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Modell der Stadt Düsseldorf schießt über GKS hinaus:


20.06.1986 - 

Kommunen können bei grafischer DV Land sehen

DÜSSELDORF - Für die Belange der grafischen DV im Bereich der Kommunen sind die Normen des Grafischen Kernsystems (GKS) nicht der Weisheit letzter Schluß. Versuche, eine interaktive Software für das Vermessungs- oder Bauwesen auf GKS-Basis zu finden, scheiterten zumeist. Gut eingeschlagen scheint hingegen die von der Stadt Düsseldorf entwickelte rechnerunabhängige Konzeption mit grafischem Datenbanksystem zu sein.

Für die technischen Ämter einer Großstadtverwaltung haben sich die Anforderungen erweitert und die Aufgabenschwerpunkte verändert. Dem Rückgang der kommunalen Bautätigkeit, nicht zuletzt wegen der fehlenden frei verfügbaren Investitionsmittel, stehen Maßnahmen zur Erhaltung beziehungsweise Verbesserung und zur möglichst optimalen Nutzung der baulichen Vermögenssubstanz in und über der Erdoberfläche sowie der Einrichtungen für eine angemessene Lebensqualität der Einwohner gegenüber.

Sünden und Versäumnisse während des rasanten Wiederaufbaus, insbesondere der Wirtschaft nach dem Krieg, aber leider auch das langjährige Fehlen geeigneter Gesetze, Vorschriften, Instrumente und Erfahrungen zur Verhinderung der zunehmenden Belastung der Umwelt machen es heute um so mehr notwendig, Beeinträchtigungen aufzuspüren, gegebenenfalls Schäden zu beseitigen und neue Umweltbelastungen zu vermeiden. Die technische Verwaltung hat bei dieser umfassenden Aufgabe dann eine große Erfolgschance, wenn die methodischen Voraussetzungen geschaffen sind und die informationstechnischen, also instrumentellen Mittel eingesetzt werden können.

Auch im Bereich der räumlichen Planung muß sich eine moderne Verwaltung auf die sich wandelnden Ansprüche einstellen. Planungsabsichten müssen den Bürgern und Beteiligten gegenüber verständlicher dargestellt werden. Hier ist es geboten, die Ziele der Planung transparent, die Inhalte der Planung, gegebenenfalls unter Berücksichtigung alternativer Lösungsansätze deutlich und die Auswirkungen der Umsetzung einer Planung in die Realität für die Umwelt quantifizierbar zu machen.

Die heutigen Einsatzmöglichkeiten technikunterstützter Informationsverarbeitung sind auch in der öffentlichen Verwaltung geeignet, die Grenzen der automatisierten Datenverarbeitung zu überschreiten. Datenverarbeitung wird zu einem - wenn auch wesentlichen -Teil der automatisierten Informationsverarbeitung, die sich zunehmend auf die Elemente Text, Grafik und Sprache ausweitet. Von Bedeutung ist es, daß diese Elemente zwar oft die Datenverarbeitung nachhaltig ergänzen, aber in einigen Anwendungsgebieten auch bisherige Verfahrenslösungen ersetzen müssen. Bei der Planung von Datenverarbeitungsverfahren ist es daher unerläßlich, das Gesamtspektrum unter Einbeziehung der Möglichkeiten der grafischen Datenverarbeitung zu betrachten, um ein Verfahrensoptimum zu erzielen oder sogar Fehlinvestitionen zu vermeiden.

Der Datenverarbeitungsmarkt bietet eine Vielzahl von Systemen an, die als sogenannte geschlossene Systeme untereinander inkompatibel sind. Die öffentliche Verwaltung ist wegen der Komplexität der Aufgaben und des Zusammenwirkens der datenverarbeitungstechnischen Komponenten gezwungen, aufbauend auf den internationalen und deutschen Normen zusätzliche Standards für die öffentliche Verwaltung festzulegen. Die mit Hilfe dieser Normen und Standards entwickelte Anwendersoftware ist dann innerhalb der öffentlichen Verwaltung kompatibel und austauschbar.

Die Stadt Düsseldorf hat sich intensiv an der Durchführung des bundesweiten Forschungs- und Entwicklungsvorhabens zur Automatisierung der Liegenschaftskarte beteiligt. Ausgehend von diesen Erkenntnissen und aufgrund ihrer Beteiligung an den Normierungs- und Standardisierungsbemühungen für grafische Grundsoftware entwickelte sie sodann umfangreiche grafische Anwendersoftware.

Digitalisiertes Kartenwerk

Notwendige Grundlagen zur Automatisierung aller grafisch orientierten Aufgaben werden durch eine Umstellung des analogen Kartenwerks in eine digitale Form gelegt. Dieser Vorgang ist deshalb von besonderer Bedeutung, weil mit einer Auflösung der bislang standardisierten Maßstäbe, Inhalte und Blattschnitte eine Dynamisierung des Kartenwerks und damit eine individuelle Anpassung an die speziellen Bedürfnisse der technischen Verwaltungen erfolgen kann. Gleichzeitig wird ein nicht unbeachtlicher Rationalisierungseffekt bei der Herstellung und Fortführung der Kartenwerke erreicht.

Düsseldorf hat ein Projekt erfolgreich abgeschlossen und dem Vermessungs- und Katasteramt der Stadt Verfahren zum Produktionseinsatz übergeben, das die Herstellung der noch fehlenden Blätter des Kartenwerks der Stadtgrundkarte und der Liegenschaftskarte (zirka 15 Prozent des Stadtgebiets) mit Hilfe der grafischen Datenverarbeitung unterstützt.

Zur Zeit ist zusätzlich die gesamte Digitalisierung der bereits vorhandenen Blätter des Stadtgrundkartenwerks und der Liegenschaftskarte (85 Prozent des Stadtgebiets) eingeleitet worden. Dieses umfassende Vorhaben geschieht in Kooperation mit den Stadtwerken Düsseldorf AG, die auf der Grundlage dieses digitalen Kartenwerks eine digitale Leitungsdokumentation für ihre Versorgungseinrichtungen für Strom, Gas, Wasser und Fernwärme einrichten will. Vertragliche Vereinbarungen und technische Absprachen gestatten den Stadtwerken die permanente Nutzung der Datenbestände des digitalen Stadtgrundkartenwerks. Ein Vorhaben wie die Digitalisierung eines gesamten Kartenwerks ist um so wirkungsvoller, je schneller ein so umgestelltes Kartenwerk zur Verfügung steht. Bei den Überlegungen, diese Digitalisierungsarbeiten mit eigenem Personal und eigener Hardware ausführen zu lassen oder aber Aufträge an geeignete Ingenieurbüros zu vergeben, fiel die Wahl auf letzteres Verfahren. Erste Ergebnisse solcher Auftragsabwicklungen zeigen, daß die Arbeitsergebnisse einer intensiven Qualitätsprüfung unterzogen werden müssen. Solche Qualitätsprüfungen können sich nicht allein auf Genauigkeitsprüfungen und bildhafte Vergleiche der Kartenwerke beschränken. Hier kommt es insbesondere darauf an, die Leistungsbeschreibungen bezüglich der Objektbildung auf Vollständigkeit und Richtigkeit hin zu überprüfen.

Eine weitere Anwendung betrifft die Flächennutzungsplanung als Teilkomplex der Bauleitplanung. Durch die intensive Beteiligung der Bürger an den Planungsprozessen werden zusätzliche Leistungen von den am Planungsgeschehen beteiligten Dienststellen verlangt. Durch Nutzung der grafischen Datenverarbeitung stehen Hilfsmittel zur schnellen Veränderung der Planungsziele, deren grafische Darstellung und numerische Auswertung zur Verfügung. Auch die reprotechnischen Probleme (Druckvorgänge, Reinzeichnungen) und die Dokumentation der durch Flächennutzungs-Änderungsverfahren permanent fortgeschriebenen rechtsverbindlichen Nachweise werden wirksam unterstützt.

Als eine der ersten Infrastrukturdatenbanken hat Düsseldorf schon vor über zehn Jahren eine Kanaldatenbank eingerichtet. Diese zunächst auf die Benutzung der alphanumerischen Datenverarbeitung ausgerichtete Datenbank wurde in den letzten Jahren so umgestellt, daß eine strikte Trennung zwischen den geometrischen und beschreibenden Daten erfolgt ist. Diese Datenbank, die zunächst als Hilfsmittel für Vermögensberechnungen, hydraulische Berechnungen und zum automatischen Zeichnen von Kanalbestandsplänen vorgesehen war, wird mittlerweile als permanentes Hilfsmittel zur laufenden Aufgabenerfüllung eingesetzt.

Die bereits realisierten Anwendungen der grafischen Datenverarbeitung werden abgerundet mit Anwendungsverfahren zum automatischen Zeichnen von Themenkarten, die in Verbindung mit den Datenbeständen und Auswertungsverfahren eines Planungs-, Informations- und Analysesystems die Phase der Bestandsaufnahme und Bestandsanalyse bei räumlichen Planungen unterstützen helfen.

Nach Verfügbarkeit eines digitalen Kartenwerks der Stadtgrundkarte und der Liegenschaftskarte, das für einen Stadtgebietsbereich von über 90 Prozent in zirka ein bis zwei Jahren zur Verfügung stehen wird, ist die Grundlage für eine gesicherte Ausweitung der grafischen Datenverarbeitung in allen Bereichen der technischen Verwaltung gelegt. Neben Projekten zur Nutzung der Datenverarbeitung bei der Entwicklung von Bebauungsplänen haben nicht zuletzt alle Maßnahmen zum Schutz der Umwelt einen eindeutigen grafischen Bezug. In den von Umwelteinflüssen bedrohten Bereichen Luft, Boden, Gewässer und Grundwasser werden heute schon und mehr noch in der Zukunft wirkungsvoll Datenverarbeitungsverfahren eingesetzt. Besonders bei den Grundwasserkontrollen, den Abwasserproblemen und der Luftüberwachung wird umfassend mit Hilfsmitteln der grafischen Datenverarbeitung gearbeitet werden. Vorläufiges Endziel des Einsatzes der grafischen Datenverarbeitung im Umweltschutz ist die Zusammenfassung aller umweltbeschreibenden Daten und Daten der Umweltbelastung zu einem Umweltkataster, das für Umweltverträglichkeitsprüfungen unterschiedlicher Zielsetzungen eingesetzt werden kann.

Grafische Datenbank dringend notwendig

Maßnahmen des Umweltschutzes leiten über zu den Bereichen der Unterhaltung und Nutzung kommunaler Einrichtungen, deren Automatisierung in Teilbereichen bereits realisiert ist. Hier gilt es, den bereits erwähnten Nachholbedarf aus den Aufbaujahren abzudecken, in denen die durch Neubauten errichteten kommunalen Infrastruktureinrichtungen nicht ausreichend dokumentiert wurden. Es ist allgemein als Mangel anzusehen, daß Kommunalverwaltungen zur Zeit keine geordneten Register führen, die ihre mit großem Kostenaufwand errichteten öffentlichen Einrichtungen (Straßen, Wege, Plätze, Sporteinrichtungen und Grünflächen, kommunale Hochbauten und kommunale Entwässerungsanlagen) nachweisen. Wichtige und unbedingt notwendige Anforderungen an die Revisionsfähigkeit des kommunalen Handelns und der Wirtschaftlichkeit werden verletzt. In allen vorbenannten Bereichen bemüht sich die Stadtverwaltung Düsseldorf, Daten kommunaler Infrastruktureinrichtungen zunächst in dem Umfange zu erheben, wie sie für eine sinnvolle Unterhaltung und Nutzung dieser Einrichtungen unbedingt notwendig sind. Grundlage aller dieser einzurichtenden Kataster ist zunächst ein einheitliches und das gesamte Stadtgebiet überdeckendes Ordnungssystem zur Einordnung dieser sich allmählich konkretisierenden Datensammlungen. Die Straßendatenbank als geometrischer und beschreibender Nachweis der Verkehrseinrichtungen zeigt die Integrationsfähigkeit mit den übrigen Nachweisen kommunaler Infrastruktureinrichtungen, wie zum Beispiel der Kanaldatenbank. Auch die außerhalb der Kommunalverwaltungen liegenden Versorgungseinrichtungen der Energieversorgungsunternehmen und der Deutschen Bundespost werden tangiert.

Nach Abschluß der Normungsarbeiten am grafischen Kernsystem (GKS) sind an verschiedenen Stellen Versuche unternommen worden, eine interaktive grafische Anwendungssoftware für die Belange des Vermessungs- und Planungswesens, der Statistik und des Bauwesens auf Basis des GKS zu entwickeln. Diese Entwicklungen führten zu keinen nennenswerten in der Praxis einsetzbaren Anwendungslösungen für Kommunalverwaltungen. Die Gründe lagen im wesentlichen darin, daß das GKS alle Anwendungen der grafischen Datenverarbeitung von CAD über Kartografie bis hin zur Geschäftsgrafik normiert. Die zuvor aufgeführten Anwendungen verlangen aber wesentlich komplexere und zusätzliche Funktionen der interaktiven grafischen Datenverarbeitung, als sie vom GKS zur Zeit geboten werden können. Für die kommunalen Aufgaben und Leistungsdokumentationen der Energieversorgungsunternehmen werden zum Beispiel als Kern eines interaktiven grafischen Systems eine geografische Datenbank sowie eine Fachdatenverbindung zwischen grafischen Elementen und Fachdaten dringend benötigt. Hinzu kommt, daß die Softwareschnittstelle zu den Anwendungsprogrammen so komfortabel gestaltet sein muß, daß sehr einfach interaktive Anwendungsprogramme entwickelt werden können. Diese Sachlage bedingt das Ausfüllen des freien Raums zwischen dem Kernsystem und den Anwendungsprogrammen mit den notwendigen standardisierten Bausteinen.

Die Stadtverwaltung Düsseldorf entschloß sich aus diesem Grunde, einen eigenen Entwurf einer interaktiven grafischen Grundsoftware zu erarbeiten, der die vielfältigen Anwendungsgebiete der interaktiven grafischen Datenverarbeitung einer Kommunalverwaltung und von Energieversorgungsunternehmen berücksichtigt. Dieser Schnittstellenentwurf ist von Softwarehäusern aufgegriffen worden und als Softwarebibliothek EZS-Interaktiv seit zwei Jahren realisiert. EZS-Interaktiv wird mittlerweile in 17 Installationen innerhalb der Kommunalverwaltungen und Energieversorgungsunternehmen Deutschlands sowie in Installationen in Holland, Österreich und Saudi-Arabien eingesetzt.

Das grafisch interaktive Gesamtsystem basiert auf einem Schalenmodell. Die unterste (innere) Schale stellt für alle höheren (oberen) Schalen gerätenahe Grundfunktionen zur Verfügung. Das beinhaltet auch einen Ausgleich der verschiedenen Intelligenzgrade eines grafischen Geräts. Diese Funktionen können durch GKS erfüllt werden. Empfehlenswert ist es aber hier, Geräte neuerer Konzeption mit einem hohen Intelligenzgrad einzusetzen, bei denen die GKS-Funktionalität in der Hardware enthalten ist. Diese Integration führt zu einem hohem Anwendungskomfort bei der Bedienung dieser grafischen Endgeräte und zu einer gleichzeitigen Entlastung des Rechnersystems, auf dem die interaktive grafische Anwendungssoftware abläuft. Die zweite Schale stellt teilweise eine logische Erweiterung der inneren Schale dar. Sie erweitert die Funktionen, die in weiten Bereichen der grafischen Datenverarbeitung ständig verwendet werden (zum Beispiel Freistellung, Spline-Interpolationen, Menüfeldtechnik, grafische Datenbank und grafische Eingabe). Diese Schale ist die Schnittstelle zum Anwendungsprogrammierer, dessen Anwendungen in der dritten Schale ablaufen.

Die zweite Schale des Modells (EZS-Interaktiv) gliedert sich in neun große Teilbereiche, mit deren Hilfe komfortable anwendungsbezogene interaktive grafische Systeme erstellt werden können. Die einzelnen Bausteine können getrennt und unabhängig voneinander angesprochen werden, für eine einfache und komfortable Anwendungsprogrammierung ist eine sinnvolle Integration der einzelnen Bausteine vorgenommen worden. So können Anwendungsprogramme beispielsweise nur den Baustein "Grafische Datenbank" benutzen oder aber diesen Baustein in einem vollständigen interaktiven grafischen System mit integrierter Bildelementverwaltung anwenden. Im einzelnen stehen folgende Bausteine zur Verfügung:

- Grafische Datenbank,

- Grafische Darstellung,

- Grafische Eingabe,

- Bildstrukturierung,

- Interaktionsteil,

- Menüverarbeitung,

- Informationsroutinen,

- Hilfsroutinen,

- Funktionsinterpreter.

Die einzelnen Bausteine sind über geeignete Systemschnittstellen verbunden, so daß von den einzelnen Bausteinen erzeugte Ergebnisse in den anderen Bausteinen weiterverarbeitet werden können.

Wie bereits vorher erwähnt, ist die grafische Datenbank der Kern einer jeden interaktiven grafischen Anwendung innerhalb der Kommunalverwaltung und der verschiedenen Anwendungen in Energieversorgungsunternehmen. Die grafische Datenbank in EZS-Interaktiv speichert die Grundelemente Gerade, Kreis/Kreisbogen, Spline und Text mit allen zugehörigen Attributen, wie zum Beispiel Strichbreiten, Strichliermuster, Symbole und Farben. Die Speicherung der Koordinaten erfolgt in einem rechtwinkligen Koordinatensystem mit doppelter Genauigkeit wie dem Gauss-Krüger-System. Die Datenbank hat keinerlei räumliche Begrenzungen, so daß sich beliebige Gebiete in einer Datenbank speichern lassen können.

Auch gibt es keine Zugriffsprobleme bei sehr großen Datenbeständen, da die Datenbank mittels eines Rastersystems die Zugriffsgeschwindigkeit, bei jedem Datenbestand, unabhängig von der Größe, optimiert. Typische Zugriffszeiten auf grafische Elemente liegen selbst bei kleinsten Rechnern weit unter einer Sekunde. Eine Strukturierung der Daten nach Objekten und Folien wird vom System mit entsprechenden Modulen unterstützt, Das System bietet fernerhin keine Limitierung in der Anzahl der verwendeten Folien. Sofern die angeschlossenen grafischen Ausgabegeräte eine Folienspeicherung vor Ort vornehmen können, wird die Funktionalität von der grafischen Datenbank genutzt, die dazu führt, daß sehr schnelle Informationswechsel lokal auf dem grafischen Bildschirm erzeugt werden können. Alle grafischen Elemente der Datenbank können mit beliebigen Fachdatenbeständen verbunden werden, sofern diese Fachdatenverwaltungssysteme von einer höheren Programmiersprache wie Fortran, Cobol, Pascal oder C angesprochen werden können. Die Lösung der Stadt Düsseldorf erlaubt sogar den Fachdatenzugriff über die "Einheitlichen höheren Kommunikationsprotokolle" (EHKP) zu anderen im Verbund zusammengeschlossenen Rechensystemen anderer Hersteller (zum Beispiel IBM, Siemens).

Die geometrischen Zugriffsmöglichkeiten sind über ein geometrisches Suchkriterium steuerbar, das heißt, es wird beispielsweise ein Radius vorgegeben, in dem die grafische Datenbank ihre verschiedenen grafischen Suchoperationen ausführt. Der Anwender kann auf diese Art und Weise alle Texte, Linien und Punkte selektieren, die innerhalb des vorgegebenen Fangradius um einen vorgegebenen Punkt liegen. Diese Möglichkeit des "topologischen Suchens" wird sehr intensiv von Energieversorgungsunternehmen genutzt, um die Netzstrukturen der Versorgungsnetze aus der grafischen Datenbank direkt zu ermitteln und entsprechenden Berechnungsprogrammen (Lastflußberechnung, Kurzschlußberechnung) zuzuführen. Die daraus resultierenden Berechnungsergebnisse werden in einem zweiten Schritt sofort in die grafische Datenbank geladen und können so optisch dargestellt werden.

Die Struktur von EZS-Interaktiv ist so aufgebaut, daß eine Portabilität auf fast alle Rechnersysteme mit 32-Bit-Struktur gewährleistet ist. Voraussetzung für eine Implementierung sind ein dialogorientiertes Betriebssystem wie zum Beispiel VAX-VMS, Primos, BS2000, TSO oder Unix. Um eine Portabilität zu gewährleisten, bestand von Anfang an die Forderung, EZS-Interaktiv in vier Softwarekomponenten zu gliedern, von denen drei rechnerabhängig gestaltet sind. Es handelt sich dabei um folgende Teile:

- EZS-Interaktiv Kernsoftware (Standard-Fortran)

- EZS-Interaktiv Ein-Ausgabeschnittstelle für sequentielle Dateien, Direktzugriffsdateien und indexsequentielle Dateien

- EZS-Interaktiv Ein-Ausgabeschnittstellen für die Leitungssteuerung von grafischen Endgeräten.

- EZS-Interaktiv Konvertierungsroutinen, die unterschiedliche Wort- oder Speicherstrukturen der Rechnersysteme ausgleichen.

Die Modulgruppe der Kernsoftware ist in ANS-Fortran erstellt und beschränkt sich im Sprachumfang auf die gemeinsamen Fortran-Sprachelemente der meisten 32-Bit-Rechnerhersteller. Die Kernsoftware enthält keine direkten Ein-Ausgabebefehle zu peripheren Geräten. Jede Ein-/Ausgabe-Operation steuert ein spezielles Modul der EZS-Interaktiv Ein-/Ausgabe-Steuerung an.

Von dieser Modulgruppe werden alle Zugriffe auf sequentielle Direktzugriffsdateien oder indexsequentielle Dateien durchgeführt. Diese Routinen werden an die spezielle Rechner-Betriebssystemumgebung angepaßt und optimiert. Für die Anwendungsprogrammierung ist es sehr sinnvoll, sich dieser Routinen zu bedienen, um mit deren Hilfe eine weitgehende Portabilität der Anwendungsprogramme zu erreichen.

EZS-Interaktiv unterstützt auf der grafischen Ausgabeseite nahezu alle Plotter, Präzisionszeichentische, Personal-Plottersysteme bis hin zu großen Laserplottern. Als grafische Endgeräte werden die Systeme der Firmen Tektronix und Westward unterstützt. Als Rechnersysteme werden zur Zeit in den meisten Installationen alle Modelle der Firmen DEC (VAX) und PRIME eingesetzt.

Die verschiedenen Anwender der Kommunalverwaltung und der Energieversorgungsunternehmen, die bereits EZS-Interaktiv einsetzen, haben sich zu einer Arbeitsgemeinschaft zusammengeschlossen. Innerhalb dieser Arbeitsgemeinschaft werden arbeitsteilig die verschiedenen Anwendungssysteme wie Kartografie, Umweltschutz, Netzinformationssysteme und Leitungsdokumentation entwickelt. Zukünftige Weiterentwicklungen von EZS-Interaktiv beinhalten eine Implementierung von 3D-Grafik und den Einsatz von hochintelligenten grafischen Workstations. Durch die zunehmende Entwicklung von geeigneter Anwendungssoftware für verschiedene Aufgabenbereiche ist ein zunehmendes Interesse auch im In- und Ausland an dieser Lösung zu verzeichnen.