Model coupling in hydroinformatics systems through the use of autonomous tensor objects

Modellkopplung in Hydroinformatiksystemen durch Einsatz autonomer Tensorobjekte

  • There is an increased focus on interdisciplinary research in hydroinformatic related projects for applications such as integrated water resources management, climate change modelling, etc. The solution of common problems in interdisciplinary projects requires the integration of hydroinformatic models into hydroinformatic systems by coupling of models, enabling them to efficiently share and exchange information amongst themselves. Coupling of models is a complex task and involves various challenges. Such challenges arise due to factors such as models required to be coupled together lacking coupling capabilities, different models having different internal data formats, lack of a coupling mechanism, etc. From the perspective of physics, different models may use different discretisations in space and time, operate on different scales in space and time, etc. A model coupling concept using a coupling broker, that is independent from the coupled models, has been developed in this work and been implemented as a prototype for a softwareThere is an increased focus on interdisciplinary research in hydroinformatic related projects for applications such as integrated water resources management, climate change modelling, etc. The solution of common problems in interdisciplinary projects requires the integration of hydroinformatic models into hydroinformatic systems by coupling of models, enabling them to efficiently share and exchange information amongst themselves. Coupling of models is a complex task and involves various challenges. Such challenges arise due to factors such as models required to be coupled together lacking coupling capabilities, different models having different internal data formats, lack of a coupling mechanism, etc. From the perspective of physics, different models may use different discretisations in space and time, operate on different scales in space and time, etc. A model coupling concept using a coupling broker, that is independent from the coupled models, has been developed in this work and been implemented as a prototype for a software framework for coupling hydroinformatic models. It is based on the approach of tensor objects and the ideas of the OpenMI standard for model coupling. Tensor objects are a complete representation of physical state variables including dimensions, units, values, coordinate systems, geometry, topology and metadata. They are autonomous entities that can adapt themselves to the requirements of coupled models through operations such as scaling, mapping, interpolation in space and time, etc. The central entity in coupling is the Tensor Exchange Server, which acts as the coupling broker. It is responsible for defining the coupling mechanism, brokering the communication between the models and adapting the information to the requirements of the coupled models by taking advantage of the functionality provided by tensor objects. By fulfilling these roles in coupling, the coupling broker concept goes one step further than tools such as the OpenMI standard and facilitates the task of coupling models since each coupled model doesn't individually need to be adapted to be able to perform these tasks on its own. The usefulness of the coupling broker concept for coupling models is demonstrated with the help of three application examples: firstly, a subsurface-flow model coupled with a model simulating metabolism in the hyporheic zone, secondly, a subsurface-flow model coupled with a surface-flow model and finally, an information management system presenting the results of a hydrodynamic simulation of a section of the river Rhine. These examples demonstrate the extensibility and flexibility of the presented coupling concept, which can be used to couple multiple hydroinformatic models in hydroinformatic systems.show moreshow less
  • In Projekten der Hydroinformatik gewinnt der interdisziplinäre Aspekt zunehmend an Bedeutung wie z.B. bei Projekten zum IWRM (Integrated Water Resources Management) oder Modellierungen zum Einfluss des Klimawandels auf dem Wasserhaushalt. Zur Bearbeitung derartiger interdisziplinäre Problemstellungen ist eine Kopplung verschiedener Modelle der Hydroinformatik erforderlich, die u.a. eine gemeinsame Informationsverwaltung und einen gegenseitigen Informationsaustausch der Modelle realisiert. Die Kopplung von Modellen ist eine komplexe Aufgabe, welche durch verschiedene Faktoren noch erschwert wird. Eine der größten Herausforderungen ist die oft mangelnden Kopplungsschnittstellen und Kopplungsfähigkeit von Modellen, welche sich anhand fehlender Kopplungsmechanismen und Unterschieden im internen Datenformat, in den verwendeten Raum- und Zeitskalen sowie der Diskretisierung von Raum und Zeit bemerkbar machen. Im Rahmen dieser Dissertation wurde ein Modellkopplungskonzept, das sich auf ein modellunabhängiges Brokerkonzept basiert, fürIn Projekten der Hydroinformatik gewinnt der interdisziplinäre Aspekt zunehmend an Bedeutung wie z.B. bei Projekten zum IWRM (Integrated Water Resources Management) oder Modellierungen zum Einfluss des Klimawandels auf dem Wasserhaushalt. Zur Bearbeitung derartiger interdisziplinäre Problemstellungen ist eine Kopplung verschiedener Modelle der Hydroinformatik erforderlich, die u.a. eine gemeinsame Informationsverwaltung und einen gegenseitigen Informationsaustausch der Modelle realisiert. Die Kopplung von Modellen ist eine komplexe Aufgabe, welche durch verschiedene Faktoren noch erschwert wird. Eine der größten Herausforderungen ist die oft mangelnden Kopplungsschnittstellen und Kopplungsfähigkeit von Modellen, welche sich anhand fehlender Kopplungsmechanismen und Unterschieden im internen Datenformat, in den verwendeten Raum- und Zeitskalen sowie der Diskretisierung von Raum und Zeit bemerkbar machen. Im Rahmen dieser Dissertation wurde ein Modellkopplungskonzept, das sich auf ein modellunabhängiges Brokerkonzept basiert, für Modelle der Hydroinformatik entwickelt und mit einem Prototyp für ein Software-Framework umgesetzt. Dieser basiert auf einem objektorientierten Ansatz zur Modellierung physikalischer Zustandsvariablen und deren Beziehungen durch Tensorobjekte und den Modellkopplungsideen von OpenMI. Tensorobjekte sind eine vollständige Repräsentation physikalischer Zustandsgrößen, einschließlich Dimensionen, Einheiten, Größen, Koordinatensysteme, Geometrie, Topologie und Metadaten. Tensorobjekte sind autonome Entitäten, die sich an die Anforderungen der gekoppelten Modelle flexibel anpassen können. Ein Tensor Exchange Server übernimmt die zentrale Aufgabe der Kopplung der verschiedene Modelle als eine Art Kopplungsbroker. Zu seinen Funktionen zählen die Definition des Kopplungsmechanismus, die Kommunikation zwischen gekoppelten Modellen und die Anpassung dieser Informationen an die Anforderungen der Modelle (z.B. Zeit- und Ortsdiskretisierung) durch Ausnutzung der internen Anpassungsfähigkeit von Tensorobjekten. Diese Funktionsweise des Kopplungsbroker erübrigt eine individuelle interne Anpassung der einzelnen gekoppelten Modellen und geht somit einen Schritt weiter als konventionelle Kopplungsstandards wie OpenMI. Die Vorzüge der Kopplung von Modellen durch das Kopplungsbrokerkonzept wird anhand drei Anwendungsbeispielen aufgezeigt: ein Untergrundströmungsmodell gekoppelt mit einem Modell für Metabolismus in der hyporheischen Zone, ein Untergrundströmungsmodell gekoppelt mit einem Fließgewässerströmungsmodell und ein Informationsmanagementsystem mit 2D-Modellierungsergebnissen, GIS Modellen, Datenbankmodellen, etc. für einen Abschnitt des Flusses Rhein. Diese Beispiele zeigen die Flexibilität und Erweiterungsmöglichkeiten des hier vorgestellten Kopplungskonzepts, welches in der Kopplung verschiedenster Modelle in Hydroinformatiksystemen angewendet werden kann.show moreshow less

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Metadaten
Author: Notay, Kunwar Vikramjeet Singh
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-36182
Referee / Advisor:apl. Prof. Dr. Molkenthin, Frank
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2015
Date of final exam:2015/07/10
Release Date:2015/12/02
Tag:Hydroinformatik; Modellkopplung; Tensorobjekte
Hydroinformatics; Model coupling; Software framework; Tensor objects
GND Keyword:Hydrologie; Informatik; Modellverbindung; Tensor
Institutes:Fakultät 2 Umwelt und Naturwissenschaften / FG Hydrologie
Institution name at the time of publication:Fakultät für Umweltwissenschaften und Verfahrenstechnik (eBTU) / LS Environmental Informatics
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.