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Ontologie-gestützte Erzeugung einer Datenbasis für energetische Simulationen aus verteilten Informationsquellen

Bittner, Timo :
Ontologie-gestützte Erzeugung einer Datenbasis für energetische Simulationen aus verteilten Informationsquellen.
TU Darmstadt
[Masterarbeit], (2016)

Kurzbeschreibung (Abstract)

Während die Bundesrepublik Deutschland im internationalen Vergleich bereits zu den führenden Nationen im Bereich der Forschung, Entwicklung und Nutzung erneuerbarer Energien zählt, sind im Rahmen der angestrebten Energiewende ehrgeizige Ziele gesteckt. So sieht das zugrunde liegende Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) vor, bis 2050 den Anteil an der Stromversorgung über Energie aus regenerativen Quellen auf mindestens 80 Prozent zu steigern. Darüber hinaus soll eine wesentliche Reduktion der Treibhausgasemissionen erreicht werden. In diesem Zusammenhang ist auch ein nahezu klimaneutraler Gebäudebestand vorgesehen, der ebenfalls bis Mitte dieses Jahrhunderts umgesetzt sein soll. Für derartige Anlagen werden jedoch große Konversionsflächen benötigt, was wiederum mit erheblichen Eingriffen in die Natur verbunden ist. Hier bieten Dächer und Fassaden großes Potenzial, wenn die Gebäudehülle entsprechend genutzt und auf diese Weise der zusätzliche Platzbedarf für erneuerbare Energien reduziert werden kann. Im Zuge des Forschungsprojekts „Ganzheitliche Integration energetisch aktiver Fassadenkomponenten in Bauprozesse“ werden neue Methoden, Ansätze und Prozessen entwickelt, um relevante Aspekte frühzeitig in den Planungsprozess eines Gebäudes einbinden zu können. Der Fokus liegt hierbei unter anderem auf der Umwandlung von Sonnenenergie zu Strom und Wärme durch den Einsatz gebäudeintegrierter Photovoltaik (BIPV) beziehungsweise gebäudeintegrierter Solarthermie (BIST). Im Kontext des ganzheitlichen Ansatzes für die Gebäudeplanung wird die Methodik des Building Information Modeling (BIM) verwendet. Aufgrund der heterogenen Landschaft in Bezug auf die eingesetzte Software und die Datenaustauschformate müssen viele der erforderlichen Informationen manuell zur Verfügung gestellt werden. Dies ist insbesondere für das geplante Multiagentensystem (MAS) ein Problem, da die Agenten einen gewissen Grad an Intelligenz für die autonome Abwicklung anfallender Aufgaben benötigen. Hier stellen Ontologien die semantischen Zusammenhänge her und ermöglichen somit eine einfachere Weiterverarbeitung, indem Begriffe korrekt interpretiert, Gesetze, Normen und Richtlinien beachtet sowie Daten aus verschiedenen Quellen verknüpft werden. So können bereits während der Planung aussagekräftige energetische Simulationen durchgeführt und die technische Gebäudeausrüstung korrekt gewählt und dimensioniert werden. Im Rahmen dieser Arbeit werden dafür die entsprechenden Grundlagen in den Bereichen der energetischen Fassadenkomponenten, Simulationen und Analysen, BIM sowie Ontologien und Semantic Web ermittelt. Darauf aufbauend soll eine Ontologie entwickelt werden, die zur Erzeugung einer Datenbasis zu nutzen ist. Die identifizierten relevanten Informationen sind dabei aus einem digitalen Gebäudemodell zu entnehmen, wobei die Industry Foundation Classes (IFC) den zugrunde liegenden Standard darstellen. Über die Serialisierung eines solchen IFC-Modells in Form eines RDF-Graphen wird eine ABox geschaffen, die zusammen mit dem Schema einer fachspezifischen Domäne (TBox) eine Wissensbasis bildet. Die zunächst gewählte Herangehensweise mit Hilfe von umfassendem OWL-Reasoning führt dabei zu einigen Problemen aufgrund der Redundanz des IFC-Schemas und unzureichender Leistungsfähigkeit der mit dem Java-basierten Semantic-Web-Framework Apache Jena realisierten Inferenzmethoden. Im Anschluss wird daher der Ansatz so angepasst, dass über die Verwendung von Model View Definitions (MVDs) und den damit in Verbindung stehenden Standards dafür gesorgt werden kann, dass Verfügbarkeit und Struktur der zu integrierenden Daten gesichert sind. So könnten ausgehend von den in mvdXML formulierten Vorgaben Regeln für Reasoning-Prozesse hergeleitet werden, mit denen die zuvor festgestellten Probleme vermieden beziehungsweise behoben werden. Zur Demonstration dieses Ansatzes werden für zwei Domänen, die Beleuchtungsanalyse mit Radiance und die Energiebilanzierung gemäß Energieeinsparverordnung (EnEV), geeignete Ontologien konzipiert sowie eine Java-Applikation entwickelt, die ein IFC-Modell mit regelbasierten Inferenzmethoden verarbeitet. Da die angestrebte Automatisierung der zugrunde liegenden Prozesse über den Rahmen dieser Arbeit hinausgeht und die spätere Anwendung im Hinblick auf das Projekt zum Zeitpunkt der Ausarbeitung noch nicht vollständig feststeht, wird die Machbarkeit der gewählten Herangehensweise vorerst exemplarisch anhand von zwei Anwendungsszenarien für die ausgesuchten Domänen demonstriert. Auf diese Weise wird nicht nur der entwickelte Ansatz validiert, sondern auch die potenziell wichtige Rolle hervorgehoben, die Ontologien in einem solchen Kontext zukommen kann.

Typ des Eintrags: Masterarbeit
Erschienen: 2016
Autor(en): Bittner, Timo
Titel: Ontologie-gestützte Erzeugung einer Datenbasis für energetische Simulationen aus verteilten Informationsquellen
Sprache: Deutsch
Kurzbeschreibung (Abstract):

Während die Bundesrepublik Deutschland im internationalen Vergleich bereits zu den führenden Nationen im Bereich der Forschung, Entwicklung und Nutzung erneuerbarer Energien zählt, sind im Rahmen der angestrebten Energiewende ehrgeizige Ziele gesteckt. So sieht das zugrunde liegende Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) vor, bis 2050 den Anteil an der Stromversorgung über Energie aus regenerativen Quellen auf mindestens 80 Prozent zu steigern. Darüber hinaus soll eine wesentliche Reduktion der Treibhausgasemissionen erreicht werden. In diesem Zusammenhang ist auch ein nahezu klimaneutraler Gebäudebestand vorgesehen, der ebenfalls bis Mitte dieses Jahrhunderts umgesetzt sein soll. Für derartige Anlagen werden jedoch große Konversionsflächen benötigt, was wiederum mit erheblichen Eingriffen in die Natur verbunden ist. Hier bieten Dächer und Fassaden großes Potenzial, wenn die Gebäudehülle entsprechend genutzt und auf diese Weise der zusätzliche Platzbedarf für erneuerbare Energien reduziert werden kann. Im Zuge des Forschungsprojekts „Ganzheitliche Integration energetisch aktiver Fassadenkomponenten in Bauprozesse“ werden neue Methoden, Ansätze und Prozessen entwickelt, um relevante Aspekte frühzeitig in den Planungsprozess eines Gebäudes einbinden zu können. Der Fokus liegt hierbei unter anderem auf der Umwandlung von Sonnenenergie zu Strom und Wärme durch den Einsatz gebäudeintegrierter Photovoltaik (BIPV) beziehungsweise gebäudeintegrierter Solarthermie (BIST). Im Kontext des ganzheitlichen Ansatzes für die Gebäudeplanung wird die Methodik des Building Information Modeling (BIM) verwendet. Aufgrund der heterogenen Landschaft in Bezug auf die eingesetzte Software und die Datenaustauschformate müssen viele der erforderlichen Informationen manuell zur Verfügung gestellt werden. Dies ist insbesondere für das geplante Multiagentensystem (MAS) ein Problem, da die Agenten einen gewissen Grad an Intelligenz für die autonome Abwicklung anfallender Aufgaben benötigen. Hier stellen Ontologien die semantischen Zusammenhänge her und ermöglichen somit eine einfachere Weiterverarbeitung, indem Begriffe korrekt interpretiert, Gesetze, Normen und Richtlinien beachtet sowie Daten aus verschiedenen Quellen verknüpft werden. So können bereits während der Planung aussagekräftige energetische Simulationen durchgeführt und die technische Gebäudeausrüstung korrekt gewählt und dimensioniert werden. Im Rahmen dieser Arbeit werden dafür die entsprechenden Grundlagen in den Bereichen der energetischen Fassadenkomponenten, Simulationen und Analysen, BIM sowie Ontologien und Semantic Web ermittelt. Darauf aufbauend soll eine Ontologie entwickelt werden, die zur Erzeugung einer Datenbasis zu nutzen ist. Die identifizierten relevanten Informationen sind dabei aus einem digitalen Gebäudemodell zu entnehmen, wobei die Industry Foundation Classes (IFC) den zugrunde liegenden Standard darstellen. Über die Serialisierung eines solchen IFC-Modells in Form eines RDF-Graphen wird eine ABox geschaffen, die zusammen mit dem Schema einer fachspezifischen Domäne (TBox) eine Wissensbasis bildet. Die zunächst gewählte Herangehensweise mit Hilfe von umfassendem OWL-Reasoning führt dabei zu einigen Problemen aufgrund der Redundanz des IFC-Schemas und unzureichender Leistungsfähigkeit der mit dem Java-basierten Semantic-Web-Framework Apache Jena realisierten Inferenzmethoden. Im Anschluss wird daher der Ansatz so angepasst, dass über die Verwendung von Model View Definitions (MVDs) und den damit in Verbindung stehenden Standards dafür gesorgt werden kann, dass Verfügbarkeit und Struktur der zu integrierenden Daten gesichert sind. So könnten ausgehend von den in mvdXML formulierten Vorgaben Regeln für Reasoning-Prozesse hergeleitet werden, mit denen die zuvor festgestellten Probleme vermieden beziehungsweise behoben werden. Zur Demonstration dieses Ansatzes werden für zwei Domänen, die Beleuchtungsanalyse mit Radiance und die Energiebilanzierung gemäß Energieeinsparverordnung (EnEV), geeignete Ontologien konzipiert sowie eine Java-Applikation entwickelt, die ein IFC-Modell mit regelbasierten Inferenzmethoden verarbeitet. Da die angestrebte Automatisierung der zugrunde liegenden Prozesse über den Rahmen dieser Arbeit hinausgeht und die spätere Anwendung im Hinblick auf das Projekt zum Zeitpunkt der Ausarbeitung noch nicht vollständig feststeht, wird die Machbarkeit der gewählten Herangehensweise vorerst exemplarisch anhand von zwei Anwendungsszenarien für die ausgesuchten Domänen demonstriert. Auf diese Weise wird nicht nur der entwickelte Ansatz validiert, sondern auch die potenziell wichtige Rolle hervorgehoben, die Ontologien in einem solchen Kontext zukommen kann.

Freie Schlagworte: BIM, BIPV, BIST, EnEV, IFC, ifcOWL, Jena, Knowledge Base, Ontologie, ontology, Radiance, Reasoning
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 13 Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwissenschaften > Institut für Numerische Methoden und Informatik im Bauwesen
13 Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwissenschaften
Hinterlegungsdatum: 13 Sep 2016 13:16
Zusätzliche Informationen:

Betreuer: Steffen Franz

Datum der Begutachtung bzw. der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 12 September 2016
Alternatives oder übersetztes Abstract:
AbstractSprache
While the Federal Republic of Germany is already amongst the leading nations worldwide in terms of research, development and use of renewable energy, ambitious goals have been set in order to successfully transition from traditional fossil to regenerative energy sources. The Renewable Energy Sources Act (EEG) provides a timeline until 2050, aiming to increase the electrical power supply on the basis of renewable energy to up to 80 percent. At the same time emissions of greenhouse gases are to be greatly reduced. In this regard it is also envisioned to achieve a climate neutral building stock by mid-century. The facilities needed to reach those goals however have a high demand for space that also entails significant interventions in nature. To alleviate those requirements roofs and facades offer major potential if the building envelope can be utilized, thus reducing the necessary land use for renewable energy systems. For this purpose the research project “Holistic Integration of Energy Active Facade Components in Building Processes” aims to develop new methods, processes and solutions to incorporate the relevant aspects into the early building planning process. One of the key points is the conversion of solar power through Building-integrated photovoltaics (BIPV) to electricity or Building-integrated solar thermal (BIST) systems to thermal energy. In light of the holistic approach the methodology of Building Information Modeling (BIM) is adopted. Due to the heterogeneous circumstances that are encountered relating to the corresponding software and the used data exchange formats a lot of the essential information has to be gathered manually. This is a problem in particular for the contemplated Multi-agent system (MAS) as the agents require a certain degree of intelligence to perform tasks autonomously. Here ontologies can establish the necessary semantic concepts and enable easier further use. They may help to correctly interpret terms and definitions, include applicable laws, standards and guidelines as well as structure and connect data from various sources in a consistent fashion. Through this approach meaningful energy simulation and analysis can be already performed during the planning process allowing the selection and design of optimized solutions. As a result the topics of energy active facade components, simulation and analysis, BIM as well as ontologies and semantic web have to be researched accordingly. Based on the findings an ontology shall be developed that can be used to create an utilizable data base. The identified relevant information is gathered from a digital building model that is made available following the Industry Foundation Classes (IFC) standard. The models are serialized in the form of a RDF graph and function as the ABox of a knowledge base, whereas the TBox is represented by a domain specific ontology. During the initial approach that employed advanced OWL reasoning problems were encountered due to the complex and redundant IFC schema lacking semantic clarity and the poor performance of the semantic web Java framework Apache Jena with regard to the corresponding inference methods. Therefore the approach was modified to utilize Model View Definitions (MVDs) in conjunction with other available standards in order to ensure both the availability and structure of the data that has to be integrated. Here the specifications made via mvdXML could be used to define the rules for a reasoning process that will circumvent or rectify the problems determined previously. To be able to demonstrate the feasibility of the adjusted approach ontologies are devised for two specific domains, lighting simulation with Radiance on the one hand and energy analysis according to the German Energy Saving Ordinance (EnEV) on the other. Afterwards a Java application is developed that will process the IFC models through rule based inference in Apache Jena. Since the pursued automation of the underlying processes exceeds the limits of this work and the precise future implementation and thus the ultimate requirements in the context of the research project are yet to be defined, the chosen course of action is then illustrated within the two selected domains. An application scenario is created for each case that allows for demonstration and validation of the composed data integration approach with the help of a knowledge base. This not only serves as a proof of concept but also highlights the potentially important part that ontologies may play in relation to the identified issues and circumstances.Englisch
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