Technische Universität Berlin Department of Geoinformation Science
Integrative 3D-Modellierung von Leitungsnetzen verschiedener Ver- und Entsorgungsinfrastrukturen in CityGML Workshop 3D-Stadtmodelle UniClub Bonn, 8.-9. Nov. 2010
Thomas H. Kolbe, T. Becker, C. Nagel Institut für Geodäsie und Geoinformationstechnik Technische Universität Berlin {thomas.kolbe, thomas.becker, claus.nagel,}@tu-berlin.de
© Foto: Berliner Feuerwehr
Motivation Department of Geoinformation Science
Initiales Ereignis
Pumpstation ist beschädigt und Wasser strömt aus
Ausbreitung von Wasser verursacht Stromausfall 2
Motivation Department of Geoinformation Science
Initiales Ereignis
Pumpstation ist beschädigt und Wasser strömt aus
Ausbreitung von Wasser verursacht Stromausfall 3
Wegen des Stromausfalls arbeiten die Pumpen nicht
Motivation Department of Geoinformation Science
Initiales Ereignis
Hallo Störungsstelle, der Strom ist ausgefallen und die Wasserversorgung auch
Pumpstation ist beschädigt und Wasser strömt aus
Ausbreitung von Wasser verursacht Stromausfall 4
Wegen des Stromausfalls arbeiten die Pumpen nicht
AP 3
Simulation von intersektoriellen Kaskadeneffekten bei Ausfällen von Versorgungsinfrastrukturen unter Verwendung des virtuellen 3D-Stadtmodells von Berlin
Gefördertes BMBF-Projekt 2009-2012
AP 3
Projektpartner
6
AP 3
Integration der Versorgungsnetze in das 3D-Stadtmodell Ziel: Erstellung eines homogenisierten Netzmodells für die Simulation inkl. der relevanten Sachattribute (Nutzungsart, Material, Betriebsparameter, Einwohnerzahl etc.)
Modellierung kritischer Infrastrukturen Department of Geoinformation Science
Integrierte 3D-Modellierung von Multi-Versorgungsnetzwerken und der Interdependenzen zur Analyse kritischer Infrastrukturen Integrierte Modellierung: • geometrische, topologische & funktionale Modellierung der Netzelemente • duale Repräsentation: topographisches 3D-Modell und funktionales Modell • gleichzeitige Repräsentation heterogener Netzwerke • hierarchische Modellierung auf der Objekt- und Netzwerkebene
Interdependenzen: • explizite Relationen zwischen Netzelementen und Stadtmodellobjekten • explizite Relationen zwischen Netzelementen verschiedener Netztypen
Analysen: • gemeinsame Visualisierung von 3D-Stadtmodell + 3D-Versorgungsnetzen • Auswirkungsanalyse: Propagierung von Ausfällen über Multi-Netzstruktur, Bestimmung von Kaskadeneffekten, Abschätzung betroffener Bürger 8
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Netzwerkkomponenten (Auswahl) Department of Geoinformation Science
Kraftwerk, Umspannstation, Wasserwerk Schalterbox, Sicherung
Die Objekte haben
Pumpe, Ventil
• verschiedene Bedeutungen und Funktionen
Straßenlaterne, Schalterhäuschen Rohr, T-Rohr, Kabel, Verteiler 9
Alle Elemente sind essentielle Bestandteile von Versorgungsnetzwerken. • verschiedene 3D-Formen & Größen,
• auf unterschiedlichen Hierarchieebenen im Netz
Aber: alle Objekte können auf gleichartige Weise in einem Netzwerk abgebildet werden
Modellierung von Versorgungsnetzwerken Department of Geoinformation Science
Netzwerke sind Aggregationen von Komponenten wie Rohren, Kabeln, Verteilern etc.
0..* component
* Network
_NetworkFeature
Wasserwerk
Rohr
Rohr
Netzwerk 10
Rohr
Modellierung von Versorgungsnetzwerken Department of Geoinformation Science
Netzwerke sind Aggregationen von Komponenten wie Rohren, Kabeln, Verteilern etc.
0..* component _NetworkFeature Basiselement Basiselement Teil Teildes desNetzes Netzes (und (unddamit damitder derStadt) Stadt) Rohr Eine EineAbstraktion Abstraktionder derRohr realen realenWelt Welt(Geoobjekt) (Geoobjekt)
Netzwerk 11
* Network
Aggregation Aggregationvon von Netzobjekten Netzobjekten des Wasserwerk desselben selben übertragenen Rohr übertragenen Mediums Mediums
Repräsentation von Netzwerk-Objekten Department of Geoinformation Science
• Zusätzlich zu der topographischen 3D-Repräsentation haben Netzelemente funktionale & topologische Aspekte • Netzwerke werden i.d.R. durch Graph-Strukturen repräsentiert und Elemente werden typischerweise entweder in linien- und punkthafte Objekte differenziert (siehe INSPIRE, ESRI Utility Network Model) • Wir verstehen unter einem Netzwerk-Objekt einen Teilgraphen des gesamten Netzwerkgraphen
12
Beispiel Department of Geoinformation Science
Feature A
Feature B
lodXGeometry
lodXGeometry
Rohr DN35
Rohr DN35
NETWORK
FeatureGraph
FeatureGraph FeatureGraph
FeatureGraph
NetworkGraph NetworkGraph 13
Gültige Modellierungen (I) Department of Geoinformation Science
FeatureGraph
FeatureGraph Legende Node (type: exterior) Node (type: interior) InteriorFeatureConnection NetworkFeature 14
Modellierung der inneren Struktur des Features (interner Anschluss) Durch inneren knoten lassen sich auch Aspekte wie Rohrverjungungen oder Ventile o.ä. modellieren
Gültige Modellierungen (II) Department of Geoinformation Science
FeatureGraph
Legende Node (type: exterior) Node (type: interior) InteriorFeatureConnection NetworkFeature 15
FeatureGraph
Graph-Repräsentationen von Netzelementen Department of Geoinformation Science
Topographisches Modell
Topologisches / funktionales Modell
FeatureGraph
Model l ie interne rung der n der Ne Struktur tz mittels objekte in Kanten terner & Kno t ermög licht d en ie Reprä sentat ion von Ve ntilen, Verzw eigung en, Materi aländeru ngen e t c.
FeatureGraph Legende Knoten (Typ: extern) Knoten (Typ: intern) InteriorFeatureLink Netzwerk-Objekt
FeatureGraph 16
Verknüpfung von Netzelementen Department of Geoinformation Science
FeatureGraph
FeatureGraph NetworkGraph
Legende Node (type: exterior)
FeatureGraph
FeatureGraph
Node (type: interior) InteriorFeatureConnection InterFeatureConnection NetworkFeature 17
NetworkGraph
Hierarchien in Netzwerken Department of Geoinformation Science
Multi-Netzwerktunnel / -kanäle
Kabelschutzbündel / -pakete
Gasnetzwerk Hochdruck
Wasserwerk
Kabel
© Schaefer Naturstein
Schutzrohre
Objekt-Bestandteilshierarchien
Niederdruck Hierarchische Netzwerke
Wasser + Strom Multi-Versorgungsnetzwerke
Wie kann dies abgebildet werden mittels NetworkFeatures / FeatureGraphs / NetworkGraphs? 18
Hierarchien: Objekthierarchie Department of Geoinformation Science
Kabel
Schaltschrank / Schaltstation
Legend
A1 B3 B5
1
B4
A2 Knoten (Typ: extern) Knoten (Typ: intern)
B1 C4
3
C1 C3
5 6 4 2 D4 D3 D2 D1 19
B2 C2
InteriorFeatureLink InterFeatureLink (connects) InterFeatureLink (contains) Netzwerk‐Objekt
Hierarchien: hierarchische Netzwerke Department of Geoinformation Science
Ein Gasversorgungsnetz ist eine Aggregation von Teilnetzen der gleichen Art, aber mit verschiedenen Leitungsdrücken Gasversorgung läuft von Hochdruck- zu Niederdrucknetzen Gasnetzwerk
Teilnetz >84 bar
Teilnetz 71 – 84 bar
Teilnetz 40- 71 bar
Teilnetz 17 – 40 bar
Teilnetz < 17 bar
formale Realisierung
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Interdependenzen Department of Geoinformation Science
Arten von Interdependenzen: • physikalisch • informationell • räumliche Nähe • Richtlinien / Verfahren • gesellschaftlich (Einfluss auf die öffentliche Meinung, Ängste) Interdependenzen können Kaskadeneffekte auslösen, die zu Katastrophen führen können. Siehe Eingangsszenario! Beispiel Abhängigkeitsmatrix (Dudenhoeffer et al. 2006)
21
Verknüpfung von Objekten verschiedener Netze spezielle Arten von Relationen
Gesamtes Netzwerk-Kernmodell in UML Department of Geoinformation Science core::_CityObject
gml::_Feature
NodeType +exterior +interior
gml::_FeatureCollection
InterFeatureLinkType _NetworkFeature
0..* component
© ISL Uni Karlsruhe 1 topoGraph
1
0..*
1 subNetwork
consistsOf
0..* topoGraph
0..1
FeatureGraph 1
Network
*
0..* featureGraphMember
1
_LinkControl
+type : NodeType 1 +connectionSignature : _Signature [0..1] +linkControl : _LinkControl [0..1] start 1 1 end
realization 0..1 gml::Point gml::_Curve
0..1
1
Node
nodeMember
+connects +contains _Signature
1
NetworkGraph
1
1..*
1
0..*
realization 0..1
0..*
_Edge
+direction : gml::SignType [0..1] 1 +linkControl : _LinkControl [0..1]
linkMember
© Manitoba Historical Maps (Flickr) 0..* 0..* linkMember
22
InteriorFeatureLink
InterFeatureLink
0..*
linkMember
NetworkLink
+type : InterFeatureLinkType
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Gesamtes Netzwerk-Kernmodell in UML Department of Geoinformation Science
core::_CityObject
gml::_Feature
gml::_FeatureCollection
_NetworkFeature
1 topoGraph FeatureGraph 1
23
0..*
0..*
Network
*
component 1 consistsOf
1 subNetwork
0..* topoGraph
0..1 0..*
1 featureGraphMember
1
1 0..1
NetworkGraph
1
10.11.2010
Gesamtes Netzwerk-Kernmodell in UML Department of Geoinformation Science
FeatureGraph 1
0..* featureGraphMember
1
nodeMember
+type : NodeType 1 +connectionSignature : _Signature [0..1] +linkControl : _LinkControl [0..1] start 1 1 end
realization 0..1 gml::Point gml::_Curve
1
Node
1..*
0..*
realization 0..1
0..*
_Edge
+direction : gml::SignType [0..1] 1 +linkControl : _LinkControl [0..1]
linkMember
0..* 0..* linkMember
24
