Modulare Modellspezifikation auf der Dokumentationsebene : Konzepte und Anwendung in einer webbasierten Modellierungsumgebung

Die Formulierung von Modellen unter Verwendung von Gleichungssystemen wird in der Verfahrenstechnik in großem Maße eingesetzt. Solche Modelle werden in der Forschung verwendent, bilden aber auch feste Bestandteile in Modellierungswerkzeugen. Mehrere Herausforderungen können bezüglich des dazugehörigen Modellierungsprozesses ausgemacht werden. Erstens hängen Computermodelle von ihrer Implementierungssprache ab, was die Einsetzbarkeit der Modelle mit fortschreitendem Stand der Technik einschränkt und auch die Verwendung in Umgebungen verhindert, die andere Sprachen verwenden. Zweitens ist die durchgeführte Dokumentation von Computermodellen häufig unzureichend. Drittens sollte das Internet besser für den Austausch und die Wiederverwendung von Modellen genutzt werden. Die Definition von Modellen in einer Metasprache in Verbindung mit Codegenerierung für die Implementierung ist ein etabliertes Konzept der modellgestützten Softwareentwicklung. Um die Anwendbarkeit zu maximieren, sollte eine Metasprache für gleichungssystembasierte Modelle deklarativ, auf die wesentlichen Modellinformationen konzentriert und auch intuitiv sein. Dies kann durch eine Definition der Modelle auf der Dokumentationsebene erreicht werden, wobei eine mathematische symbolische Notation verwendet werden sollte, wie sie in der Literatur vorgefunden wird. Eine geeignete Modularisierung stärkt die Wiederverwendbarkeit von Modellelementen und stellt somit die Grundlage für Austausch und Kooperatation dar. Die Wiederverwendbarkeit von Modellelementen wird durch deren Unabhängigkeit bestimmt, woraus folgt, dass der Grad an Modularität und die Art und Weise, in der Modellelemente kombiniert werden, eine große Role spielen. Die Anwendbarkeit der Modelle in Form von Programmcode ist eine direktes Maß für den Nutzen eines modellgestützten Ansatzes. Daher sollte eine Funktionalität zur Codeerzeugung viele Sprachen umfassen und leicht erweiterbar sein. In dieser Arbeit werden die oben genannten Themenbereiche behandelt. Es wird ein Modellierungskonzept vorgestellt, welches auf der Dokumentationsebene arbeitet, mathematische symbolische Notationen verwendet und unabhängig von Speicherformaten ist. Die Klasse von berücksichtigten mathematischen Notationen enthält modulare Variablennamen und ist daher eher vergleichbar mit Literaturdarstellungen als Notationen, die gegenwertig in Computeralgebrasystemen verwendetet werden. Der Aspect der Modularität des vorgestellten Modellierungskonzepts ist darauf ausgerichtet, einen hohen Grad and Wiederverwendbarkeit zu erreichen, was durch eine konsequente Aufteilung des gesamten Simulationsproblems erreicht wird. Die genannten Konzepte wurden in einer webbasierten Modellierungsumgebung implementiert, welche das Erstellen und die Berechnung von Modellen erlaubt und als Platform für Austausch und Kooperation dient. Die Modellierungsumgebung enthält eine vielseitige Codeerzeugungsfunktion, die über eine und wachsende Zahl von implementierten Ausgabesprachen verfügt und für die mit Hilfe einer graphischen Bedienoberfläche Sprachspezifikationen durch Benutzer hinzugefügt werden können. Anwendungsbeispiele der Modellierungsumgebung werden vorgestellt, welche auch die Anwendbarkeit des Modellierungskonzepts auf gescannte Artikel zeigen. Die Modellierungsumgebung verfügt über einen Dokumentationsgenerator, welcher verwendet wird, um die Beispiele zu beschreiben. Diese Forschungsarbeit entstand für den UniCat Cluster of Excellence, welcher sich interdisziplinär mit der oxidativen Kopplung von Methan befasst. Zu den Aktivitäten innerhalb von UniCat zählt die Modellierung in unterschiedlichen Detailstufen, welche in verschiedenen Universitäten und Forschungszentren durchgeführt wird. In diesem Zusammenhang musste der Modellierungsprozess im Hinblick auf die kollaborative Erstellung und Nutzung von Modellen verbessert werden. Dementsprechend müssen entwickelte Gleichungen und Teilmodelle wiederverwendbar sein und die Austauschbarkeit von Untermodellen gewährleisted werden, um welchselnden Modellierungszielen gerecht zu werden. Darüber hinaus müssen die Modelle zeitgleich an verschiedenen Orten verfügbar und in unterschiedlichen numerischen Umgebungen nutzbar sein. Der Autor bedankt sich für die Finanzierung dieser Forschungsarbeit durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG).In process systems engineering, the formulation of models as equation systems is a common technique. Such models are used in research but are also present as integral parts of simulation tools. Several challenges can be seen in the corresponding modeling process. First, the computer models depend on their language of implementation, which renders them useless when technology advances and which hinders their application in environments that use other languages. Second, the documentation of computer models is still not satisfactory. Third, Internet technology should be used in a more effective way for the exchange and reuse of the computer models. The definition of computer models in a meta language in combination with code generation for their implementation is a common concept in model-driven software engineering. In order to maximize usability, a meta language for equation-system-based computer models must be declarative, focus on the essential information, and also be intuitive. This can be achieved by defining the models on the level of documentation with the help of mathematical symbolic language as it is used in the literature. Modularity makes models and model elements reusable and thereby constitutes the basis for exchange and cooperation. The reusability of model elements is related to their independence from each other, from which follows that both the degree of modularity and the way model elements are combined play an important role. The applicability of the models in the form of program code is a direct measure of the benefit of a model-driven modeling approach. Therefore, a code generation feature should comprise many languages and be easily extensible. In this work, the above subjects are addressed. A modeling concept is presented that works on the level of documentation, uses a complex mathematical symbolic notation, and is independent from storage formats. The class of considered mathematical notations includes modular variable names and is therefore more comparable to presentations in the literature than notations currently used in computer algebra systems. The aspect of modularity of the proposed modeling concept is focused on a high level of reusability and a fine-grained subdivision of the entire simulation problem. The described concepts are applied in a web-based modeling environment that permits the creation and the calculation of models and can be used as an exchange and cooperation platform. The modeling environment includes a versatile code generation functionality with a growing number of implemented language outputs, and a graphical interface for user-defined specification of the generated code. Application examples of the modeling environment are provided, which also demonstrate the applicability of the modeling concept for scanned articles. The modeling environment includes a documentation generator, which is used to describe the examples presented. This research was conducted for the UniCat cluster of excellence, which is an interdisciplinary project concerned with the oxidative coupling of methane. The activities in UniCat include modeling at different levels of detail performed by different universities and research centers. In this context, the modeling process needed to be improved with respect to collaborative generation and use of models. Accordingly, developed equations and partial models must be reusable, and sub models of different detail must be exchangeable according to the desired modeling purpose. Furthermore, the models must be accessible from different locations and available in different numerical platforms. The author acknowledges the support of his research by the German Research Foundation (DFG)