Das Softwaresystem BASEMENT - ETH Zürich

Numerische Modellierung von Naturgefahrenmit dem Softwaresystem BASEMENTWorkshop vom 6. Oktober 2006 an der VAW ETH ZürichDas Softwaresystem BASEMENTDavid Vetsch

MotivationGenerell:Verbesserung der Dimensionierungswerkzeuge fürflussbauliche Fragestellungen und entsprechendeImplementierung in Form eines Software-Tools...

Motivation…namens BASEMENT:omodulares Softwaretool zur Simulation von Strömungs- undTransportprozessen in FliessgewässernoGemeinsame Infrastruktur für die Implementierung undAnwendung von verschiedenen Modelltypen räumlicher undprozessorientierter Natur (Basis für weitere Submodule, wiez.B. Seitenerosion, Murgang, inverse Modellierung)oNachhaltigkeit: objektorientierte Vorgehensweise, verbindlicheDefinition von Schnittstellen und Prozessen, Dokumentation

EntstehungsgeschichteRhone-Thur Projekt 2001-2006www.rhone-thur.eawag.chNachhaltiger Umgang mit Fliessgewässernam Beispiel der Rhone und Thur

EntstehungsgeschichteChance für eine neue Basis:• Auftragsbezogene Softwareentwicklung an der VAWwährend der letzten 30 Jahre• Mangel an Kontinuität und Dokumentation• Rhone-Thur Projekt (BWG als Auftraggeber der VAW)als Möglichkeit zur Entwicklung eines neuenSoftwaresystems• Zusammenstellung eines Projektteams mit 4-5Mitarbeitern• Start des Projekts Ende 2002

Anwendungsbereichenumerisches Tool zur Simulation vonFliessgewässern mit Sedimenttransportund Naturgefahren für diecomputergestützte Untersuchung von.... Hochwasserereignissen.. Überschwemmungen.. Geschiebehaushalt.. Flussdeltaentwicklung.. Gerinneaufweitungen.. Flussmorphologie..und entsprechende Erweiterungder numerischen Modelle.

AnforderungenDammbruchKolkZeitÜberschwemmungRaumMorphologischeEntwicklung

AnforderungenKorndurchmesserGeschiebetriebSuspensionstransportMurgängeFeststoffanteil

Projektschwerpunkte• neues Softwaresystem basiert auf 2dmb und Floris (Reverse-Engineering), Erfahrung und entsprechende Referenzen• Behebung Stabilitätsprobleme• Auflösung „single point of knowledge“-> Kontinuität-> Dokumentation• Flexibilität des Codes : Erweiterbarkeit und Unterhalt• Kombination von verschiedenen Modellen• Primärer Projektfokus : Numerik mit Qualität

ProjektzielErstellen einer erweiterbarenund dokumentierten Software-Umgebung……zur numerischen Simulation……von Fliessgewässern mit Sedimenttransport,als solide Basis für Dissertationen und Projektbearbeitung.

Warum ein Software-“System“?1d 2d 3dGrad Grad an an Idealisierung // EffizienzAuflösung der der Prozesse -- Berechnungsaufwand

Warum ein Software-“System“?BASEMENTNumericalModelsInput / OutputPreProcessingPostProcessingTopographyGISHydrologySedimentologyand Soil Parameters

Warum ein Software-“System“?BASEchain1dBASEplane2dBASEspace3d

Software Engineering• Software-Krise ab Mitte 60iger und in 70iger Jahren• bis Anfang 80iger Jahre = Programmieren• Junge Ingenieursdisziplin (ca. 25 Jahre alt)• Einführung von bewährten Vorgehensweisen und Methodenaus der Praxis ab Anfang 80iger Jahre -> Prozesse• Vergleichbar mit Prozessen aus dem Bauingenieurwesen (z.B.Brückenbau)

Software EngineeringErhebung der Standish Group :CHAOS Report 1994189% über geschätzten Kosten222% der geplanten Zeit94 Restarts pro 100 Projekte42% der spez. Funktionalität

Phasen der ProjektorganisationQualitätssicherungtssicherungAnalyseEntwurfImplementierungTestAnalyseProjektmanagementArbeitsorganisationErmittlung der Anforderungen von zukünftigen Anwendern ->Gewährleisten der NutzungsbedürfnisseEntwurfDetaillierte Planung des Aufbaus des Programms -> Erstellen desBauplansImplementierung und TestProgrammieren, testen und bereinigen der Fehler -> Realisierung

Der prozedurale AnsatzProzessorientierte Methoden / prozeduraler Ansatz :Daten bearbeiten und Datenfluss gewährleistenDaten sind „überall“, d.h. in und ausserhalb von Prozeduren

Der objektorientierte AnsatzDefinition:objektorientiert (OO): Eine Technik oder Programmiersprachebetreffend, die Objekte, Klassen und Vererbung unterstützt. (ISO)Objektorientierte Methoden:• Klare Trennung von Daten undFunktionen• Gruppierung von Eigenschaftenund Fähigkeiten zu sog. Klassen• Zusammenführen durchProgrammlogik

Prinzipien der ObjektorientierungAbstraktionUmgang mit Komplexität :Zuweisen vonEigenschaften undFähigkeiten eines Objekts,Deklaration vonBeziehungen zu anderenObjektenObjektEigenschaftenFähigkeitenWeitere Prinzipien:Datenkapselung, Vererbung, Polymorphismus

Nutzen und Vorteile von OOP• Konsequente Abstraktionzuerst denken und skizzieren, dann programmieren• Software-KomponentenZerlegung in TeilproblemeÜbersicht bei komplexen SystemenWartung und Unterhalt• Erweiterbarkeit : z.B. Modellanpassungen• Dokumentationeinerseits vorgegeben durch Prozessandererseits durch OOP (definierte Schnittstellen)• WiderverwendbarkeitSelbstständigkeit der Objekte, z.B. 1d und 2d

Nutzen und Vorteile von OOP, jedoch…Anwendung einer objektorientierten Methode istkeine Garantie für Qualität(Erfahrung, Konstituierung erst seit Mitte 90iger)

Overhead und MythosVetsch sagt:„Objektorientierte Programme sind schneller als prozedurale.“• VergleichsgrössenAusführungszeit (statische vs. dynamischeSpeicherverwaltung)Berechnungszeit (Funktionsaufrufe, Datenzugriff)• ProgrammierungDatenzugriff über Zeiger, resp. Listen von Zeigernökonomischer Umgang mit Funktionsaufrufen und Vergleichen• CompilerEntwicklung von Compilern für OO-Sprachenoptimierende Compiler

Overhead und MythosVetsch sagt:„Objektorientierte Programme sind schneller als prozedurale.“„Es ist ein Mythos –.. ebenso wie derjenige, dass Entwickler von prozeduralenProgrammen keine Ahnung von Objektorientierung haben.. und dass man mit prozeduralen Ansätzen zwangsläufigunübersichtliche Programme erstellt.“

BASEMENT v1.1BASEMENT ist ein modulares objektorientiertesSoftwaresystem mit folgender Spezifikation:• problembezogene Strömungssimulation anhand verschiedenerräumlicher Modelle (1d, 2d)• Modellierung von Geschiebe- und/oder Suspensionstransport• Wahl von verschiedenen numerichen Ansätzen undempirischen Gesetzmässigkeiten je nach Aufgabenstellung• Erweiterbarkeit und Nachhaltigkeit durch transparentenobejktorientierten Systemaufbau

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