 5 13 Einzelschritte zur Berichtserstellung UML Aktivit tsdiagramm 97 a A 97 ETNIA 98 A 99 AA 100 EA eee es 101 AAA 103 EEE 105 REES 111 ERIN 112 6 3 Messquerschnitte der Ennepetalsperre und Lage der Messeinrichtungen 113 ee ae ee ee een 115 6 5 Unterfenster zur Visualisierung der automatisiert durchgef hrten Vorbewer SEENEN m7 6 6 Zugriff auf aktuelle Messwerte Online Daten 2 2 2 222 222 118 N 118 6 8 Automatis
47. n Die Mittelwerte der beiden Teilreihen werden dann anhand der Rangzahlen verglichen Die Ursprungsdaten werden dazu in aufsteigender Folge geordnet und in der Reihe t 1 N abgelegt und der Rang R y der Beobachtung y in der Reihe z berechnet Bei gleich gro en Rangzahlen ist das Mittel aus den Rangzahlen zu bilden vgl Gleichung D Lo Die Testgr e u wird berechnet W m N 1 2 Var 3 13 mit W X R y B 14 und Var W mn N 1 12 B 15 Es ist zu beachten dass bei Autreten von Bindungen d h bei gleichen Rangzahlen die Varianz von W verringert werden muss Var W Se x Ti EN dite ul B 16 mit g Anzahl der Gruppen gleicher Werte t H ufigkeit innerhalb der Gruppe 142 ANHANG B ANALYSEVERFAHREN B 1 6 Chow Test Aufbauend auf einem linearen Regressionsmodell wird beim Chow Test ein gegebene Zeitreihe auf einen potentiellen Strukturbruch untersucht Dazu wird die Gesamtreihe zun chst an einer bekannten oder angenommenen Bruchstelle in zwei Teilreihen zerlegt F r die Teilreihen wird jeweils ein lineares Regressionsmodell erstellt und dieses mit einem Regressionsmodell fiir die Gesamtreihe verglichen Das Regressionsmodell fiir k Variablen hat die Form Y Po FP EPA E Oe B 17 F r die Teilreihen werden zwei getrennte Modelle Y und Y der L nge n und na erstellt Y P10 ti BB Bik 1 B 18 Y Pa0 21X1 B22 X2 Gor 2 B 19 Die
48. r Rechnerori entierte Statistik und Datenanalyse Rserve TCP IP interface to R math uni augsburg de rserve Online Quelle 2009 12 08 Lei 03 Y Lei A S Kiremidjian K K Nair J P Lynch K H Law T W Kenny E Carryer A Kottapalli Statistical damage detection using time series analysis on a structural health monitoring benchmark problem Tagungsband Proceedings of the 9th International Con ference on Applications of Statistics and Probability in Civil Engineering San Francisco USA 2003 L cken 04 Th L cken Zur Schadensanalyse von Stahl und Spannbetonbriicken mit Fuzzy Expertensystemen Doktorarbeit Fakult t fiir Bauingenieurwesen Ruhr Universit t Bo chum 2004 Lynch 02a J P Lynch Decentralization of Wireless Monitoring and Control Technologies for Smart Civil Structures Ph d thesis Stanford University 2002 Lynch 02b J P Lynch A Sundararajan K H Law A S Kiremidjian T W Kenny E Car ryer Computational Core Design of a Wireless Structural Health Monitoring System Tagungsband Proceedings of the Advances in Structural Engineering and Mechanics ASEM 02 conference Pusan Korea August 2002 Lynch 03 J P Lynch A Sundararajan K H Law H Sohn C Farrar Design of Wireless Sensor Units with Embedded Statistical Time Series Damage Detection Algorithms for Structural Health Monitoring Tagungsband Caltrans UCSD Workshop on Structural Health Monitoring and Diagnostics of Bridge
49. rdf Description rdf about http www observations org measurement id 1234 gt lt daq hasUnit rdf resource http www units org millimeter gt lt rdf Description gt lt rdf RDF gt Abbildung 3 6 Einfache Aussage als RDF Tripel Die Erstellung von Ontologien wird heute durch spezielle Software sog Ontologie Editoren effektiv unterst tzt Die Editoren erm glichen u a die interaktive Modellierung und den Ex port von Ontologien in unterschiedliche Ontologiesprachen Auch der Export in objektorien tierte Programmiersprachen insbesondere Java ist durch die hnlichkeit von Ontologien und Klassenmodellen gut unterst tzt Ein objektorientiertes Modell einer Ontologie mit ei nem spezifischen Zuschnitt auf Multiagentensysteme ist in Abb 3 7 dargestellt Dieses Modell wurde in der vorliegenden Arbeit auf die Dom ne Bauwerksmonitoring angewendet Es be sitzt folgende Kernelemente i Konzepte ii Pr dikate iii Aktionen sowie iv referentielle Ausdr cke Darin sind Begriffe Entit ten mit einer komplexen Struktur die Attribute in Form von so genannten Slots enthalten Begriffe repr sentieren die Objekte einer Ontologie und sind mit dem Klassenkonzept der objektorientierten Programmierung vergleichbar Pr dikate predicates sind Aussagen ber den Zustand der Welt die entweder wahr oder falsch sein Resource Description Framework Darpa Agent Markup Language Ontology Inference Layer Web Ontol
50. rund 40 Mrd Euro zu erhalten die zu einem betr chtlichen Teil aus den 1960er und 1970er Jahren stammen Neben anderen Faktoren wie einer unzurei chenden Bauwerksunterhaltung wandelnden Anspr chen an den Standard sowie ge nderten Nutzungsanforderungen verursacht insbesondere die Alterung des Bauwerksbestandes enorme j hrliche Instandhaltungskosten und sorgt so daf r dass sich die finanziellen Aufwendungen zunehmend von den Neubau hin zu den Erneuerungs und Erhaltungsinvestitionen verschie ben Santa 05 Die Alterung der Bauwerke ist ein dauerhafter Prozess der vorrangig durch Lasteinwirkungen und Umgebungseinfl sse auf das Bauwerk angetrieben wird Dies hat zur Folge dass die Bau werkstragf higkeit ber die Bauwerkslebensdauer abnimmt Abbildung 2 1 zeigt beispielhaft den Alterungsprozess eines Bauwerks und den Einfluss der verschiedenen Instandsetzungs strategien auf die Bauwerkstragf higkeit Es ist zu erkennen dass die Bauwerkstragf higkeit durch die gezielte Instandsetzung positiv beeinflusst und die Lebensdauer eines Bauwerks ver l ngert werden kann F r die Bauwerksbetreiber gilt es deshalb die Bauwerkstragf higkeit durch die optimierte zustandsorientierte Bauwerksinstandsetzung m glichst lange zu erhalten und die h ufig nur in beschr nktem Umfang zur Verf gung stehenden Mittel m glichst opti 10 KAPITEL 2 STAND DER FORSCHUNG mal einzusetzen Die Auswahl und zeitliche Planung einer geeigneten Instandse
51. symbolisches Modell ihrer Umwelt Die bekannteste logikbasierte Architektur ist die BDI Architektur In dieser zun chst von Bratman entwickelten und sp ter von Rao amp Georgeff f r die Praxis adaptierten Architektur wurden die Agenten mit k nstlichen Bewusstseinszust n den ausgestattet indem sie Wissen ber ihre Umwelt beliefs erstrebenswerte Zust nde desires und aktuell verfolgte Absichten intentions erhielten Der BDI Agent ist mit Sensoren und Effektoren ausgestattet die ihn ber seine Umwelt auf kl ren bzw seine Aktionen auf die Umwelt bertragen Dazwischen arbeitet ein Interpreter der Sensoreingaben verarbeitet Input und Aktionen ausw hlt Output Im Unterschied zu anderen Agentenarchitekturen besitzen BDI Agenten besondere Datenstrukturen auf denen der Interpreter arbeitet Wikipedia 08 BDI Agenten Weltwissen beliefs Die Informationen ber die Welt in der sich der Agent aufh lt und schlussfolgert werden in einer Wissensdatenbank gespeichert die Fakten ber die aktu elle Umgebung den internen Zustand des Agenten und Hintergrundwissen enth lt das f r Schlussfolgerungen ben tigt wird Die Speicherung erfolgt h ufig in Form einer sym bolischen Repr sentation wobei diese hinsichtlich der Wahrnehmung des Agenten und internen Schlussfolgerungen st ndig aktualisiert werden muss um die Weltvorstellung des Agenten g ltig zu halten Ziele desires Die Hauptziele des Agenten werden in einer
52. und die ingenieurm ige Sichtweise der Autonomie sowie das Handlungs bewusstsein der Agenten Multiagentensysteme sind zunehmend auch die Basis f r das sog Autonomic Computing und Organic Computing Auf beiden Forschungsgebieten werden die Selbst Eigenschaften ei nes Systems wie Selbstorganisation Selbstkonfiguration Selbstoptimierung und Selbstheilung eingesetzt um ein robustes fehlertolerantes und eigenst ndiges Systemverhalten zu erreichen Es geht hierbei vor allem darum die Selbstorganisation des System zu steuern damit ein ge w nschtes durch Selbstorganisation entstehendes Verhalten Emergenz positiven Einfluss auf die Systemfunktionalit t hat Organic Computing Ein Multiagenten systemansatz f r das Autonomic Computing wurde z B in beschrieben 3 1 2 Sichtweise auf ein Multiagentensystem Ein MAS kann als eine rechnerbasierte Organisation betrachtet werden die aus mehreren interagierenden Agenten besteht Die Agenten sind zur Probleml sung in mehreren Organi sationseinheiten bzw Gruppen organisiert wobei jeder Agent eine bestimmte Einflusssph re in der Umgebung des MAS besitzt die er durch seine Aktionen beeinflussen und ver ndern kann vgl Abb 3 1 Agent Interaktion gt Organisations beziehung Sichtbarkeits oe und Einflu sph re Umgebung Abbildung 3 1 Sicht auf ein Multiagentensystem nach Jennings Jennings 01 Der oben beschriebene Aufbau von M
53. verwaltet Im ersten Fall werden die Messdaten h ndisch oder automatisiert in das jeweilige Programm z B MS Excel Lotus 1 2 3 eingegeben und k nnen danach in der Software aufbereitet sowie zur grafischen Aus wertung in Diagrammform dargestellt werden Nachteilig ist jedoch dass die Tabellenkalku lationsprogramme konzeptbedingt nur beschr nkte F higkeiten in der Datenspeicherung und verwaltung besitzen Aus diesem Grund werden Datenbankmanagementsysteme DBMS und zunehmend auch angepasste Datenbankanwendungen eingesetzt die den einfachen Zu griff auf die vom DBMS verwalteten Daten und die Aufbereitung Ausgabe der Messdaten in Diagrammform sowie in verschiedenen Ausgabeformaten auf der Basis einer grafischen Benutzungsschnittstelle erm glichen Myers 00 Neuere Monitoringsysteme besitzen dar ber hinaus eine integrierte Komponente zur Daten auswertung In Abh ngigkeit von den beobachteten Bauwerksph nomenen den dynamischen Eigenschaften des Bauwerks und der Zielsetzung des Monitorings werden dabei verschiedene Analyseverfahren angewendet Erfasste Messdaten lassen sich somit mittels geeigneter Verfah ren entweder direkt ausgewerten z B durch Ermittlung von Frequenzen H ufigkeiten und Verteilungen oder bilden die Eingabe f r weiterf hrende Berechnungsmodelle die ihrerseits zur Schadenserkennung vgl Unterabschn oder die Sicherheitsbewertung verwendet werden vgl Unterabschn 2 2 8 Der bergang zu Struktur berwachun
54. weiteren Datenbank gespei chert Die Hauptziele sind diejenigen Ziele die das Verhalten des Agenten grundlegend beeinflussen und ber einen bestimmten Zeitraum verfolgt werden Desires sind ein ent scheidender Teil des deliberativen Agentenverhaltens da der Agent ohne Ziele zu keinen weiteren Aktionen veranlasst wird Durch die Zielorientierung des Agenten wird selbst im Fall einer fehlgeschlagenen Aktion das ausgew hlte Ziel weiter verfolgt z B durch einen alternativen L sungsansatz oder einen erneuten Versuch Absichten intentions Der BDI Agent verf gt ber eine Plandatenbank aus der er hier archisch organisierte Pl ne ausw hlen kann die ihn seinem Ziel n herbringen Die je weils ausgew hlten Pl ne Intentionen enthalten im Normalfall Teilziele f r die dann von lat deliberare beratschlagen abreden in Bedenken ziehen 3 2 AGENTENARCHITEKTUREN 33 jeweils ein passender hierarchisch untergeordneter Plan ausgew hlt wird Diese Plan auswahl und abarbeitung wird bis auf die Ebene elementarer Aktionen wie z B das Ansteuern eines Motors durchgef hrt Agent mit BDI Architektur lt gt Beliefs a Abbildung 3 2 Aufbau eines Agenten mit BDI Architektur 3 2 2 Reaktive Architekturen Agenten mit einer reaktiven Architektur besitzen keine detaillierte interne Repr sentation ihrer Umwelt Sie nehmen ihre Umwelt wahr und reagieren auf einen u eren Reiz wie eine Ver nderung
55. wie im Folgenden beschrieben Das Bauwerksmonitoringsystem wird auf die Knoter 1 Messrechner 11 Be triebsstelle iii Fremdsystem iv Zentrale sowie v Archivierung und Analyse verteilt s Abb 55 20 Die Ressource Sensorik wird im Verteilungskonzept durch den Knoten Messrechner repr sen tiert der mit den Datenerfassungssystemen im am Bauwerk verbunden ist und auf dem die Messdaten in Rohdatenform abgelegt werden Auf diesen Knoten werden die Agententypen Sensorikagent und Messdateiagent verteilt um den Zugriff auf die Datenerfassungssysteme bzw Messdateien zu erm glichen Der Knoten Betriebsstelle bildet den Rechner ab auf dem ein relationales Datenbanksystem DBS zur strukturierten Speicherung der Messdaten installiert ist und auf dem die Mess berichte abgelegt werden die von den menschlichen Monitoringbeteiligten erzeugt werden z B nach manuell durchgef hrten Messungen Zur Kapselung des Datenbanksystems ist auf diesem Knoten ein Datenspeicherungsagent vorzusehen Externe Systeme die f r das Bauwerksmonitoring relevante Daten liefern werden stellvertre tend durch den Knoten Fremdsysteme abgebildet Im Fall der Talsperren berwachung z B werden wichtige Daten wie Pegelst nde und Abfl sse aus einem externen wasserwirtschaft lichen System bezogen das die Daten in Form von CSV Dateien bereitstellt Die Messdaten werden durch einen Messdateiagenten verf gbar gemacht der entweder lokal auf dem Knoten Fremd
56. zu Hauptunter suchungen im Sechsjahresintervall reichen vergleiche Abbildung 1 1 Das Ziel dieser regelm igen Kontrollen ist die Ermittlung und Sammlung von Bauzustands daten und eine fr hzeitige Erkennung von Sch den Die inspektionsbasierte Zustands und Schadenserfassung mit relativ langen Inspektionsintervallen sowie die herk mmliche Doku mentation der verf gbaren Daten bei Stra enbr cken z B in Bauwerksverzeichnis akte und buch hat in der Praxis jedoch dazu gef hrt dass wichtige Informationen ber den aktuellen Bauwerkszustand h ufig nicht direkt zur Verf gung stehen und dass Kenntnisse ber Sch digungsmechanismen oder technische Planungsfehler erst verz gert gewonnen wer den L cken 04 In der Folge fallen f r die Erhaltung der bestehenden Bauwerke erhebliche 4 KAPITEL 1 EINLEITUNG T 6 5 o 4 c Ee 2 1 R Kai ate Cc S S a Ea a x E 2 fe D D T o Ud OZ D Z D Wel D 0 Hi O YN O O LL D a D 2 Z G i 2 5 Q CH O O SS Hauptuntersuchung E Einfache Untersuchung H J hrliche Untersuchung E Oberfl chliche Untersuchung Abbildung 1 1 Vergleich und zeitliche Abfolge der Inspektionen weltweit Mehdianpour 04 Kosten an da aufgrund der fehlenden Informationen keine technisch und wirtschaftlich opti mierte fr hzeitige Erhaltungsplanung m glich ist Die Forderung nach geeigneten technischen L sungen zur Optimierung der Bauwerkserhal t
57. 0er und 1970er Jahren stammt und die planm ige Nutzungsdauer erreicht oder bereits berschrit ten hat Ein Neubau dieser Ingenieurbauwerke ist heute aus wirtschaftlichen oder politischen Gr nden oftmals nicht m glich Zur Verl ngerung der Bauwerkslebensdauer m ssen die beste henden Bauwerke deshalb gezielt instandgehalten werden und fortlaufend auf ihre Sicherheit hin berpr ft werden damit sie die w hrend ihrer Nutzung gestiegenen Anforderungen an Tragf higkeit und Dauerhaftigkeit erf llen und hierdurch eine gefahrlose Nutzung der Bau werke sichergestellt ist Mit der Alterung der bestehenden Bauwerke r ckt eine kosteneffiziente Erhaltung der Bau werkssubstanz in den Vordergrund Die Grundlage der Erhaltungsplanung sowie der haus halts und verkehrstechnischen Entscheidungen bilden auch heute noch die im Rahmen von Bauwerkspr fungen gewonnenen Informationen Friebel 01 Sicherheitsrelevante Ingenieur bauwerke wie Br cken Tunnel oder Talsperren werden dazu laufend oder in regelm igen Abst nden zumeist mithilfe visueller Inspektionen oder bei besonders sicherheitskritischen Bauwerken mittels geeigneter Messeinrichtungen berwacht und gepr ft So schreibt die f r die Zustandserfassung von Stra enbr cken g ltige Norm DIN 1076 zeitlich gestaffelte Bauwerkspr fungen vor die von regelm igen relativ oberfl chlichen Pr fungen alle drei bis vier Monate ber einfache Pr fungen im Dreijahresintervall bis
58. 4 2 FIPA Standards lt lt sa a ua a ae aha nn ish 42 ee sI A 44 a a ee 45 II Konzept 49 51 ea daa aaa EE 51 4 1 1 Problembeschreibung ee eee eee 51 4 1 2 Monitoringablaufl a 53 4 1 3 Formalisierung zu a A EE RE ca amp e s 56 AE 57 4 2 1 Anforderungen 58 Leese a Oe ee a 60 LOS eee eee ee ee ew ee ee ee 61 4 3 1 Erg nzung der Agententypen 0 000008 8G 61 ee ee ee ee ee ee ee 62 DEE COSTO e eee eee sae AAA 64 EEE a e a ra 65 4 4 1 Intelligente Steuerung des Datenerfassungsvorgangs 66 one eee eee eee ee A 66 ia El 67 a aes eas 68 aaa asa 13 A RESSQUICO os ee ee 74 4 5 1 Messeinrichtungen or nn 74 ee EEE EE 75 SINE 76 4 5 4 Statistiksoftwarel e 76 4 6 Informationsmodellierung 17 4 6 1 Datenmmodellierung nr 17 4 6 2 Integration von propriet ren Messdatenformaten 19 Ill Umsetzung 81 5 Implementierung 83 S424 62 eee Rae Ee Ree eee eee Oe eS 83 TEE 84 5 2 1 sensorikagent 2 Co oo on 84 5 2 2 Messdateiagent 86 9 2 3 Kommunikation mit Mess und Datenerfassungssystemen 87 INHALTSVERZEICHNIS 111 area AA ass 89 5 3 1 Datenverteilungsagent 89 canas AA 91 5 4 1 Datenverarbeitungsagent 22 2 Co a 91 ee oe eee eee ee ee 92 5 5 1 Datenspeicherungsagent 2 2 a a a 92 AA 94 Du asa ee ee
59. 5 m DAQ Systems Device ennepe logger2 Remote Site Summary Show config Start Abbildung 6 6 Zugriff auf aktuelle Messwerte Online Daten ber die grafische Benut zungsschnittstelle Es erscheint ein Unterfenster das die aktuellen Werte der vom Datenlogger gemessenen Sen soren in Diagrammform aufbereitet zusammenfassend darstellt s Abb 6 7 Water Storage Pore Pressures _ SS __ a me a pr 15 27 30 15 27 40 15 27 50 15 28 00 15 28 10 15 28 20 15 28 30 15 28 40 15 28 50 15 29 00 15 29 10 15 29 20 15 29 30 Gauge Time Seepage Water 8 u Deformations 15 27 30 15 27 40 15 27 50 15 28 00 15 28 10 15 28 20 15 28 30 15 28 40 15 28 50 15 29 00 15 29 10 15 29 20 15 29 30 Gauge Time WSckw3 MSckwi M Sckw2 F2PX F2PY F2SX F2SY Abbildung 6 7 Unterfenster zur Visualisierung der Online Daten Hierdurch kann sich der TSM einen berblick ber die aktuelle Situation am entfernten Bau werk verschaffen Messdaten werden nach Sensorart gruppiert in mehreren Zeitreihen diagrammen visualisiert Fiir das Referenzsystem Ennepetalsperre sind insbesondere die Po renwasserdriicke und die Verschiebungen in jeweils einem Diagramm s Abb zusammen gefasst Im linken oberen Bereich des Fensters ist die aktuelle Stauh he in
60. 6 3 Plausibilitatskontrolle der Messwerte 6 3 1 Erkennung grober Abweichungen und rechnerbasierte Vorbewertung Die t gliche Kontrolle der Messwerte geh rt zu den wesentlichen Aufgaben des Talsperren meisters TSM Wie oben beschrieben sollen hierdurch fr hzeitig grobe Abweichungen der Messwerte erkannt werden Der TSM verschafft sich deshalb zu Dienstbeginn einen ber blick ber die aktuelle Situation an der Talsperre und die automatisiert erfassten Messwerte pr fen Um den Zugriff auf das Bauwerksmonitoringsystem zu erm glichen ist auf dem Ar beitsplatzrechner des TSM ein pers nlicher Agent installiert der ber das Internet mit dem Messrechner an der Ennepetalsperre und ber das lokale Netzwerk LAN in der Betriebsstelle mit der lokalen Messdatenbank kommunizieren kann Wenn der TSM seinen pers nlichen Agenten startet erscheint die grafische Benutzungs schnittstelle des pers nlichen Agenten Im Hauptfenster des GUI ffnet sich selbstt tig das Fenster Ennepe Site Diagnosis das die vom Bauwerksmonitoringsystem automatisiert durch gef hrte Vorbewertung der Messwerte f r die Ennepetalsperre visualisiert vgl Abb 16 5 6 3 PLAUSIBILITATSKONTROLLE DER MESSWERTE 117 F Ennepe Site Diagnosis Einzelbeurteilung Staupegel Gewichtslot Schwimmlot Gesamtbeurteilung Prozesse Kippen der Mauer Mauerwerksfuge Kippen der Mauer Sohlfuge Bruchversagen im Fels Gleiten der Mauer Oeffnen von Klueften im Unt
61. 7 FIPA SL Content Language Spe cification SC00008 die Constraint Choice Language CCL das Knowledge Interchange Format KIF und das Resource Description Framework wobei jedoch nur die Semantic Lan guage als Standard verabschiedet wurde Die FIPA Semantic Language SL ist eine von der FIPA spezifizierte Inhaltssprache zur semantischen Beschreibung des Inhalts von FIPA ACL Nachrichten Sie ist eine Logikspra che die auf der Pr dikatenlogik erster Ordnung beruht und diese um agentenspezifische Operatoren und Ausdr cke erweitert 3 3 3 Interaktionsprotokolle Ein weiteres wichtiges Element der Agentenkommunikation sind so genannte Interaktionspro tokolle IP Diese beschreiben eine Reihe wiederkehrender Kommunikationsszenarien die in einfachen Anfrage und Informationsdialogen oder komplexen Interaktionen wie z B Auktio nen oder Verhandlungen vorkommen Durch die Verwendung von Interaktionsprotokollen und ihre Verkn pfung bzw Verschachtelung k nnen beliebig komplexe Konversationen zwischen Agenten realisiert werden Die wichtigsten Interaktionsprotokolle wurden von der FIPA standardisiert z B in der FIPA Request Interaction Protocol Specification SC00026 oder der der FIPA Contract Net Inter action Protocol Specification SC00029 Die formale Spezifikation der Interaktionsprotokolle erfolgt auf der Basis von AUMIP Sequenzdiagrammen Die interagierenden Agenten werden darin durch Lebenslinien und die N
62. Agententypen dar Um die Agententypen des Bauwerksmonito ringsystems mit entsprechenden Probleml sungsf higkeiten auszustatten werden in den fol senden Unterabschnitten die individuellen Probleml sungskompetenzen der einzelnen Agen tentypen erarbeitet Kompetenzen sind vor allem zur L sung der folgenden Teilprobleme vorzusehen vgl Unterabschn 4 1 3 1 Intelligente Steuerung des Datenerfassungsvorgangs Schritt 1 Erfassung von Messda ten 2 Filterung von veralteten Messdaten Schritt 3 Aufbereitung von Messdaten 3 Rechnerbasierte Prognose des Bauwerksverhaltens Schritt 5 Nutzung von Messdaten 4 Automatisierte Bewertung der Messdaten Schritt 5 Nutzung von Messdaten 66 KAPITEL 4 KONZEPTION 5 Systemiiberwachung und diagnose In den folgenden Unterabschnitten werden die Konzepte zur Bereitstellung der geforderten Kompetenzen entwickelt 4 4 1 Intelligente Steuerung des Datenerfassungsvorgangs Bei Einsatz intelligenter Sensoren oder entsprechend leistungsf higer Datenerfassungsger te ist schon im ersten Schritt des Monitoringablaufs der Erfassung von Messdaten eine in telligente Steuerung des Datenerfassungsvorganges m glich Die intelligente Steuerung des Datenerfassungsvorgangs wird insbesondere zur periodisch ereignisgesteuerten Erfassung dy namischer Messgr en ben tigt die aktuellen Messgr en werden zwar regelm ig gemessen die Speicherung der Messgr en wird jedoch erst durch
63. Bauwerksmonitoring kann h ufig nicht vollst ndig automatisiert werden da nicht alle Messungen bzw Ger te wirtschaftlich automatisiert werden k nnen Aus einer manuellen oder halbautomatisierten Erfassung stammende Daten m ssen dann von den Monitoringbe teiligten in das System importiert und zur Weiterverarbeitung in ein Zielformat umgewandelt werden Die Messdaten liegen in Dateiform vor Anwendungsfall AF3 Messdaten importieren Umfang Bauwerksmonitoringsystem Ebene Anwenderziel Prim rakteur Monitoringexperte Akteur und Interessen Monitoringexperte Will Messdaten importieren Statiker Will Messdaten importieren Bauwerksbesitzer betreiber Will Messdaten importieren Standardablauf Monitoringexperte will Messwerte aus Datei importieren Monitoringexperte startet System System zeigt Dialog f r den Dateiimport an Monitoringexperte w hlt Datei aus system wandelt die Messwerte um System speichert Messwerte im Zielformat Erweiterungen Alternative Abl ufe keine Spezielle Anforderungen Zugriff auf Datenbanken C 1 ANWENDUNGSF LLE 147 C 1 4 Anwendungsfall AF4 Messdaten archivieren Anwendungsfall AF4 Messdaten archivieren Die erhobenen Messdaten m ssen im Fall des Bauwerksmonitorings ber einen langen Zeit raum im Idealfall ber die gesamte Lebensdauer des Bauwerks archiviert werden In der Langzeit berwachung von Bauwerken ist deshalb die zuverl ssige Datenarchivierung von b
64. DF Agent Mit Daten speicherungs agent Pers Agent DF Agent Wann Anfrage erhalten Anfrage erhalten Anfrage erhalten Hochfahren Start des Agenten Wann Zeitplan Anfrage erhalten Hochfahren Start des Agenten C 4 INTERAKTIONSTABELLEN 159 C 4 7 Filteragent Interaktion Verantw 1P Rolle Mit Wann Holt Messdaten 1 FIPA I Daten Zeitplan Request speicherungs agent Informiert registrierte 3 FIPA I Pers Agent Anfrage erhalten Agenten Request Registriert sich beim 4 FIPA I DF Agent Hochfahren Start Gelbe Seiten Agent Request des Agenten C 4 8 Statistikagent Interaktion Verantw IP Rolle Mit Wann Beantwortet Anfrage 2 FIPA R Pers Agent Anfrage erhalten Berechnung durchzu Request f hren Registriert sich beim 3 FIPA I DF Agent Hochfahren Start Gelbe Seiten A gent Request des Agenten 160 C 4 9 Pers nlicher Agent Interaktion Holt Sensorkonfigura tion Sendet Sensorkonfigu ration Fragt nach aktuellem Sensorwert Holt Messdaten Sendet Messdaten zur Speicherung Sendet Messdaten zur Aktualisierung Sendet Messdaten zur L schen Holt Messbericht Registriert sich beim Filteragenten Nimmt Nachricht ent gegen Erkundigt sich nach anderen Agenten Registriert sich beim Gelbe Seiten Agent Verantw 2 10 11 12 13 IP FIPA Request FIPA Request Query Ref FIPA Request FIPA Request FIPA Request FIPA Request
65. ERATURVERZEICHNIS 167 in Civil and Building Engineering Montr al Kanada Seiten 199 207 2006 Codehaus 09 Codehaus Groovy An agile dynamic language for the Java Platform http groovy codehaus org Online Quelle 2009 12 10 Cohen 95 P R Cohen H J Levesque Communicative actions for artificial agents In V Lesser L Gasser Hrsg Tagungsband Proceedings of the First International Conference on Multi Agent Systems ICMAS 95 San Francisco USA 1995 MIT Press Datataker Crew 01 Datataker Crew Benutzerhandbuch Datataker DT600 Datataker 2001 De Sortis 07 A De Sortis P Paoliani Statistical analysis and structural identification in concrete dam monitoring Engineering Structures 29 1 110 120 2007 Deutsches Talsperrrenkomitee e V 07 Deutsches Talsperrrenkomitee e V Talsperren in Eu ropa Aufgaben und Herausforderungen Tagungsband 14 Deutsches Talsperrensympo sium 2007 http www talsperrenkomitee de freising2007 DIN 1076 99 DIN 1076 Ingenieurbauwerke im Zuge von Stra en und Wegen berwachung und Priifung DIN 1076 DIN 19700 04 DIN 19700 Stauanlagen DIN 19700 IDVWK Merkblatt 222 91 DVWK Merkblatt 222 Me und Kontrolleinrichtungen zur Uberpriifung der Standsicherheit von Staumauern und Staud mmen Band 222 of DVWK Merkbl tter zur Wasserwirtschaft Paul Parey 1991 Deutscher Verband fir Wasserwirt schaft und Kulturbau DVWK IDVWK Merkblatt 231 95 DV
66. Einsatz von Tabellenkalkulationsprogrammen Die Messdaten werden in diesem in Dateiform gespeichert und verwaltet Die einzelnen Komponenten eines Bauwerksmonitoringsystems werden in den folgenden Un terabschnitten genauer erl utert 2 3 2 Datenerfassungssysteme Die Datenerfassungssysteme sind Bestandteil der in situ installierten Messeinrichtungen eines Bauwerksmonitoringsystems vgl Unterabschn 2 2 5 Sie bernehmen die Konditionierung d h die Behandlung der elektrischen Gr e und die Digitalisierung der durch vom Mess fiihler gelieferten Signale Die Ger te besitzen tiblicherweise einen Analog Digital Wandler A D Wandler und einen Multiplexer der die gezielte Anwahl eines Signalkanals erm glicht Datenerfassungssysteme sind als eigenst ndige Messger te als Erweiterungskarten fir PCs oder kombinierte Datenerfassungs und Datenspeicherungssysteme verfiigbar wobei sich die Auswahl der Ger te nach der Messfrequenz und der Anzahl der abtastbaren Kan le richtet Zur Datenerfassung an dynamisch beanspruchten Bauwerken wie z B Br cken kommen vor wiegend PC basierte Datenerfassungssysteme zum Einsatz da die Abtastung Sampling der Sensoren hier aufgrund des dynamischen Bauwerksverhalten im Frequenzbereich durchge f hrt wird Durch die hohe Messfrequenz entstehen gro e Datenmengen die geeignete Spei 26 KAPITEL 2 STAND DER FORSCHUNG Abbildung 2 8 Autonome Datenerfassungssysteme
67. FIPA Request FIPA Request FIPA Request FIPA Request FIPA Request ANHANG C ARTEFAKTE UND MODELLE Rolle R Mit Sensorikagent Sensorikagent Sensorikagent Daten speicherungs agent Daten speicherungs agent Daten speicherungs agent Daten speicherungs agent Berichtsagent Filteragent Filteragent DF Agent DF Agent Wann Benutzerinteraktion Benutzerinteraktion Benutzerinteraktion Benutzerinteraktion Benutzerinteraktion Benutzerinteraktion Benutzerinteraktion Benutzerinteraktion Benutzerinteraktion Anfrage erhalten Hochfahren Start des Agenten Hochfahren Start des Agenten C 4 INTERAKTIONSTABELLEN 161 C 4 10 Observer A gent Interaktion Verantw IP Rolle Mit Wann Beantwortet Anfrage 1 FIPA R alle Anfrage erhalten Agenten zu registrieren Request Registriert sich beim 4 FIPA I DF Agent Hochfahren Start Gelbe Seiten Agent Request des Agenten 162 ANHANG C ARTEFAKTE UND MODELLE C 5 Dienstbeschreibungen C 5 1 Sensorikagent sa_SD ServiceDescription stellt bereit type sensors service sa_Properties Sensorik ontology monitoring onto gt lt gt Ge agent language fipa sl le lt feature a nn eo ee sml lt sensors description gt Abbildung C 2 Dienstbeschreibung des Sensorikagenten C 5 2 Messdateiagent sa_SD ServiceDescription stellt bereit type sensors se
68. Hardwareschnittstellen des Messrechners an den Datenlogger sendet Eine Ausgabe des Datenloggers wird in umgekehrter Reihenfolge an den anfragenden Agententypen verschickt Das Konzept wird in Abbildung 4 9 veranschaulicht Um einerseits eine sehr hardwarenahe Kommunikation zu realisieren und andererseits el ne Abstraktion von propriet ren ger tespezifischen Befehlss tzen zu erreichen werden zwei Kommunikationswege konzipiert Szenario a und b in Abb 4 9 Im Fall a wird der In halt einer Nachricht in der Logger Befehlssprache kodiert language ldt Der Sensorik agent bertr gt die empfangene Anfrage bzw den Steuerbefehl content logger_command vgl Abschn 4 5 RESSOURCEN 19 Sensorik agent Anfragender Datenlogger RS 232 mn len mmm mmm e e ss emm emm emm emm emm emm emm emm emm emm emm e es e emm ef Abbildung 4 9 Konzept zur Kommunikation mit Messeinrichtungen ber die serielle Schnittstelle an den Datenlogger Die Anwort des Datenloggers wird als In halt einer Nachricht content logger_response verschickt die ebenfalls in der Logger Befehlssprache kodiert ist Im Fall b basiert die Kommunikation mit dem Datenlogger auf einer eigens fiir die Do mane Bauwerksmonitoring entwickelten Ontologie die spezifische Agentenaktionen Pr dika te und Konzepte zur Interaktion mit Messeinrichtungen enth lt ontology Monitoring Die Nachricht wird
69. IS 169 Hartmann 06 D Hartmann I Mittrup A Marx Agentenbasierte Uberwachung sicherheits relevanter Ingenieurbauwerke insbesondere Staubauwerke Unver ffentlichter Abschluss bericht DFG HA 1463 Hartmann 07 D Hartmann J Bilek Uberblick zum Themenbereich Agentensysteme In U Riippel Hrsg Vernetzt kooperative Planungsprozesse im Konstruktiven Ingenieurbau Grundlagen Methoden Anwendungen und Perspektiven zur vernetzten Ingenieurkoope ration Seiten 323 334 Springer Verlag 2007 Hejll 07 A Hejll Civil Structural Health Monitoring Strategies Methods and Applica tions Ph d thesis Division of Structural Engineering Department of Civil and Mining Engineering Lulea University of Technology Lulea Schweden 2007 Hepp 98 P Hepp Moderne Leittechnik in der Talsperren berwachung Wasser Energie Luft Eau Energie Air 90 Jahrgang 1998 Schweizerischer Wasserwirtschaftsverband Holt 08 R Holt J Hartmann Adequacy of the U10 amp L11 Gusset Plate Designs for the Minnesota Bridge No 9340 I 35W over the Mississippi River Interim report Federal Highway Administration Turner Fairbank Highway Research Center 2008 Horlacher 02 H D Horlacher M Standfu J Kittler U M ller Neue Aspekte bei der Auswertung von berwachungsmessungen an Betonstaumauern in Sachsen Tagungsband III Mitweidaer Talsperrentag Wissenschaftliche Berichte Wissenschaftliche Zeitschrift der Hochschule Mit
70. Pr fverfahren statisch dynamisch ZfP GPS Modaltest Sichtpr fung Photogrammetrie Impact Ultraschall Probebelastung Harmonisch Laufzeit Dehnung Ambient Resonanz Spannung Impedanzverfahren Radar Verschiebung en Schallemissionsanalyse Verformung Interferometrie Einflu linie Impact Echo Magnetische Methoden Kernspintomographie Zeitbereichreflektometrie Optische Verfahren Radiographie Farbeindringverfahren Chemische Sensoren gungen fr hzeitig zu erkennen Einen ausf hrlichen berblick ber die ZfP Verfahren geben die Ver ffentlichungen und Taffe 03 Zus tzlich bietet das online abrufba re ZIP Bau Kompendium eine detaillierte Auflistung der Verfahren mit entsprechender Kurzbeschreibung Charakterisie rung und Bewertungen Nachteilig f r die baupraktische Anwendung der ZfPBau Verfahren ist jedoch die gro e Kom plexit t der Messverfahren Die Anwendung der Messverfahren sowie die Auswertung der er fassten Messdaten erfordert Fachwissen aus verschiedenen Disziplinen insbesondere Bausta tik und dynamik Messtechnik und Informatik sodass die Verfahren kaum von einem Fa chexperten allein beherrscht werden k nnen Um den Einsatz der ZfPBau Verfahren zu er leichtern existieren heute f r viele Bauwerksarten technische Richtlinien die einen Katalog von Untersuchungs und Auswertemethoden f r gezielte Messaufgaben bereitstellen und auf diese Weise den Einsatz experimenteller Pr fverf
71. SC gon Sensitive Materialien we Detektion externe Multimaterialien verb Steuerung externe Aktion qu greri Nat rliche ja Eigenschaften an vordefinier Materialien te Anforderungen angepasst Eigenschaften a priori f gegeben einfach Forschungsbedarf Abbildung 2 2 Anwendung des Structural Health Monitoring in intelligenten Materialien und Strukturen Balageas 06 2 2 2 Konzept Das Konzept des Bauwerksmonitorings beruht auf der systematischen Erfassung aller rele vanten Systemparameter Ein Monitoringkonzept muss deshalb die Festlegung von Dauer und Frequenz der Messungen das zu berwachende Bauwerk die zu erfassenden Aktionen und Reaktionen Ph nomene die Auswahl geeigneter Messeinrichtungen und das Bauwerks verhalten ber cksichtigen Abbildung zeigt die wichtigsten Inhalte f r das Monitoring konzept Die Erstellung eines Monitoringkonzeptes erfolgt in mehreren Teilschritten wobei blicher weise zun chst die ma gebenden Systemparameter und Einwirkungen auf das Bauwerk Ph nomene ermittelt werden Gegebenenfalls werden durch Simulation bzw analytische Be rechnung die Reaktionen des Bauwerks auf die Einwirkungen sowie die Gr enordnung der Reaktionen abgesch tzt Auf der Grundlage dieser Informationen lassen sich dann die zu messenden physikalischen Gr en identifizieren und die zu ihrer Messung geeigneten Instru Zur Unterscheidung von anderen Anwendungen des SHM wird im folgenden die
72. Speicher und angeschlossene Sensorik verf gen Durch eine eigene Sende Empfangseinheit und Stromversorgung sind diese Knoten quasi autark und bertragen ihre Sensordaten per Kurzstreckenfunk an einen Sammelpunkt das Gateway der die Daten per Internet Mobilfunk etc weiterleitet Die Entwicklung und An wendung der drahtlosen Sensortechnik auf Tragstrukturen des Bauingenieurwesens wurde z B in beschrieben Erste derartige Systeme sind bereits am Markt verf gbar z B das WiSe System vgl Abb 2 8 Die Anwendungsmo glichkeiten der drahtlosen Sensornetze wird bisher durch die Kapazit t der Batterien eingeschr nkt da diese insbesondere bei entsprechender Rechenlast des Knotens sehr begrenzt ist Die Ener gieversorgung der Sensorknoten aus alternativen Quellen wie z B ber Sonnenenergie oder Vibrationen ist deshalb ein wichtiges Forschungsgebiet im Bereich der Sensornetze vgl z B Park 06 oder Beeby 07 2 3 3 Daten bertragungs und Datenspeicherungsmechanismen Die Daten bertragung und Datenspeicherung erfolgt in Bauwerksmonitoringsystemen ber wiegend durch eine eigenst ndige Softwarekomponente Die Hauptaufgabe dieser Komponente 2 3 BAUWERKSMONITORINGSYSTEME 27 besteht darin die in den internen Ger tespeichern der Datenlogger oder auf den Messrech nern abgelegten Messdaten zu extrahieren fiir die weitere Verarbeitung aufzubereiten und in einem Zielformat abzulegen bzw zu speichern Uber
73. Statistik hat einen p Wert von kleiner als 2 2 1071 und ist somit signifikant gut Die sro en t Werte zeigen dass die gew hlten Variablen die abh ngige Gr e sehr gut erkl ren k nnen Abschlie end werden vom Abteilungsleiter die radialen Verformungen zusammen mit dem angepassten Regressionsmodell als Grafik ausgegeben s Abb 6 13 6 4 ANALYSE DER MESSWERTE 125 ennepedata F2PX 2 4 0 200 400 600 800 Abbildung 6 13 Radiale Verformungen schwarz und an die Messdaten angepasstes Regres sionsmodell rot 6 4 3 Klassifizierung der radialen Verformungen Aufgrund der vorliegenden Messschriebe liegt es nahe Einwirkungskombinationen aus Stau h he und Lufttemperatur festzulegen die als Eingangsgr en f r numerische Simulationen und fortgeschrittene Verfahren zur Bewertung der Bauwerkssicherheit dienen Mit Hilfe der ermittelten Kennwerte lassen sich k nstliche Ersatzzeitschriebe generieren um die tats chli chen Einwirkungskombinationen erfassen zu k nnen Grundlage der Analyse bilden dabei die oben beschriebenen Messreihen F2PX D2L1 und Stauh he Im Bauwerksmonitoringsystem RAMON steht mit dem k Means Klassifizierel ein einfaches und robustes Verfahren zur automatisierten Klassifizierung und Gruppierung von Daten zur Verf gung Als Vorgabe fiir die automatisierte Klassifizierung wird nur die Anzahl der zu ermittelnden Klassen bzw Gruppen ben tigt Uber die Anweisung clusters lt kmeans da
74. UN A9IMJU9QUISIH UOSAT euezuonboly WOISAUIEMUNIT JI9ISIJEWLONE ININIATIOSFBIUIS NIJ ney SUIL UIWHIIS SZULIOHUOWISHYIOMNEET U9LIII TEISUT JIU oYIOMNeY 7 APALL 9IEMIJOS SSUIIO IUOMN S9P 199MZ 3unsseJ1ousyeq oJopue Silbe WOISASIZIIM I9JQUOUTAU AOTYISIOA yoniq uneTyoseq Injeroduray puts ud1OSuUaG w Sei Kies S A19MNe Y 24 KAPITEL 2 STAND DER FORSCHUNG 2 3 Computerbasierte Systeme f r das Bauwerksmonitoring Zur messtechnischen Langzeitiberwachung von Bauwerken werden wie bereits im Ab schnitt beschrieben zunehmend automatisierte computergest tzte Messsysteme ver wendet In diesem Abschnitt werden der technische Aufbau von computerbasierten Bauwerks monitoringsystemen CBMS und deren informatischen Systemkomponenten erl utert 2 3 1 Systemarchitektur Ein computerbasiertes Bauwerksmonitoringsystem CBMS besteht blicherweise aus den folgenden Komponenten 1 Sensoren Datenerfassungssysteme Daten bertragungs und Datenspeicherungsmechanismen Datenverwaltung St A E Ze Datenauswertung Die Erfassung der Messgr en erfolgt in der Regel durch verteilte Sensoren die an einer Vielzahl von Messstellen d h r umlich relativ weit voneinander entfernt liegen k nnen Aus diesem Grund kommen vor allem dezentrale verteilte Datenerfassungsarchitekturen zum Ein satz s Abbildung 2 7 Der physikalische Messvorgang wird dabei durch geeignet
75. Unterst tzung der messtechnischen Langzeit berwachung sicherheitsrelevanter Ingenieurbauwerke basierend auf einem Multiagentensystemansatz Von der Fakult t f r Bau und Umweltingenieurwissenschaften der Ruhr Universit t Bochum genehmigte Dissertation zur Erlangung des Grades Doktor Ingenieur Dr Ing von Ingo Mittrup Bochum 2010 Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand in den Jahren 2004 bis 2010 w hrend meiner Zeit als wis senschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl fiir Ingenieurinformatik im Bauwesen an der Ruhr Universitat Bochum Sie wurde von der Fakult t fiir Bau und Umweltingenieurwissenschaften als Dissertation angenommen W hrend meiner Zeit am Lehrstuhl habe ich das von der Deut schen Forschungsgemeinschaft gef rderte Forschungsprojekt Agentenbasierte berwachung sicherheitsrelevanter Ingenieurbauwerke insbesondere Staubauwerke und einen Teilbereich des europ ischen Gro forschungsprojektes Tunconstruct Technology Innovation in Under sround Construction bearbeitet Viele der bei der Bearbeitung des DFG Forschungsprojektes gewonnene Erkenntnisse sind in die vorliegende Arbeit eingeflossen An dieser Stelle m chte ich mich herzlich bei all denjenigen bedanken die zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen haben Mein au erordentlicher Dank gilt Herrn Prof Dr Ing Dietrich Hartmann f r die Anregung zu dieser Arbeit f r seine ausgezeichnete wissenschaftliche Betreuung und f r die pe
76. WK Merkblatt 231 Sicherheitsbericht Talsperren Leitfa den Band 231 of DVWK Merkbl tter zur Wasserwirtschaft 1995 Farrar 00 C R Farrar H Sohn Pattern recognition for structural health monitoring Tagungsband Workshop on Mitigation of Earthquake Disaster by Advanced Technologies Las Vegas USA 2000 Farrar 99 C R Farrar T A Duffey W Doebling D A Nix A statistical pattern re cognition paradigm for vibration based structural health monitoring Tagungsband 2nd International Workshop on Structural Health Monitoring Stanford CA USA 1999 Ferguson 91 LA Ferguson Towards an architecture for adaptive rational mobile agents In E Werner Y Demazeau Hrsg Tagungsband Decentralized AI 3 Proceedings of the Third European Workshop on Modelling Autonomous Agents and Multi Agent World Seiten 249 262 Elsevier Amsterdam 1991 Ferry 58 S Ferry G Willm M thodes d analyse et de surveillance des d placements obser v s par le moyen de pendules dans les barrages Tagungsband VIth International Congress on Large Dams Band Il Seiten 1179 1201 New York 1958 ICOLD Finin 94 T Finin R Fritzson D McKay R McEntire KQML as an Agent Communication Language In N Adam B Bhargava Y Yesha Hrsg Tagungsband Proceedings of the 3rd International Conference on Information and Knowledge Management CIKM 456 463 Gaithersburg MD USA 1994 ACM Press FIPA 07 FIPA Foundation for p
77. a die richtige Platzierung der Sensoren fiir die Leis tungsf higkeit und die Kosten des Bauwerksmonitorings bestimmend ist siehe hierzu z B Nguyen 07t Padula 99 2 2 7 Schadenserkennungsstrategie Zur Schadenserkennung werden entweder strukturmechanische Modelle angepasst oder sta tistische Verfahren angewendet Die strukturmechanischen Modelle bilden die Basis fiir eine physikalisch untermauerte Simulation und Analyse des Bauwerksverhaltens Bisher berwiegt die Auswertung von dynamischen Bauwerksparametern mittels schwingungsba sierter Verfahren und Modalanalysen unter Nutzung der strukturmechanischen Modelle Waller 89 Die Grundidee besteht darin dass die dynamischen Bauwerksparameter wie Frequenzen Eigenschwingformen und modale D mpfung auf den physikalischen Eigenschaften des Gesamtbauwerks wie Masse D mpfung und Steifigkeit ba sieren Wenn das Bauwerk einer Sch digung ausgesetzt ist ver ndern sich die korrespondie renden modalen Eigenschaften Im CSHM hat sich eine von Rytter vorgestellte Methodik zur Schadenserkennung als Standard etabliert Die Schadenserkennung l uft dabei in f nf Schritten ab 1 Ermittlung dass ein Schaden vorhanden ist Existenz 2 Ermittlung der geometrischen Lage Position des Schadens Ort 3 Bestimmung der Art des Schadens Art 4 Quantifizierung der Schwere des Schadens Umfang 5 Vohersage der verbleibenden Lebensdauel Prognose Mittlerweile ist leistungsf hige komme
78. achrichten durch offene Pfeile dargestellt Exemplarisch ist in Abbildung das FIPA Request Interaktionsprotokoll in AUML Notation dargestellt Das FIPA Request Interaktionsprotokoll legt den generischen Kommu nikationsablauf fiir die Situation fest in der ein Agent Initiator einen oder mehreren Agenten Participant auffordert eine Aktion auszuf hren Der Initiator sendet dabei zun chst eine Aufforderung request an den Participant Dieser verarbeitet die Auffor derung und entscheidet ob er die Aufforderung akzeptiert deren weitere Bearbeitung durch das Verschicken einer Antwort refuse verweigert oder die Bearbeitung fiir den Fall dass dies angezeigt wurde notification necessary explizit mit einem agree best tigt Wenn der Participant der Aufforderung zugestimmt hat muss dieser entweder kommunizieren dass bei der Bearbeitung ein Fehler aufgetreten ist failure oder die Bearbeitung fehler frei abgeschlossen wurde inform done bzw inform result Die Antwort inform result wird hierbei verwendet um dem Initiator nicht nur zu signalisieren dass die Bearbeitung abgeschlossen wurde sondern auch um ihn tiber das Ergebnis benachrichtigen 3 3 4 Koordination Zur effektiven kollaborativen Probleml sung m ssen die Agenten eines MAS koordiniert werden Es muss insbesondere sichergestellt werden dass sich eine Gemeinschaft aus mehreren Sengl first order logic abgek rzt FOL Die Agent Unified Modeling Lang
79. ahren vereinfachen z B in Mufti 01 2 2 BAUWERKSMONITORING 13 2 2 Bauwerksmonitoring Im Hinblick auf eine pr ventive Instandsetzungsstrategie und eine friihzeitige Erkennung von vorhandenen Sch den und sich abzeichnenden Degradationsprozessen kommt als Erg nzung zur inspektionsbasierten Bauwerksiiberwachung zunehmend die messtechnische Langzeit ber wachung von Bauwerken das Bauwerksmonitoring zum Einsatz 2 2 1 Definition Das Bauwerksmonitoring dient vor allem der messtechnischen Dauer oder Langzeiterfassung aller relevanten Systemparameter eines Bauwerks Das tibergeordnete Ziel ist es das aktuelle Wissen ber das tats chliche Verhalten von Bauwerken kontinuierlich zu verbessern Die durch das Monitoring gewonnenen Informationen k nnen hierbei f r sehr unterschiedliche Zwecke genutzt werden Zustandsbewertung von Bauwerken Langzeiterfassung der Bauwerkstragf higkeit Absch tzung der verbleibenden Lebensdauer Modellidentifikation und korrelation Langzeit Struktur berwachung Structural Health Monitoring Im Gegensatz zu den oben beschriebenen experimentellen Priifverfahren werden die relevan ten Messgr en beim Bauwerksmonitoring ber einen l ngeren Zeitraum kontinuierlich oder periodisch erfasst Es kommt insbesondere dann zur Anwendung wenn die zeitliche Entwick lung aufgezeichneter Messgr en beobachtet und oder alle f r das Bauwerk relevanten Er eigniss
80. als ein Problem der Syste midentifikation Das gemessene Verhalten eines Staubauwerks wird hierzu dem simulierten Verhalten gegeniibergestellt und die Abweichung zwischen Messung und Simulation mini miert Bauwerksparameter physikalische Eigenschaften Materialeigenschaften Das Ziel ist es hierbei Sch digungen anhand der physikalischen Eigenschaften zu detektieren und zu lo kalisieren Maier teilt das Bauwerk hierzu in mehrere Bereiche ein denen jeweils ein E Modul zugewiesen wird Mittels einer Radar Messung werden dann die Verformungen der Staumauer an einer Vielzahl von Punkten ermittelt und mit den simulierten Verformun gen verglichen Bei der inversen Anpassung des Simulationsmodells an die gemessenen Werte liefert die Berechnung eine Verringerung des E Moduls die als Vorhandensein eines Schadens interpretiert werden kann Einen weiterf hrenden berblick ber aktuelle Forschungsaktivit ten geben die Ver ffent lichungen des von 2002 bis 2005 durchgef hrten europ ischen Projekts Integrity Assess ment of Large Concrete Dams IALAD NW IALAD 05 insbesondere des Arbeitspakets 3 Dam performance under normal and extraordinary load conditions und die Konferenzen des ICOLD engl International Comittee on Large Dams Berga 06 6 1 2 Talsperren berwachung nach DIN 19700 Die Talsperren berwachung beruht in der Praxis im Gegensatz zur rein inspektionsbasier ten berwachung anderer Bauwerkstype
81. am menhang zwischen der Stauh he der Lufttemperatur und der Verformung der Staumauer F r jede Gruppe werden die Messwerte gefiltert und die Reaktion des Bauwerks Zielgr e auf die der gemessenen Einwirkungen Einflussgr en ber das Modell berechnet Danach wird die berechnete Zielgr e mit der berechneten verglichen Folgende drei Bewertungsf lle k nnen auftreten Die gemessenen Werte liegen au erhalb der festgelegten Grenzwerte Der Zustand des Bauwerks wird als anormal gekennzeichnet Die berechneten Zust nde und der gemessene Zustand stimmen berein und die Werte befinden sich innerhalb der Grenzwerte Der Zustand des Bauwerks wird als normal gekennzeichnet Die berechneten Zust nde und der gemessene Zustand stimmen nicht berein die ge messenen Werte befinden sich aber innerhalb der Grenzwerte In diesem Fall sind die Modelle und die Messwerte inkonsistent Diese Situation wird als gef hrlich eingestuft 70 KAPITEL 4 KONZEPTION da in dem Bauwerk Prozesse ablaufen die nicht zu erkl ren sind Der Zustand des Bauwerks wird als anormal gekennzeichnet Der Ablauf ist im folgenden Graph dargestellt Daten Filterung amp Aktueller Berechnung Gewiinschter Gruppierung Zustand von Reaktionen amp Ungewiinschter Vergleich durch Zustand Modelle amp Schwellenw Auswertungspfad 3 Ph nomenologische Betrachtung von Messwertgeberfamilien Ph nomen
82. an sprechender optischer Form pr sentiert werden Die automatisierte Erstellung und Verteilung der Berichte obliegt dem Berichtsagenten der prototypisch in der Klasse ReportingAgent im plementiert wird vgl Abb 5 12 ReportingAgent CyclicReportGenBehaviour P CreateReportBehaviour DistributeReportBehaviour l GetReportResponderBehaviour EN Abbildung 5 12 Verhaltensbausteine des Berichtsagenten Die Erstellung der verschiedenartigen Berichte wird als ein generischer Prozess aufgefasst der mehrere Teilschritten umfasst und in Abbildung 5 13 als UML Aktivit tsdiagramm beschrie ben wird Der erste Schritt des Prozesses besteht im Laden einer Vorlage Schablone fiir den zu erstellenden Bericht Die Schablone enthalt allgemeine Angaben zum Aufbau des Berichts zum Ausgabeformat als auch zu den Messdaten Im zweiten Schritt Daten laden werden die Messdaten aus der Datenquelle z B aus einer Datenbank oder aus einer Datei geladen Danach werden die Messdaten den Vorgaben entsprechend aufbereitet und im abschlie enden Schritt Bericht exportieren in das gew nschte Ausgabeformat z B PDF gebracht Der beschriebene Prozess wird in den Verhaltensbausteinen CyclicReportGenBehaviour CreateReportBehaviour und DistributeReportBehaviour des Berichtsagenten implemen tiert Der Verhaltensbaustein CyclicReportGenBehaviour wird als periodisch ausgef hr ter Baustein ausgelegt der die Berichtserstellung sta
83. ao 95 A S Rao M P Georgeff Bdi agents From theory to practice In V Lesser Hrsg Tagungsband Proceedings of the First International Conference on Multi Agent Systems ICMAS 95 Seiten 312 319 Cambridge MA USA 1995 The MIT Press LITERATURVERZEICHNIS 173 Red Hat Middleware LLC 09 Red Hat Middleware LLC Hibernate Relational Persis tence for Java and NET 2009 11 04 RI EBW PRUF 07 RI EBW PR F Pr fung und berwachung von Br cken Tunneln und anderen Ingenieurbauwerken Richtlinie zur einheitlichen Erfassung Bewertung und Auf zeichnung und Auswertung von Ergebnissen der Bauwerkspr fungen nach DIN 1076 Bun desministerium f r Verkehr Bau und Wohnungswesen Abteilung Stra enbau Stra en verkehr Rifler 98 P Ri ler Talsperrenpraxis Oldenbourg 1998 Ri ler 99 P Ri ler Anpassung der ennepetalsperre an die allgemein anerkannten regeln der technik Tagungsband 29 Internationales Wasserbau Symposium Band 120 of Mitteilun gen des Lehrstuhls und Instituts f r Wasserbau und Wasserwirtschaft der RWTH Aachen Januar 1999 Ruben 05 J Ruben Ein Multi Agenten System zur verteilten p adaptiven Finite Elemente Simulation am Beispiel der Baugrund Tragwerk Interaktion Doktorarbeit Institut f r Numerische Methoden und Informatik im Bauwesen Technische Universit t Darmstadt 2005 R cker 06 W R cker F Hille R Rohrmann Guideline for the assessment of existing structur
84. aten fir eine computergest tzte Verarbeitung generisch beschrieben werden k nnen Nach der Festlegung eines geeigneten Datenformates sollen dann prototypische Softwarekomponenten zur automa tischen Filterung und Verarbeitung von Messdaten implementiert werden Das zu entwickelnde Bauwerksmonitoringsystem soll schlie lich mit der F higkeit ausgestat tet werden selbstst ndig Diagnosen ber den aktuellen Bauwerkszustand durchzuf hren Das Monitoringsystem muss hierzu in der Lage sein die Reaktion des Bauwerks auf sich ndernde Umgebungs oder Betriebsbedingungen zu erfassen um kritische Systemzust nde zuverl ssig erkennen zu k nnen Zu diesem Zweck sollen bestehende Methoden bzw Modelle zur Beschreibung des Bauwerksverhaltens auf der Basis von Messdaten prototypisch in das Bauwerksmonitoringsystem integriert werden Als Anwendungsbeispiel f r die prototypische Implementierung des Bauwerksmonitoringsys tems wird die berwachung von Talsperren gew hlt da diese aufgrund der gesetzlichen Vor gaben mit Messeinrichtungen zur Erfassung von relevanten Systemparametern ausgestattet sind und viele dieser Messeinrichtungen auch bereits automatisiert sind Von Vorteil ist zu dem dass langj hrige Messreihen von wichtigen Systemparametern vorliegen und praktische Erfahrung in der Auswertung von Messdaten besteht die zur Verifizierung des Bauwerksmo nitoringsystems genutzt werden k nnen 1 2 Aufbau der Arbeit Die vorliege
85. atenspeicherungsagent Statistik Stellt bereit saa_SD ServiceDescription type statistics service agent ontology monitoring onto language fipa sl protocol fipa request lt gt gt saa_Properties foi lt feature of interest gt product lt name of software gt Abbildung C 7 Dienstbeschreibung des Datenspeicherungsagenten 164 ANHANG C ARTEFAKTE UND MODELLE C 5 7 Pers nlicher Agent pa_SD ServiceDescription stellt bereit type consumer service pa_Properties Personlicher ontology monitoring onto ur Agent language fipa sl protocol fipa request foi lt feature of interest gt Abbildung C 8 Dienstbeschreibung des pers nlichen Agenten Literaturverzeichnis Adams 07 D Adams Health Monitoring of Structural Materials and Components Methods with Applications Wiley 2007 Albert 03 M Albert T Langle H Worn M Capobianco A Brighenti Multi agent sys tems for industrial diagnostics Tagungsband Proceedings of 5th IFAC Symposium on Fault Detection Supervision and Safety of Technical Processes Band 3 Seiten 483 488 Washington DC 2003 Ammar 05 Y Ammar A Buhrig M Marzencki B Charlot S Basrour K Matou M Renaudin Wireless sensor network node with asynchronous architecture and vibration harvesting micro power generator Tagungsband Proceedings of the 2005 j
86. auf wurde als Prozess mit den Schritten Erfassung Verteilung Aufbereitung Pflege und Nutzung von Messdaten formali siert und der anschlie enden Realisierung des Bauwerksmonitoringsystems zugrundegelegt Als informatischer L sungsansatz zur softwaretechnischen Realisierung des Bauwerksmonito ringsystems wurde ein Multiagentensystemansatz gew hlt der das verteilte Arbeiten der am Monitoring beteiligten Fachexperten auf der Basis einer dezentralen Probleml sungsstrategie abbildet Die Implementierung erfolgte schlie lich in dem Multiagentensystem RAMON wobei die f r die Durchf hrung des Monitoringablaufs erforderliche Logik auf die dezentralen Systemknoten die Softwareagenten verteilt wird die jeweils eine spezifische Aufgabe unab h ngig oder bei Bedarf auch in Kooperation mit anderen Softwareagenten bearbeiten 1 Die Erfassung der Messdaten wird von zwei spezialisierten Agententypen durchge f hrt Zur aktiven Steuerung und Interaktion mit Mess und Datenerfassungssystemen wird ein Sensorikagent verwendet der die Fachlogik zur physischen Interaktion mit den Ger ten enth lt Zur losen Kopplung mit den Mess und Datenerfassungssystemen wird ein Messdateiagent eingesetzt der die erfassten Messgr en aus Dateien ausliest und auf diese Weise die bestehenden Systeme nutzbar macht 2 Zur Verteilung der Messdaten wurde ein spezialisierter Agententypen realisiert der f r die bertragung der Messdaten von ein
87. auwerksmonitoringsma nahmen zu geben sind in Tabelle 2 3 vier repr sentative Bauwerke einschlie lich der installierten Bauwerksmonitoring 22 KAPITEL 2 STAND DER FORSCHUNG bzw CSHM Systeme dargestellt Die ausgew hlten Beispiele verdeutlichen dass Bauwerks monitoring und CSHM mit jeweils unterschiedlichen Zielsetzungen und Aufwand durchgef hrt wird Insbesondere in Asien vgl Ting Kau und Tsing Ma Br cke werden die Neubauwer ke zunehmend schon w hrend des Baus mit einer gro en Anzahl von Sensoren ausgestattet die den Bauwerksbetreiber online ber den aktuellen Bauwerkszustand informieren Dort erf llen die Bauwerksmonitoringsysteme aufgrund der extremen Umweltbedingungen hohe Windgeschwindigkeiten durch Taifune Starkregen und Erdbebengef hrdung die Funktion von Fr hwarnsystemen und werden im Sinne eines Leitsystems zur Steuerung des Strassen und Eisenbahnverkehrs ber die Br cke genutzt F r die derzeit in Bau befindliche Nord S d Linie der Amsterdamer U Bahn wurde ein Mo nitoringsystem installiert das dazu beitr gt Sch den an den gr tenteils historischen Bau werken zu minimieren und katastrophale Schadensf lle mit Gefahr f r das menschliche Le ben zu vermeiden Das Monitoring erfolgt hierbei mit einer gro en Anzahl von berwiegend geod tischen Sensoren die ein Lagebild der vortriebsbedingten Setzungen bzw Hebungen erm glichen Insgesamt werden mit rund 5500 Sensoren ca 1200 Bauwerke durch das M
88. ces In N Shiraishi M Shi nozuka Y K Wen Hrsg Tagungsband Proceedings of ICOSSAR 97 The 7th Interna tional Conference on Structural Safety and Reliability Band 1 Seiten 3 35 Kyoto Japan 1997 A A Balkema 174 LITERATURVERZEICHNIS Searle 69 J Searle Speech Acts Cambridge University Press Cambridge MA USA 1969 Smarsly 08 K Smarsly Autonome Bauwerksiiberwachung Dissertation Fakult t fiir Bau ingenieurwesen Ruhr Universit t Bochum 2008 Smith 80 R Smith R Davis The contract net protocol High level communication and control in a distibuted problem solver IEEE Transactions on Computers 29 12 1104 1113 1980 Sohn 01 H Sohn C R Farrar Damage diagnosis using time series analysis of vibration signals Smart Materials and Structures 10 3 446 451 2001 Sonderforschungsbereich 398 08 Sonderforschungsbereich 398 Lebensdauerorientierte ent wurfskonzepte unter sch digungs und deteriorationsaspekten http www ruhr uni bochum de sfb398 2009 11 20 Spectral Dynamics Inc 09 Spectral Dynamics Inc STAR Modal Online Quelle 2009 11 24 Stanford Center for Biomedical Informatics Research 08 Stanford Center for Biomedical Informatics Research The protege ontology editor and knowledge acquisition system http protege stanford edu Online Quelle 2008 01 30 Stangenberg 09 F Stangenberg R Breitenb cher O T Bruhns D Hartmann R Hoffer D Kuhl G Mesch
89. ch generierter Messbericht 2 22 22 CE Emmen 120 122 orescence 122 AEREA 123 WEE 124 6 13 Radiale Verformungen und angepasstes Regressionsmodell 125 AE 126 riadas re 155 C 2 Dienstbeschreibung des Sensorikagenten 162 FIT 162 nee neos 162 C 5 Dienstbeschreibung des Datenverarbeitungsagenten 163 pee hee eee eee seems oa os 163 ps Ae eae es 163 C 8 Dienstbeschreibung des pers nlichen Agenten 164 Listings 3 1 KQML Beispielnachricht 22 22 2 Cu a on 0 2 35 5 1 Instanziierung einer seriellen Schnittstelle mittels des Comm API 88 5 2 Repr sentation eines Messwertes in FIPA SL o 93 5 3 Methode zur Kommunikation mit der Statistiksoftware HI 98 5 4 Interaktion mit dem AMS mittels des vorgefertigen Verhaltensbausteins AMS 6 1 Zusammenfassung des berechneten Regressionsmodells 124 vil viii LISTINGS Teil I Grundlagen Kapitel 1 Einleitung 1 1 Problemstellung und Ziel der Arbeit Das Bauingenieurwesen steht zu Beginn des 21 Jahrhunderts vor einer gro en strukturellen Ver nderung Die Entwicklung neuer Infrastruktur traditionsgem f das Hauptinteresse des Bauingenieurwesens wird zunehmend durch die Erhaltung und Revitalisierung der bestehen den Infrastruktur verdr ngt Ein Hauptgrund fiir diese Aufgabenverschiebung ist das Alter der gebauten Infrastruktur die in den alten Bundesl ndern gr btenteils aus den 196
90. chaften und eine Senkung der Ger te und Installationskosten erreicht werden Im Hinblick auf die zunehmende Leistungsf higkeit von Sensoren die Verf gbarkeit drahtloser Sensoren und die steigende Datenmenge sollte au erdem eine Steigerung der Autonomie des Multiagentensystems hinsichtlich der Verarbeitung und Auswertung der erfassten Messdaten angestrebt werden Sinnvoll erscheint im Besonderen die Ausstattung der einzelnen Agenten mit maschinell ausf hrbaren Verfahren zur Schadenserkennung und bewertung Vorausset zung hierf r ist jedoch die Fortentwicklung der bestehenden Ans tze da die zurzeit ver wendeten Ans tze insbesondere die schwingungsbasierten Ans tze zwar prinzipiell auf den Einsatz von Computern zugeschnitten sind jedoch einen hohen manuellen Aufwand bei der Erstellung und fortlaufenden Aktualisierung der erforderlichen Strukturmodelle erfordern Ei ne interessante Perspektive f r zuk nftige Arbeiten stellen deshalb modellfreie Verfahren dar die unter Nutzung von Methoden der statistischen Mustererkennung und des Data Minings eine Extraktion des charakteristischen Bauwerksverhaltens erlauben Die entwickelten Ver fahren k nnen dann von den Agenten selbstt tig ausgef hrt und als Berechnungsgrundlage f r weiterf hrende Analysen verwendet werden um die Diagnose des aktuellen Bauwerkszu standes f r die Beteiligten weiter zu vereinfachen und die Schadenspr vention mittelfristig proaktiver zu gestalten
91. che Verfahren wie z B Finite Element Simulationen hybride und gekoppelte Verfahren Horlacher 021 Die mathematisch statistischen Verfahren versuchen vorliegende Messdaten in geeigneter Weise zu beschreiben und inh rente Abh ngigkeiten durch statistische Auswertung zu quan tifizieren Besondere Bedeutung fiir die Anwendung in der Talsperreniiberwachung besitzen dabei die Zeitreihen und die Regressionsanalyse Bettzieche 02 Ein interessanter Ansatz stammt z B von B cker et al B cker 05 die statistische Verfahren zur Trend und Sprun gerkennung auf die Messdaten aus der Talsperren berwachung anwendeten um signifikante Ver nderungen in Messreihen automatisiert zu erkennen Besonders vorteilhaft ist dass der Ansatz nicht nur auf die Verformungsmessungen sondern auf andere Messreihen aus der Talsperren berwachung anwendbar ist Die Verfahren mit parametrisierten Funktionsans tzen ber cksichtigen die bekannten Ein fl sse auf das Verhalten einer Staumauer Wasserdruck Temperatur und Zeit durch entsprechende Funktionsans tze und bestimmen die Koeffizienten des Funktionsansatzes mit tels der Methode der kleinsten Fehlerquadrate Erste Verfahren darunter die HST Methode engl Hydrostatic Seaon Time Ferry 58 Willm 67 wurden bereits in den 1960er Jahren entwickelt Gleichung 6 1 zeigt den Funktionsansatz der HST Methode M H z S s T t C R 6 1 mit M Prognosewert radiale Verformung S s
92. chritt die Verteilung soll auf generische Weise den Transport von Mess daten von einer Datenquelle zu einem Zielort abbilden Hierbei wird vorausgesetzt dass die Messdaten bereits aus den Datenerfassungssystemen ausgelesen und in Dateiform auf einem Rechner abgelegt wurden Konkret geht es also darum eine entfernt abgelegte Messdatei aufzufinden einzulesen und auf einem anderen Rechner ablegen Die danach folgende Aufbereitung von Messdaten wird ebenfalls als ein eigener Arbeitsschritt modelliert Als Teilschritte sind das Auslesen der Messdaten aus dem Rohdatenformat die Umwandlung in ein gew nschtes Zielformat und das Schreiben der Messdaten in das ge w nschte Zieldatenformat durchzuf hren Vor der Aufbereitung der Messdaten wird h ufig auch untersucht ob die Messdaten f r eine weitere Nutzung interessant sind oder ob sie unter Umst nden veraltet sind und deshalb gel scht werden k nnen In diesem Arbeitsschritt ist zur Umwandlung Transformation von Messdaten und zur Unterscheidung zwischen n tzlichen und veralteten Daten entsprechende Fachlogik erforderlich Der n chste Schritt die Pflege beinhaltet die persistente Speicherung der Messdaten In die sem Arbeitsschritt werden alle Aktionen zusammengefasst die zur Verwaltung von Messdaten ausgef hrt werden m ssen Dies sind z B die Erzeugung Aktualisierung Speicherung und das L schen von Messdaten Der Monitoringablauf beinhaltet als abschlie enden Schritt die Nut
93. cht das Auffinden von Sensorikagenten sowie die objektbezo gene und ger tebezogene Suche nach Messeinrichtungen Sensoren Sucheigenschaften sind das berwachte Objekt Bauwerk oder der Ger tetyp file service Dienst zur Bereitstellung einer Messdatei Wird vom Messdateiagenten ver f fentlicht und enth lt Meta Informationen zur Messdatei dag service Dienst der von den Datenverteilungsagenten angeboten wird Erlaubt es ande ren Agenten den bzw die f r ein spezifisches Bauwerk verantwortlichen Datenvertei lungsagenten objektbezogen bauwerksbezogen aufzufinden Entwurfsmuster gem der Subsumptionsarchitektur von Brooks Brooks 86 Ein auf Behaviours ba sierender Agent verwendet nur sehr wenige interne Variablen um den Zustand der Umwelt zu modellieren Stattdessen wird angenommen dass alle Informationen als Eingabe des jeweiligen Behaviours vorliegen 4 4 PROBLEMLOSUNGSKOMPETENZEN 65 processing service Dienst der von den Datenverarbeitungsagenten angeboten wird er m glicht das Auffinden der auf die Verarbeitung von Messdatenformaten spezialisierten Agenten Ver ffentlicht Gesucht wird der Typ des Datenerfassungssystems storage service Dienst der von Datenspeicherungsagenten ver ffentlicht wird erm glicht es eine Datenbank anhand des Bauwerks und oder des Auswertungszeitraumes zu fin den statistics service Von den Statistikagenten des Bauwerksmonitoringsystems bereitgestell ter Dienst zur Nu
94. chtigsten Ergebnisse res miert und ein Ausblick auf die weitere Forschungsarbeit gegeben wird KAPITEL 1 EINLEITUNG Kapitel 2 Stand der Forschung Dieses Kapitel stellt den Stand der Forschung auf den Gebieten Bauwerkstiberwachung sowie messtechnische Dauertiberwachung von Bauwerken dar Hierzu wird zundchst in die The matik der Bauwerks berwachung eingef hrt und die in der Praxis zur Zustandserfassung und berwachung an Bauwerken eingesetzten Verfahren beschrieben Danach wird die messtechni sche Dauertiberwachung von Bauwerken das Bauwerksmonitoring erl utert und Beispielan wendungen des Monitorings genannt Darauf aufbauend wird der Aufbau existierender Bau werksmonitoringsysteme anhand der verwendeten Systemkomponenten beschrieben Abschlie Bend wird ein kurzer Uberblick tiber die Talsperrentiberwachung da diese in der vorliegenden Arbeit als Anwendungsbeispiel dient 2 1 Bauwerks berwachung Die Bauwerks berwachung ist eine Ingenieuraufgabe deren Haupteinsatzbereich sich aus der Alterung der gebauten Infrastruktur und den steigenden Anforderungen an die Tragf hig keit und Dauerhaftigkeit der Bauwerke ergibt Bauwerksiiberwachung Die technische und wirtschaftliche Bedeutung der Bauwerks berwachung kann hierbei vor al lem an dem zu erhaltenden Bauwerksbestand der Verkehrsinfrastruktur abgelesen werden In Deutschland sind zur Zeit ber 36 000 Br cken im Bundesfernstra ennetz mit einem ge sch tzten Wert von
95. chtungen unterschieden Als Oberklasse f r alle Arten von Beobachtungen wird das Konzept Observation eingef hrt Eine Beobachtung bezieht sich zun chst immer auf ein Konzept Feature das als hierarchisch gliederbares Konzept f r alle Merkmale dient auf die sich Beobachtungen beziehen k nnen Merkmale k nnen Messpunkte Bauwerksabschnitte Bauwerke usw sein F r quantitative Beobachtungen wird das Konzept Measurement einge f hrt das einen Messwert als das Ergebnis eines Beobachtungsvorganges betrachtet wobei das Ergebnis einen Wert bzw eine Quantit t Quantity und eine Einheit Unit besitzt Qualitative Beobachtungen werden durch das Konzept Category bservation abgebildet das keinen Zahlenwert sondern eine Kategorie als Ergebnis liefert Zu erfassende Eigen schaften werden durch die Konzepte PhenomenonType und Phenomenon abgebildet Ein 78 KAPITEL 4 KONZEPTION PhenomenonType bildet dabei die Art der zu erfassenden Messgr e z B Temperatur oder Beschleunigung und das Konzept Phenomenon die bei qualitativen Beobachtungen m gli chen Kategorien z B gering mittel stark ab Die r umliche Position und der Zeitpunkt der Beobachtung werden ebenfalls in eigenen Konzepten Location bzw TimeRecord realisiert Um die Verwendung von unterschiedlichen Einheiten und ihre automatisierte Umrechnung zu erm glichen werden Einheiten im Dom nenmodell explizit durch das Konzept Unit model liert Das Konzept erm glicht die Modellie
96. chungs und Kontrollbetrieb der Ennepetalsperre Ennepetalsperre Verantwortlich f r den Betrieb der Ennepetalsperre ist der Ruhrverband ein regionaler Wasserwirtschaftsver band mit Hauptsitz in Essen dessen Hauptaufgabe die Wasserbewirtschaftung der Ruhr ist Hierzu betreibt der Ruhrverband ein System von Talsperren im Einzugsge biet der Ruhr zu dem neben der Ennepetalsperre u a die Bigge M hne und Sorpetalsperre geh ren Die Ennepetalsperre dient in der Folge als Referenzbauwerk Zur optimalen Wasserbewirtschaftung der Ruhr wird das Talsperrensystem des Ruhrverbands von Essen aus zentral gesteuert und betreut Dort wurde eine Leitzentrale eingerichtet zu der alle ma gebenden betrieblichen Daten Abflusspegelst nde Niederschl ge fern bertragen werden und zu einem gemeinsamen Lagebild aufbereitet werden Der rtliche Betrieb der Talsperren ist in mehreren Betriebsstellen organisiert die sich in der N he der Talsperren befinden Die Betriebsstellen werden i d R von einem Diplom Ingenieur geleitet und verf gen ber weiteres Personal vor Ort das f r die Regelung der Abgaben die visuelle Kontrollen 54 KAPITEL 4 KONZEPTION und die Ablesung der nicht automatisierten Mess und Kontrolleinrichtungen verantwortlich ist sowie Wartungsarbeiten an den Wasserbauten durchf hrt Rifler 98 Die berwachung der Talsperren wird von einer eigenen Abteilung Talsperren berwachung und Geotechnik die aus Bauingenieu
97. chwerpunkt auf dem Gebiet der Talsperren berwachung Das Ziel ist es das durch manuelle oder automatisierte Messungen am Bauwerk beobachtete Bauwerksverhalten zeitnah und zuverl ssig beurteilen zu k nnen um daraus eine Gesamtdiagnose des Bau werks stellen zu k nnen Im Hinblick auf den globalen Klimawandel und die Hochwasser schutzfunktion der Talsperren sind aber auch Extremereignisse z B extremes Hochwasser mit entsprechenden Einwirkungen auf das Bauwerk von zunehmendem Interesse vgl z B Deutsches Talsperrrenkomitee e V 07 6 1 1 Analyse und Prognosemodelle f r Staumauern Die Untersuchung des Bauwerksverhaltens anhand der Messschriebe kann wichtige Indizi en f r kritische Bauwerksver nderungen liefern Als Folge besch ftigen sich die aktuellen Forschungsarbeiten zur Talsperren berwachung berwiegend mit der Verbesserung von Ver fahren zur Analyse und Simulation des Bauwerksverhaltens unter Ber cksichtigung der durch das Mess und Kontrollsystem erfassten Einwirkungen auf das Bauwerk Aufbauend auf werden die Ans tze zur computerbasierten Analyse und Prognose des Ver 108 KAPITEL 6 VALIDIERUNG haltens von Staumauern im Hinblick auf die Anwendbarkeit in Bauwerksmonitoringsystemen evaluiert Die Ans tze lassen sich in folgende Gruppen einordnen mathematisch statistische Verfahren z B Regressionsanalyse Verfahren mit parametrisierten Funktionsans tzen z B HST Methode rein deterministis
98. d 1 Schwellenwertbasierte Bewertung von Einzelmesswerten Der Zustandsraum wird durch Zielgr en wie z B die Verformungen einer Staumauer unter der durch das Monitoringsystem erfassten Lasteinwirkung festgelegt Die Messwerte werden einzeln ausgewertet wobei die erstrebenswerten und nicht erstrebenswerten Zust nde anhand von Schwellenwerten definiert werden Jede Variable besitzt einen Satz von Schwellenwerten die aus alten Messungen abgeleitet werden Die Schwellenwerte unterteilen die m glichen R ume in Subr ume Hierzu werden die Kategorien normal low anomaly medium anomaly high anomaly very high anomaly verwendet Zur Schlussfolgerung wird jeder Messwert gefil tert das Ergebnis mit den Schwellenwerten verglichen und die Lage des aktuellen Zustandes in den Subr umen ermittelt Daten Filterung Aktueller Vergleich mit Gewiinschter Zustand Schwellenw Ungew nschter Zustand Auswertungspfad 2 Bewertung von Messwerten ber Ursache Wirkungs Beziehungen F r Auswertungspfad 2 werden Gruppen von Einflussgr en Einwirkungen und die zuge h rigen Zielgr en betrachtet F r jede Menge von Einflussgr en und eine Zielgr e werden die erstrebenswerten und nicht erstrebenswerten Zust nde durch quantitative Modelle und Grenzwerte festgelegt Die Modelle k nnen aus zur ckliegenden Beobachtungen oder dem aktuellen Verhalten des Bauwerks abgeleitet werden Ein Modell beschreibt z B den Zus
99. dBehaviour zu Abbildung 5 3 zeigt die Klassen des Paketes als UML Klassendiagramm E HardwareSensorsAgent Attributes private long serialVersionUID 1L public String LANGUAGE_DATATAKER I_datataker public Messa SENSORS_QUERY_REF_PATTERN private SerialPort serialPort package CommPortidentifier portid package Enumeration portList package Logger logger Logger getLogger HardwareSensorsAgent class getName package Logger fileLogger logger getLogger File Ej SensorsFipaReqServerBehaviour E SensorsFipaQueryServerBehaviour Attributes Attributes private long serialVersionUID 1L private long serialVersionUID 1L package Logger logger Logger getLogger SensorsAgent class getName package Logger logger Logger getLogger SensorsAgent class getName Operations s 8 E EE E EE EST ERE Dn Navic Attributes private String unloadCommand UL private long timeout package Logger logger Logger getLogger HardwareSensorsAgent class getName Abbildung 5 3 Paket de rub bi inf monitoring sensors UML Klassendiagramm 5 2 2 Messdateiagent Zur Kapselung und Bereitstellung von Messdaten die in Messdateien abgelegt sind wird ein spezialisierter Messdateiagent in der Klasse FileSensorsAgent implementiert Gem der Spezifikation in der Interaktionstabelle interagiert der Agententyp mit den anderen Agententypen des Bauwerksmonitoringsystems wenn diese die Daten aus der Messdatei oder Metainformationen zur Messdatei anfor
100. dazu in der Inhaltssprache FIPA SL language fipa s1 kodiert Im Inhaltsfeld der Nachricht wird die auszuf hrende Aktion bermittelt wobei durch die Ver wendung einer semantischen Inhaltssprache eine Priifung des Inhalts und eine Interpretation durch die Agenten m glich ist 4 5 2 Messdateien Wenn keine direkte Kommunikation mit den Datenerfassungsger ten z B aus technischen oder Sicherheitsgriinden m glich ist muss stattdessen eine lose Kopplung mit den bestehen den Mess und Datenerfassungssystemen auf der Basis von Messdateien vorgesehen werden Voraussetzung ist dass bereits ein entsprechendes System oder eine Software vorhanden ist um selbstt tig Dateien aus den erfassten Messdaten zu generieren Auf die von einem Fremdsystem generierte Messdatei wird durch den Agententyp Messdatei Messdateiagent zugegriffen der die Messdatei periodisch auf neue Messdaten bzw nde rungen untersucht und anderen Agenten jeweils aktuelle Messdaten bereitstellt Der Mess dateiagent wird als Wrapper Agent ausgelegt und ver ffentlicht geeignete Dienste die einen Zugriff auf entfernte Messdateien erm glichen Da auf der Messdatei i d R nur Leseaktio nen ausgef hrt werden die sich sehr gut durch Agentenaktionen abstrahieren lassen wird beim Zugriff auf Messdateien eine ontologiebasierte Kommunikation implementiert s Abb 4 10 Die angeforderte Aktion muss dabei im Inhaltsfeld einer Nachricht verschickt werden Die Semantik und das
101. den der erfassten Messgr en wird schlie lich im Verhal tensbaustein ProcessingInitiatorBehaviour implementiert Die Verhaltensbausteine des Datenverteilungsagenten sind in Abbildung 5 6 dargestellt DAQAgent ScheduledDAQBehaviour ExtractLoadBehaviour l ProcessinglnitiatorBehaviour Abbildung 5 6 Verhaltensbausteine des Datenverteilungsagenten Der Agententyp ist durch die Interaktion mit den anderen Agententypen des Bauwerksmoni toringsystems in der Lage die Rohdaten aus den entfernten Ger tespeichern und Messdateien zu extrahieren Die bertragung der Daten kann ber verschiedene Kommunikationswege er folgen In Abh ngigkeit vom Verteilungskonzept der Agenten ist die bertragung der Daten z B ber das Mobilfunknetz GSM GPRS oder drahtgebunden ber das Internet IP Ether net m glich Um die Verteilung von erfassten Messwerten flexibel steuern zu k nnen wird ein an die Funk tionsweise des Unix Systemdaemons Cron Cron angelehnter Mechanismus in den Datenverteilungsagenten implementiert Die auszuf hrende Aufgabe wird dabei durch einen einfachen mehrteiligen Ausdruck beschrieben Dieser Ausdruck setzt sich aus mehre ren Zeitfeldern f r Minuten Stunden den Tag des Monats den Monat und den Wochentag zusammen Tabelle 5 1 enthalt einige beispielhafte cron Ausdriicke Der Datenverteilungsagent wird so programmiert dass dem Agententypen beim Starten ein Cron Ausdruck und e
102. den hierbei als Text aufgefasst der mit den im vorherigen Zyklus ausgelesenen Messwerten verglichen wird Der Dateivergleich wird mit der bestehenden Klasse Fraser 09 realisiert und in den Datenverteilungsagenten integriert Der Agententyp und dessen Verhaltensbausteine werden im Paket de rub bi inf monitoring daq implementiert das in Abbildung als Klassendia gramm dargestellt ist E DataAcquisitionAgent Ej ScheduledDAQBehaviour Attributes Attributes private long serialVersionUID 1L private long serialVersionUID 1L package Logger logger Logger getLogger DataAcquisitionAgent class getName package Logger logger Logger getLogger DataAcquisitionAgent class getName private Codec codec new SLCodec ATT private Ontology ontology MonitoringOntology getinstance private String fileSource private String sink private Scheduler scheduler ra ES DOOR Te d Attributes ablic Datadonuleltior td Sxl ls Sino sink private long serialVersionUID 1L package Logger logger Logger getLogger DataAcquisitionAgent class getName private String fileSource EProcessinglnitiatorBehaviour Attributes private long serialVersionUID 1L Abbildung 5 7 Paket de rub bi inf monitoring daq 5 4 AUFBEREITUNG VON MESSDATEN 91 5 4 Aufbereitung von Messdaten 5 4 1 Datenverarbeitungsagent Die Aufbereitung von Messdaten wird in dem spezialisierten Agententypen DataProcessingAgent implementiert Der Agententyp wird mit mehrer
103. dern Die Interaktionen werden durch insgesamt drei Verhaltensbausteine abgebildet s Abb 5 4 Der Verhaltensbaustein FileResponderBehaviour verarbeitet die Anfragen nach dem Inhalt der Messdatei und liefert als Ergebnis den Inhalt der gekapselten Messdatei an den anfragen den Agenten zurtick Der Verhaltensbaustein greift hierzu auf den Baustein ReadBehaviour zur ck der den aktuellen Inhalt der Messdatei ausliest 5 2 ERFASSUNG VON MESSDATEN 87 FileSensorsAgent j FileResponderBehaviour J DescribeSensorsBehaviour a ReadFileBehaviour Abbildung 5 4 Verhaltensbausteine des Messdateiagenten Informationen tiber die Messdatei und den Messprozess k nnen von den anderen Agenten des Bauwerksmonitoringsystems erfragt werden indem sie dem Messdateiagenten eine Nachricht mit der Agentenaktion describe sensors senden Alle Nachrichten mit diesem Inhalt werden in dem Verhaltensbaustein DescribeSensorsResponder verarbeitet In der Antwortnachricht werden dann SensorML kodierte Informationen ber den Messprozess verschickt die vom anfragenden Agententypen verarbeitet werden k nnen 5 2 3 Kommunikation mit Mess und Datenerfassungssystemen Zur Integration leistungsf higer Mess und Datenerfassungssysteme musste die hardwarenahe Kommunikation mit den Ger ten hergestellt werden Die Kommunikation wird dazu am Bei spiel eines Datenloggers Datataker D T600 prototypisch umgesetzt Der Datenlogger D T 600 ist ein leistungsf h
104. diesem Anwendungsfall sind die f r die Steuerung der Datenerfassungssysteme autorisierten Systemnutzer wie der Monitoringexperte der Bau werksbetreiber und ggfs der Statiker beteiligt Anwendungsfall AF1 Bauwerksph nomene erfassen Umfang Bauwerksmonitoringsystem Ebene Anwenderziel Prim rakteur Monitoringexperte Akteur und Interessen Monitoringexperte Will Bauwerksph nomene automatisiert erfassen lassen Standardablauf 1 Monitoringexperte hat ein Bauwerk an dem Bauwerksph nomene auf Basis in situ instal lierter DAQ Systeme erfasst werden sollen Monitoringexperte startet System Monitoringexperte sucht im System nach Sensoren und DAQ Systemen System zeigt registrierte Sensoren und DAQ Systeme an Monitoringexperte w hlt DAQ System aus System kommuniziert mit DAQ System System zeigt Konfiguration an Monitoringexperte bearbeitet Konfiguration des DAQ Systems 2 3 4 5 6 Y 8 9 System speichert Konfiguration und bertr gt diese auf DAQ System 10 DAQ System erfasst Bauwerksph nomene auf Basis der neuen Konfiguration Erweiterungen Alternative Abl ufe keine Spezielle Anforderungen Interaktion mit in situ installierten DAQ Systemen C 1 ANWENDUNGSF LLE 145 C 1 2 Anwendungsfall AF2 Messdaten ansehen Anwendungsfall AF2 Messdaten ansehen Die Monitoringbeteiligten wollen die erfassten Messdaten ansehen Die Messdaten k nnen hierbei in einer Datenbank gespeich
105. e Der Zustandsraum wird identifiziert durch Mengen von Zielgr en die zu einer spezifischen Sensorart geh ren z B die Menge von Extensometern in einer Staumauer Mehrere Senso ren Messwertaufnehmer ein und desselben Typs z B Extensometer werden hierzu als eine Gruppe zusammengefasst Jede Gruppe identifiziert das globale Verhalten des physikalischen Systems das als Ph nomen bezeichnet wird Zwar kann auf diese Weise kein bestimmter physikalischer Prozess wie z B ein stark anormales Kippen eines einzelnen Mauerblocks identifiziert werden jedoch kann eine allgemeinere und unklare Situation z B stark anorma le Bewegungen des Bauwerks erkannt werden Der Zustand des Bauwerks wird mittels empirischer Regeln bewertet welche die Signifikanz und Zuverl ssigkeit der verwendeten Messwertaufnehmer ber cksichtigen Die Auswertung dieser Regeln liefert m gliche Hinweise auf den aktuellen Zustand des Bauwerks Daten Filterung amp Aktueller Verkn pfung Gewiinschter Gruppierung Zustand durch empirische Ungew nschter Regeln Zustand Auswertungspfad 4 Pr fung auf kritische physikalische Prozesse Der Zustandsraum wird in diesem Fall durch eine Menge von m glichen physikalischen Pro zessen identifiziert die im Bauwerk aktiv sein k nnen z B Kippen Gleiten Sickerwasseran stieg Jedem m glichen Prozess wird ein Zustand von w nschenswert normal bis hochgra dig unerw nscht very h
106. e sonderer Bedeutung Messdaten m ssen eindeutig identifizierbar sein und alle relevanten In formationen insbesondere Metadaten zur Messung enthalten Messdaten m ssen f r alle Beteiligte verf gbar sein und nderungen an den Messdaten protokolliert werden Anwendungsfall AF4 Messdaten archivieren Umfang Bauwerksmonitoringsystem Ebene Anwenderziel Prim rakteur Monitoringexperte Akteur und Interessen Monitoringexperte Will Messdaten langfristig speichern Statiker Will Messdaten langfristig speichern Bauwerksbesitzer betreiber Will Messdaten langfristig speichern Standardablauf 1 Monitoringexperte hat Messwerte die gespeichert werden sollen 2 Monitoringexperte startet System 3 Monitoringexperte gibt Messwerte ein 4 System speichert Messwerte Erweiterungen Alternative Abl ufe a Monitoringexperte l dt Messwerte in Dateiform in System b Datenverarbeitungsagent bergibt Messwerte an System Spezielle Anforderungen nderungen an Messwerten Beobachtungen m ssen mit Datum und Bearbeiter protokolliert werden 148 ANHANG C ARTEFAKTE UND MODELLE C 1 5 Anwendungsfall AF5 Messdaten verwalten Anwendungsfall AF5 Messdaten verwalten Die Nutzer des Bauwerksmonitoringsystems verwalten die Messdaten nach ihrer Erfassung wobei Messwerte gelesen bearbeitet und gel scht werden Hierzu w hlt der Nutzer die zu be arbeitenden Messwerte aus und editiert diese einzeln oder gruppenweise
107. e Bauwerk seinen aktuellen Zustand die Bewertung des aktuellen Zustands und die Prognose von evtl auftretenden Ereignissen erm glicht Dar ber hinaus ist es m glich ber die von den verschiedenen Agen tentypen im MAS angebotenen Dienste die Nutzung der externen Software insbesondere Statistiksoftware sowie den Zugriff auf die Datenbanken jederzeit alle f r das Monitoring relevanten Informationen anzufordern SEHE Agent if lO x File Edit Diagnosis Window Help E Data Center E R Console DAQ Systems Device Remote Site Summary Ennepe Remote Site Summary al Show config Pore Pressures Taf Ah men Ve lil m M ae i Y Be E Se pu u Start Sensor Data aul Sensor From 08 10 2009 08 10 2009 Table _ Diagram Search Features Feature _ Edit props Show location Start Map loaded Abbildung 5 17 Grafische Benutzungsschnittstelle des pers nlichen Agenten mit mehreren ge ffneten Dokumentfenstern Die Implementierung der grafischen Benutzungsschnittstelle erfolgt in der Klasse DesktopFrame Um den Fachexperten einen einfachen Zugriff auf die verschiedenen System funktionalit ten zu erm glichen und das parallele Bearbeiten mehrerer Aufgaben zu unter st tzen wird die Benutzungsschnittstelle als Mehrfachdokumentschnitt
108. e Sensoren und Messeinrichtungen realisiert die eine physikalische Eigenschaft in ein elektrisches Si gnal z B Spannung oder Widerstand umwandeln Die Konditionierung und Diskretisie rung des Signals erfolgen i Allg in der N he der analogen Messgeber mittels modularer Datenerfassungssysteme DAQ Module die h ufig mit einem eigenen Speicher ausgestattet und ber ein Netzwerk miteinander und oder einem Messrechner verbunden sind Die Ver netzung der Systemkomponenten basiert auf standardisierten Industrienetzwerktechnologien z B Ethernet Feldbug CAN und Standardkommunikationsprotokollen z B TCP IP Santa 04 Santa 05 Die Steuerung des Messvorgangs obliegt in den bestehenden Bauwerksmonitoringsystemen den Datenerfassungssystemen die per Kabel mit den Sensoren des Bauwerksmonitoringsys tems verbunden sind Die Datenerfassungssysteme tasten die Sensoren mit einer vorgegebenen Frequenz ab wobei die Messungen je nach Anforderung kontinuierlich periodisch oder nach bestimmten Ereignissen ausgel st werden Der Messvorgang wird von den Datenerfas sungssystemen selbstst ndig durchgef hrt erfasste Messdaten werden entweder im internen Speicher der Datenerfassungssysteme z B bei Datenloggern oder auf einem lokalen Mess rechner abgelegt Die Ablage erfolgt berwiegend in einfach strukturierten flachen Dateien mit einem herstellerabh ngigen Dateiformat Nach der Erfassung werden die Messdaten durch gee
109. e wie Lasten Schadensprozesse chemische Einwirkungen und Umgebungsbedingungen erfasst werden m ssen vgl Unterabschn 2 2 4 Die erfassten Messdaten liefern quantitative Entscheidungskriterien und bilden die Basis f r die zunehmend wichtigen Simulationsprozesse zur Zukunftsprognose und Zuverl ssigkeitsanalyse von Bauwerken Zus tzlich k nnen aus der Korrelation der verschiedenen gleichzeitig gemessenen Messgr en weitere Erkenntnisse ber das Bauwerksverhalten gewonnen werden z B indem der zeitliche Verlauf der Messgr en analysiert wird und mit einem Referenzsystem bzw zustand verglichen wird Das Bauwerksmonitoring wird h ufig als Bestandteil einer ganzheitlichen Structural Health Monitoring SHM Strategie angewendet Die durch die Bauwerksmonitoringssysteme erfass ten Messgr en werden dabei mittels zus tzlicher Software ausgewertet und Schadensdia enosen erste Das SHM wird in dieser Arbeit als eine globale Strategie zur Zustandserfassung und bewertung von Strukturen definiert die auf den Ein satz von Sensorik zugeschnitten ist Charakteristisch f r das SHM ist dass die Integrit t einer Struktur auf Bauteil und Systemebene auf der Basis der in situ installierten Sensorik berwacht wird Hierzu werden fortgeschrittene Schadenserkennungs und Schadensdiagno sestrategien in SHM Systeme integriert die eine automatisierte Schadensdiagnose und eine Vorhersage der verbleibenden Nutzungsdauer auf der Grundlage von Messdaten
110. efert auf Anfrage den Speicherort der Messdatei 1 2 3 4 5 6 Liefert auf Anfrage einen aktuellen Messwert des DAQ Systems 7 8 9 1 Liefert auf Anfrage techn Informationen ber das DAQ System Ubertragt auf Anfrage Kommando an DAQ System Registriert sich beim Gelbe Seiten Agenten Datenverteilungsagent Erfragt Messdaten bei Sensorik Agenten nach einem vorgegebenen Programm Zeitplan 2 Liest Messdaten ein 3 Leitet die Messdaten zur Verarbeitung weiter 4 Liefert auf Anfrage Informationen ber das aktuelle Messprogramm 5 Registriert sich beim Gelbe Seiten Agenten 4 3 Agentenorientierter Entwurf In der Entwurfsphase wird das MAS durch zus tzliche Erg nzung der bereits identifizier ten Agententypen und die Ermittlung von Interaktionen zwischen den Agententypen weiter konkretisiert 4 3 1 Erg nzung der Agententypen Zur Abbildung der berwachungsbeteiligten wird ein zus tzlicher Agententyp der pers n liche Agent vorgesehen Hauptaufgabe des pers nlichen Agenten ist es eine Schnittstelle zwischen dem Multiagentensystem und den an der berwachung beteiligten Fachexperten zu bilden Die Interaktion mit dem Multiagentensystem wird dabei ber eine grafische Be nutzungsschnittstelle engl Graphical User Interface GUI realisiert die vom pers nlichen Agenten bereitgestellt wird Das GUI wird als interaktive Schnittstelle ausgelegt ber die der Benutzer alle relevanten Informationen abr
111. egliedert werden PhenomenonType Konzept das die Art eines Ph nomenen bzw eine physikalische Eigenschaft abbildet Phenomenon Bildet das Ergebnis einer qualitativen Beobachtung ab Das Ergebnis ist eine Kategorie In Verbindung mit einer Eigenschaften k nnen Aussagen wie starke Abplatzung oder hoher Wasserstand abgebildet werden Unit Konzept zur Abbildung von Einheiten Die Aufnahme von Einheiten in die On tologie erlaubt u a die Umwandlung von Messwerten Process Konzept zur Abbildung von Messeinrichtungen sowie Mess und Beobachtungs vorg ngen Die Beschreibung von Messeinrichtungen erfolgt in SensorML wobei das Konzept prim r als Container f r SensorML Dokumente bzw Fragmente dient Get Observations Agentenaktion f r das Holen von Messwerten und Beobachtungen Die Aktion enth lt Suchkriterien f r Messdaten die vom verantwortlichen Agententy pen dem Datenspeicherungsagenten ausgewertet werden Weitere Aktionen werden f r das Speichern Aktualisieren und L schen von Messwerten implementiert Get Data Agentenaktion f r das Holen von Rohdaten aus einem Datenlogger bzw aus einer Messdatei Describe Sensor Agentenaktion f r die Zusendung von Informationen ber ein Daten erfassungssystem bzw einen Sensor Abbildung zeigt einen Auszug der entwickelten Bauwerksmonitoring Ontologie Die technische Umsetzung der Ontologie erfolgte vollst ndig im Ontologie Editor Prot
112. ein zuvor spezifiziertes Ereignis ausge l st Tritt das Ereignis nicht ein wird der aktuell gemessene Wert als unwichtig betrachtet wieder verworfen und nicht gespeichert Die Entscheidung wann ein Messwert wichtig bzw unwichtig ist kann als die regelbasierte Auswertung eines aufgetretenen Ereignisses aufgefasst werden Das Ereignis selbst wird durch das Signal eines Sensors z B eines Ann herungssensors das ber oder Unterschreiten eines Schwellenwertes z B eines Beschleunigungs oder Verformungssensors oder die Kombination beider ausgel st Durch die gezielte Nutzung geeigneter Sensorarten und die Festlegung von Schwellenwerten f r Sensoren lassen sich somit verschiedenartige Ereignisse wie z B die berfahrt eines Fahrzeuges detektieren Nachdem das Ereignis detektiert wurde wird dann die Erfassung weiterer Messwerte ausgel st Da auf der Grundlage des entwickelten agentenbasierten Konzepts eine direkte Kommunikati on zwischen Sensorikagent und Sensor bzw Datenerfassungsger t leicht m glich ist wird der Sensorikagent mit einem Verhaltensbaustein erweitert der ein periodisches Sampling des Sen sors durchf hrt und in Abh ngigkeit vom aktuellen Sensorwert regelbasiert eine oder mehrere Aktionen ausf hrt Das Konzept wird in Abb 4 6 veranschaulicht Sampling Sensorikagent Aktion Ereignis Abbildung 4 6 Konzept zur agentenbasierten Steuerung des Da
113. ell ber cksichtigt Ist eine agentenbasierte Andere L sung die beste a Alternative 2 Analyse 3 Entwurf 1 A 1 Teilen Zusammenlegen m von Agenten 2 Er S von TC SI i von A von 3 cinta von Ad hoc a 5 BEN der Gelbe Seiten i 6 Agent Resource Interaktionen l 7 Agent Benutzer Interaktionen i 8 Internes ud zur Agentenverteilung l 4 von l 5 ana Behaviours 9 Definieren einer Ontologie 4 Implementierung amp Testen 10 inhassprachenauswah e Nicht formell ber cksichtigt Abbildung 3 8 Einzelschritte der JADE Entwicklungsmethode Nikraz 06 43 44 KAPITEL 3 MULTIAGENTENSYSTEME in der die Agenten des Systems ausgefiihrt werden k nnen Die AP stellt die physikalische In frastruktur bereit in die die Agenten verteilt werden k nnen und besteht aus den Rechnern Betriebssystemen Verwaltungskomponenten den Agenten selbst und zus tzlicher Softwa re Das Agent Management System ist eine obligatorische Komponente des Agentensystems die fiir die Verwaltung und den Betrieb des Agentensystems verantwortlich ist Jeder Agent muss sich beim AMS registrieren um einen eindeutige Adresse den Agent Identifier AID zu erhalten Diese Adresse wird vom AMS i
114. em lokalen Messrechner zu einem oder mehreren Zielrechnern verantwortlich ist Da die Verteilung von Messdaten eine wiederkehrende Aufgabe darstellt kann der Agent zeitlich gesteuert werden Messdaten k nnen dabei entweder kabelgebunden ber das Internet oder ber das Mobilfunknetz vom Ort der Erfassung zu einem Zielrechner bertragen werden 130 KAPITEL 7 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 3 Zur Aufbereitung der Messdaten wurde ein weiterer spezialisierter Agententyp ent wickelt der die Messdaten entgegennimmt und in ein eigenst ndiges Zielformat bringt Dieser Agententyp tibernimmt die Funktion eines Datentransformators der mit den Quelldaten ein intern verwendetes Datenmodell erzeugt F r jedes Messdatenformat existiert im Bauwerksmonitoring ein Datenverarbeitungsagent der die Fachlogik zur Umwandlung der Messdaten bereitstellt Das Bauwerksmonitoringsystem ist durch die sen Ansatz leicht auf weitere propriet re Messdatenformate erweiterbar 4 Die Pflege von Messdaten wird durch die persistente Speicherung von Messdaten in einem relationalen Datenbanksystem unterst tzt Hierzu wurde ein geeignetes Daten bankschema entwickelt das alle Informationen des intern verwendeten Datenmodells enth lt und ohne Informationsverlust auf die relationale Struktur des eingesetzten Da tenbanksystems abbildet Erfasste Messgr en k nnen in einer Datenbank mit allen relevanten Daten zum Zeitpunkt und Ort der Messung sowie weiteren Metainf
115. en Das Bau werksmonitoringsystem soll deshalb eine Visualisierung von Messdaten sowohl in Berichts als auch in Diagrammform ber die grafische Benutzungsschnittstelle des Monitoringsystems erm glichen Alternativ k nnen Berichte auf der Basis einer Vorlage automatisch vom Sys tem erstellt bef llt werden Alle berwachungsbeteiligte die Messdaten auswerten sind in diesen Anwendungsfall involviert Anwendungsfall AF6 Messdaten grafisch aufbereiten Umfang Bauwerksmonitoringsystem Ebene Anwenderziel Prim rakteur Monitoringexperte Akteur und Interessen Monitoringexperte Will Messwerte in Diagrammform aufbereiten Statiker Will Messwerte in Diagrammform aufbereiten Bauwerksbesitzer betreiber Will Messwerte in Diagrammform aufbereiten Standardablauf 1 Monitoringexperte hat Messwerte die als Diagramm aufbereitet werden sollen 2 System zeigt Messwerte zur Auswahl an 3 Monitoringexperte w hlt Messwerte und Diagrammart aus 4 System stellt Messwerte in Diagrammform dar Erweiterungen Alternative Abl ufe a Monitoringexperte exportiert druckt Diagramme aus b System erstellt automatisch Bericht nach Vorlage c Aufbereitung soll interaktiv erfolgen k nnen Spezielle Anforderungen keine 150 ANHANG C ARTEFAKTE UND MODELLE C 1 7 Anwendungsfall AF7 Messdaten auswerten Anwendungsfall AF7 Messdaten auswerten Die erfassten Bauwerksph nomene werden von den Beteiligten ausgewert
116. en und Abfrageprogrammen ist eine alarm und ereignisgesteuerte Uberwachung beliebiger Vor g nge oder Prozesse m glich Dabei k nnen unterschiedlichste Sensoren von konventionellen Temperaturmessgebern ber Schwingsaitensensoren bis hin zu Dehnungsmessstreifen an den Logger angeschlossen werden Anhang B Angewendete Analyseverfahren Im Folgenden wird ein Uberblick tiber die in dieser Arbeit zur Auswertung von Messdaten angewendeten Verfahren gegeben Hierbei handelt es sich vorwiegend um statistische Kenn gr en und Testverfahren die f r eine computerbasierte Auswertung der Bauwerksph nomene geeignet sind B 1 Statistische Kenngr en und Testverfahren B 1 1 Regressionsanalyse Die Regressionsanalyse hat das Ziel einen funktionalen Zusammenhang zwischen einer ab h ngigen und einer oder mehrerer unabh ngigen Variablen zu bestimmen In der Talsper ren berwachung wird die Regressionsanalyse h ufig angewendet um den Einfluss einer oder mehrerer unabh ngiger Messgr en x1 2 p z B Temperatur Niederschlag etc auf eine abh ngige Gr e y z B Verformung abzusch tzen Das lineare Regressionsmodell hat folgende Form y Pot Bitr nn B 1 Darin wird y als abh ngige Gr e oder Regressand x als unabh ngige Gr 08e Einflussgr e oder Regressor und OG als Regressionskoeffizient bezeichnet B 1 2 Korrelation Der Zusammenhang zwischen zwei oder mehr Variablen l sst sich durch eine Korrelat
117. en Verhaltens bausteinen ausgestattet die die zur Verarbeitung der Messdaten erforderliche Fachlogik aufnehmen Abbildung 5 8 zeigt die Verhaltensbausteine des Datenverarbeitungsagenten ProcessingAgent DBlteratedStoreClient Behaviour Abbildung 5 8 Verhaltensbausteine des Datenverarbeitungsagenten Die Aufbereitung der Messdaten wird hierbei als ein sequentiell ablaufender Prozess vgl Abb 5 9 aufgefasst der in einem tibergeordneten Baustein ProcessingSequentialBehaviour implementiert wird Der Aufbereitungsprozess wird durch die Anfrage eines Datenvertei lungsagenten von au en angesto en indem dieser dem Datenverarbeitungsagenten als Inhalt einer Nachricht die erfassten Messwerte sendet Der Datenverarbeitungsagent nimmt die er fassten Messdaten im Verhaltensbaustein ProcessingMessageReceiver entgegen und star tet daraufhin die Verarbeitung Die im Rohdatenformat z B cs P vorliegenden Messdaten werden danach im Baustein ReadCSVBehaviour anhand des jeweiligen Trennzeichens zerlegt und unter Anwendung von Fachwissen in das Java Objektmodell umgewandelt Anschlie end werden die umgewandelten Messdaten im Verhaltensbaustein ProcessingMessageSender f r den Versand an den Datenspeicherungsagenten verbereitet Der Versand der Messdaten wird schlie lich mittels des Verhaltensbausteins DBIteratedClientBehaviour durchgef hrt der die Daten in mehreren Paketen bermittelt da aufgrund der Serialisierung der Messdaten objekte
118. enden Messwerten bereitstellt Zugriff auf Online Daten Die Mess und Datenerfassungssysteme sind ber die auf dem Messrechner platzierten Agenten des Monitoringsystems f r alle Beteiligten sicht und steuerbar Aktuelle Messdaten Online Daten k nnen direkt bei den Ger ten erfragt werden Die am Monitoring Beteiligten erhalten auf diese Weise einen schnellen berblick ber die aktuellen Messungen am entfernten Messort Aufbereitung von Messdaten in Diagramm und Berichtsform Die erfassten Messgr en werden systemweit verteilt in mehreren Messdatenbanken mit unterschiedli cher zeitlicher Verdichtung gespeichert Eine Abfrage und Aufbereitung der Messgr en erfolgt ber die angepasste grafische Benutzungsschnittstelle des Monitoringsystems Die Daten k nnen hierbei mittels eines einfachen Dialogs abgerufen und durch mehrere Diagrammarten aufbereitet werden Analyse von Messdaten Zur Analyse von Messreihen auf der Basis statistischer Methoden und Verfahren steht ein spezialisierter Agententyp bereit der die Program mierung und Ausf hrung von statistischen Analyseprozessen erm glicht In geeigneten Skripten k nnen spezifische Analyseverfahren umgesetzt und Auswertungsschritte au tomatisiert werden Dem Benutzer stehen hierbei zahlreiche statistische Methoden und Verfahren wie z B die Zeitreihen Regressions und die Clusteranalyse zur Verf gung Das Anwendungsbeispiel Talsperren berwach
119. ener L n ge z B 500 Messwerte bertragen werden Dies erlaubt einerseits eine semantisch voll st ndige Darstellung und andererseits eine sehr gut skalierbare bermittlung der Mess daten Die hierzu erforderliche Logik wird in den oben bereits erw hnten Verhaltens bausteinen DBIteratedStoreServerBehaviour und DBIteratedGetServerBehaviour sowie DBIteratedRemoveServerBehaviour implementiert Die Archivierung der erfassten Messdaten wird ausserdem durch die Verwendung eines leis tungsf higen Datenbanksystems und die Entwicklung eines Datenbankschemas das alle per sistenten Elemente des Informationsmodell enth lt unterst tzt s Unterabschn 5 5 2 Der Abbildungsvorgang des intern verwendeten objektorientierten Datenmodells auf die relatio nale Struktur der Datenbank wird aufbauend auf den Erkenntnissen aus der Diplomar beit mittels eines objekt relationalen Mapping Frameworks implementiert Zum Einsatz kommt das bew hrte Framework Hibernate Red Hat Middleware LLC 09 vgl z B 5 5 2 Datenbankschema Zur persistenten Speicherung der Messdaten in einem Datenbanksystem wird ein auf die ent wickelte Bauwerksmonitoring Ontologid abgestimmtes Datenbankschema s Abb 5 11 ein gesetzt Damit die Semantik der durchgef hrten objektorientierten Informationsmodellierung bei der Abbildung auf die relationale Struktur des Datenbanksystems erhalten bleibt wer den die Java Klassen mittels des Frameworks Hibernate in
120. ent Verantw 1 IP FIPA Request FIPA Request FIPA Request FIPA Request C 4 4 Datenverarbeitungsagent Interaktion Nimmt Messdaten ent gegen Holt Informationen zum Datenformat Leitet Messdaten zur Speicherung weiter Registriert sich beim Gelbe Seiten Agent Verantw 1 IP FIPA Request FIPA Request FIPA Request FIPA Request Rolle I Rolle Mit Sensorikagent Daten verarbeitungs agent Pers Agent DF Agent Mit Daten verteilungsagent Sensorikagent Daten speicherungs agent DF Agent 157 Wann Interner Zeitplan Messdaten geholt Anfrage erhalten Hochfahren Start des Agenten Wann Anfrage erhalten Messdaten gen empfan Messdaten umgewan delt Hochfahren Start des Agenten 158 ANHANG C ARTEFAKTE UND MODELLE C 4 5 Datenspeicherungsagent Interaktion Beantwortet Anfrage Daten zu speichern verwalten Beantwortet Anfrage Daten zu liefern Beantwortet Anfrage Aktion auf Datenbank auszuf hren Registriert sich beim Gelbe Seiten Agent Verantw 1 C 4 6 Berichtsagent Interaktion Holt Messdaten fiir Be richt Beantwortet Anfrage Bericht zu liefern Registriert sich beim Gelbe Seiten Agent Verantw 1 IP Rolle FIPA R Request FIPA R Request FIPA R Query FIPA I Request IP Rolle FIPA I Request FIPA R Request FIPA I Request alle alle alle
121. entenkommunikati onssprache Die Kommunikation erfolgt berwiegend nachrichtenbasiert d h durch den Austausch von Nachrichten mit festgelegtem Format und Syntax Die Semantik wird durch Ontologien beschrieben Reaktivit t Agenten nehmen ihre Umwelt wahr und reagieren auf Ver nderungen in dieser Zur Umweltwahrnehmung besitzen die Agenten Sensoren Schnittstellen und reagieren auf Umweltreize durch das Steuern eines Aktuators oder das Ausf hren einer Aktion vel Abschn 32 KAPITEL 3 MULTIAGENTENSYSTEME Proaktivit t Agenten reagieren nicht nur auf nderungen in ihrer Umwelt Sie besitzen ein zielgerichtetes Verhalten und sind in der Lage selbst ndig die Initiative zu ergreifen Proaktive Agenten besitzen ein Modell ihrer Umwelt und wirken aktiv auf die Umwelt ein um ihre Ziele zu erreichen Der innere Aufbau eines Agenten wird durch die bisher beschriebenen Agenteneigenschaften jedoch nur abstrakt definiert In den letzten Jahren wurden deshalb verschiedene Agentenar chitekturen entwickelt die im folgenden Abschnitt beschrieben werden 3 2 Agentenarchitekturen In der Informatikforschung hat sich eine Unterscheidung der Agentenarchitekturen in i deliberative ii reaktive und iii hybride Architekturen etabliert 3 2 1 Deliberative Architekturen Agenten mit einer deliberativen oder logikbasierten Architektur besitzen die F higkeit zu zielgerichtetem Handeln und verf gen zu diesem Zweck ber ein
122. entsprechende Tabellen berf hrt Das Mapping Framework bildet hierbei eine Zwischenschicht zwischen Agent und Datenbank und erm glicht z B bei der Verteilung des Bauwerksmonitoringsystems auf eine bestehende vel Abschn 5 8 5 5 PFLEGE VON MESSDATEN 95 IT Infrastruktur durch die zus tzliche Abstraktionsebene ggfs einen einfachen Austausch des verwendeten Datenbanksystems Im Mittelpunkt des eingesetzten Datenbankschemas steht die Relation Observation die eine Beobachtung abbildet Informationen zur Beobachtung wie das beobachtete Merkmal Feature oder der gemessene Wert Quantity werden in eigenen Tabellen gespeichert Die hierarchische Untergliederung einzelner Konzepte in der Bauwerksmonitoring Ontologie wird durch entsprechende Verkn pfungen zwischen den Tabellen des Datenbankschemas ebenfalls auf die Datenbank abgebildet z B in den Tabellen Feature und Feature_Superfeatures oder ObservationConcept und ObservationConcept_Superconcepts observationconcept_superconcepts 4 OBS_CONCEPT_ID OBSERVATION_CONCEPT_ID Pos A observationconcept 4 OBSERVATION_CONCEPT_ID int feature_superfeatures 2 UNIT_ID int D SUPER_FEATURE_ID int UNIT_TYPE varchar 255 FEAT_ID NAME varchar 255 Be D Pos quently feature 24 QUANTITY_ID int O FEATURE_ID int amount double 22 name varchar 255 SAED us observation Oe OBSERVATION_ID int OBSERVATION_TYPE varchar 255 RESULT_TIME_ID i
123. ereits erw hnt wird das Bauwerksmonitoringsystem mit einfachen F higkeiten zur Selbst berwachung und Selbstdiagnose ausgestattet Hierzu wird ein speziel ler Agententyp vorgesehen der in der Lage ist die von der Agentenplattform bereitgestellten Systemverwaltungsdienste zu nutzen Die Systemverwaltungsdienste werden durch das Agent Management System AMS bereitgestellt und bieten unter anderem die M glichkeit den Lebenszustand eines Agenten zu erfragen oder sich bei bestimmten Ereignissen informieren zu lassen Die m glichen Zust nde eines Agenten und die entsprechenden berg nge sind in Abb dargestellt Suspended Wait Resume Suspend Destroy Move Invoke Create Execute Abbildung 4 8 Lebenszyklus eines Agenten Wechselt ein Agent seinen Zustand wird auf der Agentenplattform ein spezielles Ereignis ge feuert In Abh ngigkeit von der verwendeten Agentenplattform stehen neben Informationen ber die Agentenzust nde auch Information ber Plattformereignisse wie das Erzeugen und Beenden eines Agenten oder das Beenden von Containern zur Verf gung Somit sind vielf l tige Informationen zur Selbst berwachung und diagnose des Agentensystems verf gbar die vom System berwachungsagenten genutzt werden sollen Im Fall der verwendeten Agentenplattform JADE kann zur Interaktion mit dem AMS die JADE Introspection Ontologie verwendet werden Das AMS ist in JADE streng agenten orient
124. ergrund Erosion Untergrund Erosion Mauer Auftriebsversagen Mauer Auftriebsversagen Sohlfuge Zusintern der Drainagen 26 06 2009 07 00 40 Measurement F2PY at 25 06 2009 12 00 above threshold value 6 37 gt 3 00 Abbildung 6 5 Unterfenster zur Visualisierung der automatisiert durchgefiihrten Vorbewer tung der Messwerte fiir die Ennepetalsperre Uber das Bauwerksmonitoringsystem wird dem Talsperrenmeister gemeldet dass an zwei Messstellen F2PX und F2PY stark abweichende Messwerte vorliegen Dies wird durch die rote Kennung der Einzelbewertungen fiir die Messstellen F2PX und F2PY signalisiert Das System gibt zus tzlich Warnmeldungen aus die weitere textuelle Informationen zur Bewer tung enthalten Aus der Warnmeldung erf hrt der Talsperrrenmeister dass bei der letzten Pr fung der definierte Schwellenwert f r den Sensor F2PY berschritten wurde Der TSM stellt fest dass jedoch alle weiteren Messwerte innerhalb der vorgegebenen Schwellenwerte liegen Da die weiteren automatisierten Priifungen des Monitoringsystems wie die Priifung auf Ph nomene oder kritische physikalische Prozesse keine Indizien fiir standsicherheitsge f hrdende Ver nderungen des Staubauwerks liefern diagnostiziert das System trotz der stark abweichenden Messwerte f r F2PX und F2PY ein standsicheres Bauwerk Durch die automatisierte Vorbewertung der Messwerte kann der Talsperrenmeister folglich zeitnah vom Ba
125. erhalb des Agenten Threads ausgef hrt werden m ssen Das JADE Rahmenwerk bietet jedoch eine nicht pr emptive ko operative Zeitablaufsteuerung engl cooperative scheduling sodass nach Beendigung eines Behaviours automatisch das n chste wartende Behaviour ausgef hrt wird Derzeit sind zahlreiche Pakete verf gbar die den JADE Kern um zus tzliche Funktionali t ten wie Sicherheit Persistenz und plattform bergreifende Agentenmobilit t erweitern Im Rahmen dieser Arbeit wurden beispielsweise die Erweiterungen JADE LEAP Bellifemine 07 und JADE Test Suite JADE 08 zur Entwicklung des Multiagentensystems eingesetzt 3 5 Entwicklungsstand von Agentensystemen im Bauinge nieurwesen Multiagentensysteme werden im Bauingenieurwesen vorwiegend als informatischer L sungs ansatz f r die computerunterst tzte Gruppenarbeit das Computer Supported Collaborative Work CSCW sowie f r die verteilte Simulation eingesetzt Wichtige Grundlagen zur Anwendung von Agenten und Multiagentensystemen im Bauinge nieurwesen wurden im k rzlich abgeschlossenen DFG Schwerpunktprogramm 1103 Vernetzt kooperative Planungsprozesse im Konstruktiven Ingenieurbau erarbeitet Die Arbeitsgrup pe Agentensysteme besch ftigte sich dabei mit der Frage wie die vernetzt kooperativen Probleme des Bauingenieurwesens rechnerbasiert abgebildet und gel st werden k nnen Dort konnte erstmalig die grunds tzliche Eignung des Multiagentensystemansatzes
126. erken Sicherheitsrelevante Ingenieurbauwerke m ssen auf der Basis der geltenden Normen und Pr f vorschriften laufend oder in regelm igen Abst nden berwacht werden Die Normen legen dabei den Ablauf und die Organisation der berwachung genau fest Beispiele f r bauprak tisch angewendete Normen sind die Norm DIN 19700 2004 Stauanlagen DIN 19700 04 2 1 BAUWERKSUBERWACHUNG 11 die Norm DIN 1076 1999 Ingenieurbauwerke im Zuge von Stra en und Wegen ber wachung und Pr fung oder die Ausf hrungsrichtlinie R EBW PR F 2007 Richtlinie zur einheitlichen Erfassung Bewertung Aufzeichnung und Auswertung von Bau werkspr fungen nach DIN 1076 RLEBW PRUE 07 Die den Normen zugrunde liegende Sicherheitsphilosophie ist hierbei inspektionsbasiert d h sie beruht auf regelm igen Inspek tionen und Pr fungen die der Ermittlung Sammlung und Zusammenstellung von Bauzu standsdaten dienen und die nach ihrem Zweck zeitlich gestaffelt sind vgl hierzu auch Abb 1 1 Die Feststellung der Sch den und Zustandsver nderungen erfolgt dabei im Rahmen der re selm igen Bauwerksinspektionen Die Inspektionen beschr nken sich auf die Beobachtung der zug nglichen Bereichen des Bauwerks und die Protokollierung offensichtlicher Deteriora tionsfolgen wie Risse Feuchtstellen oder Abplatzungen am Beton Bei besonders sicherheits kritischen Bauwerken wie z B Talsperren wird die Beobachtung durch die automatisierte
127. erksverhal ten beeinflussende Gr en wie Belastung Temperatur Feuchte oder Wind gemessen 2 2 5 Messeinrichtungen Als Messeinrichtung wird nach die Gesamtheit der zur Feststellung einer Mess gr e erforderlichen Elemente F hler bzw Sensor zur Erfassung der Messgr e Rechen und Steuerger te Verst rker Regler Ausgabeger te usw definiert Im Folgenden wird ein kurzer berblick ber Sensoren gegeben in Abschnitt werden dann computergest tzte Datenerfassungssysteme erl utert Im Bauwerksmonitoring werden vorwiegend Sensoren zur Messung von Kraft Dehnung Ver schiebung oder Neigung verwendet Verbreitet sind zudem Sensoren zur Messung von Ein fl ssen wie Temperatur Feuchte Wind Setzungen oder Niederschlag die zur Interpretation des Bauwerksverhaltens ben tigt werden Entscheidend bei der Auswahl von Sensoren f r das Bauwerksmonitoring ist die Applizierbarkeit der Sensoren z B Einbetonierung Robustheit etc da es zur Messung von Bauwerksph nomenen h ufig erforderlich ist die notwendigen Sensoren am Bauwerk fest anzubringen F r viele Bauwerksph nomene sind heute einbe tonierbare Sensoren verf gbar die die Eignung von Messverfahren f r die messtechnische Dauer berwachung erh hen bzw herstellen Weiterhin ist die Abstimmung auf die verwen dete Datenerfassungshardware Santa 05 wichtig Einen groben berblick ber die heute f r das Bauwerksmonitoring verf gbaren Sensoren gibt Tabelle 2 2
128. ert sein oder im Fall von Onlinedaten direkt von den Datenerfassungssystemen geliefert werden Zur Ansicht Plausibilit tskontrolle werden die Messdaten von den berwachungsbeteiligten blicherweise in Tabellen oder Diagrammform aufbereitet Bei der Ansicht von Onlinedaten reicht h ufig eine vereinfachte statische Darstellung die wenige aktuelle Werte enth lt Anwendungsfall AF2 Messdaten ansehen Umfang Bauwerksmonitoringsystem Ebene Anwenderziel Prim rakteur Monitoringexperte Akteur und Interessen Monitoringexperte Will Messdaten ansehen Statiker Will Messdaten ansehen Bauwerksbesitzer betreiber Will Messdaten ansehen Standardablauf 1 Monitoringexperte will erfasste Messwerte ansehen 2 Monitoringexperte startet System 3 System zeigt registrierte Sensoren Messstellen an 4 Monitoringexperte w hlt Sensor aus 5 System zeigt Messwerte an Erweiterungen Alternative Abl ufe Onlinedaten ansehen Monitoringexperte sucht im System nach Sensoren und DAQ Systemen System zeigt registrierte Sensoren und DAQ Systeme an Monitoringexperte w hlt DAQ System aus System kommuniziert mit DAQ System System zeigt aktuelle Sensorwerte an Spezielle Anforderungen Interaktion mit in situ installierten DAQ Systemen Interaktion mit Datenbanken 146 ANHANG C ARTEFAKTE UND MODELLE C 1 3 Anwendungsfall AF3 Messdaten importieren Anwendungsfall AF3 Messdaten importieren Das
129. es Technische Richtlinie SAMCO 2006 Ruhrverband 08 Ruhrverband Ruhrverband Online Quelle 2008 01 29 Ruhrverband 99 Ruhrverband M hnetalsperre Vertiefte berpr fung Mathematisch statistische Analyse der Messdaten Technischer Bericht Ruhrverband 1999 Rytter 93 A Rytter Vibration Based Inspection of Civil Engineering Structures Ph d thesis Department of Building Technology and Structural Engineering Aalborg Universi ty Aalborg Danemark 1993 Salvaneschi 95 P Salvaneschi M Lazzari S Lancini A Masera R Menga G Mazza Diagnostic Reasoning in Monitoring of Civil Engineering Structures Tagungsband IABSE Colloquium Knowledge Support Systems in Civil Engineering Seiten 187 196 Bergamo 1995 International Association for Bridge and Structural Engineering SAMCO 08 SAMCO Thematic network for Structural Assessment Monitoring and Con trol http www samco org Online Quelle 2008 04 14 Santa 04 U Santa K Bergmeister A Strauss Bauwerks berwachung der Autobahnbriicke Gossensa Beton und Stahlbetonbau 99 12 975 984 2004 Santa 05 U Santa K Bergmeister Zustandsiiberwachung und Bewertung von Betontrag werken Beton und Stahlbetonbau Spezial 2005 100 2005 Sauron Software 09 Sauron Software cron4j a pure Java cron like scheduler www sauronsoftware it projects cron4j 2009 11 04 Schiieller 97 G I Schiieller Structural reliability recent advan
130. eschriebene Mindestfunktionsumfang und die daraus abzuleitenden Funktionalit ten stellen die Mindestanforderungen an einen Datenlogger dar A 2 Analyse der Funktionalit ten eines Datenloggers Die Funktionalit ten eines Datenloggers korrespondieren mit seiner Ausstattung Die Analyse der Funktionalit ten erfolgt deshalb auf der Basis des oben beschriebenen Mindestfunktions umfangs eines Datenloggers A 2 1 Interne Zeitmessung und steuerung Die zeitliche Steuerung von Sensorabfragen hat eine herausragende Bedeutung fiir alle Uber wachungsprozesse Ein Uberwachungsprozess ist als die periodische Erfassung von Messwerten zu definieren Die gesammelten Daten m ssen m glichst transparent sein Dazu geh rt die Echtzeitstempelung der Messwerte genauso wie die eindeutige Identifikation des Wertes ber das Messprogramm den Sensornamen und die Einheit der Messung Die Abfrage von Sensoren wird gew hnlich ber ein oder mehrere Messprogramme Logger intern realisiert F r ein solches Messprogramm wird eine Liste von abzufragenden Sensoren und das Zeitintervall in dem die Messungen stattfinden sollen definiert Nach bertragung dieses Programms auf den Logger f hrt das Ger t die Messungen selbstst ndig und ohne eine Endbedingung durch Der interne Speicher arbeitet dabei zumeist als Ringspeicher Ei ne unregelm ige bzw ereignisgesteuerte Abfrage von Sensoren ist nicht oder nur bei leis tungsf higen Loggern m glich Soll beis
131. estaumauer 4 4 4 Automatisierte Bewertung von Messdaten Zur Entscheidungsunterst tzung der Monitoringbeteiligten soll ein Konzept f r die automa tisierte Bewertung der Messdaten entwickelt werden Der f r die automatisierte Bewertung der Messdaten verantwortliche Agententyp der Filteragent soll mit Fachlogik ausgestattet werden um anhand der Messdaten den Bauwerkszustand zu folgern und den Monitoringbe teiligten eine Entscheidungsunterst tzung zu geben Eine zur automatisierten Auswertung von Messdaten aus der Bauwerks berwachung durch gef hrte Literaturrecherche ergab dass mit ein wissensbasierter Ansatz zur Auswertung von Messdaten existiert der bereits erfolgreich auf die Talsperren berwachung angewendet wurde Der Ansatz wird agentenorientiert aufbereitet und im Bau werksmonitoringsystem zur Diagnose des Bauwerkszustandes insbesondere der Standsicher heit genutzt Das Konzept wird im Folgenden beschrieben Das Konzept der diagnostischen Datenauswertung beruht auf der Definition mehrfacher i Zustandsr ume und ii Auswertungspfade Die Zustandsr ume engl state spaces bilden die m glichen und nicht m glichen Zust nde des betrachteten physikalischen Systems ab Innerhalb der m glichen Zust nde wird zwischen erstrebenswerten und nicht erstrebenswer ten Zust nden unterschieden wobei sich der Zustand des physikalischen Systems m glichst nah an den erstrebenswerten Zust nden und m glichst weit von den
132. et um das Bauwerk hinsichtlich der Tragf higkeit und Sicherheit zu beurteilten Zur Untersuchung von gemes senen Bauwerksph nomenen werden h ufig einfache Kennwerte Mittelwert Standardabwei chung Varianz berechnet und oder Analysen der Messreihen durchgef hrt Zus tzlich wer den Bauwerksph nomene h ufig auf der Basis von Finite Element Modellen simuliert und mit den gemessenen Bauwerksph nomenen verglichen Dieser Anwendungsfall schlie t alle berwachungsbeteiligten ein die mit der Auswertung von Messdaten befasst sind Anwendungsfall AF7 Messdaten auswerten Umfang Bauwerksmonitoringsystem Ebene Anwenderziel Prim rakteur Statiker Akteur und Interessen Statiker Will Messdaten auswerten Monitoringexperte Will Messdaten auswerten Bauwerksbesitzer betreiber Will Messdaten auswerten Standardablauf 1 Monitoringexperte m chte Messwerte auswerten System zeigt Messwerte zur Auswertung an Monitoringexperte w hlt Messwerte aus Monitoringexperte gibt Befehl Operation ein System f hrt Befehl Operation aus System zeigt Ergebnisse an Erweiterungen Alternative Abl ufe keine Spezielle Anforderungen Bearbeitung soll iterativ und interaktiv erfolgen Statistische Verfahren m ssen verf gbar sein Ergebnisse sollen visualisiert werden C 1 ANWENDUNGSF LLE 151 C 1 8 Anwendungsfall AF8 Messdaten extrahieren Anwendungsfall AF8 Messdaten extrahieren Die Messdaten liegen nach der
133. ezifische Nachrichtenkodierung ontology Verweis auf eine Ontologie protocol Interaktionsprotokoll zur Strukturierung der Konversation conversation id Eindeutiger Identifizierer eines Konversationsstranges reply with Ausdruck zur Identifizierung der Nachricht in reply to Verweis auf eine friihere Aktion reply by Datums Zeitangabe bis wann eine Antwort erwartet wird Wie KQML beruht FIPA ACL auf der Sprechakttheorie und orientiert sich stark an der KQML erweitert diese aber in wichtigen Punkten Gegen ber der KQML wurde z B die Durchf hrung von Konversationen durch die Einf hrung vorgefertigter Interaktionsproto kolle vgl Unterabschn vereinfacht und Verwendung verschiedener Inhaltssprachen erm glicht Insbesondere das Fehlen einer semantisch korrekten Beschreibung des Nachrich teninhalts wurde als gro e Schw che der KQML betrachtet Cohen 95 Die Spezifikation Foundation for Intelligent Physical Agents Standardisierungsgremium im Bereich der Agentensysteme vgl Unterabschn 3 4 2 3 3 KOMMUNIKATION UND KOORDINATION 37 der FIPA ACL schreibt aus diesem Grund die Verwendung von Content Languages engl content language Inhaltssprache zur Beschreibung des Nachrichteninhalts vor Durch die Verwendung einer Content Language wird sichergestellt dass die Agenten den Inhalt einer Nachricht nicht nur syntaktisch sondern auch semantisch erfassen k nnen Derzeit existieren 4 Inhaltssprachen die Semantic Language SL FIPA 0
134. f 84 M Georgeff A theory of action for multi agent planning Tagungsband Pro ceedings of the 4th National Conference on Artificial Intelligence Seiten 121 125 Austin Texas USA 1984 Gockel 08 T Gockel Form der wissnschaftlichen Ausarbeitung Springer Verlag Heidel berg 2008 Graversen 09 K B Graversen Super csv http supercsv sourceforge net Online Quelle 2009 11 30 Greenwood 06 D Greenwood G Vitaglione L Keller M Calisti Service Level Agreement Management with Adaptive Coordination Tagungsband Proceedings of the International Conference on Networking and Services IEEE Computer Society Washington DC USA 2006 Grimmer 06 C Grimmer Hohe Schule c t Bots bew ltigen komplexe Aufgaben c t Magazin fiir Computertechnik 7 218 2006 Gruber 93 T R Gruber A translation approach to portable ontologies Knowledge Acqui sition 5 2 199 220 1993 Haardt 99 P Haardt Konzeption eines Managementsystems zur Erhaltung von Br cken und Ingenieurbauwerken Tagungsband Berichte der Bundesanstalt fiir Strafenwesen Band Heft B 25 Bremerhaven 1999 Wirtschaftsverlag NW Hariri 04 K Hariri Bauwerksmonitoring und Messtechnik I Vorlesungsmanuskript 2009 08 13 Hartmann 01 D Hartmann V Bettzieche Agentenbasierte Uberwachung sicherheitsrele vanter Ingenieurbauwerke insbesondere Staubauwerke Unver ffentlicher Projektantrag DFG HA 1463 LITERATURVERZEICHN
135. f Keele UK 1994 170 LITERATURVERZEICHNIS Jennings 99 N R Jennings M Wooldridge Agent oriented software engineering Tagungs band 9th European Workshop on Modelling Autonomous Agents in a Multi Agent World MAAMAW 1999 Springer Verlag 1999 Jet Propulsion Laboratory California Institute of Technology 09 Jet Propulsion Laborato ry California Institute of Technology Semantic Web for Earth and Environmental Termi nology SWEET http sweet jpl nasa gov ontology Online Quelle 2009 09 04 Klusch 01 M Klusch Information Agent Technology for the Internet a Survey Data Knowledge Engineering 36 3 337 372 2001 Kr ger 04 G Kr ger Handbuch der Java Programmierung Pearson Education Deutsch land 4 auflage Auflage 2004 Kr ger 06 M Kr ger C Gro e Preiswerte Dauer berwachung von Bauwerken mit draht loser Sensorik Tagungsband Fachtagung Bauwerksdiagnose Praktische Anwendungen Zerst rungsfreier Pr fungen DGZfP Berichtsband Berlin 2006 Deutsche Gesellschaft f r Zerst rungsfreie Pr fung e V Lanata 05 F Lanata Damage Detection Algorithms for continuous static monitoring of structures Dissertation Universit t Genua 2005 Larman 05 C Larman Applying UML and Patterns An Introduction to Object oriented Analysis and Design and Iterative Development Pearson Education 3rd edition Auflage 2005 Lehrstuhl f r Rechnerorientierte Statistik und Datenanalyse 09 Lehrstuhl f
136. fiir das Bauwerksmonitoring Links Da tataker DT600 rechts Interfels WiSe Quellen www interfels de chermechanismen erfordern Aus diesem Grund werden die Datenerfassungssysteme i d R mit einem Messrechner verbunden auf dem die Messdaten lokal gespeichert werden Kombi nierte Datenerfassungs und Datenspeicherungsger te so genannte Datenlogger werden vor wiegend eingesetzt wenn die Daten mit niedriger Abtastung erfasst werden die Verwendung PC basierter Datenerfassungssysteme nicht wirtschaftlich ist oder die Umweltbedingungen sehr rau sind Datenlogger k nnen aufgrund ihrer speziellen Hardware und eines internen Speichers Messdaten ber l ngere Zeitr ume selbstt tig d h ohne einen Messrechner oder Steuerungssoftware aufzeichnen Sie besitzen einen Mikroprozessor sind programmierbar und k nnen die Messdaten im internen Speicher oder auf einem externen Speichermedium able gen Abbildung zeigt einen Datenlogger des Typs DataTaker DT600 der sich f r den Anschluss und die Abfrage von 10 30 Sensoren eignet Die charakteristischen Eigenschaften von Datenloggern werden aufgrund der Bedeutung dieser Ger te f r die autonome Erfassung von Bauwerksph nomenen im Anhang A genauer erl utert Neuartige L sungsm glichkeiten der Datenerfassung ergeben sich durch drahtlose Sensornet ze Kr ger 06 Derartige Netze bestehen aus vielen Einzelknoten den sog Sensorknoten die ber eine eigene CPU einen internen
137. g von verschiedenen Ontologien ist ein Problem das bis heute nicht befriedigend gel st wurde Ziegler 07 3 4 Agentenorientierte Software Entwicklung AOSE Die Entwicklung von Multiagentensystemen beruht i Allg auf einem Bottomup Ansatz der die Identifikation von Agententypen die Agentenverantwortlichkeiten und die Agentenkom munikation in den Mittelpunkt des Systementwurfes stellt Um diesen Ansatz gezielt zu un terst tzen und das volle Potential der Agententechnologie auszusch pfen wurden spezfische Methodologien zur Entwicklung agentenorientierter Software erarbeitet Im folgenden Unter ISFIPA SL erlaubt die Quantifizierer iota all any und some 42 KAPITEL 3 MULTIAGENTENSYSTEME abschnitt wird deshalb ein kurzer berblick ber agentenorientierte Entwicklungsmethodo logien gegeben Im darauf folgenden Unterabschnitt wird dann die Standardisierung auf dem Gebiet der agentenorientierten Softwareentwicklung erl utert die im wesentlichen durch die Foundation for Intelligent Physical Agents FIPA erarbeitet wurde 3 4 1 Entwicklungsmethodologien In der agentenorientierten Softwareentwicklung existieren derzeit zahlreiche Methodologier 9 f r die Entwicklung von Multiagentensystemen Zur Auswahl einer geeigneten Entwicklungs methodologie f r die Realisierung des Bauwerksmonitoringsystems wurde ein Vergleich der wichtigsten agentenorientierten Entwicklungsmethoden durchgef hrt Hierbei zeigte sich dass die ein
138. gen und wurde mit dem Ziel entwickelt Standardmodelle zur Ausf h rung von Messvorg ngen und eine anwendungsneutrale XML Kodierung bereitzustellen Visualization Analysis Sensor Technology 09 Inzwischen ist SensorML vom Open Geospa tial Consortium einer gemeinniitzigen Standardisierungsorganisation auf dem Gebiet der raumbezogenen Informationsverarbeitung Open Geospatial Consortium als Standard anerkannt Innerhalb des Bauwerksmonitoringsystems werden die in SensorML kodierten Informatio nen dazu verwendet ein dynamisches Auffinden von Sensoren und einen verteilten Zugriff auf Mess und Datenerfassungssysteme zu erm glichen Dar ber hinaus werden die Voraus setzungen fiir die semantische Interoperabilit t mit anderen Computersystemen geschaffen da der system bergreifende Austausch von Informationen ber Sensoren und Sensordaten in einem standardisierten Datenformat m glich ist Die Sensorikagenten des Bauwerksmo nitoringsystems liefern auf Anfrage in SensorML kodierte Dokumente die von den anderen Agenten ausgewertet werden k nnen Zur internen Repr sentation und Verarbeitung der aus den SensorML Dokumenten stammenden Informationen nutzen die Agenten des Bauwerks monitoringsystems sofern m glich bestehende Werkzeuge und Implementierungen 4 6 2 Integration von propriet ren Messdatenformaten Messdaten werden von den heute verf gbaren Mess und Datenerfassungssystemen nach der Erfassung blicherweise in prop
139. gssystemen CSHM Systemen ist hierbei flie end Das Vorhandensein einer Komponente zur automatisierten Schadenserkennung kann deshalb als Unterscheidungskriterium zwischen computerbasierten Bauwerksmonitoring und Struktur berwachungssystemen verwendet werden Sengl File Transfer Protocol Netzwerkprotokoll zur Daten bertragung zwischen Computern in einem Netzwerk 28 KAPITEL 2 STAND DER FORSCHUNG Kapitel 3 Grundlagen der Multiagentensysteme the most powerful abstractions are those that minimize the semantic gap between the units of analysis that are intuitively used to conceptualize the problem and the constructs present in the solution paradigm N Jennings 1999 aus Jennings 99 3 1 Softwareagenten und Multiagentensysteme 3 1 1 Definition Softwareagenter_ sind in der modernen Informatik ein Ansatz zur mikroskopischen Modellie rung Simulation und Steuerung von verteilten komplexen Systemen Das Konzept der Soft wareagenten und der von ihnen aufgebauten Agenten bzw Multiagentensysteme stammt urspr nglich aus der K nstliche Intelligenz KI Forschung speziell aus dem Bereich der Verteilte K nstliche Intelligenz VKI Forschung wo im Gegensatz zur traditionellen KI Forschung Intelligenz als eine Leistung betrachtet wird die durch die Interaktion zwischen relativ unabh ngigen und autonomen Einheiten Agenten genannt zustande kommt Dieser Ansatz f hrte erstmalig zur
140. h die Bereit stellung von Methoden und Verfahren zur statistischen Datenauswertung erreicht Die Be nutzer k nnen ber die grafische Benutzungsschnittstelle des Bauwerksmonitoringsystems die zu analysierenden Daten aus der Datenbank entnehmen und mit statistischen Methoden und Verfahren analysieren Das System bernimmt hierbei die erforderlichen Datentransformatio nen und bietet den Beteiligten die M glichkeit Grafiken und Diagramme f r die geforderten Nachweise und Berichte zu erstellen 7 3 Ausblick Mit der Implementierung des Bauwerksmonitoringsystems RAMON wurde das Ziel verfolgt die r umlich verteilt anfallenden Sensordaten zusammenf hren den erkannten Monitoringab 132 KAPITEL 7 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK lauf ganzheitlich abzubilden sowie eine Infrastruktur zu schaffen auf deren Basis alle Mess und Datenerfassungssysteme nutzbar und die erfassten Messdaten zeitnah verf gbar sind Aufbauend auf den gewonnenen Erkenntnissen w re in der Zukunft anzustreben das ent wickelte Multiagentensystem auch mit neuen Sensorsystemen zur Messung physikalisch mechanischer Zust nde zu verbinden Die bisher entwickelten Ans tze wurden dabei so kon zipiert dass eine entsprechende bertragung auch auf neuere Messtechnik wie z B piezo elektrische oder MEMS Sensoren ohne Aufwand m glich ist Durch die Nutzung neuer Sen sorsysteme k nnte die Erfassung der bisher nicht oder nur mit gro em Aufwand messbaren Bauwerkseigens
141. h ereignisgesteuerte Datenerfas sung ist die Messung von Fahrzeug berfahrten ber eine Br cke Hier sind nur die Messungen interessant bei denen sich das Fahrzeug auf der Br cke befindet Eine kontinuierliche Da tenerfassung wird dagegen immer dann genutzt wenn schnelle nderungen der Ph nomene aufgrund zuf lliger stochastischer Ereignisse erwartet werden In diesem Fall m ssen die Datenstr me in geeigneter Weise verarbeitet werden um die entstehende Datenmenge zu verringern 2 2 4 Messgr en Die Hauptaufgabe des Bauwerksmonitorings ist es den Verlauf der relevanten Messgr en bzw Systemparameter zu erfassen Durch das Bauwerksmonitoring werden hierbei sowohl die H ufig findet sich in der Literatur auch der Begriff Ph nomen vgl hierzu auch Abb 2 3 Beide Begriffe werden im Folgenden synonym verwendet 2 2 BAUWERKSMONITORING 17 Einwirkungen auf das Bauwerk wie Lasten oder Umwelteinfl sse als auch die Reaktionen des Bauwerks Tragwerksantworten auf diese Einwirkungen erfasst Wichtige Messgr en sind in Abbildung dargestellt _ 6 Vibrationen 7 Korrosion EE 3 Neigungen y KS di n A 1 Fundament i verschiebungen g V und Setzungen y 2 Verschiebungen Abbildung 2 5 bliche Messgr en Hejl 07 Beispiele f r zu erfassende Messgr en sind Kr fte Spannungen Verschiebungen Verdrehun gen Vibrationen und Dehnungen Daneben werden h ufig auch weitere das Bauw
142. haubar zu halten wird im Folgenden ver einfachend auf eine vollst ndige Darstellung aller Iterationsschritte der Analyse verzichtet stattdessen werden nur die Ergebnisse des jeweils letzten Iterationsschritts dargestellt Die erstellten Artefaktd und Modelle sind vollst ndig in Anhang C Artefakte und Modelle aus der Analyse und Entwurfsphase wiedergegeben Als Artefakte werden im Folgenden die in der Analyse entwickelten formalen Ergebnisse wie z B Dia gramme und Tabellen definiert 58 KAPITEL 4 KONZEPTION 4 2 1 Anforderungen Zur Konzeption des Bauwerksmonitoringsystems wird im ersten Schritt eine Liste m glicher Anwendungsszenarien ermittelt Die Anwendungsszenarien legen den Anwendungskontext f r das zu entwickelnde Bauwerksmonitoringsystem aus Anwendersicht d h externer Sicht fest sie werden in Form von Anwendungsf llen use cases beschrieben Tabelle 4 1 Ermittelte Anwendungsf lle des Bauwerksmonitoringsystems Anwendungsfall Kurzbeschreibung Messgr e erfassen Nutzer will Messgr e automatisiert erfassen lassen Datenerfassungssysteme Nutzer will in situ installierte Mess und Datenerfassungs steuern systeme steuern Messdaten ansehen Nutzer will erfasste Messdaten ansehen Messdaten archivieren Nutzer will Messdaten langfristig speichern Messdaten sol len ber langen Zeitraum gespeichert werden Messdaten importieren Nutzer will in Dateiform vorliegende Messdaten in Bau
143. he Temperatur F2PX m NN Celsius mm 1 300 387 16 1 4 700 2 302 762 10 5 1 053 3 305 155 2 4 2 328 Zur Visualisierung werden die entsprechend der aufgefundenen Klassen eingef rbten Mess werte in einem dreidimensionalen Streudiagramm angezeigt Abb 6 14 en aunoene T emperatur Abbildung 6 14 Automatische Gruppierung der Messwerte in drei Gruppen schwarz Grup pe 1 rot Gruppe 2 griin Gruppe 3 6 5 ZUSAMMENFASSENDE WERTUNG 127 6 5 Zusammenfassende Wertung Die Funktionalit ten des entwickelten Bauwerksmonitoringsystems RAMON wurden im vor liegenden Kapitel anhand einzelner praxisbezogener Anwendungsfalle validiert Es wurde ge zeigt wie das Monitoringsystem die Beteiligen in der Bearbeitung typischer Teilaufeaben der messtechnischen Langzeit berwachung effektiv unterst tzt Hierbei wurden folgende Funk tionalit ten des Systems validiert Erkennung grober Abweichungen Die t glich durchzuf hrende Kontrolle der Mess werte wird durch das Monitoringsystem unterst tzt indem die erfassten Messgr en vom System auf ihre Plausiblit t hin berwacht werden und eine automatisierte regel basierte Vorbewertung der Messwerte durchgef hrt wird Die zur Kontrolle der Messda ten erforderliche Fachlogik ist dazu in einen besonderen Agententypen integriert der die Ausf hrung zeitlich steuert und die verantwortlichen Fachexperten ber eine grafische Benutzungsschnittstelle Informationen zu stark abweich
144. her genutzt In den bis heute domi nierenden Agentenkommunikationssprachen Knowledge Query and Manipulation Language KQML und FIPA Agent Communication Language FIPA ACL wurden zahlreiche Sprech akte spezifiziert darunter z B die Sprechakte inform mit dem der Sender den Empfanger informiert dass eine bestimmte Aussage wahr ist oder request mit dem der Sender den Empfanger auffordert eine Aktion auszufiihren Die wichtigsten Sprechakte Performative der FIPA ACL sind in Tabelle 3 1 dargestellt Tabelle 3 1 FIPA Sprechakte FIPA Sprechakt Beschreibung Inform Der Sender informiert den Empf nger dass eine bestimmte Aussage wahr ist Request Der Sender fordert den Empf nger auf eine Aktion auszufiihren Query If Fragehandlung bei der ein anderer Agent gefragt wird ob eine Aussage wahr ist oder nicht Agree Die Handlung des Zustimmens dass eine Aktion ausgef hrt wird u U in der Zukunft Refuse Der Agent weigert sich eine bestimmte Aktion auszufiihren und nennt Griin de fiir die Weigerung 3 3 2 Kommunikationssprachen Die erste bedeutende Agentenkommunikationssprache war die Knowledge Manipulation Lan guage KQML Mayfield 96 die in den 1990er Jahren im Rahmen des DAR PA Knowledge Sharing Efforts entwickelt wurde KQML definiert ein allgemeines Format f r Agentennachrichten Jede Nachricht besitzt einen Sprechakt und eine Reihe Parameter KQML besitzt einen Schichtaufbau der eine Trennung von Nachrichten
145. hreibung der zur gemeinsamen Probleml sung ben tigten Begriffe ca 30 Elemente Be sriffe Pr dikate und Aktionen die aus dem in Abschnitt 4 6 entwickelten Modell abgeleitet sind um den Agenten ein hinreichend umfassendes Verst ndnis tiber die wichtigsten Be griffe zu vermitteln Fiir eine Kompatibilit t mit bestehenden Ontologien z B SWEET Jet Propulsion Laboratory California Institute of Technology 09 werden wann immer m glich bereits vereinbarte Begriffe integriert Die Definition der Ontologie erfolgt in der Klasse MonitoringOntology wobei die Ontologieelemente in jeweils eigenen Klassen abgebildet werden Hauptelemente der Bauwerksmonitoring Ontologie sind Observation Abstraktes Basiskonzept fiir alle Beobachtungen und Messungen CategoryObservation Konzept zur Abbildung von qualitativen Beobachtungen Quali tative Beobachtungen liefern eine Kategorie als Ergebnis die ber das Konzept Pheno menon abgebildet wird Measurement Konzept zur Abbildung von Messwerten Ein Messwert ist eine Beobach tung die eine Quantit t als Ergebnis liefert Ein Messwert ist hierzu mit der beobach teten Eigenschaft der Quantit t und der Einheit der Messung verkniipft Feature Bildet ein beobachtete Eigenschaft auf generische Weise ab Eine Eigenschaft kann z B ein Bauwerk ein Bauwerksbereich oder eine Messstelle sein Zur Abbildung komplexer Eigenschaften kann ein Feature hierarchisch unterg
146. hrichtigungsdienst bietet der ber wichtige Plattformereignisse wie das Erzeugen und Beenden eines Agenten oder das Be enden von Containern informiert Der System berwachungsagent kann somit die Ereignisse der Agentenplattform in geeigneter Weise auffangen und die menschlichen Nutzer ber die Ereignisse informieren Durch die Erg nzung der Agententypen umfasst das entwickelte Bauwerksmonitoringsystem insgesamt 10 Agententypen mit jeweils spezifischen Verantwortlichkeiten Tabelle gibt einen berblick ber die identifizierten Agententypen und ihre Verantwortlichkeiten Details sind in Anhang vermerkt 4 3 2 Bekanntschaften und Interaktionen Die Probleml sungsf higkeit der verwendeten Agententypen beruht ganz wesentlich auf der Interaktion zwischen den einzelnen Agententypen Deshalb werden zun chst die Bekannt schaften zwischen den bereits identifizierten Agententypen ermittelt die in einem Bekannt schaftsdiagramm gesammelt und grafisch dargestellt werden Agententypen werden dabei durch Kreise die menschlichen Nutzer durch das UML Akteur Symbol die Systemressourcen durch ein Rechteck und die Bekanntschaften durch offene Pfeile repr sentiert Das entwickelte Bekanntschaftsdiagramm ist in Anhang C dargestellt Auf der Grundlage des Bekanntschaftsdiagramms lassen sich die Interaktionen f r jeden Agen tentypen ermitteln und in Form einer Interaktionstabelle spezifizieren Die Spezifikation um fasst d
147. hysical intelligent agents Online Quelle 2009 01 27 168 LITERATURVERZEICHNIS Fowler 97 M Fowler Analysis patterns reusable object models Pearson Education Upper Saddle River USA 1997 ISBN 0 201 89542 0 Frangopol 01 D Frangopol J Kong E Gharaibeh Reliability based life cycle management of highway bridges Journal of Computing in Civil Engineering 15 1 27 33 2001 Fraser 09 N Fraser google diff match patch diff match patch libraries for plain text http code google com p google diff match patch Online Quelle 2009 12 14 Friebel 01 W D Friebel Bauwerksdaten und Bauwerkspr fung Tagungsband Fachta gung Bauwerksdiagnose 2001 DGZfP Berichtsband Band 76 Deutsche Gesellschaft fiir zerst rungsfreie Pr fung e V 2001 Garabedian 06 A Garabedian A Bagchi A Joshi J Dong Developing an intelligent system for modeling the dam behaviour based on statistical pattern matching of sensory data Tagungsband Proc of the 11th Int Conference on Computing and Decision Making in Civil and Building Engineering Montr al Kanada Seiten 2457 2465 2006 Genesereth 94 M R Genesereth S P Ketchpel Software agents Communications of the ACM 37 7 48 53 1994 Georgeff 83 M Georgeff Communication and interaction in multi agent planning Tagungs band Proceedings of the 3rd National Conference on Artificial Intelligence Seiten 125 129 Washington DC USA 1983 Georgef
148. icherheit Riicker 06 2 6 Die auf den einzelnen Stufen verwendeten Methoden reichen von vereinfachen den auf Teilsicherheitsbeiwerten basierenden Methoden bis hin zu voll probabilisti schen Methoden Beispiele fiir modellbasierte Verfahren finden sich z B in oder R cker 06 Die modellbasierte Beurteilung ist in Abh ngigkeit von der Genauig keit mit z T betr chtlichem Modellierungs und Berechnungsaufwand verbunden und setzt die genaue Ermittlung von Informationen ber das Bauwerk voraus Zur Ermitt lung dieser Informationen kommen experimentelle Pr fverfahren und ein Monitoring zur Anwendung Da die Strategien zur Sicherheitsbewertung von Bauwerken nicht im Mittelpunkt dieser Ar beit stehen wird der Leser auf weiterf hrende Literatur zu dieser Thematik z B in Hejll 07 oder Sch eller 97 verwiesen Weitere Literatur zur Thematik findet sich auch im Abschlussbericht des k rzlich abgeschlossenen Sonderforschungsbereich 398 Lebensdauerorientierte Entwurfskonzepte unter Sch digungs und Deteriorationsaspek ten Sonderforschungsbereich 398 08 dessen Schwerpunkt die Lebensdauerorientierung war Unter anderem wurde dort in der Doktorarbeit ein Konzept zur effizien ten parallelisierten Simulation von zeitabh ngigen Zuverl ssigkeitsanalysen entwickelt 2 2 9 Beispielanwendungen Das Bauwerksmonitoring wird weltweit an einer zunehmenden Zahl von Bauwerken durchge f hrt Um einen berblick ber aktuelle B
149. ichtslot Legende KA Kronenalignement SL Schwimmlot TW Temperaturgeber Wasser ZM Zielmarken f r geod tische Messung TM Temperaturgeber Mauer P _Piezometer Sohle und Fels TL Temperaturgeber Luft S MeBwehr berfall f r Sickerwasser Abbildung 6 1 Anordnung von Mess und Kontrolleinrichtungen nach DVWK DVWK Merkblatt 222 91 112 KAPITEL 6 VALIDIERUNG 6 2 Uberwachungsszenario 6 2 1 Referenzsystem Ennepetalsperre Als Referenzsystem innerhalb des Uberwachungsszenarios dient die Ennepetalsperre eine in den Jahren 1904 bis 1906 erbaute Talsperre in der N he Schwelms Die Ennepetalsper re wurde nach dem Intze Prinzip erbaut und hat einen Stauinhalt von 12 6 Mio m Das Absperrbauwerk ist eine 320 m lange 51 m hohe und an der Sohle 36 m breite Gewichtsstau mauer aus Bruchsteinen Heute wird die Talsperre vorwiegend zur Trinkwasserversorgung des Ennepe Ruhr Kreises und zur Hochwasserregulierung im Einzugsgebiet der Ruhr genutzt E o o ur a Le GR Abbildung 6 2 Staumauer der Ennepetalsperre Quelle Ruhrverband Die Ennepetalsperre wurde ab 1996 an die allgemein anerkannten Regeln der Technik ange passt Ri ler 99 Im Rahmen einer berpr fung der alten Gewichtsstaumauern in Nordrhein Westfalen war festgestellt worden dass viele Talsperren darunter auch die Ennepetalsperre ohne den Ansatz von Poren und Sohlwasserdr cken entworfen und berechnet worden wa ren sodass sie nach neueren physikalischen und i
150. ie Verantwortlichkeit das verwendete Interaktionsprotokoll die Rolle des Agenten in der Kommunkationssituation I Initiator R Responder und die ausl sende Bedingung f r die Interaktion Die Interaktionstabelle ist dabei aus Systemsicht ein zentrales Artefakt das die Interaktionen f r das gesamte System beschreibt In Tabelle 4 4 wird exemplarisch nur die Interaktionstabelle f r den Sensorikagenten entwi ckelt die Interaktionstabellen f r alle weiteren Agententypen befinden sich in Anhang C 4 Der Tabelle ist zu entnehmen dass der Sensorikagent f r verschiedene Interaktionen auszu legen ist Hierzu z hlen z B die Beantwortung einer Anfrage nach einem aktuellen Messwert Verantw Nr 6 nach gespeicherten Beobachtungen Verantw Nr 3 oder nach Informatio nen ber das gekapselte Datenerfassungssystem Verantw Nr 7 Der Sensorikagent nimmt dabei berwiegend die Rolle des Initiators ein siehe Spalte Rolle Weiterhin kann der Tabelle vel Unterabschnitt 3 4 2 4 3 AGENTENORIENTIERTER ENTWURF 63 Tabelle 4 3 berblick ber die identifizierten Agententypen des Bauwerksmonitoringsystems Agententyp Verantwortlichkeit Erfassung von Messdaten Sensorikagent Kommuniziert mit Mess und Datenerfassungssystemen Erm g licht einen Fernzugriff auf Datenerfassungssysteme Messdateiagent Stellt den Inhalt einer Messdatei bereit Verteilung von Messdaten Datenverteilungs Verteilt erfasste Messdaten an die ve
151. iert als eigener Agententyp ausgef hrt der f r alle Agententypen des Multiagenten systems erreichbar ist Die Interaktion mit dem AMS erfolgt ausschlie lich auf der Basis der JADE Introspection Ontologie wobei mittels spezifischer Konzepte und Aktionen In formationen ber Ereignisse wie z B das Starten eines neuen Agenten born agent oder das Beenden Ausfallen eines Agenten dead agent ausgetauscht oder Aktionen ausgef hrt werden k nnen vel Unterabschnitt 3 4 2 74 KAPITEL 4 KONZEPTION 4 5 Ressourcen Die Interaktion mit den Ressourcen des MAS ist von besonderer Bedeutung f r den Entwurf des Multiagentensystems Aufbauend auf der in Abschnitt 4 2 ldurchgef hrten Analyse werden die folgenden Ressourcen identifiziert Messeinrichtungen Sensoren Mess und Datenerfassungssysteme Messdateien Datenbanken und Statistiksoftware Die Ressourcen werden jeweils durch einen daf r ausgelegten Agententypen verf gbar ge macht Zur agentengerechten Interaktion mit den Ressourcen wird das Konzept des Trans ducing aus angewendet das nachfolgend erl utert wird Die Agenten werden dazu auf dem lokalen Rechner platziert um von dort aus einen Zugriff auf die jeweilige Ressource herzustellen Im Folgenden werden die Einzelkonzepte zur Interaktion mit den Ressourcenarten grob skizziert 4 5 1 Messeinrichtungen Die systematische und automatisierte Erfassung von Messgr en ist nur bei Einbindung der in
152. iert werden Es stehen mehrere Steuer und Signalleitungen zur Verfiigung die zur Daten bertragung sowie zur Steuerung des Datenflusses tiber die Schnittstelle genutzt werden k nnen Die genaue Verkabelung und die Bedeutung der Leitun gen kann z B in dem Wikipedia Artikel Wikipedia 08 RS 232 nachgelesen werden Zur Implementierung der Kommunikation mit dem physikalischen Ger t werden insbeson dere die Klassen CommPortIdentifier SerialPort und ParallelPort aus dem Comm API genutzt SerialPort und ParallelPort sind Klassen zur Kapselung der seriellen bzw 88 KAPITEL 5 IMPLEMENTIERUNG javax comm API SerialPort Physikalisches oder Logisches Gerat Abbildung 5 5 Zugriff des Sensorikagenten auf Mess und Datenerfassungsger te mittels des Comm API parallelen Schnittstelle w hrend die Klasse CommPortIdentifier als zentrale Verwaltungs und Fabrikklasse Methoden zur Enumeration aller vorhandenen Hardwareschnittstellen ei nes Rechners sowie zum Offnen der Schnittstellen fiir Eingabe und Ausgabe Operationen bereitstellt Listing veranschaulicht die Nutzung des Comm API Mittels der Klasse CommPortIdentifier werden zun chst die seriellen und parallelen Hardwareschnittstellen des Rechners durchlaufen Die Instanziierung der gesuchten seriellen Schnittstelle erfolgt dann in Zeile 20 Listing 5 1 Instanziierung einer seriellen Schnittstelle mittels des Comm API SerialPort serialPort Enu
153. iger mikroprozessorgesteuerter Datenlogger mit Anschlussm glichkeiten f r bis zu 40 Sensoren der eine serielle Schnittstelle RS 232 besitzt und ber diese steuer und administrierbar ist In den HardwareSensorsAgent werden deshalb spezifische F higkei ten zur Kommunikation ber die RS 232 Schnittstelle des Rechners implementiert Wie oben erw hnt wird die Kommunikation mittels der Java Klassenbibliothek Comm API realisiert Die Hardwareschnittstellen werden im Comm API durch spezifische Klassen re pr sentiert die in einer Anwendung zur Kommunikation mit einem logischen oder physika lischen Ger t verwendet werden k nnen Das implementierte Konzept zum Zugriff auf die Mess und Datenerfassungssysteme ist in Abbildung 5 5 schematisch dargestellt Der Sensori kagent verwendet auf oberster Ebene die Klassen und Methoden des Comm API Paketname javax comm um mit dem physikalischen oder logischen Ger t zu kommunizieren Auf der Ebene des Comm API werden die Java Anweisungen dann auf die native Ebene bersetzt und die physikalische Kommunikation mit dem Ger t ber die Schnittstelle RS 232 I O durchgef hrt Intern werden hierzu native Treiber verwendet die mit der Klassenbibliothek ausgeliefert werden Das Comm API abstrahiert dabei von der Hardware indem die auf Hardwareebene ber die verf gbaren Leitungen der Schnittstelle bertragenen Daten bzw Signale durch entsprechen de Software Ereignisse repr sent
154. igh anormal zugeordnet Ein Prozess wird definiert ber ein quali tatives Modell das die Zusammenh nge zwischen den einzelnen Zielgr en abbildet Die Mo delle bilden die geometrischen oder physikalischen Einschr nkungen Bedingungen zwischen Messwerten ab Die Werte der Variablen werden hierzu von den tats chlichen Werte abstra hiert und in qualitative Beschreibungen bertragen Das Kippen eines Bauwerksabschnittes kann z B mit den Kategorien non active low medium high und very high klassifiziert wer den Wird ber das Gewichtslot die starke Verschiebung eines Staubauwerkes in Richtung der Luftseite angezeigt und melden Druckmessgeber die einseitige Erh hung des Drucks im Fundament zur selben Seite kann dadurch ein Rotationsprozess bzw eine Kippbewegung des Bauwerks geschlussfolgert werden Daten Qualitative Qualitative Verifikation Gew nschter Abstraktion Daten der Bedingungen Ungew nschter d Regeln Zustand 4 4 PROBLEMLOSUNGSKOMPETENZEN v1 Die oben beschriebenen Auswertungspfade werden einem Agententypen dem Filteragenten bergeben der die Auswertungspfade periodisch berechnet und die erfassten Messwerte be wertet F r das Referenzsystem Ennepetalsperre werden drei Auswertungspfade zur schwel lenwertbasierten Bewertung von Einzelmesswerten zur ph nomenologischen Betrachtung von Messwertgeberfamilien und zur Pr fung auf kritische physikalische Prozesse prototypisch um gesetzt Die erf
155. igkeiten sowie einem vor definierten Verst ndnis ber die Anwendungswelt versehen sind und mit anderen Agenten bzw menschlichen Auf traggebern interagieren k nnen Im Vordergrund der softwaretechnischen Umsetzung steht dabei zun chst die Implementie rung eines flexiblen Zugriffs auf die in situ platzierten Sensoren um die Voraussetzungen f r eine kontinuierliche Messung verschiedenartiger physikalischer Ph nomene zu schaffen Hier bei muss ber cksichtigt werden dass die Kommunikation mit der Sensorik auf der Basis einer Vielzahl von Protokollen und bertragungswegen erfolgen kann Zur Implementierung eines zukunftsorientierten offen ausgelegten Bauwerksmonitoringsystems soll das dynamische Auf finden entfernter oder in situ Sensoren und die Steuerung dieser Sensoren ber das Internet erm glicht werden 6 KAPITEL 1 EINLEITUNG Darauf aufbauend soll die Verwaltung erhobener Messdaten durch eine automatisierte Da tenverarbeitung verbessert werden Das Bauwerksmonitoring ist bisher durch propriet re L sungen fir die automatisierte Datenerfassung und speicherung gepr gt diese L sungen er schweren jedoch aufgrund fehlender Schnittstellen bzw propriet rer Datenformate eine com putergest tzte Datenverarbeitung Um Anwendungen die Verarbeitung entfernt erhobener Messdaten und einen informationsverlustfreien Datenaustausch zu erm glichen soll in die ser Arbeit untersucht werden wie die Struktur und die Semantik von Messd
156. ignete Daten bertragungsmechanismen auf einen Mess oder lokalen Rechner bertragen und gespeichert Die Bauwerksmonitoring systeme verf gen hierzu ber spezielle Software die die Messdaten wiederum entweder periodisch oder nach besonderen vordefinierten Ereignissen aus dem Ger tespeicher oder Standard Datennetztechnik f r die Kommunikation in lokalen Datennetzen LANs digitale bertragungstechnik zur Verbindung von Sensoren und Aktoren mit Steuerger ten engl Controller Area Network Netzwerkprotokoll und Bus Standard zur Vernetzung von Steuerger ten 2 3 BAUWERKSMONITORINGSYSTEME gt 25 C Analog A Diskretisierung gt Digital Signal SEMEL konditionierung a El ne S Messrechner ES E DAQ Modul Transceiver S DFU Internet El Ee Er Bn Pe E DAQ Modul ee Datenbankserver a y y Abbildung 2 7 Verteilte dezentrale Datenerfassungsarchitektur eines Bauwerksmonitoring systems den Dateien ausliest umwandelt und auf einem lokalen Messrechner in einem Zieldateiformat abspeichert Die Verwaltung und Auswertung der erhobenen Messdaten wird in neueren Bauwerksmonito ringsystemen zunehmend auf der Basis von Datenbanksystemen DBS realisiert Die erfassen Messdaten werden dazu in Datenbanken abgespeichert und mittels angepasster Software auf bereitet und bearbeitet In wenigen Fallen beruht die Verwaltung und Interpretation der Messdaten auf dem
157. ikagent vorgesehen Der Agententyp macht primar eine zur Messdatenauswertung verwendete Statistiksoftware innerhalb des Bauwerksmonitoringsystems verfiigbar wobei die 4 6 INFORMATIONSMODELLIERUNG 17 zur Nutzung der Software vom Benutzer eingegebenen Anweisungen zun chst vom pers n lichen Agenten entgegengenommen werden Der pers nliche Agent leitet dann die Befehle an den Statistikagenten weiter der die Anweisung in der Statistiksoftware ausf hrt und das Ergebnis bermittelt Auf Agentenebene wird die Statistiksoftware durch das bereits bei der Interaktion mit Mess einrichtungen angewendete Konzept des Transducing bereitgestellt Die in der Software aus zuf hrenden Anweisungen werden hierzu als Nachrichteninhalt zwischen den Agenten ber tragen wobei das Inhaltsfeld der ACL Nachricht in der Sprache der Statistiksoftware kodiert ist Der Statistikagent selbst wird auf dem Rechner platziert auf dem sich die Statistiksoft ware befindet und kommuniziert rein lokal mit der externen Software Um das entwickelte Bauwerksmonitoringsystem von kommerzieller Software unabh ngig zu machen wird auf freie Software zur ckgegriffen Auf die eigene Programmierung von spezi ellen statistischen Verfahren wird verzichtet da die zur Messdatenauswertung angewendeten Verfahren bereits als fertige Implementierungen zur Verf gung stehen Eine zu frei verf g barer statistischer Software durchgef hrte Literaturrecherche ergab dass
158. ildung 6 9 Zugriff auf gespeicherte Messwerte iiber die grafische Benutzungsschnittstelle Nach Offnung des entsprechenden Unterfensters fiir die Suche werden die ausgew hlten Mess daten in einer Zeitreihe dargestellt vgl Abb 6 10 Die Darstellung im Unterfenster kann durch Hinein und Herauszoomen ver ndert werden au erdem ist ein Export in ein Grafik format und ein Ausdrucken des Diagramms m glich File Edit Diagnosis Window Help F Data Center n E R Console Device C Remote Site Summary Date Show config Fri Jun 01 00 00 00 CEST 2007 0 0895000025629997 Sat Jun 02 00 00 00 CEST 2007 2 91899991035461 Start Sun Jun 03 00 00 00 CEST 2007 Mon Jun 04 00 00 00 CEST 2007 3 0346999168396 encia Thu Jun 07 0 e Sensor Fri Jun 08 00 i Fax Fr Sensor observations Sun Jun 10 0 From Mon Jun 11 0 01 06 2007 E Tue Jun 12 Wed Jun 13Q hu Jun 14 riJun 150 To 01 08 2009 v Table EIERE o o o o Sat Jun 16 0G Sun Jun 170 Ji Diagram on Jun 18 ue Jun 19 L Analysis Wed Jun 20 d hu Jun 21 ri Jun 22 0 at Jun 23 0 KE Az SlolZ olo Search OD a un Jun 24 Features Mon Jun 25 ad elo Feature C Edit props Show location Jul 2007 Sep 2007 Nov 2007 Jan 2008 Mrz 2008 Mai 2008 Jul 2008 Sep 2008 Nov 2008 Jan 2009 Mrz 2009 Mai 2009 Jul 2009 Start Date
159. in Agentenidentifizierer zu bergeben sind Der Datenverteilungs von chronos griechisch Zeit 90 KAPITEL 5 IMPLEMENTIERUNG Tabelle 5 1 Beispiele fiir cron Ausdriicke und Ausfiihrung M S UMW Ausf hrung 3 ES 3 Minuten nach der vollen Stunde e o a a alle 10 Minuten 59 27 p einmal pro Woche am Sonntag um 23 59 Uhr 1 PP lt t glich um 00 01 Uhr 30 45 1 1 5 montags bis freitags jeweils um 01 30 und 01 45 Uhr agent fiihrt seine Verantwortlichkeit dann nach dem durch den Cron Ausdruck vorgegebe nen Zeitplan wiederkehrend aus Hierzu wird die leichtgewichtige Java Bibliothek cron4j Sauron Software 09 in den Agententypen eingebunden die f r die zeitgesteuerte Ausf hrung der einzelnen Verhaltensbausteine verantwortlich ist Der zu bergebende Agentenidentifizie rer dient der Identifikation des Sensorik bzw Messdateiagenten mit dem der Datenvertei lungsagent interagiert und muss mit dem Bezeichner bereinstimmen den ein Messdateiagent bzw Sensorikagent in seiner Dienstbeschreibung ver ffentlicht hat Das Auffinden des Agen ten geschieht dann dynamisch auf der Basis des Gelbe Seiten Dienstes der Agentenplattform Um die Datenverteilung m glichst performant zu gestalten wird in den Datenverteilungsagen ten schlie lich Fachlogik implementiert die einen Dateivergleich erm glicht vgl Unterabschn 4 4 2 Die aus den Ger tespeichern der Datenerfassungssysteme ausgelesenen Messwerte wer
160. in der Klasse DatabaseAgent umgesetzt ist Seine Hauptverant wortlichkeit besteht darin Anfragen anderer Agententypen zur Verwaltung von Messdaten entgegenzunehmen und Auftr ge auszuf hren Hierzu wird der Datenspeicherungsagent mit vier Verhaltensbausteinen zur Verarbeitung der verschiedenen Anfragen ausgestattet vgl Abb 5 10 DatabaseAgent DBlteratedGetServerBehaviour R DBlteratedStoreServerBehaviour d K DBlteratedRemoveServerBehaviour i DBActionServerBehaviour Abbildung 5 10 Verhaltensbausteine des Datenspeicherungsagenten Aufbauend auf der Interaktionstabelle ist der Datenspeicherungsagent f r die Inter aktion ber die Protokolle FIPA Request und FIPA Query ausgelegt Die zur Speicherung bzw Verwaltung auszuf hrenden Operationen Erzeugen Lesen Aktualisieren und Entfernen von Eintr gen werden durch speziell auf das Monitoringproblem zugeschnittene Agentenak tionen wie z B get observations oder remove observations abstrahiert und mittels der 5 5 PFLEGE VON MESSDATEN 93 entwickelten Bauwerksmonitoring Ontologid fiir alle Agententypen des Bauwerksmonitoring systems verf gbar gemacht Innerhalb des Datenspeicherungsagenten wird die Verarbeitung der Agentenaktionen an die Verhaltensbausteine DBIteratedStoreServerBehaviour DBIteratedGetServerBehaviour und DBIteratedRemoveServerBehaviour delegiert Im jeweiligen Baustein wird die Agen tenaktion extrahiert und die geforderte Operation auf dem Datenbanksy
161. ine nat rliche Erweiterung der Objektorientierung angesehen Pauk 97 Insbesondere auf dem Gebiet der KI Forschung wird mit dem Begriff Agent sogar eine noch st rkere Bedeutung verkn pft Neben den oben genannten Eigenschaften soll ein Agent st rkere menschliche Z ge tragen einem Agenten werden Bewusstseinszust nde wie Wissen berzeugung Absicht und Verantwortung zugeordnet vgl Abschn 3 2 Bis heute existiert jedoch keine einheitliche Definition der Begriffe Agent und Softwa reagent Dies liegt vor allem daran dass der Agentenbegriff h ufig in einem spezifischen Kontext verwendet wird sodass sich in der Literatur zahlreiche dom nenspezifische Aus pr gungen des Agentenbegriffs finden vgl Wooldridge amp Jennings Wooldridge 95 Brooks Brooks 91 Nwana Nwana 96 Maes Maes 95 oder Hartmann amp Bilek Hartmann 07 Eine besondere Stellung nimmt der von Wooldridge und Jennings in vorge stellte schwache Agentenbegriff ein die so genannte weak notion of agency Der schwache Agentenbegriff bildet die Grundlage f r viele Definitionen und wird auch f r die vorliedende Arbeit zur Defintion der Agenteneigenschaften bernommen Folgende Eigenschaften eines Agenten werden darin definiert Autonomie Agenten kontrollieren ihren inneren Zustand sowie ihre Aktionen und operieren ohne direktes Eingreifen durch den Anwender Sozialverhalten Agenten kommunizieren miteinander mittels einer Ag
162. ions analyse bestimmen Eine Sch tzung des linearen Zusammenhang liefert der Pearson sche Korrelationskoeffizient y B 2 May Sa 5y B 2 Dabei ist te u SU el gt xi E yi Y B 3 d 4 die empirische Kovarianz B 4 140 ANHANG B ANALYSEVERFAHREN sind die empirischen Standardabweichungen und z y die arithmetischen Mittelwerte der zx bzw der y Werte B 1 3 k means Clusteranalyse Die k means Clusteranalyse ist eine Methode der Clusteranalyse die das Ziel hat n Beob achtungen in k Cluster zu unterteilen wobei jede Beobachtungen zu dem Cluster mit dem n chstliegenden Mittelwert geh rt F r eine gegebene Menge von Beobachtungen x1 xX2 Xn in der jede Beobachtung ein d dimensionaler reellwertiger Vektor ist unterteilt k means die n Beobachtungen in k Mengen k lt n S 5S S2 Sk um danach die Summe der Quadrate innerhalb des Clusters zu minimieren k argmin gt gt xy al B 6 i 0 xj Esi Darin ist u der Mittelwert von Si Bei einer gegebenen Anfangsmenge von k Mittelwerten mi vee m die zuf llig oder durch eine Heuristik ermittelt werden k nnen l uft der k means Algorithmus in zwei Schritten ab Zuweisungsschritt Weise jede Beobachtung dem Cluster mit den n chsten Mittelwert zu d h unterteile die Beobachtungen nach dem Voronoi Diagramm das durch die Mittel werte erzeugt wird SO x x m lt xy m Vit 1 k
163. it entwickelte Konzept zur messtechnischen Dauer berwachung von Bau werken wird in Kapitel 4 vorgestellt Anhand eines verteilten Monitoringablaufs wird das 1 2 AUFBAU DER ARBEIT 7 vorliegende Monitoringproblem zun chst informatisch analysiert Darauf aufbauend wird ein agentenorientierter Entwurf fiir das zu entwickelnde Bauwerksmonitoringsystem erarbeitet der als Ergebnis eine vollst ndige Spezifikation aller Agententypen des Bauwerksmonitoring systems einschlie lich ihrer Verantwortlichkeiten und Interaktionen beinhaltet Der Analyse und dem Entwurf wird die JADE Methodologie zugrundegelegt Die Implementierung des Bauwerksmonitoringsystems wird in Kapitel 5 erl utert Das Kapi tel beschreibt wie die zuvor spezifizierten Agententypen in Software implementiert werden Hierzu werden die Agententypen des Bauwerksmonitoringsystems vorgestellt und interessante Aspekte der agentenorientierten Umsetzung dargestellt In Kapitel 6 wird die Funktionalit t des entwickelten Bauwerksmonitoringsystem anhand von mehreren Anwendungsf llen validiert Dazu wird das Bauwerksmonitoringsystem auf ein berwachungsszenario aus der Talsperren berwachung angewendet und eine m gliche Verteilung bzw Konfiguration des Monitoringsystems ber mehrere Rechner dargestellt Die Anwendung des Bauwerksmonitoringsystems wird schlie lich anhand von real gemessenen Daten demonstriert Die Arbeit schlie t mit einer Zusammenfassung in Kapitel 7 in der die wi
164. ke Hrsg Lifetime oriented Structural Design Concepts Springer Berlin 2009 ISBN 978 3 642 01461 1 Structural Vibration Solutions A S 09 Structural Vibration Solutions A S Artemis software for operational modal analysis http www svibs com Online Quelle 2009 11 23 Sun Microsystems Inc 09 Sun Microsystems Inc Java Communications API Online Quelle 2009 10 02 Sustainable Bridges 07 Sustainable Bridges Assessment for Future Traffic Demands and Longer Lives http www sustainablebridges net Online Quelle 2008 04 22 Taffe 03 A Taffe C Maierhofer Guidelines for NDT methods in civil engineering Tagungs band International Symposium on Nondestructive Testing in Civil Engineering Berlin 2003 Tesauro 04 G Tesauro D M Chess W E Walsh R Das A Segal I Whalley J O Kephart S R White A multi agent systems approach to autonomic computing Ta gungsband Proceedings of the 3rd International Joint Conference on Autonomous Agents and Multiagent Systems AAMAS 2004 New York USA 2004 IEEE Computer Society Thei 05 M Thei Agentenbasierter Modellverbund am Beispiel des baulichen Brand schutzes in der Geb udeplanung Doktorarbeit Institur fiir Numerische Methoden und Informatik im Bauwesen Technische Universit t Darmstadt 2005 Visualization Analysis Sensor Technology 09 Visualization Analysis Sensor Technolo gy Introduction into SensorML http vast uah edu index
165. lem Messwerte im Kurzzeitbereich von mehreren Tagen bis hin zu meh reren Wochen zu kontrollieren Die kurzfristige Kontrolle erfolgt blicherweise durch die Aufbereitung der Messwerte in Dia srammform und durch visuelle Pr fung der Diagramme Die visuelle Pr fung der ber einen Zeitraum von mehreren Tagen gefilterten Messwerte ist h ufig aussagekr ftiger als die Be trachtung einzelner momentaner Messwerte da Ver nderungen in l ngeren Messreihen wie z B Trends oder abweichende Messwerte vom menschlichen Augen besser erkannt werden k nnen Im Bauwerksmonitoringsystem RAMON wird die kurzfristige Kontrolle der Messwerte durch die automatisierte Erstellung von entsprechenden Berichten gezielt unterst tzt Messberichte werden t glich erstellt wobei den zu Tagesmittelwerten gefilterten Verl ufen wichtiger Mess sr en besondere Bedeutung zukommt Die Berichte werden an zentraler Stelle im Intranet des Ruhrverbands abgelegt Der TSI ffnet den entsprechenden Bericht f r die Ennepetalsperre s Abb 16 8 Der Bericht stellt den Verlauf der Messgr en Stauh he F2PX und F2PX ber den Zeitraum von einer Woche zusammenfassend dar Im vorderen Teil des Berichts sind die Tagesmittelwerte der betrachteten Messgr en tabellarisch zusammengestellt Unterhalb der Tabelle sind die Messwerte nochmals in Diagrammform dargestellt Dies soll die visuelle Interpretation der Messwerte erleichtern Der TSI stellt bei Betrachtung des obe
166. levanten Teilaspekte Kooperation Produktmodellierung Prozessun terst tzung Software und Wissensintegration abgebildet Die f r die Teilmodelle entwickel ten Agententypen lassen sich in Kooperations Workflow Produktmodell Fachdom nen und Wrapper Agententypen kategorisieren Das vorgestellte Konzept zur Unterst tzung der menschlichen Beteiligten durch fachspezifisch zugeschnittene Agententypen wurde in der vor liegenden Arbeit unter anderem bei der Integration aufgegriffen vgl Kap 4 Auf dem Gebiet der verteilten Simulation wurde von Ruben ein Multiagen tensystem f r die dynamisch verteilte numerische Simulation von Baugrund Tragwerks Interaktionen entwickelt Das entwickelte Multiagentensystem PAR A FEM PARallele Agen ten FEM wurde mittels zweier Agententypen ber mehrere Rechner verteilt Ruben unter scheidet zwischen zwei Agententypen einem i station ren Host und einem ii mobilen Client Agententypen Der Host Agententyp wird auf einem beliebigen Rechner gestartet und erzeugt daraufhin eine vorgegebene Anzahl von mobilen Client Agenten die nach dem Ein lesen spezifischer Informationen auf einen zur Verf gung stehenden Rechner migrieren Die parallele Berechnung wird von den Client Agenten durchgef hrt die bei Bedarf miteinander kommunizieren Ein hnliches Konzept nutzte Wellmann Jelic Wellmann Jelic 07 zur Parallelisierung von numerischen Simulationen f r zeitabh ngige Zuverl ssigkeitsanalysen Das M
167. lich wird ein Verhaltensbaustein zur Beantwortung von Anfragen hinsichtlich des Bewertungser gebnisses in der Klasse GetDiagnosisResponderBehaviour implementiert 5 6 3 Statistikagent Zur Einbindung von Statistiksoftware wird der Statistikagent in der Klasse StatisticsAgent entwickelt Dieser integriert prototypisch die freie Software R R Development Core Team 09 Die Kommunikation mit der externen Software wird dabei ber den Verhaltensbaustein RServerBehaviour realisiert der die Anfragen anderer Agenten entgegennimmt und diese an die Statistiksoftware bertr gt vgl Abb 5 15 StatisticsAgent i RServerBehaviour J Abbildung 5 15 Verhaltensbausteine des Statistikagenten Zur Integration der externen Software wird die Statistiksoftware R mittels des Paketes Rserve Lehrstuhl f r Rechnerorientierte Statistik und Datenanalyse 09 so erweitert dass die Soft ware im Server Modus betrieben werden kann Die Verbindung mit dem Server wird tiber eine TCP IP Schnittstelle im Baustein RServerBehaviour hergestellt der die vom Agenten empfangene Anweisung in der Software ausfiihrt Beispielhaft ist in Listing die Metho de executeCommandInR des Statistikagenten dargestellt in der die Kommunikation mit R realisiert wird Listing 5 3 Methode zur Kommunikation mit der Statistiksoftware R ee x This method talks with R x x param Rcommand the command sent to R x return the answer from R e private String executeCommandInR
168. m Eingabebereich und einem Ausgabebereich Dar ber hinaus k nnen auch grafische Ausga ben erzeugt werden die in einem eigenen Unterfenster innerhalb der grafischen Benutzungs schnittstelle dargestellt werden Abb zeigt die Konsole und eine mithilfe der Konsole erzeugte Grafik die mehrere Diagramme zur Visualisierung der Messgr en Pendellot in x und y Richtung sowie Stauh he Temperatur und Zeit enth lt Je gww A ZAMM Abbildung 6 11 Darstellung der Zeitreihen Als statistisches Verfahren zur Quantifizierung der Zusammenh nge zwischen Stauh he ra dialer Verformung und Temperatur wird die multiple lineare Regression angewendet hierzu sind folgende Anweisungen einzugeben ennepe lm lt lm data F2PX data D2Li data Stauhoehe data Datumsindex 124 KAPITEL 6 VALIDIERUNG Die Verformung der Staumauer F2PX wird durch die Eingabe der obigen Anweisung als abh ngige Gr e modelliert die von der Lufttemperatur gemessen an der Messstelle D2L1 der Stauh he und der Zeit abh ngt Das ermittelte Regressionsmodell wird dabei in der Variable ennepe 1m gespeichert Abb 6 12 zeigt das Unterfenster mit der Eingabe des ABT sowie die Ausgabe des Bauwerksmonitoringsystems F R Console ennepe im lt Im data F2PX data D2L1 data Stauhoehe data Datumsindex Call Im formula data F 2PX data D2L1 data Stauhoehe datafDatumsindex
169. meration portList CommPortldentifier portld String serPort COM1 portList CommPortldentifier getPortIdentifiers o Aa ND OD PR Lo N Hr while portList hasMoreElements jul O portId CommPortldentifier portList nextElement if portId getPortType CommPortIdentifier PORT_SERIAL Rh SS Pp wo N e if portId getName equals serPort me CD e logger debug Found port serPort portFound true try H e e eB H O N Q serialPort SerialPort portId open HardwareSensorsAgent 2000 N N N e catch PortInUseException e break N N N a AeA wW amp logger fatal e getMessage N N Xx O N 00 u 5 3 VERTEILUNG VON MESSDATEN 89 29 30 31 if portFound 32 33 logger fatal port serPort not found 34 I 5 3 Verteilung von Messdaten 5 3 1 Datenverteilungsagent Die zur Verteilung der erfassten Messgr en erforderlichen Arbeitsschritte werden im DataAcquisitionAgent implementiert Die Hauptverantwortlichkeit des Agententypen die Verteilung der erfassten Messgr en wird im zeitgesteuert ausf hrbaren Verhaltensbau stein ScheduledDAQBehaviour implementiert Der Baustein nutzt intern den Verhaltensbau stein ExtractLoadBehaviour der die Logik zur Extraktion der Messdaten aus den von den Sensorik und Messdateiagenten des Bauwerksmonitoringsystems erzeugten bzw gekapselten Messdateien enth lt Das Versen
170. mit der Software R R Development Core Team 09 eine entsprechende Open Source Software erh ltlich ist die zur Messdatenauswertung im Bauwerksmonitoringsystem geeignet ist Da R sowohl eine Software als auch eine Programmiersprache ist und durch eine Vielzahl verf gbarer Pakete sehr gut erweiterbar ist eignet sie sich hervorragend f r eine Integration in das Bauwerksmonitoringsystem Der Statistikagent wird deshalb vorrangig f r die Interaktion mit der Software R ausgelegt Die genauen Verantwortlichkeiten des Statistikagenten werden dabei in der Verantwortlichkeitentabelle zusammengefasst die in Anhang C zu finden ist und die Grundlage fiir die Implementierung des Agententypen bildet 4 6 Informationsmodellierung 4 6 1 Datenmodellierung f r die Dom ne Bauwerksmonitoring Da das Bauwerksmonitoring durch die Erfassung und Auswertung von verteilt anfallenden Messdaten gepragt ist ist ein passendes Datenmodell erforderlich Dieses Datenmodell bildet die Basis der Bauwerksmonitoring Ontologie die ihrerseits das Datenmodell mit Pr dikaten und Agentenaktionen erweitert um einen Austausch von Informationen ber Beobachtungen und Beobachtungs Mess und Auswertungsprozesse zwischen den Agenten des Bauwerks monitoringsystems zu erm glichen Das Datenmodell hat zun chst die relevanten Eigenschaften von Beobachtungen und Messun gen abzubilden In Anlehnung an Fowler 97 wird dabei zwischen quantitativen und qualita tiven Beoba
171. n auf zwei wesentlichen Methoden einer qualita tiven berwachung der Bauwerke auf der Basis visueller Kontrollen und einer systematischen messtechnischen Erfassung aller Daten die die Sicherheit der Talsperre betreffen Jedes Ab sperrbauwerk einer Talsperre d h einer Staumauer oder eines Staudamms ist deshalb mit einem Mess und Kontrollsystem ausgestattet das der Art der Gr e und der Lage des Bauwerks angepasst ist Hepp 98 In Deutschland wird die berwachung von Staubauwerken durch die DIN 19700 2004 Stauanlagen DIN 19700 04 und das DVWK Merkblatt 222 1991 Mess und Kontrol 110 KAPITEL 6 VALIDIERUNG leinrichtungen zur berpr fung der Standsicherheit von Staumauern und Staud mmen festgelegt W hrend sich die DIN 19700 mit allen Aspekten von Stauanlagen vom Entwurf ber die Bemessung und berwachung bis hin zum Betrieb be fasst gibt das DVWK Merkblatt detaillierte Empfehlungen f r die Zustands berwachung und kontrolle von Talsperren Nach DVWK Merkblatt 222 sollten die folgenden Messgr en im Rahmen von regelm igen Bauwerkskontrollen und einer fortlaufenden Zustandserfassung berwacht werden Verschiebungen Differenzbewegungen an den Blockfugen nur bei Gewichtsstaumauern Stauh he Sickerwasser Sohlenwasserdruck Temperaturen Beschleunigung nur in Erdbebengebieten Niederschlag Zur Messsung dieser Gr en werden Talsperren blicherweise mit ei
172. n Die aus der automatisierten Datenerfassung der Ennepetalsperre stammenden Werte bilden die Grundlage fiir die nachfolgend beschriebenen Validierungsschritte Von besonderem In teresse sind dabei die f r eine Bewertung des Staumauerverhaltens relevanten Messgr en Hierzu z hlen neben den Lotmesssungen in den Profilen F1 und F2 die Stauh he und die Lufttemperatur die in den Profilen D1 und D2 erfasst werden Relevant sind somit folgende Messreihen Stauh he D2L1 Lufttemperatur F2PX Gewichtslot in Profil F2 x Richtung wasser luftseitig F2PY Gewichtslot in Profil F2 y Richtung F2SX F28Y Schwimmlot in Profil F2 x Richtung wasser luftseitig Schwimmlot in Profil F2 y Richtung F r die oben genannten Messreihen sind Daten aus einem ca 26 monatigen Zeitraum 803 Ta ge verf gbar f r den die gemittelten Tageswerte vorliegen vgl Abb 6 4 Zur realistischen Validierung des Monitoringsystems werden bewu t die unbereinigten Messreihen verwendet um das Systemverhalten auch im Hinblick auf fehlerhafte Schriebe berpr fen zu k nnen Fehler sind deutlich in den Messschrieben aus Abb z B in Woche 70 Gewichts und Schwimmlot sowie in Woche 107 ebenfalls Gewichts und Schwimmlot zu erkennen Die Fehler sind auf St rungen bzw Fehlfunktionen in der vor Ort installierten konventionel len Datenerfassung zur ckzuf hren sodass zu diesen Zeitpunkten entweder keine oder keine
173. n Dienstorten Ennepetalsperre Talsperrenmeister und ingenieur Betriebsstelle En nepetalsperre sowie Essen Abteilungsleiter Zentrale arbeiten Die r umliche Verteilung der Beteiligten wird dabei durch die Verteilung des Systems auf mehrere Rechner simuliert Jeder Fachexperte wird durch einen generischen Agententypen abgebildet der seinerseits mit dem Bauwerksmonitoringsystem interagiert Das gew hlte Szenario umfasst somit die beiden Teilszenarien i Plausibilit tskontrolle und ii Analyse der Messwerte Zwischen diesen beiden Teilszenarien wird explizit unterschieden weil diese Aufteilung der Praxis entspricht Basierend auf werden als Plau sibilit tskontrolle alle T tigkeiten definiert die der Erkennung grober Abweichungen schon bei der Erfassung sowie der kurzfristigen Kontrolle der Messwerte dienen Diese T tigkeiten werden t glich vom Personal vor Ort wie z B dem Talsperrenmeister oder speziell geschul ten Messtrupps ausgef hrt Die Analyse umfasst dagegen die T tigkeiten zur mittelfristigen berpr fung der Messwerte zur j hrlichen Analyse f r den Sicherheitsbericht sowie zur Lang zeitanalyse im Rahmen einer vertieften berpr fung sie wird in einer eigenen Abteilung von Fachingenieuren aus dem konstruktiven Ingenieur oder Wasserbau durchgef hrt In den folgenden Abschnitten wird das entwickelte Bauwerksmonitoringsystem in Bezug auf die beiden zuvor definierten Teilszenarien validiert
174. n einem Verzeichnis aller Agenten und ihrer Zu st nde verwahrt Der Directory Facilitator ist ein Gelbe Seiten Dienst der es den Agenten des Systems erlaubt Dienste zu ver ffentlichen und oder zu erfragen Das Message Trans port System gew hrleistet schlie lich den Nachrichtentransport zwischen den Agenten Die Nachrichten m ssen einen vorgegebene Struktur besitzen die z B einen Umschlag engl envelope mit Informationen ber den Empf nger vorschreibt 3 4 3 Agentenplattform JADE Das Java Agent DEvelopment Framework JADE JADE 08 ist eine Open Source Agenten plattform die 1998 am Centro Studi E Laboratori Telecomunicazioni CSELT entwickelt wurde und seit Februar 2000 von der italienischen Telekom und einer gro en Entwicklerge meinde als Open Source Projekt aktiv weiterentwickelt wird Besonders hervorzuheben ist die Konformit t von JADE mit den FIPA Standards vgl Abschn 3 4 2 In ihrem Kern ist JADE eine vollst ndig auf Java und zahlreichen Java Technologien insbe sondere RMI basierende Middleware die die Implementierung von Multiagentensystemen vereinfacht indem sie eine Reihe von grafischen Werkzeugen zur Uberwachung und Verwal tung von Agenten bereitstellt Agenten k nnen z B ber eine grafische Benutzungsschnitt stelle den Remote Monitoring Agenten RMA verteilt gestartet und gestoppt werden s Abb 3 9 FElRMA statler 1099 JADE JADE Remote Agent Management GUI u Oj x File Actions To
175. n umwandelt und mit den Daten ein intern verwendetes Datenmodell erstellt Der Datenverarbeitungsagent bernimmt auch die Integration propriet rer Datenformate vgl Unterabschn 4 6 2 Die Pflege von Messdaten wird durch den Datenspeicherungsagenten bernommen wobei dieser Agententyp vorrangig f r die Archivierung und Verwaltung von Messdaten verantwortlich ist Der letzte Arbeitsschritt des Monitoringablaufs die Nutzung von Messdaten wird ebenfalls durch geeignete Agententypen unterst tzt Da die Nutzung von Messdaten stark vom Benut zer sowie dem jeweiligen Zweck des Bauwerksmonitorings und einer Vielzahl von m glichen Auwertungsverfahren abh ngig ist ist dieser Arbeitsschritt nicht sinnvoll automatisierbar Deshalb werden Agententypen vorgesehen die zwar nicht die gesamte Datenauswertung je doch klar umrissene Teilaufgaben in der Analyse von Messdaten unterst tzen Zu diesen Agententypen z hlen ein Filter ein Berichts und ein Statistikagent Der Filteragent erm g licht die Einbettung von weiterf hrender Auswertungslogik in den Monitoringablauf Um eine automatisierte Verarbeitung von Messdaten umzusetzen und darauf aufbauend die Diagnose des Bauwerkszustandes zu unterst tzen werden Datenauswertungs und Dia snosef higkeiten in den Agententypen implementiert Eine zu dieser Thematik durchgef hrte Literaturrecherche f hrte auf das in Salvaneschi 95 vorgestellte Konzept zur diagnostischen Auswertung von Me
176. nde Arbeit gliedert sich in sieben Kapitel In Kapitel 2 und 3 sind die f r diese Arbeit relevanten bauingenieurtechnischen und informatischen Grundlagen zusammenfassend dargestellt Die Kapitel 4 und 5 beschreiben den gew hlten L sungsansatz zur Entwicklung eines Bauwerksmonitoringsystems sowie die softwaretechnische Umsetzung in ein Multiagen tensystem In Kapitel 2 werden die zur berwachung von Ingenieurbauwerken durchgef hrten techni schen Ma nahmen beschrieben Dabei wird insbesondere auf die Inspektion und Pr fung von Bauwerken sowie neue Ans tze zur Ermittlung quantitativer Informationen ber ein Bau werk wie experimentelle Pr fverfahren oder das Bauwerksmonitoring eingegangen Daran ankn pfend werden m gliche Strategien f r das Bauwerksmonitoring vorgestellt Ein weite rer Abschnitt dieses Kapitels behandelt die zur messtechnischen Dauer berwachung von Bau werksph nomenen eingesetzten Bauwerksmonitoringsysteme und gibt einen berblick ber die Systemarchitektur sowie die Komponenten dieser Systeme Das Kapitel 3 erl utert die Grundlagen der Multiagentensystemtechnologie die als informa tischer L sungsansatz f r das vorliegende berwachungsproblem gew hlt wurde Dabei wird ein berblick ber die wesentlichen Architekturen Konzepte und Standards im Bereich der Multiagentensysteme gegeben Ein abschlie ender Abschnitt behandelt den Entwicklungs stand von Agentensystemen im Bauingenieurwesen Das in dieser Arbe
177. nem Mess und Kontroll system ausgestattet Die Ausstattung der Talsperren mit Mess und Kontrolleinrichtungen orientiert sich dabei vorwiegend am DVWK Merkblatt 222 Das Merkblatt enth lt z B eine Empfehlung zur Regelausstattung und zum Messprogramm f r Gewichtsstaumauern unter schiedlicher Gr en Es werden insbesondere Empfehlungen zur Anordnung von Messstellen als auch zur Messh ufigkeit gegeben die in Abh ngigkeit von der Messgr e zwischen einem t glichen Stauh he Lufttemperatur und Niederschlag und einem halbj hrlichen Messinter vall Verschiebungen bzw Blockbewegungen variiert Die Messstellen sind i Allg in mehreren Messlinien bzw querschnitten angeordnet um ein zelne Abschnitte eines Bauwerks gezielt berwachen zu k nnen Eine f r Schwergewichtsmau ern H he lt 60 m empfohlene Anordnung von Messstellen ist in Abbildung 6 1 dargestellt Die Anordnung der Messstellen in Messquerschnitten erm glicht die Ermittlung des r umli chen Verlaufs von Messgr en und der Verschiebung der Staumauer gegen ber dem Unter srund Diese Messgr en sind z B beim Standsicherheitsnachweis von Staumauern oder der Simulation des Bauwerksverhaltens von Bedeutung Im Rahmen der berwachung werden nicht nur die Staumauer selbst sondern auch die n here Umgebung des Bauwerks wie z B die Talflanken und Untergrund beobachtet 6 1 TALSPERRENUBERWACHUNG 111 Pegel Stauh he 4 TW Injektionsschir GL Gew
178. neten Agententypen und durch Zuweisung von Verantwortlichkeiten an die identifizierten Agententypen Im Hinblick auf das in dieser Arbeit betrachtete Monitoringproblem steht zu n chst die Abbildung des zugrundeliegenden Monitoringablaufs im Vordergrund der Analyse Die Identifikation von Agententypen beruht dabei auf dem Grundsatz dass jeder Arbeits schritt im Monitoringablauf durch jeweils einen zugeh rigen Agententypen abgebildet wird Es werden die folgenden Agententypen identifiziert vgl Unterabschn 4 1 3 Sensorikagent Datenverteilungsagent Datenverarbeitungsagent Datenspeicherungsagent Filteragent Berichtsagent Statistikagent Der Sensorikagent bildet den ersten Schritt des Monitoringablaufs die Datenerfassung ab Der Agent interagiert mit den Mess und Datenerfassungssystemen und erm glicht eine Kom munikation mit den Hardwarekomponenten auf physikalischer Ebene oder wenn keine bidi rektionale Kommunikation vorgesehen bzw m glich ist einen Fernzugriff auf die erzeugten Messdaten Zur Abbildung der Arbeitsschritte Datenverteilung und Datenverarbeitung werden zwei weitere Agententypen der Datenverteilungs und der Datenverarbeitungsagent eingef hrt Der Datenverteilungsagent hat dabei die Aufgabe verteilt abgelegte Messdateien aufzufinden und an die verarbeitenden Agenten zu verteilen Die Daten werden anschlie end vom Datenverarbeitungsagent verarbeitet der die Messdate
179. ng Hans I Weber 2008 05 07 Muller 95 J P Muller M Pischel M Thiel Modelling reactive behaviour in vertically layered agent architectures In M Wooldridge N R Jennings Hrsg Tagungsband In 172 LITERATURVERZEICHNIS telligent Agents Theories Architectures and Languages LNAI 890 Seiten 261 276 Springer Verlag Heidelberg 1995 Myers 00 B Myers Optimization of dam monitoring systems Review of the available tech nology and case studies Tagungsband Proceeding of the 20th International Commission on Large Dams ICOLD Congress 2000 Neagu 06 N Neagu K Dorer D Greenwood M Calisti LS ATN Reporting on a Success ful Agent Based Solution for Transport Logistics Optimization Tagungsband Proceedings of the IEEE 2006 Workshop on Distributed Intelligent Systems WDIS 06 Prague 2006 Nguyen 07 V Nguyen K Smarsly D Hartmann A computational steering approach to wards sensor placement optimization for structural health monitoring using multi agent technology and evolutionary algorithms Tagungsband Proceedings of the 6th Internatio nal Workshop on Structural Health Monitoring IWSHM07 Stanford USA 2007 Nikraz 06 M Nikraz G Caire PA Bahri A methodology for the analysis and design of multi agent systems using jade Internal Journal of Computer Systems Science and Engineering 2006 http jade tilab com doc INW IALAD 05 NW IALAD Integrity assessment of large concrete dams O
180. ngenieurwissenschaftlichen Grundlagen nicht hinreichend standsicher erschienen Das Ziel des Anpassungs und Sanierungskonzeptes war es eine ausreichende Standsicherheit der Mauer zu gew hrleisten und das zwischenzeitlich abgesenkte Stauziel wieder zu erreichen Den Kern der Anpassungs und Sanierungsma nahmen bildeten das Auffahren eines Drainagestollens die Abdichtung der Mauer und des Untergrundes durch Injektionen aus dem Drainagestollen heraus und die Entspannung der Porenwasserdr cke in Mauer und Untergrund durch vom Drainagestollen aus f cherf rmig angeordnete Drainagebohrungen Ri ler 99 Da es zum damaligen Zeitpunkt keine ausreichenden Erfahrungswerte zur Anordnung ins besondere zum Abstand der Drainagef cher gab wurde in der Talmitte der Ennepetalsperre 6 2 UBERWACHUNGSSZENARIO 113 F1 D1 D2 F2 MNNNNINNNNRMANNNNAA LR CH O COSTARA TA MN ecos mo i SS AR Ze ZZ Se HHHHHHHAHHHHHHHHHHHHHHI SE SEINE SE NEN EAT I GS JOE RRIF HNH Bug O O smj l Q O F1 F2 Se o Messprismen f r pe d das geod tische Messsystem Sy AR S Inklinometer Gewichtslot O Porenwasser druckgeber IK GGG om A Schwimmlot Abbildung 6 3 Messquerschnitte der Ennepetalsperre und Lage der Messeinrichtungen Quel le Ruhrverband ein 40 m breites Mess und Versuchsfeld mit zahlreichen Messeinrichtungen installiert Pri mares Ziel war es zun chst durch Poren
181. nicht erstrebenswerten Zust nden befinden soll Auf der Basis des Konzeptes wird das physikalische System durch verschiedene Zustandsr ume beschrieben Ein erster Zustandsraum kann z B durch ein ein faches Modell definiert werden in dem m gliche Zust nde durch die Werte einer Menge von Variablen definiert werden Der aktuelle Systemzustand wird durch die aktuellen Werte der Variablen beschrieben erstrebenswerte und nicht erstrebenswerte Zust nde werden mithilfe von Schwellenwerten definiert die auf alten Beobachtungen basieren Ein zweiter Zustands raum kann z B durch ein statistisches Modell erzeugt werden das auf alten Beobachtungen 4 4 PROBLEMLOSUNGSKOMPETENZEN 69 basiert w hrend ein dritter Zustandsraum ein Kausalnetz der m glichen physikalischen Pro zesse des Bauwerks z B Kippen oder Gleiten des Bauwerks nutzen kann Mittels der Auswertungspfade engl reasoning paths RP wird ausgehend von den am Sys tem gemessenen Daten in mehreren Schritten die aktuelle Lage des Systems bzw des Sys temzustandes in den verschiedenen Zustandsr umen ermittelt Abh ngig vom Abstand des aktuellen Systemzustands zu den erstrebenswerten bzw nicht erstrebenswerten Systemzu st nden wird dann der Bauwerkszustand gefolgert und evtl das weitere Verhalten des Bau werks prognostiziert Es werden insgesamt vier Auswertungspfade zur Schlussfolgerung aus den Messdaten definiert die im Folgenden erl utert werden Auswertungspfa
182. nline Quelle 2008 05 24 Nwana 96 H S Nwana Software agents An overview Knowledge Engineering Review 11 3 205 224 1996 Open Geospatial Consortium 09 Open Geospatial Consortium OpenGIS Sensor Model Language SensorML http www opengeospatial org standards sensorml Online Quelle 2009 06 11 Oppliger 06 J Oppliger T Heiniger Specification of mobile collection of data and trans mission D4 1 5 1 Padula 99 S L Padula R K Kincaid Optimization strategies for sensor and actuator pla cement NASA no 19990036166 2008 05 07 Park 06 C Park P H Chou Ambimax Autonomous energy harvesting platform for multi supply wireless sensor nodes Tagungsband Proceedings of the Sensor and Ad Hoc Com munications and Networks SECON 06 Band 1 Seiten 168 177 Citeseer 2006 Pauk 97 A Pauk Technologie und Anwendung intelligenter Agenten als Mittler in elektro nischen M rkten Diplomarbeit Fakult t f r Verwaltungswissenschaft Universit t Kon stanz 1997 PR Development Core Team 09 R Development Core Team R A Language and Environ ment for Statistical Computing R Foundation for Statistical Computing Vienna Austria 2009 ISBN 3 900051 07 0 Rao 91 A S Rao M P Georgeff Modeling rational agents within a bdi architecture In R Fikes R Sandewall Hrsg Tagungsband Proceedings of Knowledge Representation and Reasoning Seiten 473 484 San Mateo Kalifornien 1991 R
183. nt SAMPLING_TIME_ID int PROCESS _ID int FEATURE _ID int PHENOMENON_TYPE_ID int QUANTITY_ID int OBSERVATION_CONCEPT_ID int Ca process CATEGORY_VALUE varchar 255 G PROCESS_ID int Oe TIME_RECORD_ID int RECORD_TYPE varchar 255 MSECS varchar 255 START_TIME_ID int E END TIME ID int phenomenontype 4 PHENOMENON _TYPE_ID int Name varchar 255 phenomenon Ya PHENOMENON_ID int Value varchar 255 PHENOMENON_TYPE_ID int PHENOMENA_ID PHENOMENON_ID D Pos phenomenontype_phenomenon Abbildung 5 11 Datenbankschema zur persistenten Speicherung der Messdaten 96 KAPITEL 5 IMPLEMENTIERUNG 5 6 Nutzung von Messdaten Der letzte Schritt des in Kap 4 formalisierten Monitoringablaufs die Nutzung der erfass ten Messdaten wird im entwickelten Bauwerksmonitoringsystem auf mehreren Ebenen un terst tzt Im Vordergrund steht hierbei die Entscheidungsunterst tzung der Monitoringbe teiligten Deshalb werden mehrere Agententypen entwickelt die bei der Verarbeitung und Auswertung der Messdaten behilflich sind und nachfolgend beschrieben werden 5 6 1 Berichtsagent Als ein geeignetes Mittel zur Entscheidungsunterst tzung der Monitoringbeteiligten wurde die automatisierte Erstellung von Berichten sog Berichtswesen Berichtswesen oder engl reporting erkannt Die automatisiert erstellten Berichte erleichtern den Monito ringbeteiligten die Auswertung der Messdaten da die Messdaten gezielt aufbereitet und in
184. nte erfasst Die Rohdaten werden nach ihrer Erfassung zun chst durch den Talsperrenmeister in Da teiform aufbereitet und auf ihre Plausibilit t kontrolliert Hierzu werden die Daten in ein Tabellenkalkulationsprogramm eingelesen und grafisch aufbereitet Weitere aus der manuel len Erfassung stammende Messdaten werden manuell in ein Tabellenkalkulationsprogramm eingelesen und ebenfalls aufbereitet Nach der Kontrolle durch den Talsperrenmeister wer den die Messdaten in Dateiform an den Talsperreningenieur weitergeleitet der anhand der Daten das Bauwerksverhalten ber einen kurzen Zeitraum eine Woche bis max ein Monat srob pr ft Bei der Pr fung werden auch Daten aus der manuellen Erfassung ber cksichtigt Die Daten werden dann vom Talsperreningenieur gespeichert wobei die Speicherung der Da ten im Dateiformat des verwendeten Tabellenkalkulationsprogramms oder in flachen Dateien erfolgt Dieser Arbeitsschritt wird 14 t glich oder monatlich ausgef hrt Die weitergehende Auswertung der Messdaten erfolgt dann in der Essener Zentrale des Ruhr verbands Techniker und Ingenieure bertragen die in Dateiform vorliegenden Messdaten in das jeweils zur Auswertung verwendete Tabellenkalkulationsprogramm und bereiten die Da ten in der gew nschten Zieldarstellung auf Die manuell erfassten Messdaten werden zur Wei terverarbeitung ebenfalls in ein Tabellenkalkulationsprogramm eingegeben Der Austausch von Informationen bzw die
185. ogy Language Bengl einheitlicher Bezeichner f r Ressourcen Zeichenfolge mit definierter Formatierung zur Identifikation abstrakter oder physikalischer Ressourcen Bin leistungsf higer Ontologie Editor ist z B Prot g Stanford Center for Biomedical Informatics Research 08 der auch im Rahmen dieser Arbeit zur Erstellung von Ontologien verwendet wurde 3 4 AGENTENORIENTIERTE SOFTWARE ENTWICKLUNG Al k nnen Aktionen agent actions sind Erweiterungen der Begriffe zur formalen Beschreibung von Agentenaktionen Referentielle Ausdr cke identifying referential expressions IRE erlauben es schlie lich eine Menge von Objekten zu definieren die eine bestimmte Bedin gung erf llen Dabei ist es m glich IRE Quantifizierei gt in Verbindung mit Pr dikaten und Variablen zu verwenden um komplexe Ausdr cke zu formulieren verwendet werden Kann als Inhalt einer mr ACL Nachricht EN N ContentElement N O gt Elementtypen Eine JADE Ontologie AgentAction verwendet diese es eee N Abbildung 3 7 Inhalts Referenzmodell der Agentenplattform JADE Bellifemine 07 blicherweise sind viele Wissensingenieure an der Erstellung von Ontologien beteiligt um eine vollst ndige Beschreibung der Fachdom ne zu erhalten Durch die Vielzahl der Beteiligten und den Anspruch der Vollst ndigkeit ist die Erstellung von Ontologien h ufig ein langwieriger Prozess und insbesondere die Verkn pfun
186. oint conference on Smart objects and ambient intelligence innovative context aware services usages and technologies Seiten 287 292 Grenoble 2005 ACM Ardito 05 R Ardito P Bartalotta L Ceriani G Maier Diagnostic inverse analysis of concrete dams with statical excitation Journal of the Mechanical Behavior of Materials 15 6 381 386 2005 Austin 62 J L Austin How to Do Things with Words Harvard University Press Cam bridge MA USA 1962 Balageas 06 D Balageas C P Fritzen A Giiemes Structural Health Monitoring ISTE 2006 BBC News 08 BBC News Design blamed for US bridge fall Nachricht vom 15 Janu ar 2008 http news bbc co uk 1 hi world americas 7190722 stm Online Quelle 2008 04 30 Beeby 07 S Beeby Vibes vibration energy scavenging http www vibes ecs soton Online Quelle 2009 12 13 Beer 09 G Beer Hrsg Technology Innovation in Underground Construction CRC Press October 2009 ISBN 978 0 415 55105 2 Bellifemine 07 F Bellifemine G Caire D Greenwood Developing Multi Agent Systems wit JADE Wiley Series in Agent Technology John Wiley and Sons Ltd Chichester England 2007 Berga 06 L Berga Hrsg Dams and Reservoirs Societies and Environment in the 21st Century Proceedings of the International Symposium on Dams in the Societies of the 21st Century Barcelona Spain 2006 International Comittee on Large Dams Taylor amp Francis Bettzieche 02 V
187. oller zur Signalaufbereitung und Signal verarbeitung vor Ort 2 2 6 Zustandserfassungsstrategie Die im Bauwerksmonitoring zur Erfassung des Bauwerkszustandes angewendeten Strategi en lassen sich in i lokale und ii globale Strategien unterteilen Die lokale berwachung wird dabei vorwiegend zur Beobachtung eines lokal auftretenden Bauwerksph nomenen wie z B lokaler Beanspruchungen oder Dehnungen oder des Rissfortschritts angewendet Da bei der lokalen berwachung die Erfassung der Messgr en h ufig periodisch regelm ig erfolgt kommen verst rkt die Verfahren der zerst rungsfreien Pr fung zur Anwendung Die ber wiegend noch nicht automatisierten bzw nicht automatisiert auswertbaren ZfP Verfahren werden dann von den Monitoringbeteiligten manuell ausgewertet 2 2 BAUWERKSMONITORING 19 Globale Bauwerksph nomene wie Deformationen oder Vibrationen eines Bauwerks werden dagegen durch die globale Uberwachung erfasst Hierzu werden bevorzugt rechnergesteuer te automatisierte Messverfahren genutzt da die Datenerfassung an mehreren Messpunk ten synchron erfolgen Die Messpunkte werden zumeist in einem definierten Raster an si enifikanten Punkten platziert oder dort positioniert wo hohe Beanspruchungen erwartet werden oder Schadens bzw Verhaltensprozesse gut beobachtet werden k nnen Santa 051 Die optimale Platzierung von Sensoren engl sensor placement ist mittlerweile zu einem eigenen Forschungsgebiet geworden d
188. ols Remote Platforms Help sedeedt ea aa Seef Ba EI AgentPlatforms S name addresses state owner A Statler 1099 JADE NAME ADDRESSES STATE OWNER Main Container BI dficostatler 1099 JADE E ams Statler 1099 JADE E RMA Statler 1099 JADE Container 1 Kl 1 1 Statler 1099 JADE 7 Container 2 1 2 Statler 1099 JADE Container 3 Datenbank Ennepe Statler Abbildung 3 9 Grafische Benutzungsschnittstelle von JADE Ein JADE basiertes Agentensystem ist in Agenten Container und Plattformen strukturiert Container bilden die direkte Ausfiihrungsumgebung fiir Agenten wobei die Container einer Remote Method Invokation Java Klassenbibliothek und Kommunikationsprotokoll f r den entfernten Methodenaufruf 3 5 ENTWICKLUNGSSTAND VON AGENTENSYSTEMEN 45 Plattform unabh ngig vom Betriebssystem ber mehrere Rechner verteilt sein k nnen Jede Plattform hat einen besonderen Container den Main Container in dem die von den FIPA Spezifikationen geforderten Verwaltungs und Verzeichnisdienste Agent Management System und Directory Facilitator implementiert sind In JADE werden Agenten als eigener Thread realisiert Das Verhalten eines Agenten wird in Verhaltensbausteinen sog Behaviours definiert wobei ein Agent mehrere Verhaltens bausteine Behaviours haben kann Eine echt parallele Aufgabenbearbeitung auf der Basis dieser Behaviours ist jedoch nicht m glich da alle Behaviours inn
189. oni toringsystem erfasst und die Informationen zentral in einem geografischen Informationssystem aufbereitet Das Beispiel der Ennepetalsperre soll schlie lich zeigen dass auch seit l ngerem existierende Bauwerke durch ein Monitoring berwacht werden Hier besteht die Zielsetzung Sch digun sen fr hzeitig zu detektieren und somit das Sicherheitsniveau des Bauwerks dauerhauft zu erhalten Durch die Installation eines Bauwerksmonitoringsystems und die kontinuierliche Erfassung von Porenwasserdr cken in Mauerkern konnte dort u a der Erfolg von Sanierungs ma nahmen belegt werden Weitere interessante Beispiele f r die Anwendung von Bauwerksmonitoring und Structural Health Monitoring Systemen finden sich auf der Webseite der internationalen Gesellschaft f r das Structural Health Monitoring intelligenter Infrastruktur engl International Society for Structural Health Monitoring of Intelligent Infrastructure ISHMII 23 2 2 BAUWERKSMONITORING SIO adoosoer sunneqoeg pIrteqo Jop sunypemieqs uesunzyes JI SIJE WOJNE uou SHA 00SG UoUOTIeYSTeIOT Cl GOGT IoyoUIOSUAyXY GTZ 19WOZILT 88 9 194313 19JU0J9Q URIS ZG OT WePIsISWY OION s 9J 199UT 94 I9YIISPULIS Jop sunyppemioqN I9ISTJBUIO ME Ua 9IS SSOULIOSSeMpUNIL U9WSIII Op aJ1eds eyodauuy av Lyn wen SUN YOIMJUIUISIY UOSAT euezuonboly WOISAUIEMUNIT dq OSIN 19TSIJBUIOJNe 9M9N IQ9IUBH 9M9NIJ PIN SUIS S
190. onitoringsystem ergeben Das Gesamtproblem Monitoring wird somit durch die Verzahnung der einzelnen Agententypen gel st wobei erst durch die Interaktion zwischen den Agententypen eine ge schlossene Bearbeitungskette entsteht Auf methodischer Ebene vereinfacht die Einf hrung einer neuen Abstraktion des Software agenten die Implementierung des verteilten Monitoringsystems Im Vergleich zum bew hrten objektorientierten Ansatz bietet das Agentenparadigma demnach einen neuartigen Ansatz zur Zerlegung und Modellierung verteilter komplexer Systeme der sich insbesondere bei der Umsetzung des verteilt ablaufenden Monitoringprozesses und der Realisierung von komple xen Interaktionen zwischen den autonom agierenden Systemknoten als sehr leistungsf hig erweist Die sprechaktbasierte Kommunikation der verwendeten Agentenkommunikationss prache FIPA ACL erlaubt es die Aktionen der einzelnen Agenten effektiv zu koordinieren und in den Nachrichten heterogene Daten beliebiger Komplexit t beispielsweise Messwer te Analyseergebnisse und Steuerungsbefehle f r die Sensorikkomponenten auszutauschen Hierbei ist auch die enge Kopplung des Agentenansatzes mit einer ontologiebasierten Wis sensdarstellung von Vorteil da das zur Problembearbeitung erforderliche Fachwissen wie z B Datenformate oder Informationen ber den Messvorgang mittels einer gemeinsamen Fachontologie f r die Dom ne Bauwerksmonitoring auf die Agenten bertragen wird
191. orderlichen statischen Schwellenwerte f r die einzelnen Messstellen werden hierzu konkret ermittelt und die Messwertgeber in Familien zusammengefasst Die in Ab stimmung mit dem Ruhrverband f r Schwergewichtsstaumauern entwickelten Pfade k nnen Tabelle entnommen werden KAPITEL 4 KONZEPTION 12 Tabelle 4 5 Implementierte Auswertungspfade fiir das Referenzsystem Ennepetalsperre Einzelmesswert FIPA FIPY ESPX P2PY 51 5209 D2L1 Messwertgeberfamilie Ph nomen Sickerwasser Hang Sickerwasser Summe Gewichtslot Schwimmlot Porenwasserdruck wasserseitig Porenwasserdruck Gr ndungsfuge Porenwasserdruck Mauer Prozess Kippen der Mauer in einer Mauerwerksfuge Kippen der Mauer in der Sohlfuge Bruchversagen im Fels Gleiten der Mauer Offnen von Kliiften im Untergrund Erosion im Untergrund Erosion in der Mauer Auftriebsversagen in der Mauer Auftriebsversagen in der Sohlfuge Zusintern der Drainagen ws wasserseitig ls luftseitig unklar Schwellenwert basierend auf alten Messungen Sensor S1 2 53 F1PX F2PX F1SX F2SX El 1 El 2 El 5 1 E1 5 2 E1 6 1 E1 6 2 Gewichtslot ws ls ws ls Schwimmlot ws ls ls Sickerwasser Hang Summe SE SE Sick Porenwasserdruck wassserseitig Gr ndungsfuge in der Mauer S Ke 2 4 4 PROBLEMLOSUNGSKOMPETENZEN 13 4 4 5 Systemtiberwachung und diagnose Wie in Unterabschn 4 3 1 b
192. ormate verarbeiten Umfang Bauwerksmonitoringsystem Ebene Subfunktion Prim rakteur Agent Datenverarbeitung Akteur und Interessen Agent Datenverarbeitung Will Messwerte aus Quelldatenformat in Zieldatenformat bringen Standardablauf 1 Messwerte liegen in Quelldatenformat vor 2 System nimmt Messwerte entgegen 3 System erkennt das Quelldatenformat 4 System bringt Messwerte in Zieldatenformat 5 System leitet Messwerte zur Speicherung weiter Erweiterungen Alternative Abl ufe keine Spezielle Anforderungen keine C 2 VERANTWORTLICHKEITEN 153 C 2 Verantwortlichkeiten Tabelle C 1 Verantwortlichkeiten der Agententypen des Mo nitoringsystems Agententyp Sensorikagent Messdatelagent Datenverteilungsagent Datenverarbeitungs agent Datenspeicherungs agent Berichtsagent Filteragent Verantwortlichkeiten Kommuniziert mit DAQ System Erfasst Bauwerksph nomene zeitgesteuert Liefert auf Anfrage gespeicherte Messdaten des DAQ Systems Schreibt die Messwerte in eine Datei Liefert auf Anfrage den Speicherort der Messdatei Liefert auf Anfrage einen aktuellen Messwert des DAQ Systems 7 Liefert auf Anfrage techn Informationen ber das DAQ System bertr gt auf Anfrage Kommando an DAQ System Registriert sich beim Gelbe Seiten Agenten Oo rR WN Hm Uberwacht eine Messdatei Liest Messdatei zeitgesteuert aus Liefert auf Anfrage in der Da
193. ormatio nen gespeichert werden 5 Die Nutzung der Messdaten wird auf mehreren Ebenen unterst tzt Es wurde ein Agententyp zur Vorbewertung der Messdaten entwickelt der abweichende Mess werte detektiert und die Monitoringbeteiligten ber m gliche kritische Prozesse in formiert Zur Plausibilit tskontrolle von Messdaten und zur Pr fung des Kurzzeit Bauwerksverhaltens wurde ein Berichtsagent implementiert der eine automatisierte Erzeugung von Messberichten und die Aufbereitung von Messdaten in Diagrammform erm glicht Zur modellfreien statistischen Auswertung von Messdaten wurde ein Sta tistikagent entwickelt der eine Statistiksoftware in das Bauwerksmonitoringsystem in tegriert und auf diese Weise zahlreiche statische Verfahren bereitstellt Der Nutzer interagiert mit dem Bauwerksmonitoringsystem ber eine komfortable grafische Be nutzungsschnittstelle die einen direkten Zugang zu den Messdaten eine ger te und ortsbezogene Suche sowie statistische Funktionalit ten bereitstellt Die kollaborative Zusammenarbeit der einzelnen Agententypen im Bauwerksmonitoring system wird durch eine auf das Bauwerksmonitoring zugeschnittene Fachontologie und die Im plementierung von agentenspezifischen Interaktionsprotokollen sichergestellt Auf der Grund lage der Fachontologie sind die Agenten in der Lage selbstt tig Information zu erfragen und untereinander Daten auszutauschen Den Kern der Fachontologie bildet dabei ein
194. ourcen des Systems und die Bekanntschaften zwi schen den Agenten zeigt eine Verantwortlichkeitentabelle mit den Verantwortlichkeiten der einzelnen Agenten eine Interaktionentabelle zur Beschreibung von Interaktionen zwischen den Agenten und eine Ontologie fiir die betrachtete Dom ne 3 4 2 FIPA Standards Die Foundation for Intelligent Physical Agents FIPA ist ein internationales nicht kommerzielles Standardisierungsgremium das sich mit agentenbasierten Technologien und deren Interoperabilit t befasst Die FIPA hat bis heute 25 Spezifikationen als Standard verabschiedet die spezifische Aspekte der Multiagentensysteme aus den Bereichen Agen tenkommunikation agent communication Agententransport agent transport Agentenver waltung agent management Architektur abstract architecture und Anwendungen ap plications behandeln Das Hauptaugenmerk liegt dabei nicht auf dem agentenorientierten Entwicklungsprozess s o sondern auf der Implementierung und physischen Verteilung von Agentensystemen Ein mit den FIPA Spezifikationen konformes Agentensystem besteht aus den Hauptkompo nenten Agent Platform AP Agent Management System AMS Directory Facilitator DF und Message Transport System MTS Die Agent Platform ist die Agentenlaufzeitumgebung 16 Eine Methodologie wird hier als ein B ndel von Methoden definiert 3 4 AGENTENORIENTIERTE SOFTWARE ENTWICKLUNG 1 Planung j Nicht form
195. pektion und Pr fung von Bauwerken 2 1 2 Zus tzliche Untersuchungen am Bauwerk 2 2 Bauwerksmonitoring 2 2 1 Definition 2 2 2 Konzept 2 2 3 Dauer und Frequenz von Messungen o ooa a aa a 2 2 4 Messgr en 2 2 5 Messeinrichtungen 2 2 6 Zustandserfassungsstrategiel 2 22 CC mn a nn 2 2 7 Schadenserkennungsstrategie 22 22m a 2 2 8 Bewertung der Bauwerkssicherheit 2 2 9 Beispielanwendungen 2 3 Bauwerksmonitoringsysteme 2 3 1 Systemarchitektur 2 3 2 Datenerfassungssystemel o oo a a a a 2 3 3 Dateniibertragungs und Datenspeicherungsmechanismen 2 3 4 Datenverwaltung und auswertung nn 3 Multiagentensysteme 3 1 Softwareagenten und Multiagentensysteme 22 222222 3 1 1 Definition 3 1 2 Sichtweise auf ein Multiagentensystem 3 1 3 Agentenbegriff 3 2 Agentenarchitekturen 3 2 1 Deliberative Architekturen 0 0 00 eee 3 2 2 Reaktive Architekturen 3 2 3 Hybride Architekturen 1V Vil 10 11 13 13 14 15 16 17 18 19 20 21 24 24 25 26 27 11 INHALTSVERZEICHNIS aria ro rasa 34 TENTAR 34 aaa a A 35 3 3 3 Interaktionsprotokolle 37 ono ada A sas 37 aro sd asas 39 3 4 Agentenorientierte Software Entwicklungl e 41 3 4 1 Entwicklungsmethodologien 42 3
196. php option com_ content amp view article amp id 14 amp Itemid 52 Online Quelle 2009 06 11 Waller 89 H Waller R Schmidt Schwingungslehre f r Ingenieure BI Wissenschaftsverlag 1989 LITERATURVERZEICHNIS 175 Wellmann Jelic 05 A Wellmann Jelic J Bilek M Gallfy D Hartmann Parallel softwa re framework for fatigue analyses based on software agents Tagungsband International Conference on Computing in Civil Engineering ICCC Cancun Mexiko Juli 2005 Wellmann Jelic 07 A Wellmann Jelic Paralleles Simulationskonzept f r zeitabh ngige Zu verl ssigkeitsanalysen bei stochastischen Erm dungsprozessen Doktorarbeit Fakult t f r Bauingenieurwesen Ruhr Universit t Bochum 2007 Wikipedia 08 Wikipedia Die freie Enzyklop die deutsche Version wikipedia org wiki Hauptseite Online Quelle 2008 09 11 Willm 67 G Willm N Beaujoint Les m thodes de surveillance des barrages au service de la production hydraulique d Electricit de France probl mes anciens et solutions nouvelles Tagungsband IXth International Congress on Large Dams Band III Seiten 529 550 Istanbul 1967 ICOLD Witten 99 I H Witten E Frank Data Mining Practical Machine Learning Tools and Techniques Morgan Kaufmann 1999 Wooldridge 00 M Wooldridge N R Jennings D Kinny The Gaia Methodology for Agent Oriented Analysis and Design Autonomous Agents and Multi Agent Systems 3 3 285 312 2000 Wooldridge 01 M
197. pielweise eine Messreihe verdichtet werden muss das Programm vom externen Rechner neu konfiguriert werden Die Echtzeitstempelung der Mess werte geh rt zur Standardausstattung jedes Datenloggers Fast alle Datenlogger bieten die M glichkeit einen Zeitstempel benutzerdefiniert zu formatieren A 2 2 Anschlussm glichkeiten f r Sensoren Jeder Datenlogger besitzt entweder mindestens einen internen Sensor oder Anschlussm glich keiten f r mindestens einen Sensor Einfache Ger te haben i d R einen oder mehrere interne Sensoren Leistungsf higere Ger te besitzen dagegen Anschlussm glichkeiten f r unterschied lichste externe Sensoren und bieten damit eine h here messtechnische Flexibilit t Die angeschlossenen Sensoren arbeiten gew hnlich elektrisch d h der Logger sendet einen elektrischen Impuls an den Sensor und misst den Widerstand die Spannung oder die Fre quenz Die gemessenen Werte werden anschlie end skaliert und in ein bestimmtes Format gebracht Die Skalierung der gemessenen Werte erfolgt oftmals nicht automatisch mitun ter auch aus dem Grund dass angeschlossene Sensoren vor dem Messbetrieb geeicht werden m ssen Die automatische Skalierung wird deshalb nicht zur Mindestausstattung eines Da tenloggers gez hlt A 2 3 Interner Speicher Der interne Speicher selbst unterliegt keinen Beschr nkungen Er ist i d R als RAM Speicher ausgef hrt Die Gr e des Speichers variiert dabei
198. prache Java oder zus tzlicher Bibliotheken reali siert Flache Texte oder flache Dateien engl flat files dienen der Datenspeicherung in Textform wobei die zu speichernden Datens tze in einem bestimmten Format nacheinander in einer Liste angeordnet werden 84 KAPITEL 5 IMPLEMENTIERUNG Agentenbasiertes Kernmodul Analyse ce WW Berechnungscluster R Software a Jasper Reports N A Datenspeicherung x Se O o C 0 GE E O Ze o o gt Grafische Benutzungsschnittstelle Messdaten Swing GUI aufbereitet Abbildung 5 1 Grobarchitektur des Bauwerksmonitoringsystems RAMON Als Basis f r die Implementierung des Bauwerksmonitoringsystems wird die frei verf gbare Agentenplattform J ADE verwendet JADE zeichnet sich durch eine sehr gute Pro srammierschnittstelle und die Bereitstellung zahlreicher agentenorientierter Entwurfsmuster aus JADE wird aber auch gew hlt weil die Agentenplattform FIPA konform ist und somit eine Erweiterbarkeit z B durch die Kopplung mit anderen Agentensystemen m glich ist Im Folgenden wird die Implementierung der einzelnen Agententypen erl utert Die Erl ute rung orientiert sich dabei an den in Kapitel 4 identifizierten und formalisierten Arbeitsschrit ten des Bauwerksmonitorings 5 2 Erfassung von Messdaten Die Erfassung von Messdaten wird durch zwei spezialisierte Agententypen unterst tzt Ei nerseits wird zur aktiven Steuerung und
199. r cken eine umfassende strategische Aufgabe Bauingenieur 79 7 8 329 335 Juli August 2004 Meyer 07 J Meyer R Bischoff G Feltrin M Kr ger P Chatzichrisafis C Grosse Data analysis and reduction methodologies for wireless sensor networks report d5 8 2009 01 19 Minnesota Department of Transportation 08 Minnesota Department of Transportation In terstate 35w bridge collapse http www dot state mn us i35wbridge Online Quelle 2008 09 05 Mittrup 02 I Mittrup Entwicklung eines web basierten Talsperren Monitoring Systems Diplomarbeit Lehrstuhl f r Ingenieurinformatik im Bauwesen Ruhr Universit t Bochum 2002 Mittrup 04 I Mittrup K Smarsly J Bilek Implementierung eines Software Agenten zur Verwaltung komplexer Datenbest nde aus dem Bauwesen In J Zimmer S Geller Hrsg Tagungsband 16 Forum Bauinformatik 2004 Braunschweig Deutschland 2004 Verein Deutscher Ingenieure Mittrup 05 I Mittrup Modellbasierte Prognose des Bauwerksverhaltens mithilfe von Software Agenten In Weber L F Schley Hrsg Tagungsband 17 Forum Bauinformatik Junge Wissenschaftler forschen Cottbus 2005 Mufti 01 A Mufti Guidelines for Structural Health Monitoring ISIS Canada design manual no 2 Auflage September 2001 M ller Slany 03 H M ller Slany M glichkeiten und Grenzen der Schwingungsdiagnose f r mechanische Systeme auf der Basis numerischer Strukturmodelle Festschrift Prof Dr I
200. r Betriebsstelle bzw Talsperre sowie das Biironetzwerk der Zentrale erstrecken Auf diese Weise werden die Messwertgeber und Messdaten f r alle Monitoringbeteiligte verf gbar gemacht sodass von 4 1 ANALYSE EINES MONITORINGABLAUFS 53 den Arbeitsplatzrechnern auf die lokal gespeicherten Daten sowie die Datenerfassungssysteme zugegriffen werden kann Dieser Ansatz geht ber den Umfang bestehender computerbasier ter Monitoringsysteme vgl hierzu Abb hinaus da das Monitoringsystem als verteiltes System nun auch die Arbeitsplatzrechner der Monitoringbeteiligten umfasst und von dort aus einen integrierten Zugriff auf die Systemkomponenten erm glicht Vor dem Hintergrund des teilweise hohen Automatisierungsgrades im Bauwerksmonitoring muss dabei erforscht werden wie die im Bauwerksmonitoring verwendeten autonomen Mess und Datenerfassungssysteme auf generische Weise in das zu entwickelnde Multiagentensystem eingebunden werden k nnen Konkret geht es darum einen Zugriff auf Systeme unterschiedli cher Hersteller unabh ngig von den ger tespezifischen Befehlss tzen und den propriet ren Kommunikationsprotokollen zu erm glichen sodass die elektronischen Messwertgeber und Datenerfassungssysteme f r die berwachungsbeteiligten ber das Internet dynamisch auf findbar zugreifbar und steuerbar werden Das prim re Ziel ist hierbei eine Infrastruktur zur verteilten Erfassung und Bereitstellung von Messdaten zu entwickeln
201. r Frage nach dem Wert eines Sensors Das Attribut receiver legt den Empf nger der Nachricht language die Sprache in der der Inhalt ausgedriickt wird und ontology die verwendete Terminologie fest Die heute vorherrschende Agentenkommunikationssprache ist die FIPAl Agent Commu nication Language FIPA ACL FIPA 07 FIPA ACL Message Structure Specification SC00061 Die allgemeinen Nachrichtenparameter einer FIPA ACL Nachricht wurden in der FIPA ACL Message Structure Specification FIPA 07 FIPA ACL Message Structure Spe cification SC00061 spezifiziert Der Sprechakt der Nachricht findet sich dabei im Param ter performative wieder Wichtige Erweiterungen gegen ber KQML sind die Parameter protocol und conversation id die eine Definition von Interaktionsprotokollen und Ge spr chskennungen fiir Nachrichten erm glichen und somit die Einordnung von Nachrichten zu Konversationsstrangen erleichtern Tabelle 3 2 gibt einen berblick ber die von der FIPA spezifizierten Nachrichtenparameter einer FIPA ACL Nachricht Tabelle 3 2 FIPA ACL Nachrichtenparameter Parameter Beschreibung Performative Sprechakt der Nachricht sender Identit t des Nachrichtensenders receiver Identit t des der beabsichtigten Nachrichtenempf nger reply to Empf nger f r nachfolgende Nachrichten in einem Konversationsstrang content Nachrichteninhalt language Sprache in der die Nachricht ausgedr ckt ist encoding Sp
202. rarbeitenden Agenten Fragt agent die Sensorik oder Messdateiagenten dazu periodisch ab Aufbereitung von Messdaten Datenverarbeitungs Nimmt erfasste Messdaten entgegen wandelt diese in ein Zielformat agent um und leitet die Messdaten zur Speicherung weiter Pflege von Messdaten Datenspeicherungs Speichert Messdaten in einem Datenbanksystem und stellt Dienste agent zur Verwaltung der Daten bereit Nutzung von Messdaten Filteragent Filtert erfasste Messdaten anhand von benutzerdefinierten Kriteri en und f hrt Auswertungen durch Berichtsagent Stellt erfasste Messdaten in Berichtsform dar L dt selbstt tig Messdaten aus einer Datenbank Statistikagent Stellt statistische Funktionalit ten bereit Kommuniziert hierzu mit einer Statistiksoftware Pers nlicher Agent Bildet die Schnittstelle zwischen MAS und den menschlichen Mo nitoringbeteiligten Selbstdiagnose System berwachungs Uberwacht das System auf unvorhergesehene Ausf lle und infor agent miert die menschlichen Monitoringbeteiligten 64 KAPITEL 4 KONZEPTION entnommen werden dass fiir die Interaktionen des Sensorikagenten die Interaktionsprotokolle FIPA Request und Query Ref zu verwenden sind Tabelle 4 4 Interaktionstabelle fiir den Sensorikagenten Interaktion Verantw IP Rolle Mit Wann Beantworte Frage nach 6 FIPA R Daten Anfrage erhalten aktuellem Messwert Request verteilungsagent Beantworte Anfrage 3 FIPA R Daten Anfrage erhalten Beobach
203. rden die am Monitoringablauf beteiligten Fa chexperten d h Talsperrenmeister und Talsperreningenieur Geologe Vermessungsingenieur und Fachingenieur Statiker identifiziert Alle Monitoringbeteiligten werden dabei f r ei ne prototypische Umsetzung durch drei generische Nutzer abgebildet den i Monitoring experte der als Hauptverantwortlicher f r die Steuerung des Bauwerksmonitoringsystems insbesondere die Verwaltung der Mess und Datenerfassungssysteme zust ndig ist den ii Bauwerksbetreiber besitzer der vorrangig betriebliche Aufgaben wahrnimmt aber auch an der Messdatenauswertung beteiligt ist sowie den iii Fachingenieur Statiker der gemein 4 2 AGENTENORIENTIERTE ANALYSE 99 Bauwerksmonitoringsystem Bauwerksph nomene erfassen include ur N Ki Akteur E Mess und Monitoringexperte Datenerfassungs DAQ Systeme steuern system include Q BZ Be W s Messdaten ansehen Bauwerksbetreiber N Statiker Messdaten archivieren Abbildung 4 4 Anwendungsf lle f r das zu entwickelnde Bauwerksmonitoringsystem UML Anwendungsfalldiagramm sam mit Fachexperten aus anderen Disziplinen f r die Bauwerkssicherheit und eine ab schlie ende Sicherheitsbeurteilung verantwortlich ist In Abbildung ist auszugsweise ein Anwendungsfalldiagramm dargestellt das drei der oben beschriebenen Anwendungsf lle Anwendungsf lle Messgr e erfassen Messdaten
204. rechneten Verformungen zeigt dass das Bauwerks verhalten sehr gut simuliert wird Dies belegt die grunds tzliche Eignung der HST Methode zur Prognose des Bauwerksverhaltens Als positive Eigenschaft ist besonders hervorzuheben dass die HST Methode die Simulation des Bauwerksverhaltens ohne ein strukturmechanisches Modell erlaubt und deshalb mit geringem Aufwand in einen Agententypen integrierbar ist Alternativ ist auch der Einsatz einer deterministischen Simulation m glich hierzu m sste eine Finite Element Simulation mit dem Agentensystem verbunden werden Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Integration einer derartigen Simulation in das Agentensys tem in der Diplomarbeit untersucht Die technische Realisierbarkeit wurde dabei erfolgreich nachgewiesen und ein Simulationsmodell f r die Ennepetalsperre entwickelt Aus Performanzgr nden und der schlechteren bertragbarkeit der strukturmechanischen Modelle wird aber auf die Integration einer Finite Element Simulation verzichtet Die f r die Talsperren berwachung relevanten Prognose und Analysemodelle wurden in Abschn erl utert 68 KAPITEL 4 KONZEPTION Ennepetalsperre Pendellot F2 9 gemessen 8 berechnet 7 plastische 6 Verformung a 5 E E34 E E d 2 ET 5 pa E g o O gt a Abbildung 4 7 Prototypisches auf der HST Methode basierendes Prognosemodell fiir die radiale Verformung der Ennep
205. ren Diagramms fest dass in den zur ckliegenden Tagen keine groben Abweichungen bersehen wurden Weiterhin stellt er fest dass in der Messreihe F2PX ein steigender Trend zu erken nen ist Besonders auff llig ist jedoch dass die Messreihe F2PY die zur Ausl sung einer Warnmeldung gef hrt hat bis auf den letzten gemessenen Wert keine Ausrei er aufweist Aufgrund der Messungen an Messstelle F2PY hat der Talsperreningenieur die Vermutung dass es sich um einen Messfehler handelt Diese Vermutung wird durch die Betrachtung des unteren Diagramms best tigt Die Lage des Datenpunktes im Diagramm zeigt wie stark die letzte Messung der Lotanlage von der vorausgegangenen Messung abweicht Die Gr enord nung der Abweichung l sst den Schluss zu dass es sich um einen Messfehler handelt 120 KAPITEL 6 VALIDIERUNG RAMON ee www inf bi rub de monitoring Messbericht fur Ennepetalsperre Woche ab 18 064 Messdaten Datum Stauhoehe F2PX F2PY 18 06 300 67 3 99 1 31 19 0688 300 64 3 95 1 46 20 06 300 6 4 06 1 41 21 0688 300 55 3 93 1 63 22 06 88 300 5 4 01 1 52 23 06 300 47 4 29 1 48 24 06 300 43 4 31 1 23 25 06 300 38 4 74 6 37 Zusammenfassung Diagramme 4 75 300 65 6 300 60 A ent 300 55 4 300 50 4 25 y 300 45 2 300 40 4 00 1 18 Jun 19 Jun 20 Jun 21 Jun 22 Jun 23 Jun 24 Jun 25 Jun Stauh he 0 F2PX 4 F2PY 4 75 4 50 radial 4 25 4 00 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 tangential
206. ren Geod ten und Geologen besteht in Zusammen arbeit mit den lokalen Betriebsstellen durchgef hrt Die Abteilung bernimmt alle weiterf h renden Aufgaben der Talsperren berwachung wie die Erstellung von Berichten Sicherheits beurteilungen oder statischen Nachweisen im Rahmen von Sanierungs und Anpassungsma nahmen und ist insbesondere f r die Auswertung aller vor Ort erfassten Messdaten verant wortlich Ein Gro teil der Messdaten wird zur Weiterverarbeitung von den Betriebsstellen in die Zentrale transferiert wobei der Datentransfer berwiegend manuell mittels einer bli chen Fernzugriffssoftware oder per Email erfolgt Der zur berwachung der Ennepetalsperre durchgef hrte Monitoringablauf ist in Abb als UML Aktivit tsdiagramm dargestellt Der Monitoringablauf beginnt mit der Datenerfassung an der Betriebsstelle Ennepetalsperre durch ein automatisiertes Datenerfassungssystem Das Datenerfassungssystem besteht aus ca 40 Messf hlern drei Datenloggern und einem Messrechner der sich in einer Messwarte in der N he der Talsperre befindet Die Messf hler werden von den Datenloggern nach ei nem programmierten Messprogramm in festen Intervallen abgefragt Eine Software liest die Datenloggerspeicher regelm ig aus und legt die erfassten Messdaten in Dateien auf dem Messrechner ab Werte aus weiteren nicht automatisierten Messeinrichtungen werden ent weder mittels Handheld Computern oder manuell durch Ablesung analoger Messinstrume
207. ren und Modelle abzustimmen Insbesondere die f r Zuverl ssigkeitsanalysen Sicherheitsnach weise und Lebensdauerabsch tzungen verwendeten Modelle k nnen gro en Einfluss auf die Auswahl der zu erfassenden Bauwerksph nomene haben Nach k nnen sechs Bewertungsstufen unterschieden werden vgl Abb 2 6 Stufe 0 Qualitative Informelle Bewertung Die qualitative Bewertung basiert auf der visuellen Inspektion der Bauwerke wobei die sichtbaren Deteriorationsfolgen wie z B die Korrosion von Stahlbauteilen oder andere sichtbare Schadenshinweise z B Risse oder Abplatzungen analysiert werden Die qualitative Bewertung kommt gr tenteils in der Infrastrukturverwaltung Bauwerksmanagement zur Anwendung wo der Bauwerkszustand durch visuelle Inspektionen vor beurteilt wird Stufe 1 Messwertbasierte Bewertung Die messwertbasierte Bewertung umfasst alle Verfahren bei denen die Gebrauchstauglichkeit eines Bauwerks direkt durch Messun gen Monitoring oder Belastungstests bestimmt wird Die Untersuchung erfolgt in zwei Schritten wobei zun chst die Einwirkungen und das Bauwerksverhalten gemessen wer den und danach die Gebrauchstauglichkeit anhand von Grenzwerten aus Entwurfsricht linien Normen verifiziert wird Die wichtigste Messgr e zur Bewertung der Gebrauch stauglichkeit ist die Verformung des Bauwerks Die Verfahren zur messwertbasierten Bewertung sind nur in den Grenzen der Gebrauchstauglichkeit anwendbar Stufe 2
208. renahen Kommunikation und erlauben die Konfiguration der Schnittstellenparameter Die ben tigte Funktionalit t wird mittels der freien Java Bibliothek Java Communications Ap Sun Microsystems Inc 09 implementiert die von Sun speziell zur Kapselung der seriellen und parallelen Hardwareschnittstellen eines Rechners entwickelt wurde Die Implementierung Zur Darstellung der Verhaltensbausteine und des agenteninternen Kontrollflusses wird eine eigene Dar stellungsart verwendet Die Verhaltensbausteine werden darin durch Rechtecke symbolisiert Der Kontrollfluss zwischen den Bausteinen wird durch eine gestrichelte Linie mit offenem Pfeil veranschaulicht Empf ngt oder sendet ein Verhaltensbaustein Nachrichten so wird dieses durch einen horizontalen Linie mit ausgefiilltem Pfeil dargestellt wird im Folgenden als Comm API bezeichnet 36 KAPITEL 5 IMPLEMENTIERUNG der Kommunikation ber die serielle und parallele Schnittstelle eines Rechners wird im fol genden Unterabschnitt n her erl utert Zur Bereitstellung aktueller Messwerte an die Agenten des Bauwerksmonitoring systems werden die Verhaltensbausteine SensorsQueryResponderBehaviour und SensorsRequestResponderBehaviour implementiert die empfangene Nachrichten an derer Agenten verarbeiten und nach der Kommunikation mit dem MDES aktuelle Messwerte zur ckliefern Die Verhaltensbausteine greifen hierzu auf die oben beschriebenen Bausteine WriteBehaviour und Rea
209. retechnische Umsetzung der Agententypen die jeweils Einzelschritte des Monitoringablaufs abbilden und entsprechende Fachlogik aufnehmen 5 1 Vorbemerkungen Das Bauwerksmonitoringsystem RAMON wird als ein verteiltes Multiagentensystem reali siert Den Mittelpunkt des Bauwerksmonitoringsystems bildet ein agentenbasiertes Kernmo dul das alle entwickelten Agenten und ihre Laufzeitumgebung enth lt vgl Abb 5 1 Weite re Systembestandteile sind die Hard bzw Softwareressourcen i Sensorik ii Analyse iii Datenspeicherung und iv Grafische Benutzungsschnittstelle Die Ressourcen werden mittels agentenorientierter Konzepte bevorzugt durch die Einf hrung spezialisierter Agententypen sowie auf unterer Ebene mittels objektorientierter Konzepte in das Bauwerksmonitoring system integriert Besonderer Wert wird dabei auf die Integration von externen Mess und Datenerfassungssystemen MDES gelegt die als autonome Systeme in das Multiagentensys tem eingebunden werden Die Kommunikation innerhalb des agentenbasierten Kernmoduls erfolgt ausschlieBlich auf der Basis der Agentenkommunikationssprache FIPA ACL wobei der Nachrichteninhalt je nach Kommunikationssituation entweder in der Inhaltssprache FIPA SL einer Fachsprache wie z B SensorML oder in flachem Text ausgedr ckt werden kann Die Interaktion mit den Ressourcen des Bauwerksmonitoringsystems wird auf Sub Agenten Ebene mittels Standar delementen der verwendeten Programmiers
210. riet ten Daten bzw Dateiformaten abgelegt Diese Forma SU KAPITEL 4 KONZEPTION te sind jedoch herstellerabh ngig und bisher nicht standardisiert Die Integration von un terschiedlichen propriet ren Messdatenformaten in das Bauwerksmonitoringsystem erfolgt deshalb durch die Bereitstellung von mehreren spezialisierten Transformationsagenten die entsprechende Messdaten aus den Messdateien extrahieren und in das intern verwendete Da tenmodell bertragen Die Rolle des Transformationsagenten wird dabei vom Datenverarbeitungsagenten ber nommen F r jedes Messdatenformat wird ein eigener Datenverarbeitungsagent implemen tiert Das Auffinden der geeigneten Datenverarbeitungsagenten wird zur Laufzeit sicherge stellt indem die Datenverarbeitungsagenten in ihrer Dienstbeschreibung eine Eigenschaft format type zur Beschreibung des Datenformates ver ffentlichen Teil III Umsetzung Kapitel 5 Implementierung des Bauwerksmonitoringsystems RAMON Zur softwaretechnischen Untersttitzung der messtechnischen Dauer und Langzeit berwachung von Bauwerken wird das prototypische Bauwerksmonitoringsystem RAMON engl Robust Agent based Structural MONitoring System Robustes agentenbasiertes Bauwerksmoni toringsystem implementiert In diesem Kapitel wird die Implementierung des Bauwerksmoni toringsystems auf der Basis des im vorangegangen Kapitel durchgef hrten Entwurfs erl utert Im Vordergrund steht hierbei die softwa
211. rkennbare Sch den zus tzliche Untersuchungen am Bauwerk durchgef hrt werden Zu diesem Zweck kommen berwiegend experimentelle Pr fverfahren vgl Tab zur Anwen dung Als experimentelle Pr fverfahren werden in dieser Arbeit alle Untersuchungsverfahren am Bauwerk definiert die im Sinne einer Inspektion unter vergleichbaren Randbedingungen wiederholt werden k nnen Die Verfahren liefern eine quantitative Beschreibung des aktuellen Bauwerkszustandes und werden insbesondere zur Bestimmung von Materialkennwerten des Tragverhaltens sowie zur Ermittlung von Schadensart und umfang eingesetzt Eine besondere Stellung innerhalb dieser Pr fverfahren nehmen die Verfahren der zerst rungs freien Pr fung im Bauwesen ZfPBau ein Insbesondere unter den Gesichtspunkten einer pr ventiven Schadenserkennung bieten diese Verfahren langfristig hervorragende M glichkeiten um mikroskopische Sch digungen bzw Ver nderungen ohne Eingriff in die Bauwerkssubstanz zu bestimmen Die ZfPBau Verfahren sind deshalb f r das in Abschnitt 2 2 beschriebene Bau werksmonitoring und Structural Health Monitoring von Interesse da dort die Zielsetzung be steht den Messvorgang zu automatisieren die Messdatenauswertung zu vereinfachen und die verteilt gemessenen Messdaten computerunterst tzt zusammenzuf hren um Struktursch di 12 KAPITEL 2 STAND DER FORSCHUNG Tabelle 2 1 bersicht ber experimentelle Pr fverfahren Mehdianpour 04 Experimentelle
212. rs nli che Unterst tzung w hrend meiner Zeit an seinem Lehrstuhl Herrn Prof Dr Ing Markus K nig danke ich f r die freundliche bernahme des Koreferats und sein Interesse an meiner Arbeit F r seine T tigkeit als fachfremder Gutachter danke ich Herrn Prof Dr Ing Mar kus Thewes Dem Ruhrverband danke ich f r die freundliche Bereitstellung von Mess und berwachungsdaten Dar ber hinaus danke ich allen Kollegen am Lehrstuhl f r Ingenieurinformatik f r ihre stete Hilfsbereitschaft In diesem Zusammenhang m chte ich besonders meine Kollegen Andres Wellmann Jelic Kai Oberste Ufer Karlheinz Lehner und Kai Erlemann hervorheben die zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen haben Mein besonderer Dank gilt schlie lich meiner Ehefrau Maria del Carmen f r ihre Geduld tat kr ftige Unterst tzung und ihren R ckhalt w hrend der Fertigstellung dieser Arbeit Zuletzt danke ich herzlich meinen Eltern die mich stets in jeder Hinsicht unterst tzt und auf diese Weise die Voraussetzung f r diese Arbeit geschaffen haben Bochum im M rz 2010 Ingo Mittrup Tag der Einreichung 05 01 2010 Tag der m ndlichen Pr fung 19 02 2010 1 Gutachter Prof Dr Ing D Hartmann 2 Gutachter Prof Dr Ing M K nig Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Listingsverzeichnis ju Grundlagen 1 Einleitung 1 1 Problemstellung 1 2 Aufbau der Arbeit 2 Stand der Forschung 2 1 Bauwerks berwachung 2 1 1 Ins
213. rschoben werden sollen Dies ist insbesondere bei der berwachung von alten Bau werken und Denkm lern der Fall F r diese Bauwerke ist das Bauwerksmonitoring in Ver bindung mit der zerst rungsfreien Pr fung die einzige M glichkeit um den genauen Zustand des Bauwerks zu ermitteln da kein Material zur Bestimmung von Materialeigenschaften ent nommen und gepr ft werden kann Bei der Durchf hrung einer Langzeit berwachung kann die Erfassung von Messdaten entwe der kontinuierlich oder periodisch erfolgen Zu unterscheiden sind eine kontinuierliche eine periodisch regelm ige und eine periodisch ereignisgesteuerte getriggerte Datenerfassung vgl Abb 2 4 In einer periodisch regelm igen Datenerfassung werden die Messungen in festen Zeitabst nden durchgef hrt w hrend in einer periodisch ereignisgesteuerten Datener fassung die Messungen durch ein bestimmtes Ereignis wie das Uberschreiten eines Schwel lenwertes ausgel st bzw getriggert werden Das Abtastintervall Sampling f r jede Da tenerfassung h ngt dabei von den dynamischen Eigenschaften des beobachteten Bauwerks ab Typische Anwendungen fiir die periodisch regelm ige Datenerfassung sind F lle in denen die Lasten statisch bzw quasi statisch sind und sich die beobachtete Bauwerkseigenschaft langsam ndert Ein Beispiel hierf r ist die Messung des j hrlichen Temperatureinflusses auf eine Staumauer Eine typische Anwendung f r die periodisc
214. rteilt werden muss Gegen ber der visuellen Inspektion werden durch die Kurzzeit berwachung zus tzliche qualitative Informa tionen ermittelt auf deren Basis die Bauwerkssicherheit gepr ft werden kann Es kommen vorwiegend die in Unterabschnitt beschriebenen experimentellen Pr fverfahren zum Einsatz Wenn mehrere Kurzzeit berwachungen regelm ig ber einen l ngeren Zeitraum wiederholt werden werden diese als periodische Langzeit berwachung definiert Die kontinuierliche berwachung eines Bauwerks wird als Langzeit berwachung definiert wenn die berwachung ber einen Zeitraum von Jahren bis Jahrzehnten durchgef hrt wird vel ISIS 08 Die Langzeit berwachung kommt insbesondere dann zur Anwendung wenn sich die Lasteinwirkungen nur langsam andern wie bei langsamen graduellen Temperatur nderungen oder die Belastungen nicht vorhersagbar sind z B bei Naturkatastrophen wie Hochwasser oder Erdbeben Dar ber hinaus kommt die Langzeit berwachung auch zur An wendung wenn ein Bauwerk durch einen langsamen Degradationsprozessen beeintr chtigt 16 KAPITEL 2 STAND DER FORSCHUNG Langzeitmonitoring a Kontinuierlich C _ _ _ _ o e Zeit p Periodisch MM E E E E Regelm ig Zeit c Periodisch MM DR HEE Ereignisgesteuert Zeit Abbildung 2 4 Messstrategien f r das Langzeitmonitoring wird und Instandsetzungsma nahmen entweder nur begrenzt m glich sind oder so lange wie m glich ve
215. rtet Um die Erstellung optisch an sprechender Berichte zu vereinfachen wird das Open Source Framework Jasper Reports Jaspersoft Corporation 09 genutzt das die Java basierte Erstellung von Berichten sehr gut unterst tzt Die Berichtserzeugung findet im Verhaltensbaustein CreateReportBehaviour statt Der Verhaltensbaustein DistributeReportBehaviour sorgt schlie lich f r eine Vertei lung der Berichte Die Verteilung kann dabei per Email oder ber verschiedene Transport 5 6 NUTZUNG VON MESSDATEN 97 Messbericht erzeugen Schablone laden Daten laden Bericht f llen Bericht exportieren no Start Abbildung 5 13 Einzelschritte zur Berichtserstellung UML Aktivit tsdiagramm protokolle HTTP S FTP etc erfolgen Insbesondere die Verteilung per FTP bietet die M glichkeit die Berichte an zentraler Stelle verf gbar zu machen und so f r die sp tere Ver wendung zu archivieren Die Berichte k nnen in verschiedene Zielformate PDF XML oder HTML exportiert werden 5 6 2 Filteragent Zur Entscheidungsunterstiitzung der Fachexperten bei der Bewertung der Messdaten wird in der Klasse DetectionAgent ein spezialisierter Filteragent implementiert dessen Verhaltens bausteine der Abb zu entnehmen sind DetectionAgent DetectionSequentialBehaviour DBlteratedClientBehaviour ScriptedBehaviour GetDiagnosisBehaviour Abbildung 5 14 Verhaltensbausteine des Filteragenten Zur automatisierten Bewertung der Me
216. rung der betrachteten Struktur wird berwiegend die Finite Element Methode eingesetzt Ein alternativer Ansatz zur deterministischen Modellie rung stammt von Cherubim der auf der Basis eines 2 Stab Modells die temperaturbedingten Verformungen der Mauerkrone berechnet Cherubim 05 Die thermisch aktive Zone des Mau erk rpers wird dabei durch zwei Pendelst be entlang der Luft und Wasserseite der Staumauer modelliert die am oberen Ende Mauerkopf gelenkig verbunden sind Den St ben werden ab schnittsweise die real gemessenen Temperaturen des n chstliegenden Messgebers zugeordnet und auf der Basis der W rmeausdehnungsgleichung die L ngen nderungen der Pendelst be berechnet die als Bewegung der Mauerkrone interpretiert werden k nnen Die hybriden bzw gekoppelten Verfahren basieren auf einer Kombination von statistischen und deterministischen Verfahren In einen deterministischen Ansatz werden dabei Koeffizien ten eingefiihrt die auf der Basis von Messdaten ermittelt bzw kalibriert wurden Gekoppelte Verfahren bilden beispielsweise h ufig den Einfluss des Wasserdrucks auf das Verhalten der Staumauer mithilfe eines deterministischen Modells FE Modell ab Das schwer zu beschrei bende instation re Temperaturfeld der Staumauer wird dagegen vereinfachend durch einen statistischen Ansatz auf der Basis gemessener Lufttemperaturen erfasst Horlacher 021 Neuere Ans tze betrachten die Analyse des Bauwerksverhaltens
217. rung von Basiseinheiten und abgeleiteten Einheiten sowie des Ableitungsprozesses von Einheiten Abbildung zeigt das Dom nenmodell mit den wichtigsten Konzepten f r Beobachtungen und Beobachtungs bzw Messprozesse Concept Location name is located in superfeatures Concept Process 4 observes feature Concept is described by TimeRecord T 4 i Ti 0 PARE provides Concept time for__0 Observation l is subtype of Concept CategoryObservation categoryValue is subtype of Concept Measurement Concept 0 Quantity 1 amount gt accounts for units o quantified by accounts for Concept Concept Phenomenon Unit Type BEE Abbildung 4 11 Dom nenmodell f r alle messwertbezogenen Konzepte des Bauwerksmonito rings Informationen ber die verwendeten Mess und Datenerfassungssysteme und den Be obachtungsprozess werden durch die Nutzung der Sensorbeschreibungssprache Sen sorML Open Geospatial Consortium 09 aufgenommen SensorML ist eine in XML definierte Auszeichnungssprache zur Beschreibung von Sensoren Sensordaten und 4 6 INFORMATIONSMODELLIERUNG 19 AbstractFeature name String description String ax AbstractProcess metadataGroup A nm gt spatialReferenceFrame temporalReferenceFrame Abbildung 4 12 SensorML Datenmodell zur Abbildung von Sensoren und Messprozessen Botts 07 Messvorg n
218. rvice sa_Properties Sensorik ontology monitoring onto gt VS ike i agent language fipa sl 2 lt feature a nn protocol fipa request smi lt sensors aescription gt Abbildung C 3 Dienstbeschreibung des Messdateiagenten C 5 3 Datenverteilungsagent daq_SD ServiceDescription stellt bereit type daq service daq_Properties ontology monitoring onto gt language fipa sl protocol fipa request Datenverteil ungsagent A foi lt feature of interest gt Abbildung C 4 Dienstbeschreibung des Datenverteilungsagenten C 5 DIENSTBESCHREIBUNGEN C 5 4 Datenverarbeitungsagent Datenverar beitungs stellt bereit dpa_SD ServiceDescription type processing service agent ontology monitoring onto language fipa sl protocol fipa request dpa_Properties ae foi lt feature of interest gt format lt data format gt Abbildung C 5 Dienstbeschreibung des Datenverarbeitungsagenten C 5 5 Statistikagent Statistik stellt bereit saa_SD ServiceDescription type statistics service agent A ontology monitoring onto language fipa sl protocol fipa request SS saa_Properties foi lt feature of interest gt product lt name of software gt Abbildung C 6 Dienstbeschreibung des Statistikagenten C 5 6 D
219. rzielle Software zur computerbasierten Schadenserken nung verfiigbar Beispiele sind die Softwarepakete STAR Modal Spectral Dynamics Inc 09 und ARTEMIS Structural Vibration Solutions A S 09 die eine modale Analyse im Zeit und Frequenzbereich erm glichen Die Integration in Bauwerksmonitoringsysteme beruht berwiegend auf der bergabe bzw dem Export der erfassten Messdaten an die Schadenser kennungssoftware In letzter Zeit werden zunehmend auch sog modellfreie engl model free symptombasierte Verfahren zur Schadenserkennung eingesetzt die auf statistischen Ans tzen beruhen Das Ziel ist es hierbei signifikante Ver nderungen in den Messschrieben die auf eine Sch digung des Bauwerks schlie en lassen auf der Basis statistischer Verfahren zu erkennen Dieser Ansatz bietet den Vorteil dass die entwickelten Verfahren auf andere Bauwerke bertragbar sind und der Aufwand f r die Erstellung und Kalibrierung strukturmechanischer Modelle entf llt Die Eine Prognose wird h ufig jedoch nicht in die Schadenserkennung eingeschlossen da die Vorhersage der Restlebensdauer in Abh ngigkeit von der Schadensart spezifische Bewertungsmethoden aus der Bruchmechanik oder Erm dungsanalysen erfordert 20 KAPITEL 2 STAND DER FORSCHUNG Verfahren darunter z B multivariate Methoden Wavelets oder autoregressive Modelle stam men vorwiegend aus der Statistik und der Signalverarbeitung und werden auf die dynamischen Bauwerksparameter
220. s um die verantwortlichen menschlichen Aufgabentr ger optimal in der Erfassung und Auswertung von Messdaten zu unterstiitzen Die Problemstel lung besteht grunds tzlich darin den Uberwachungsbeteiligten lokal gespeicherte aber auch fernabfragbare Messdaten aus elektronischen Messwertgebern bereitzustellen und die ver teilt ablaufenden Arbeitsschritte zur Weiterverarbeitung der Messdaten sinnvoll zu vernetzen Hartmann 01 Das zu entwickelnde Softwaresystem soll dazu mehrere Agenten verwenden die als autonome Softwarekomponenten mit eigenen Zielen Ressourcen F higkeiten sowie einem definierten Verst ndnis ber ihre Anwendungswelt versehen sind und mit anderen Agenten bzw menschlichen Auftraggebern interagieren k nnen E Analog N Diskretisierung 7 Talsperre Betriebsstelle RK Signal Sensoren konditionierung El aw eer El Transceiver El M y Datenbank E N T server ees DAQ Modul Sn p DFU Internet E Zentrale gt S Ss 2 Arbeitsplatzrechner Arbeitsplatzrechner p B ro Netzwerk Ethernet E C Datenbankserver Arbeitsplatzrechner Analyseserver J Abbildung 4 1 Angestrebtes verteiltes Monitoringsystem mit integrierten Mess und Daten erfassungssystemen Sytemskizze Das angestrebte verteilte Monitoringsystem ist in Abbildung 4 1 skizziert Das Monitoringsys tem soll sich ber das lokale Datenerfassungsnetzwerk DAQ Netzwerk an de
221. s drei Akteure beteiligt Sustainable Bridges 07 der Betreiber bzw Besitzer des Bauwerks der die Monitoringzie le festlegt und f r wirtschaftliche Entscheidungen hinsichtlich des Bauwerksmonitorings so wie der Bauwerksinstandsetzung verantwortlich ist der Pr f Statiker der ein theoretisches Bauwerksmodell und oder geeignete Methoden zur Auswertung der gewonnenen Messdaten entwickelt und der Monitoringexperte der in Abstimmung mit dem Statiker das Bauwerks monitoringsystem entwirft und betreibt In Abh ngigkeit von der Bauwerksart und den jeweiligen Monitoringzielen k nnen aber deut lich mehr Akteure in das Monitoring involviert sein Insbesondere dann wenn das Bau werksmonitoring mit dem Ziel der Sicherheitsbewertung durchgef hrt wird werden weitere Experten aus Fachgebieten wie Geotechnik und Grundbau Geod sie Materialtechnologie und Spezialisierungen des konstruktiven Ingenieurbaus an der Auswertung der Messdaten beteiligt Die Erfassung und Auswertung erfolgt dabei kollaborativ in einem mehrschrittigen 92 KAPITEL 4 KONZEPTION bauwerksspezifischen Arbeitsablauf 4 1 2 dem die Messdaten aus dem Bauwerksmonitoring sowie weitere Daten Bauwerksdaten Inspektionsdaten etc zugrundegelegt werden In dieser Arbeit soll deshalb unter Beriicksichtigung eines exemplarisch betrachteten Ar beitsablaufs untersucht werden wie das Bauwerksmonitoring im Sinne einer verteilten Probleml sung zerlegt werden mus
222. s verteilt und zur Messung komplexer physikalischer Eine Definition der h ufig synonym verwendeten Begriffe Bauwerksmonitoring und Structural Health Monitoring erfolgt in Kapitel 2 1 1 PROBLEMSTELLUNG 5 Abbildung 1 2 Kollaps der Interstate 35 W in Minneapolis Quelle AP Spiegel Online Ph nomene eingesetzt werden k nnen Da diese Sensoren in gro er Zahl in das Bauwerk eingebracht werden und insbesondere bei der Messung dynamischer Prozesse eine gro e Da tenmenge produzieren kommt einer automatischen Datenverarbeitung und einer kontinuier lichen intelligenten Datenreduktion sowie einer computerbasierten Bewertung der Messdaten eine besondere Bedeutung zu Die vorliegende Arbeit soll vor diesem Hintergrund einen informatischen Beitrag zum Bau werksmonitoring leisten Das Ziel ist es ein computergest tztes Monitoringsystem zur mess technischen Dauer berwachung sicherheitsrelevanter Ingenieurbauwerke zu entwickeln das alle relevanten Arbeitsschritte von der Messdatenerfassung bis hin zu deren Auswertung computerorientiert abbildet Auf der Basis einer neuartigen Softwaretechnologie der Agen tentechnologie soll die Softwareunterst tzung f r die berwiegend verteilt bearbeiteten Ar beitsschritte des Bauwerksmonitorings verbessert werden Das Bauwerksmonitoringsystem wird hierzu aus mehreren Softwareagenten aufgebaut die als autonome Softwarekomponen ten mit eigenen Zielen Ressourcen und F h
223. sdaten CSV speicherungsagent verteilungs agent Daten verar beitungsagent Berichtsagent Mess dateiagent m Pers Agent Daten speicherungs agent MySQL DB Tagesdaten MySQL DB Langzeitdaten ringsystems RAMON UML Verteilungsdiagramm Kapitel 6 Validierung am Beispiel der Talsperren berwachung Die Funktionalit ten des entwickelten Bauwerksmonitoringsystems RAMON werden anhand mehrerer Anwendungsf lle validiert Hierzu wird das Monitoringsystem auf ein fiktives pra xisbezogenes Szenario aus der Talsperren berwachung angewendet in dem die Ennepetalsper re als Referenzsystem dient Es wird gezeigt wie das Monitoringsystem die Fachingenieu re bei der Kontrolle und der berwachung des Bauwerkszustandes effektiv unterst tzt Zur Validierung werden synthetische Daten verwendet die auf real gemessenen Daten aus der automatisierten Datenerfassung der Ennepetalsperre basieren 6 1 Talsperren berwachung Talsperren sind sicherheitskritische Bauwerke die im Versagensfall durch die Lageenergie des eingestauten Wassers ein erhebliches Gef hrdungspotential f r die Bev lkerung in der Um gebung besitzen Aus diesem Grund z hlen Talsperren zu den wenigen Bauwerken die schon seit langem mit Einrichtungen zur Messung der relevanten Messgr en ausgestattet sind Als Folge ist die Verbesserung der Mess und Auswertungsverfahren vgl z B in De Sortis 07 ein Forschungss
224. sehr stark Neuere Datenlogger erlauben bereits die Erweiterung des Speichers mit PCMCIA Speicherkarten A 3 DATENLOGGER DATATAKER DT600 137 Daneben bedingt die Verwaltung von Messdaten eine zus tzliche Funktionalit ten Die Da ten m ssen vom Speicher auf den externen Rechner transferiert und vorher ggfs formatiert werden k nnen Dar ber hinaus m ssen nicht ben tigte Daten aus dem Speicher gel scht werden k nnen A 2 4 Schnittstelle zum externen Rechner Der Datentransfer und die Administration eines Datenloggers muss ber eine gemeinsa me Hardware Schnittstelle des Datenloggers und des angeschlossenen Rechners erfolgen Zur Standardausstattung eines aktuellen Rechners geh ren serielle parallele und USB Schnittstellen Datenlogger unterst tzen aber zumeist nur die serielle Schnittstelle Die Schnittstellenparameter m ssen u U dem verwendeten Datenlogger angepasst werden Die Schnittstelle selbst besitzt keine weitere Funktionalit t und dient allein als Kommunikati onsbr cke Messdaten k nnen in Abh ngigkeit von der Logger internen Datenrepr sentation im ASCII Format oder in bin rer Form gesendet werden A 3 Datenlogger DataTaker DT600 Der Datenlogger DataTaker D T 600 ist ein mikroprozessorgesteuerter Datenlogger mit um fangreichen Funktionen Das Ger t geh rt zu einer sehr verbreiteten Modellgruppe und kann durchaus als Referenzmodell f r moderne leistungsf hige Datenlogger betrachtet werden
225. situ installierten Messeinrichtungen m glich Die Messeinrichtungen sind aus diesem Grund als essentielle Ressourcen in das Bauwerksmonitoringsystem einzubinden Konkret geht es darum eine Kommunikation mit Messeinrichtungen ber die vorhandenen Hardware Kommunikationsschnittstellen der Datenerfassungssysteme zu erm glichen Hierbei ist zu ber cksichtigen dass die Kommunikation mit den im Bauwerksmonitoring ver wendeten Messeinrichtungen im Gegensatz zu standardisierten Softwareschnittstellen ein hardware abh ngiger Vorgang ist Die Kommunikation muss ber die Datenerfassungs systeme erfolgen da nur diese Ger te die erforderlichen Kommunikationsschnittstellen be sitzen und innerhalb des lokalen Datenerfassungsnetzwerkd gt adressierbar sind Da fiir die Dauer berwachung von Bauwerken in der Praxis vorwiegend Datenlogger als autonome Da tenerfassungsger te eingesetzt werden wird das Integrationskonzept speziell auf Datenlogger ausgerichtet Die Integration in das Multiagentensystem soll durch das Konzept des Transducing erfolgen die an einen Datenlogger zu bertragenden Daten werden dabei innerhalb des Bauwerksmoni toringsystems von anderen Agenten als Inhalt einer ACL Nachricht an einen verantwortlichen Agenten den Sensorikagenten verschickt der zwischen Multiagentensystem und Datenlog ger bersetzt indem dieser die Daten z B Steuerbefehle zun chst aus der ACL Nachricht extrahiert und dann ber die
226. ssdaten das agentenorientiert aufbereitet und in den Filteragenten inte sriert wurde Diese Vorgehensweise erm glicht die Auswertung von Messdaten entlang meh rerer Auswertungspfade die unterschiedliche Verfahren von relativ einfachen schwellenwert 4 3 AGENTENORIENTIERTER ENTWURF 61 basierten Verfahren bis zu Kausalnetzen physikalischer Prozesse umfassen Eine ausf hrliche Beschreibung des Konzeptes ist in Unterabschn zu finden Der Berichtsagent bernimmt die Aufbereitung von Messdaten und die Erstellung von Be richten einem h ufig wiederkehrenden Arbeitsschritt in der Auswertung von Messdaten Der Statistikagent bringt schlie lich statistische Funktionen zur Analyse von Messdaten in das Bauwerksmonitoringsystem ein Die oben beschriebenen Agententypen werden anschlie end durch Ermittlung ihrer Verant wortlichkeiten Responsibilities weiter pr zisiert Verantwortlichkeiten beschreiben die Auf gaben eines Agententypen aus interner Sicht und bilden eine geeignete Basis f r die Imple mentierung des Agentenverhaltens In Tabelle sind beispielhaft die Verantwortlichkeiten des Sensorik und Datenverteilungsagenten dargestellt Tabelle 4 2 Verantwortlichkeiten des Sensorik und Datenverteilungsagenten Agententyp Verantwortlichkeiten Sensorikagent Kommuniziert mit DAQ System Erfasst Messgr en zeitgesteuert Liefert auf Anfrage gespeicherte Messdaten des DAQ Systems Schreibt die Messwerte in eine Datei Li
227. ssdaten wird der in Unterabschn beschriebe ne Ansatz aus Salvaneschi 95 in den Agententypen integriert Der Ansatz beruht auf ei ner Auswertung von Messdaten entlang mehrerer Auswertungspfade die neben anderen die schwellenwertbasierte Beurteilung von Einzelmesswerten die Bewertung von Messwerten auf der Basis von Ursache Wirkungs Beziehungen zwischen Messwerten die ph nomenologische Betrachtung qualitative Analyse von Gruppen von Messwertaufnehmern des gleichen Typs und die Priifung der Messwerte auf kritische physikalische Prozesse z B ein Kippen des Bauwerks umfassen Die oben beschriebenen Auswertungspfade werden fiir die automatisierte Ausfiihrung objek torientiert implementiert und in dem Baustein ScriptedBehaviour bereitgestellt Die Fach logik wird in Form eines Skriptes bereitgestellt das zur Laufzeit des Bauwerksmonitoringsys tems angepasst werden kann Hierzu werden die Regeln in der Programmiersprache Groovy 98 KAPITEL 5 IMPLEMENTIERUNG Codehaus 09 entwickelt da Groovy skriptf hig ist und sehr gut in die prim r verwendete Sprache Java integriert werden kann Alle Arbeitsschritte der Messdatenbewertung werden im sequentiellen Verhaltensbaustein DetectionSequentialBehaviour implementiert dieser steuert die untergeordneten Bau steine DBIteratedClientBehaviour und ScriptedBehaviour mit denen die erforderlichen Messdaten beschafft bzw die Fachlogik zur Messdatenbewertung ausgef hrt wird Zust tz
228. stelle engl Multiple Document Interface MDI umgesetzt Im Hauptfenster der GUI k nnen gleichzeitig mehrere Dokumente wie Messreihen Diagramme Konsolen etc ge ffnet werden die in separaten Unterfenstern internen Rahmen angezeigt werden Die Hauptelemente der grafischen Benut zungsschnittstelle sind eine Dialogkomponente f r die Auswahl der Messdaten und Messger te und eine Konsole zur Durchf hrung der statistischen Auswertungen Die grafische Benutzungsschnittstelle des pers nlichen Agenten mit mehreren Unterfenstern zur Messdatenauswahl zur Durchf hrung statistischer Auswertungen sowie zur Ansicht von aktuellen Messwerten ist in Abb dargestellt 5 7 SELBSTDIAGNOSE SELBSTUBERWACHUNG 101 5 7 Selbstdiagnose Selbstiiberwachung 5 7 1 System berwachungsagent Grundlegende Fahigkeiten zur Uberwachung des Bauwerksmonitoringsystems werden in der Klasse SystemObserverAgent implementiert s Abb 5 18 Gem dem in Unterabschn 4 4 5 entwickelten Konzept wird der Agent f r die Nutzung der durch die Agentenplattform bereitgestellten Verwaltungsdienste ausgelegt um die Monitoringbeteiligten auf der Basis die ser Informationen ber den aktuellen Systemzustand insbesondere den unerwarteten Ausfall von Agenten zu informieren SystemObserverAgent ObserveSystemBehaviour mel Abbildung 5 18 Verhaltensbausteine des System berwachungsagenten Hierzu wird ein Verhaltensbaustein ObserveSystemBehaviour
229. stem berwachungs agent Pers nlicher Agent Systemnutzer Verantwortlichkeiten Registriert sich beim Gelbe Seiten Agenten Kapselt statistische Funktionalit ten F hrt auf Anfrage eine Berechnung statistische Analyse durch Registriert sich beim Gelbe Seiten Agenten Nimmt die Registrierungen anderer Agenten entgegen berwacht den Zustand anderer Agenten Informiert den Benutzer ber ausgefallene Agenten Registriert sich beim Gelbe Seiten Agenten Pi A GO NRAJ O M k r QU Pr sentiert dem Benutzer alle dem System hinzugefiigten Sen soren und Datenlogger 2 Nimmt Benutzereingaben hinsichtlich der Sensor bzw Daten logger entgegen 3 Pr sentiert dem Benutzer die gespeicherten Messdaten 4 Nimmt Benutzereingaben hinsichtlich der gespeicherten Mess daten entgegen 5 Pr sentiert dem Benutzer die statistische Analyse 6 Nimmt Benutzereingaben hinsichtlich der statistischen Analyse entgegen 7 Fordert Berichte an 8 Nimmt Ergebnisse des Filteragenten entgegen 9 Registriert sich beim Gelbe Seiten Agenten 10 Erkundigt sich beim Gelbe Seiten Agenten nach anderen Agententypen C 3 BEKANNTSCHAFTEN C 3 Bekanntschaften Sensorik agent Datenver arbeitungs agent Gelbe Seiten Datenver Mess u Datenerfas sungssystem Agent teilungs Datenspei Messdatel cherungs
230. stem durchgefiihrt Als Inhalt der Agentenaktion k nnen dabei sowohl Java Objekte als auch direkt an das Da tenbanksystem gerichtete textbasierte Anweisungen bermittelt werden Als geeignete Spra che wird die SQIPl hnliche aber st rker objektorientiert ausgelegte Abfragesprache HQI verwendet Besonderes Augenmerk wurde bei der Implementierung des Datenspeicherungsagenten auf die bertragung der Messdaten gerichtet Da es sich bei der Kommunikation zwischen den Agenten des Bauwerksmonitoringsystems um eine verteilte Kommunikation handelt m s sen Messdaten im sendenden Agenten serialisiert in serialisierter Form bertragen und im empfangenden Agenten dann zur ck in das Java Objektmodell deserialisiert werden Zur Ver deutlichung der serialisierten FIPA SL basierten Darstellung ist in Listing beispielhaft ein einzelner Messwert mit den relevanten Informationen zur Messung dargestellt Listing 5 2 Repr sentation eines Messwertes in FIPA SL Measurement 2 result Time 3 TimePoint A id 0 5 milliseconds 1202252400000 6 sampling Time 7 TimePoint 8 1d 0 9 milliseconds 1202252400000 10 feature 11 Feature 12 name D2L1 13 superfeatures 14 sequence 15 Feature 16 name Profil D2 iy superfeatures 18 sequence 19 Feature 20 name Talmitte 21 superfeatures 22 sequence 23 Feature 24 name Ennepetalsperre 25 superfeatures sequence 26
231. syntax Nachrich teninhalt und sematischer Repr sentation erm glicht Zum Austausch von Informationen und Wissen definiert KQML eine Reihe von Sprechakten und erlaubt die Repr sentation des Nachrichteninhalts in der Wissensbeschreibungssprache Knowledge Interchange Format KIF Genesereth 94 Listing 3 1 KQML Beispielnachricht ask one Auf die Beschreibung blackboardbasierter Kommunikationsverfahren wird hier verzichtet da diese zuneh mend an Bedeutung verlieren und nicht zur Realisierung des in dieser Arbeit entwickelten Multiagentensystems verwendet wurden vel a Defense Advanced Research Projects Agency Beh rde des amerikanischen Verteidigungsministeriums zur Durchf hrung von Forschungsprojekten 36 KAPITEL 3 MULTIAGENTENSYSTEME content VALUE SENSOR13 value receiver DAQ Agent language LPROLOG ontology MONITORING SENSORS In Listing ist eine KQML Beispielnachricht dargestellt Die Bedeutung dieser Nachricht ist dass der Sender den Empf nger der Nachricht nach dem Wert von Sensor 13 fragt Als Sprechakt fiir diese Nachricht wird ask one verwendet Dies bedeutet dass der Sender genau eine Nachricht als Antwort auf seine Frage erwartet obwohl theoretisch vielleicht mehre re Antworten m glich sind Die folgenden Felder stellen die Attribute der Nachricht dar Das wichtigste dieser Attribute ist das content Feld das den Nachrichteninhalt festlegt In diesem Fall besteht der Nachrichteninhalt aus de
232. system oder auf dem zentralen Knoten platziert werden kann Der Knoten Zentrale umfasst alle Rechner innerhalb eines zentralen Netzwerkes das die Ar beitsplatzrechner der Monitoringbeteiligten umfasst Der Knoten nimmt als zentrale Instanz die Datenverteilungs Datenverarbeitungs und Datenspeicherungsagenten des Bauwerksmo nitoringsystems auf Daneben wird ein Knoten Archivierung und Analyse vorgesehen der die Systemressourcen Analyse und Datenspeicherung aufnimmt Auf diesen Rechnern werden die genutzten Da tenbanksysteme sowie die Statistik und Berichtssoftware installiert Die Einf hrung dieses Knotens soll die Verteilung der Systemteile auf besonders leistungsf hige Rechner z B Clus terrechner erm glichen Die Kommunikation zwischen den Agententypen erfolgt ber deren Kommunikationsschnitt stellen Als bevorzugte Kommunikationssprache wird dabei FIPA ACL verwendet vgl Abb 5 20 Zus tzliche Schnittstellen sind bei der Verteilung des Bauwerksmonitoringsystems auch f r die eingesetzten Datenbanksysteme vorzusehen 13Es ist zu beachten dass ein Knoten aus einem oder mehreren Rechnern bestehen kann 106 Sr Sensorikagent Mess E dateiagent al Filteragent Statistikagent Software Abbildung 5 20 Detailarchitektur und Verteilung der Komponenten des Bauwerksmonito KAPITEL 5 IMPLEMENTIERUNG artifact Messbericht Excel MySQL DB Rohdaten artifact Tage
233. t Insbesondere das Internet hat die Nutzung von Multiagen tensystemen vorangetrieben und sich aufgrund der gro en Datenmenge als ein ideales An wendungsfeld f r Multiagentensysteme erwiesen Agenten wurden z B zum Durchsuchen und Filtern dieser Massendaten entwickelt Klusch 01 48 KAPITEL 3 MULTIAGENTENSYSTEME Teil II Konzept AQ Kapitel 4 Entwicklung eines Konzeptes f r das agentenbasierte Bauwerksmonitoring In diesem Kapitel wird ein verteilter Monitoringablauf exemplarisch f r das vorliegende Mo nitoringproblem analysiert und darauf aufbauend das zu entwickelnde Bauwerksmonitoring system auf der Grundlage einer agentenorientierten Entwicklungsmethodologie entworfen 4 1 Analyse eines verteilten Monitoringablaufs Die Hauptzielsetzung dieser Arbeit besteht in der Entwicklung eines verteilten Bauwerksmoni toringsystems das die Monitoringbeteiligten besser als bisher in der kollaborativen Erfassung und Auswertung von Messdaten aus dem Bauwerksmonitoring unterst tzt Zur Entwicklung des Bauwerksmonitoringsystems wird das vorliegende Monitoringproblem in den folgenden Unterabschnitten zun chst beschrieben und aus informatischer Sicht analysiert 4 1 1 Problembeschreibung Das Monitoring von Bauwerken ist eine interdisziplin re Mess und Auswertungsaufgabe die von einer Gruppe von Fachexperten arbeitsteilig durchgef hrt wird Bei einer Minimalaus legung des Monitorings sind an der Monitoringaufgabe mindesten
234. ta2 3 an den pers nlichen Agenten des ABT wird der k Means Klassifizierer kMeans aufgeru fen die Klassifizierung durchgefiihrt und das Ergebnis der Klassifizierung in der Variablen clusters gespeichert Die zu klassifizierenden Daten werden in der Datenstruktur data2 bergeben in der die normierten Messreihen f r die radialen Verformungen die Stauh he und die Temperatur enthalten sind Die durch die Statistikkomponente des Monitoringsys tems ermittelten Klassen bzw Gruppen Lastkombinationen sind in Tabelle 6 1 dargestellt Gruppe 1 steht stellvertretend fiir ein typisches Lastszenario im Sommer mit nur geringem F llstand der Talsperre 300 39 m aber hohen Temperaturen 16 1 Grad Celsius und einer daraus resultierenden relativen wasserseitigen Verformung der Staumauer 4 7 mm Gruppe 2 repr sentiert eine Ubergangssituation mit einem mittleren Fiillstand der Talsperre 302 76 Der k means Algorithmus wird in Anhang BJ erl utert 126 KAPITEL 6 VALIDIERUNG m bei mittleren Temperaturen 10 5 Grad Celsius und sich zur Luftseite zur ckbewegenden Verformungen der Staumauer 1 05 mm Gruppe 3 repr sentiert schlie lich eine typische Ein wirkungskombination im Winter bestehend aus einem hohen F llstand der Talsperre 305 15 m und niedrigen Temperaturen 2 4 Grad Celsius Tabelle 6 1 Mittels des k Means Klassifizierers berechnete Einwirkungskombinationen f r die Ennepetalsperre Gruppe Cluster Stauhoe
235. tei gespeicherte Messdaten Liefert auf Anfrage Metainformationen ber das DAQ System Registriert sich beim Gelbe Seiten Agenten Arbeitet nach einem vorgegebenen Programm Zeitplan Liest Messdaten ein Leitet die Messdaten zur Verarbeitung weiter Liefert auf Anfrage Informationen ber das aktuelle Messpro gramm 5 Registriert sich beim Gelbe Seiten Agenten A W N E t VS WV N E O 00 1 Nimmt erfasste Messdaten in verschiedenen Rohdatenformaten entgegen 2 Erfragt das Rohdatenformat selbstst ndig 3 Bringt die Messdaten in das Zieldatenformat 4 Leitet die Messdaten zur Speicherung weiter 5 Registriert sich beim Gelbe Seiten Agenten 1 Speichert Verwaltet auf Anfrage die erfassten Messdaten in einer Datenbank Liefert auf Anfrage gespeicherte Messdaten F hrt auf Anfrage Aktion auf Datenbank aus Registriert sich beim Gelbe Seiten Agenten 2 3 4 1 Holt Messdaten 2 Erstellt selbstst ndig einen Messbericht 3 Liefert auf Anfrage einen Messbericht 4 1 2 3 4 Registriert sich beim Gelbe Seiten Agenten Holt Messdaten Filtert Messdaten nach nutzerdefinierten Kriterien Informiert den Nutzer ber das Ergebnis des Filterprozesses Liefert auf Anfrage eine Beschreibung des Filters ANHANG C ARTEFAKTE UND MODELLE Tabelle C 1 Verantwortlichkeiten der Agententypen des Mo nitoringsystems Fortsetzung 154 Agententyp Statistikagent Sy
236. tenerfassungsvorganges 4 4 2 Filterung von Messdaten Die verteilte Messdatenerfassung ist in der Praxis h ufig fehlerbehaftet da die Messdaten aus mehreren Datenerfassungsger ten oder systemen zusammengef hrt und gemeinsam aufbe reitet werden m ssen Insbesondere durch den bertragungsvorgang aus den Ger tespeichern 4 4 PROBLEMLOSUNGSKOMPETENZEN 67 und die Zwischenspeicherung in Dateiform werden bereits erfasste veraltete Messdaten oft mals redundant gespeichert und aktuelle n tzliche Messwerte berschrieben Die Folge ist ein inkonsistenter Datenbestand mit fehlerhaften Messwerten und liickenhaften Messchrieben Um die Verarbeitung von Messdaten zu verbessern wird der Datenverteilungsagent deshalb mit geeigneter Fachlogik ausgestattet die veraltete Messdaten schon wahrend der Verteilung automatisiert erkennt Der Datenverteilungsagent liest hierzu in regelm figen Abst nden die erfassten Messwerte aus den generierten Messdateien oder den Ger tespeichern aus und vergleicht die neuen Messwerte mit den bereits erfassten Messwerten Zur Filterung der Messdaten wird ein zweischrittiges Konzept umgesetzt Da im Arbeits schritt Verteilung die erfassten Messgr en nur in Dateiform vorliegen wird zun chst ein textueller synoptischer Vergleich der Messdateien durchgef hrt um Ver nderungen an der Messdatei und darauf aufbauend die neuen Messgr en zu ermitteln Der textuelle Vergleich wird gew hlt
237. ter angezeigt Das folgende Kap 6 enth lt mehrere Beispiele in denen die beschriebene Eigenschaft genutzt wird um Grafiken zu erzeugen 5 6 4 Pers nlicher Agent F r die verschiedenen Fachexperten werden so genannte pers nliche Agenten entwickelt die abh ngig von der Zust ndigkeit des Experten konfiguriert sind Die pers nlichen Agenten bilden die Schnittstelle zwischen Multiagentensystem und den Fachexperten und enthalten mehrere Verhaltensbausteine die die Interaktion mit anderen Agententypen realisieren vgl Abb 5 16 PersonalAgent DBlteratedStoreClientBehaviour DBlteratedGetClientBehaviour RClientBehaviour SensorsDataQueryBehaviour Abbildung 5 16 Verhaltensbausteine des pers nlichen Agenten Die berwiegende Zahl der Interaktionen des pers nlichen Agenten dienen der Interakti on mit anderen Agententypen die Interaktion mit den Datenspeicherungsagenten wird in 100 KAPITEL 5 IMPLEMENTIERUNG den Bausteinen DBIteratedGetClientBehaviour und DBIteratedStoreClientBehaviour zusammengefasst w hrend Interaktionen mit dem Statistikagenten und dem Sensorikagen ten in den Bausteinen RClientBehaviour und SensorsDataQueryBehaviour implementiert werden Zur visuellen Darstellung aller relevanten Informationen insbesondere der aktuellen Bewer tung der Messdaten wird eine grafische Benutzungsschnittstelle implementiert Durch diese wird den Beteiligten ein schneller berblick ber das gesamt
238. teraktion der Systemnutzer mit den Da tenbanken muss ber den Datenspeicherungsagenten und die pers nlichen Agenten realisiert werden sodass ein konsistenter Zustand der Datenbank sichergestellt ist Um die Details des Datenbankzugriffs vor den anderen Agententypen zu verbergen und einen Mehrwert gegen ber einem direkten Datenbankzugriff zu erzielen wird der Datenspei cherungsagent so ausgelegt dass auf oberster Ebene geeignete Aktionen zur Interaktion mit der Datenbank bereitgestellt werden Geeignete Dienste sind z B das Einf gen ndern oder L schen von Messwerten und die Suche nach Messwerten basierend auf Kriterien wie Zeit punkt oder Ort der Messung Diese Aktionen werden ebenfalls in die Bauwerksmonitoring Ontologie aufgenommen Bei der Interaktion mit Datenbanken auf technischer Ebene ist zu ber cksichtigen dass das in dieser Arbeit intern verwendete objektorientierte Datenmodell auf die Struktur der jeweiligen Datenbank abgebildet werden muss Im Fall einer relationalen Datenbank m ssen die Objek te z B in Form von Tabellen in der Datenbank implementiert werden Aus diesem Grund wird f r den Zugriff auf die relationalen Datenbanksysteme des Bauwerksmonitoringsystems das objekt relationales Mapping Framework Hibernate Red Hat Middleware LLC 09 ein gesetzt 4 5 4 Statistiksoftware Zur Interaktion mit statistischer Auswertungssoftware wird ein spezialisierter Agententyp der Statist
239. tisiert durchgef hrter Arbeitsschritte die zur Erfassung und Verarbeitung von Messdaten erforderlich sind vgl Abb 4 3 Gesch ftslogik erforderlich St sammeln Erfassung unwichtig l schen wichtig Gesch ftslogik Verteilung verteilen erforderlich V verarbeiten Aufbereitung n tzlich veraltet l schen Pflege wen Si Gesch ftslogik A erforderlich S gi y Nutzung interpreter Abbildung 4 3 Monitoringprozess bei Verwendung intelligenter Sensoren UML Aktivit tsdiagramm Oppliger 06 Der erste Schritt die Erfassung von Messdaten beinhaltet zun chst den physikalischen Mess vorgang d h die Umwandlung des physikalischen Ph nomens in eine messbare Gr e und die Digitalisierung des Messwertes Wenn intelligente Sensoren verwendet werden findet in diesem Schritt bereits eine Vorauswahl von erfassten Bauwerksph nomenen statt d h es wird entschieden welche Messwerte wichtig von Interesse sind und welche Messwerte unwichtig sind und gel scht werden k nnen Dies erfolgt auf der Basis von geeigneter Fachlogik die 4 2 AGENTENORIENTIERTE ANALYSE 5r in die Datenerfassungssysteme bzw Sensoren integriert ist Bei Verwendung herk mmlicher Sensoren wird diese Entscheidung w hrend der Aufbereitung von Messdaten getroffen Der anschlie ende S
240. tlung zwischen den Schichten erforderlich wird Die vertikale Schichtung beseitigt diesen Nachteil indem die Bearbeitung vertikal abl uft Die durch die Sensoren gelieferten Informationen durchlaufen alle Schichten bis schlie lich auf unterster Ebene die Aktoren angesteuert werden 3 3 Kommunikation und Koordination 3 3 1 Sprechakte Die Agenten eines MAS m ssen in der Lage sein untereinander mit Nutzern und Systemres sourcen zu kommunizieren Zur Sicherstellung eines erfolgreichen Kommunikationsablaufs und eines zuverl ssigen Nachrichtenaustauschs kommen in Multiagentensystemen berwie 3 3 KOMMUNIKATION UND KOORDINATION 30 gend nachrichtenbasierte Kommunikationsverfahrex so genannte Agentenkommunikations sprachen zur Anwendung die auf der Sprechakttheorie beruhen Die Sprechakttheorie beruht auf der Annahme dass Nachrichten Aktio nen so genannte Sprechakte bzw Performative repr sentieren Es wurde erkannt dass bestimmte nat rlichsprachige u erungen die Sprechakte gleichzeitig eine Handlung voll ziehen k nnen und somit die Eigenschaften von physischen Handlungen Aktionen besitzen da sie den Zustand der realen Welt in einer Weise ver ndern k nnen die physischen Aktionen entspricht Beispiele solcher performativer Verben sind request inform und promise Die Erkenntnis dass Sprechakte wie physische Handlungen behandelt werden k nnen wurde dann zur Entwicklung von Agentenkommunikationssprac
241. tungen Zu Request verteilungsagent holen Beantworte Anfrage 5 FIPA R Daten Anfrage erhalten Speicherort zu holen Request verteilungsagent Beantworte Anfrage 7 FIPA R Pers Agent Anfrage erhalten Ger teinfo zu holen Request Beantworte Anfra 8 Query R Pers Agent Anfrage erhalten ge Kommandos zu Ref bertragen Registriert sich beim 9 FIPA I Gelbe Seiten Start des Agenten DF Agenten Request Agenten Interaktionstabellen dienen dazu viele f r den Entwurf des internen Agentenverhaltens rele vante Informationen zu entnehmen Jede Verantwortlichkeit bzw jede Interaktion wird in ein Behavioul bertragen durch das das jeweils in der Tabelle spezifizierte Interaktionsprotokoll und die Rolle des Agenten abgebildet werden Zur Implementierung von Behaviours stellt die Agentenplattform JADE vorgefertigte Behaviours bereit die zur Bearbeitung von Aufgaben mit oder ohne Beteiligung anderer Agenten genutzt werden k nnen 4 3 3 Dienste Den innerhalb des Multiagentensystems zu ver ffentlichenden Dienste werden sog Dienstbe schreibungen engl service description zugeordnet Ein Dienst wird hierbei als eine Dienst leistung oder eine Aktion bzw eine Folge von Aktionen aufgefasst die der Agent ausf hren und anderen Agenten anbieten kann Im entwickelten Bauwerksmonitoringsystem werden fol sende Dienste ver ffentlicht sensors service Dienst der von den Sensorikagenten des Bauwerksmonitoringsystems be reitgestellt wird Erm gli
242. tweida FH Mittweida Deutschland 2002 Horstmann 01 C S Horstmann G Cornell Core Java 2 Band 1 Grundlagen Markt Technik Verlag Miinchen 2001 Horstmann 02 C S Horstmann G Cornell Core Java 2 Band 2 Expertenwissen Markt Technik Verlag Miinchen 2002 Iglesias 98 C A Iglesias M Garijo J C Gonzalez J R Velasco Analysis and design of multiagent systems using MAS CommonKADS Intelligent Agents IV LNAI 1365 313 326 1998 IISHMII 08 ISHMII International Society for Structural Health Monitoring of Intelligent Infrastructure http www ishmii org Online Quelle 2008 04 30 ISIS 08 ISIS ISIS Canada Research Network Intelligent Sensing for Innovative Structu res http www isiscanada com index html Online Quelle 2008 09 10 JADE 08 JADE Java Agent DEvelopment Framework http jade tilab com Online Quelle 2009 03 01 Jaspersoft Corporation 09 Jaspersoft Corporation Jasper Reports Embeddable open source Java reporting library http jasperforge org projects jasperreports Online Quelle 2009 12 02 Jennings 01 N R Jennings An agent based approach for building complex software sys tems Communications of the ACM 44 4 35 41 2001 Jennings 94 N R Jennings The ARCHON System and its Applications Tagungsband Prceedings of the 2nd International Working Conference on Cooperating Knowledge Based Systems CKBS 94 Seiten 13 29 Dake Centre University o
243. tzung von integrierter Software erlaubt es nach spezifischer Software zu suchen observation service Dienst der von den System berwachungsagenten angeboten wird System berwachungsagenten des Monitoringsystems k nnen ber diesen Dienst einfach aufgefunden werden Ein Beispiel f r ein Dienstdiagramm ist die vom Sensorikagenten ver ffentlichte Dienstbe schreibung in Abb Bereitgestellte Dienste werden in Form eines erweiterten UML Klassendiagramms dargestellt wobei Agenten durch Kreise und Dienste durch das UML Klassensymbol symbolisiert werden Vom Sensorikagenten wird der Dienst sensors service ver ffentlicht dieser enth lt eine Eigenschaft zur Beschreibung eines Merkmals Bauwerks engl feature und eines Ger tes sodass sowohl eine bauwerks als auch eine ger tebezogene Suche nach Messeinrichtungen erm glicht wird sa_SD ServiceDescription stellt bereit type sensors service sa_Properties Sensorik ontology monitoring onto gt agent language fipa sl protocol fipa request foi lt feature of interest gt sml lt sensors description gt Abbildung 4 5 Dienste des Sensorikagenten 4 4 Individuelle Probleml sungskompetenzen der Agententy pen Die Multiagentensystemtechnologie stellt einen informatischen Ansatz zur Zerlegung eines komplexen Problems in Teilprobleme und zur Zuweisung der Teilprobleme an geeignete Pro bleml sungseinheiten die
244. tzungsstrategie kann hierbei als eine Optimierungsaufgabe mit technischen und wirtschaftlichen Randbedin gungen angesehen werden Frangopol 01 die nur dann sinnvoll gel st werden kann wenn der aktuelle Bauwerkszustand genau bekannt ist Beginn Deterioration Tragfahigkeit Essentielle Instandsetzung Praventive Instandsetzung Lebens EEE EEE ete ee Do es ee ee s dauer Untere Tragf higkeitsgrenze Bauwerksalter t Abbildung 2 1 Degradation der Tragf higkeit w hrend der Bauwerkslebensdauer nach Fran gopol Frangopol 01 Vor diesem Hintergrund wird die Bauwerksiiberwachung als eine Ingenieuraufgabe definiert die vor allem auch der Ermittlung genauer Bauzustandsdaten dient Folgende Einzelziele werden verfolgt Erfassung des allgemeinen Bauwerkszustands hinsichtlich Material und Bauteilzustand Sch digungen und Reparaturbedarf Schadenspr vention Reduzierung der Unterhaltungs und Sanierungskosten Die Bauwerks berwachung wird in der Praxis berwiegend in Form von regelm igen Inspek tionen und Priifungen durchgefiihrt Zur Objektivierung der qualitativen Inspektionen kom men eine Vielzahl messtechnischer Verfahren und neuerdings auch Langzeitiiberwachungen auf der Basis messtechnischer Verfahren zur Anwendung Die folgenden Unterabschnitte ge ben einen berblick ber die verschiedenen Ans tze zur Zustandserfassung und berwachung an Bauwerken 2 1 1 Inspektion und Pr fung von Bauw
245. uage AUML ist eine grafische Modellierungssprache die auf der Unified Modeling Language UML beruht und diese um spezifische Konzepte fiir die agentenorientierte Modellierung erweitert 38 KAPITEL 3 MULTIAGENTENSYSTEME FIPA Request Protocol Participant request refuse refused agree agreed and notification necessary failure ag reed inform result inform inform done inform 6 Abbildung 3 4 FIPA Request Interaktionsprotokoll Agenten in koh renter Weise verh lt Nwana 96 Ein nicht koh rentes Agentenverhalten tritt z B dann auf wenn die Ziele der einzelnen Agenten Konflikte zwischen den Aktionen der Agenten verursachen die Ziele der Agenten voneinander abh ngig sind oder die Agenten unterschiedliche Fahigkeiten besitzen und unterschiedliches Wissen haben Ein wichtiger Ansatz zur Koordination von Agenten ist der Aufbau einer Organisations struktur Durch die Definition von Rollen Kommunikationspfaden und Autorit tsbeziehun gen kann ein Rahmenwerk fiir Aktivit t und Interaktionen geschaffen werden Der einfachste Weg zur Sicherstellung eines koh renten Verhaltens und zur Aufl sung von Konflikten be steht dabei in der Entwicklung eines bergeordneten Agenten der eine breite Sicht auf das System hat und die Organisationsstruktur bzw Hierarchie in einer Gruppe nutzt Der tiber geordnete Master A gent kann somit Informationen von den Agenten
246. ufen kann Das GUI nimmt hierzu alle Eingaben des Benutzers entgegen die in Nachrichten umgewandelt und an die Agenten des Bauwerks monitoringsystems verschickt werden Die eintreffenden Nachrichten anderer Agenten sowie 62 KAPITEL 4 KONZEPTION weitere Informationen und alle Funktionalit ten werden dem Benutzer ebenfalls ber das GUI pr sentiert Um das Bauwerksmonitoringsystem dar ber hinaus mit einfachen F higkeiten zur Selbst ber wachung und Selbstheilung auszustatten wird ein weiterer Agententyp der Systemtiberwa chungsagent zur berwachung und Steuerung des Bauwerksmonitoringsystems vorgesehen Dieser Agententyp wird in die Lage versetzt den Zustand anderer Agenten zu berwachen unvorhergesehene Ausf lle zu entdecken und ausgefallene gestorbene Agenten an die ber wachungsbeteiligten zu melden Zudem lassen sich ausgefallene Agenten ber den System berwachungsagenten wieder starten Hierdurch wird die Robustheit und Ausfallsicherheit und damit die Zuverl ssigkeit des Bauwerksmonitoringsystems verbessert Der System berwachungsagent nutzt die von der FIPA konformen Agentenplattform be reitgestellten Systemverwaltungsdienste und mechanismen zur Realisierung von einfachen Selbstdiagnosef higkeiten Die Systemverwaltungsdienste werden durch das Agent Manage ment System AMS bereitgestellt das im Fall der verwendeten Agentenplattform JADE neben Aktionen zur Verwaltung der Plattform auch einen Benac
247. ultiagentensys 3 5 ENTWICKLUNGSSTAND VON AGENTENSYSTEMEN 47 tem wurde ebenfalls aus zwei wesentlichen Agententypen den generischen Master und Slave Agententypen aufgebaut die parallel ausf hrbare Berechnungsaufgaben verwalten bzw l sen Der Master Agent initialisiert auf der Basis der Benutzervorgaben eine Anzahl von Slave Agenten Die Slave Agenten werden dann vom Master Agenten veran lasst auf einen bestimmten Rechner zu migrieren Danach verteilt ein Modul f r dynamisches Load Balancing die einzelnen Berechnungsaufgaben an die Slave Agenten Diese f hren dann die ihnen zugewiesenen Berechnungen durch und bermitteln dem Master Agenten die Be rechnungsergebnisse Nachdem alle Berechnungsaufgaben abgearbeitet sind ist die parallele Berechnung abgeschlossen Die Slave Agenten werden daraufhin gel scht Smarsly Smarsly 08 realisierte ein Multiagentensystem das die wirtschaftliche Unterhal tung und Sanierung von Ingenieurbauwerken unterst tzt Dies wird durch eine permanente autonome Bauwerkstiberwachung auf der Basis einer intelligenten Sensorik erreicht Ausserhalb des Bauingenieurwesens kommen Multiagentensysteme in zahlreichen industri ellen Anwendungen zum Einsatz u a zur Prozesssteuerung Jennings 94 Systemdiagnose Albert 03 zum Netzwerkmanagement sowie zur Optimierung der Trans portlogistik Neagu 06 Ein zunehmend wichtiges Anwendungsfeld f r Multiagentensysteme ist das Informationsmanagemen
248. ultiagentensystemen spiegelt den inh renten verteilten Probleml sungsansatz wider Das zu l sende Problem wird in kleine abgeschlossene Teil probleme zerlegt die von spezialisierten Probleml sungseinheiten den Agenten bearbeitet werden Die von den einzelnen Agenten gelieferten Teill sungen werden dann zur L sung des 3 1 SOFTWAREAGENTEN UND MULTIAGENTENSYSTEME 31 Problems zusammengef hrt Die L sung einer Teilaufgabe kann dabei in unterschiedlichen Organisationsformen ablaufen wobei die Kommunikation und Koordination der Agenten von zentraler Bedeutung et Aus dieser Sichtweise ergeben sich die wesentlichen Abstraktionen eines Multiagentensystems die zur informatischen Analyse und Modellierung von Multiagentensystemen verwendet wer den die Agenten von denen das MAS gebildet wird die Umgebung in die das MAS eingebettet ist die Interaktionen zwischen den Agenten die Organisationsregeln und strukturen Wie in Abschnitt 3 4 beschrieben wird werden Multiagentensysteme mittels spezifischer agen tenorientierter Entwicklungsmethodologien entwickelt die auf die Abstraktionen der Mul tiagentensysteme abgestimmt sind und sich dadurch von den objektorientierten Methoden unterscheiden 3 1 3 Agentenbegriff In der Informatik wird die Definition eines Agenten als selbst ndige parallel ablaufende En tit t die ihren eigenen Zustand einkapselt und mit anderen Entit ten kommuniziert als e
249. ung hat weltweit zur Entwicklung von Bauwerksmanagementsystemen und neu artigen berwachungstechniken gef hrt die die Verf gbarkeit von Informationen ber den Bauwerkszustand nachhaltig verbessern Zur Gewinnung zus tzlicher Informationen ber ein Bauwerk und zur Objektivierung von visuellen Kontrollen wird gegenw rtig verst rkt die messtechnische Zustands berwachung von Bauwerken das Bauwerksmonitoring genutzt Durch die fortlaufende Erfassung von Systemparametern und Einwirkungen auf das Bauwerk stehen wichtige Gr en zur quantitativen Bewertung des Bauwerksverhaltens zur Verf gung sodass verborgene strukturelle Ver nderungen fr hzeitig erkannt und ein Strukturversagen verhindert werden kann Nach zuletzt spektakul ren Schadensf llen wie dem Kollaps der Interstate 35W Br cke in Minneapolis vgl Abb 1 2 die aufgrund eines Planungsfehlers pl tzlich und ohne ein erkennbares Voranzeichen einst rzte werden Systeme zur messtechnischen Zustands berwa chung auch in der ffentlichkeit verst rkt wahrgenommen und als Sicherheitsmesstechnik bzw Fr hwarnsysteme begriffen die vor Katastrophenf llen sch tzen Aus technischer Sicht sind die Anforderungen an das Bauwerksmonitoring in den letzten Jahren deutlich gestiegen Mit der zunehmenden Miniaturisierung eingebetteter Systeme wer den auch im Bauwerksmonitoring zunehmend kleine leistungsf hige Sensoren verf gbar die ber einen gro en Bereich des Bauwerk
250. ung zeigt dass auf der Basis des Multiagenten systems RAMON alle relevanten Arbeitsschritte der messtechnischen Langzeit berwachung praxisnah abgebildet werden k nnen Die spezifischen Anforderungen an ein modernes Bau werksmonitoringsystem wie z B der einfache Zugriff auf verteilt gespeicherte Messdaten oder die Integration einer statistischen Datenauswertung wurden in ein leistungsf higes System implementiert wobei die bertragbarkeit des Multiagentensystems auf andere Bauwerksty pen wie z B Br cken oder Tunnel durch das zugrundeliegende Datenmodell sichergestellt wird 128 KAPITEL 6 VALIDIERUNG Kapitel 7 Zusammenfassung und Ausblick 7 1 Zusammenfassung In der vorliegenden Arbeit wurde ein computerbasiertes System zur Unterst tzung der mess technischen Dauer berwachung von Bauwerken des Bauwerksmonitorings entwickelt das alle relevanten Schritte des Bauwerksmonitorings von der Erfassung bis zur Nutzung der Messdaten abbildet und f r jeden Arbeitsschritt spezifische Funktionalit ten bereitstellt Hierzu wurde zun chst ein allgemeiner Monitoringablauf analysiert Die Grundlage f r diesen Monitoringablauf lieferte ein in der Praxis zur berwachung von Staubauwerken durchge f hrter Arbeitsablauf der von bauwerksspezifischen Arbeitsschritten abstrahiert wurde Der Monitoringablauf umfasst mehrere Einzelschritte die auf den verteilt anfallenden und ge speicherten Messdaten ausgef hrt werden Der Monitoringabl
251. unikation mit den Mess und Datenerfassungssystemen ber die physikalischen Schnittstellen des Messrechners und die iii Bereitstellung von aktuellen Messwerten Online Daten abbilden Die zeitgesteuerte Erfassung von Messgr en wird als bergeordneter steuernder Verhal tensbaustein des Sensorikagenten aufgefasst und in der Klasse CyclicDAQBehaviour imple mentiert CyclicDAQBehaviour wird hierzu als periodisch ausgef hrter Verhaltensbaustein ausgelegt der die Bausteine ReadBehaviour und WriteBehaviour s u zur Kommunikati on mit den Mess und Datenerfassungssystemen verwendet Das anschlie ende Schreiben der Messdaten Logging wird durch eine Methode unterst tzt die den einfachen Zugriff auf die zu schreibende Messdatei erm glicht Der HardwareSensorsAgent wird standardm ig so implementiert dass f r jeden Tag eine neue Messdatei erzeugt wird Alternativ kann der Agent aber auch so angepasst werden dass bei Uberschreiten einer bestimmten Dateigr e eine neue Datei erzeugt wird Die Kommunikation mit Mess und Datenerfassungssystemen wird als essentiell wich tige Verantwortlichkeit des Sensorikagenten in zwei spezifischen Verhaltensbausteinen ReadBehaviour und WriteBehaviour umgesetzt die von den anderen Verhaltensbaustei nen des Sensorikagenten zur Kommunikation mit einem an den Rechner angeschlossenen Mess bzw Datenerfassungsger t genutzt werden k nnen Die Bausteine dienen der hard wa
252. uwerksmonitoringsystem ber stark abweichende Messwerte informiert und in der Einsch tzung der Situation effektiv unterst tzt werden Er kann seine Kontrolle nun auf die stark abweichenden Messstellen konzentrieren Er pr ft hierzu im folgenden Schritt die aktuell an der Ennepetalsperre gemessenen Werte 6 3 2 Ansicht der aktuellen Messdaten Nachdem das Bauwerksmonitoringsystem stark abweichende Messwerte f r eine Lotanlage der Ennepetalsperre gemeldet hat ist der Talsperrenmeister daran interessiert diese Messwerte mit einer Ansicht bzw Pr fung der aktuellen Messdaten zu bewerten Das Bauwerksmonitoringsystem RAMON bietet die M glichkeit ber die grafische Benut zungsschnittstelle des pers nlichen Agenten direkt auf die Datenerfassungsger te und damit auf aktuelle Messdaten Online Daten zuzugreifen Zugriffe erfolgen ber das Unterfenster Data Center das sowohl den Zugriff auf Online Daten als auch die gezielte Auswahl und 118 KAPITEL 6 VALIDIERUNG die Aufbereitung von Messwerten sowie die Abfrage von Informationen zu den berwachten Bauwerken erm glicht F r den Zugriff auf die Online Daten der Ennepetalsperre gibt der TSM im Bereich DAQ Systems des Data Center den Namen des in situ installierten Datenloggers ein Da die Sen soren der Ennepetalsperre vom Datenlogger mit dem Namen ennepe logger2 erfasst werden gibt der TSM dessen Namen ein vgl Abb 6 6 az F Data Center 222225555
253. wasserdruck und Sickerwassermengenmessungen den Erfolg der durchgef hrten Sanierungsma nahmen zu belegen und auf der Basis der ge sammelten Daten den abschliefenden Standsicherheitsnachweis fiir die Staumauer zu fiihren Nach dem Ende der Sanierung wurden die Messeinrichtungen des Mess und Versuchsfeldes in die Talsperren berwachung integriert sie dienen seither der automatisierten Erfassung von Sickerwassermengen Porenwasserdr cken und Verschiebungen Die Messf hler sind in mehreren Messquerschnitten Profilen sowie in einem Raster auf der Luft und Wasserseite der Staumauer angeordnet Die Datenerfassung erfolgt automatisiert durch ein Mess und Datenerfassungssystem das aus drei Datenloggern und einer Software zur Datenverteilung besteht Insgesamt wurden in der Ennepestaumauer rund 40 Sensoren installiert In den Messquer schnitten F1 und F2 vgl Abb wurden kombinierte Gewichts und Schwimmlote sowie Inklinometer zur Neigungsmessung eingebaut w hrend sich in den Messquerschnitten E ber wiegend Sensoren zur Porenwasserdruck und Temperaturmessung befinden Die Messquer schnitte D dienen der Temperaturmessung im und am Mauerk rper Aufgrund der beschrie benen guten Ausstattung mit automatisierten Messeinrichtungen und der Verf gbarkeit von langj hrigen Messschrieben wurde die Ennepetalsperre als Referenzsystem f r die Validierung des Bauwerksmonitoringsystems RAMON gew hlt 114 KAPITEL 6 VALIDIERUNG 6 2 2 Messdate
254. werks monitoringsystem importieren Messdaten verwalten Nutzer will Messdaten verwalten Hierzu geh rt das Erzeu gen Lesen Aktualisieren und L schen von Messungen Messdaten aufbereiten Nutzer will Messdaten in Zielformat Zieldarstellung bringen Messdaten auswerten Nutzer will Messdaten auswerten z B mit statistischen oder strukturmechanischen Modellen Anomalien erkennen Nutzer will bei besonderen Ereignissen wie Unter oder ber schreiten von Schwellenwerten benachrichtigt werden Die Anwendungsf lle orientieren sich dabei an dem in Unterabschnitt beschriebenen Monitoringablauf und spiegeln die Schritte aus Anwendersicht wider vgl Tabelle 4 1 F r den Nutzer steht zun chst die Erfassung von Messgr en im Vordergrund Zu diesem Zweck m ssen die installierten Mess und Datenerfassungssysteme gesteuert werden Nach der Er fassung der Messgr en werden die Messwerte vom Anwender gesichtet und vom System oder Anwender gespeichert Weitere Anwendungsf lle befassen sich mit der Verwaltung und Auswertung von Messdaten dem Import von Daten in das Bauwerksmonitoringsystem und ihrer Aufbereitung in ein Zielformat oder eine Zieldarstellung z B als Diagramm Die rest lichen Anwendungsf lle beinhalten die Auswertung von Messdaten und die Aufdeckung von Anomalien Dies kann z B durch den Vergleich von Messwerten mit zuvor festgelegten Schwel lenwerten erfolgen Als Nutzer des Bauwerksmonitoringsystems we
255. wiegend werden die Messdaten in Dateien in einem f r den Fernzugriff zug nglich gemachten Verzeichnis z B mittels FTH Freigaben abgelegt von wo aus sie von weiteren Komponenten verarbeitet werden Der Fernzugriff auf die Messdaten wird h ufig auch durch Fernzugangssoftware realisiert mit deren Hilfe man sich in den entfernten Rechner einschalten und Dateien Verzeichnisse etc auf den lokalen Rechner bertragen kann Die Messdaten werden danach entweder in Messdateien wobei die Messdateien auf einem lokalen Rechner bzw Server abgelegt werden oder zunehmend auch in im Hinblick auf die Datenverwaltung beraus leistungsf higen Datenbanksystemen s u gespeichert Bei der Nutzung von Datenbanksystemen m ssen die Messdaten allerdings zuvor in das in der Datenbank implementierten Zielformat umgewandelt werden Weiterhin sehr verbreitet insbesondere bei einer zeitlich befristeten berwachung ist das Auslesen von Messdaten vor Ort Dazu wird ein tragbarer Computer mit dem Messrech ner bzw den Datenerfassungsmodulen verbunden und die Messdaten direkt bertragen Die weitere Verarbeitung erfolgt dann auf einem der beiden oben beschriebenen Wege 2 3 4 Datenverwaltung und auswertung Die gespeicherten Messdaten werden in Bauwerksmonitoringsystemen entweder teilintegriert durch den Einsatz von Standardsoftware z B Tabellenkalkulationsprogramme oder vollin tegriert durch die Einbindung von Datenbanksystemen
256. zelnen Ans tze und Konzepte sehr unterschiedlich sind da entweder eine bestimmte Agentenarchitektur oder technologie vorausgesetzt wird Analog zu lassen sich die verschiedenen Methodologien aufgrund der ihnen zugrunde liegenden Ans tze grob unterteilen in Methodologien die durch die objektorientierte Software Entwicklung beein flusst sind und bestehende OO Methodologien entweder erweitern oder f r die AOSE ad aptieren z B Wooldridge 00 Zambonelli 03 und Methodologien die auf Ans tzen und Modellierungstechniken aus der Wissensverarbeitung engl knowledge engineering aufbau en z B in Brazier 95 oder Iglesias 98 F r diese Arbeit wurde die an OO Methodologien angelehnte und speziell auf die Agen tenplattform JADE vel Unterabschn abgestimmte JADE Methodologie gew hlt da diese nicht an eine Zieldom ne gebunden ist auf eine propriet re grafische Notati on verzichtet und sowohl mit der grafischen Modellierungssprache Unified Modeling Language UML als auch der UML Erweiterung Agent Unified Modeling Language AUML gut kom binierbar ist Die JADE Methodologie legt einen mehrschrittigen iterativen Arbeitsprozess fest in dem mehrere Artefakte Diagramme und Tabellen zur formalen Spezifikation ent wickelt werden vgl Abb Da Die wichtigsten Artefakte sind ein Anwendungsfalldiagramm das alle identifizierten Anwendungsf lle fiir das System enth lt ein Agentendiagramm das die Agenten die menschlichen Nutzer die Ress
257. zu verwendende Vokabular werden auch hier wie im Fall des zu vor beschriebenen Sensorikagenten durch eine spezifische Bauwerksmonitoring Ontologie festgelegt Die Kodierung der Nachrichten erfolgt analog zum Sensorikagenten in der Inhaltss prache FIPA SL 76 KAPITEL 4 KONZEPTION Anfragender Agent Agent Messdatei Messdatei UC File system REQUEST language fipa sl ontology Monitoring INFORM language fipa sl ontology Monitoring Abbildung 4 10 Konzept fiir den Zugriff auf Messdateien 4 5 3 Messdatenbanken Die Speicherung von erfassten Messdaten erstreckt sich im Bauwerksmonitoring ber relativ lange Zeitr ume Da die Messdaten im Idealfall mit Baubeginn des Bauwerks erfasst werden und w hrend der gesamten Lebensdauer des Bauwerks zur Verf gung stehen sollen ist das zu entwickelnde Bauwerksmonitoringsystem f r die Archivierung von Messdaten ber mehrere Jahrzehnte auszulegen Es wird deshalb gr ter Wert auf den Einsatz leistungsf higer Datenbanksysteme gelegt Die in den Datenbanken gespeicherten Messdaten werden folglich von einem spezialisierten Agententypen dem Datenspeicherungsagenten verwaltet Die Interaktionen anderer Agen tentypen mit einer Datenbank etwa zur Speicherung von Messdaten werden ausschlie lich ber diesen Agententypen realisiert Der Datenspeicherungsagent f hrt die Aktion aus und greift hierzu auf das Datenbanksystem zu Auch die In
258. zung von Messdaten Die Messdaten werden dabei von den berwachungsbeteiligten interpretiert d h auf der Basis geeigneter Methoden oder Modelle ausgewertet Dieser Schritt muss deshalb den Export von Messdaten als Eingabe f r Statistik oder Simulationssoftware einschlie en Bei fehlerhaften oder unvollst ndigen Daten werden die Messdaten in diesem Schritt bearbeitet wobei der Monitoringablauf i Allg mit der Speicherung der Messdaten endet Zur Automatisierung dieses Arbeitsschrittes ist ebenfalls umfassende Fachlogik erforderlich Wie oben beschrieben wurde besteht eine Hauptzielsetzung dieser Arbeit in der agenten orientierten Umsetzung dieses Monitoringprozesses Das Multiagentensystem soll dabei so ausgelegt werden dass die Schritte des Monitoringprozesses durch das System unterst tzt und soweit m glich automatisiert durchgef hrt werden Hierbei ist insbesondere zu ber ck sichtigen dass in drei Arbeitsschritten geeignete Fachlogik zur automatisierten Verarbeitung bzw Auswertung der Messdaten erforderlich ist 4 2 Agentenorientierte Analyse In den folgenden Unterabschnitten wird das oben beschriebene Monitoringproblem agente norientiert analysiert Hierzu werden die Anforderungen an das zu entwickelnde Bauwerks monitoringsystem ermittelt und die Agenten des Systems identifiziert Der Analyse und Entwurfsablauf basiert auf der JADE Methodologie Nikraz 06 auf die bereits in Abschnitt eingegangen wurde Um den Umfang bersc
259. zusammentragen Pl ne erstellen und Aufgaben an einzelne Agenten zuweisen um die globale Koh renz sicherzustel len Nachteilig ist jedoch dass diese Koordinationstechnik zu einer klassischen Master Slave bzw Client Server Architektur f hrt mit zentraler Kontrolle durch den Master Da eine zen trale Kontrolle im Widerspruch zur dezentralen Natur von Multiagentensystemen steht ist unbedingt darauf zu achten dass die Slave Agenten zumindest mit der F higkeit zu einem teilautonomen Verhalten ausgestattet werden 3 3 KOMMUNIKATION UND KOORDINATION 39 Eine weitere wichtige Koordinationstechnik zur Aufgaben und Ressourcenzuweisung zwi schen Agenten ist die Auftragsvergabe Dieser Ansatz basiert auf einer dezentralisierten Organisationsstruktur in der Agenten zwei Rollen bernehmen k nnen die Rolle eines Auf traggebers manager oder eines Auftragnehmers contractor Die Auftragsvergabe setzt voraus dass ein Agent ein ihm zugewiesenes Problem in Sub Probleme zerlegen kann und versucht andere Agenten mit den erforderlichen Resourcen Expertise zur Probleml sung zu finden sobald er das ihm zugewiesene Problem nicht selbst l sen kann Zuweisungen von Sub Problemen werden durch einen Auftragsvergabemechanismus das so genannte Contract Net Protokoll Smith 80 realisiert das die folgenden Schritte beinhaltet vgl Abb 3 5 1 Bekanntgabe des Auftrags durch den Auftraggeber A genten 2 Abgabe von Angeboten durch

Unterstützung der messtechnischen Langzeitüberwachung

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