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30.10.1981 - 

Integrierte Informationssysteme für mathematisch-technische Anwendungsgebiete:

Vom reinen Rechnen zur echten Datenverarbeitung

Die Datenverarbeitung wird üblicherweise in kaufmännisch-administrative und technisch-naturwissenschaftliche Anwendungsgebiete eingeteilt. Von den Anfängen der Datenverarbeitung bis zum Beginn der siebziger Jahre bedienten sich beide Anwendungsgebiete sehr unterschiedlicher Methoden und Techniken. Der wesentliche Unterschied bestand in der Tatsache, daß die DV in Wirtschaft und Verwaltung (KDV) andere Fähigkeiten des Computers in Anspruch nahm als die DV in Technik und Naturwissenschaft (TDV). In den letzten Jahren sind die Unterschiede zwischen den beiden Anwendungsbereichen kleiner geworden; sie kamen sich näher, weil Methoden und Strategien aus dem jeweils anderen Bereich übernommen wurden.

Betriebswirtschaftliche und verwaltungstechnische Programme nutzten vornehmlich die hohe Speicherkapazität der DV-Anlage und waren sehr ein-/ausgabeintensiv. Demgegenüber waren die programmierten Rechenschritte einfach und wenig zeitaufwendig.

Mathematisch-technische und naturwissenschaftliche Programme nutzten fast ausschließlich die hohe Rechengeschwindigkeit der DV-Anlage; der Computer wurde wie ein schneller Taschenrechner verwendet. Externer Speicherplatz wurde nicht zur langfristigen Datenhaltung, sondern nur als temporärer Arbeitsspeicher (während eines Programmlaufes) eingesetzt.

Das hat sich geändert:

- Für Wirtschaft und Verwaltung wurden Programme mit komplizierten und aufwendigen Algorithmen entwickelt (Stichwörter: Optimierung, Planungsrechnung).

- In Technik und Naturwissenschaft wurde endlich begonnen, die DV-Anlage auch als Informationsträger zu nutzen.

Im folgenden wird ausschließlich der mathematisch-technisch-naturwissenschaftliche Anwendungsbereich (TDV) betrachtet. Hier hat sich - wie bereits hervorgehoben - im letzten Jahrzehnt ein Wandel vom reinen Rechnen zur echten Datenverarbeitung (Informationsverarbeitung) vollzogen. Ein Beweis für diese Aussage ist die Tatsache, daß mit hohem Aufwand mehrere integrierte Informationssysteme für technische Anwendungen entwickelt worden sind. Die Bezeichnung "lntegriertes Informationssystem (IIS)" hat in der TDV folgende Bedeutung:

Das Wort "integriert" besagt: Die DV-Anlage bearbeitet nicht nur die rechenintensiven Schritte, sondern alle Abschnitte einer Aufgabenstellung; jedes Problem wird komplett vom Computer gelöst. Ein Beispiel aus der Bautechnik:

Früher wurden nur die Verformungen und Schnittgrößen eines statischen Systems mit dem Computer berechnet; alle anschließenden Tätigkeiten (Bemessung, Erstellung von Bewehrungszeichnungen und so weiter) wurden "von Hand" erledigt, da sie weniger rechenaufwendig sind. Integrierte Systeme machen es heute möglich, von der Schnittgrößenberechnung über die Lastfallkombination, die Bemessung und die automatische Erstellung von Konstruktionszeichnungen bis hin zur. Massenermittlung alle Schritte zusammenhängend von der DV-Anlage erledigen zu lassen. Dabei werden zentrale Datenbestände (Dateien, Datenbanken) als verbindendes Glied angelegt, auf die alle Programmteile zugreifen können.

Bei der Planung technischer Objekte werden die notwendigen Bearbeitungsschritte häufig mehrfach durchlaufen; oft sind mehrere Verbesserungen notwendig, bis ein optimaler Entwurf vorliegt. Dabei werden Daten erzeugt, wieder verworfen, verändert und weiterverarbeitet. Die zentralen Datenbestände der integrierten Programmsysteme machen es möglich, daß jeder Bearbeitungsschritt auf die von ihm selbst zuvor erzeugten Daten zugreift. Diese Fähigkeit erspart dem Anwender eine komplette Neueingabe; er braucht dem System lediglich die Änderungswünsche gegenüber dem vorangehenden Durchlauf mitzuteilen.

Das Wort "Informationssystem" besagt: Die in den zentralen Datenbeständen gespeicherten Projektdaten (Eingabedaten und Ergebnisse) können vom Anwender jederzeit nach beliebigen Kriterien durchsucht und abgerufen werden. Derartige Abfragesysteme sind in der KDV seit langem üblich; beispielsweise lassen sich anhand einer Kundenstammdatei alle Auftraggeber aus Nürnberg ermitteln (bei Verwendung des Datenbanksystems UDS lautet die Suchfrage: "GIB KUNDE WENN PLZ = 8500;"). Auf ähnliche Weise lassen sich mit technischen Informationssystemen mathematisch-technische Daten (Berechnungsergebnisse) abrufen. Ein Beispiel: Es sollen alle Punkte eines Stahlbeton-Tragwerks bestimmt werden, an denen die erforderlichen Eiseneinlagen einen Querschnitt (FE) von mehr als 10 cm²/m besitzen; bei Verwendung des technischen Informationssystems IST lautet das erforderliche Suchkommando: "SUCHE * FE > 10.0;". Der Vorteil dieser Arbeitsweise liegt auf der Hand: Es brauchen keine dicken Papierstöße ausgedruckt, gelagert und durchsucht zu werden; der Bearbeiter läßt sich vielmehr nur diejenigen Werte am Bildschirm anzeigen und eventuell ausdrucken, die er gerade benötigt. Außerdem können wesentlich mehr Fragestellungen als mit der herkömmlichen Ausgabeform beantwortet werden (Maximalwerte, sortierte Ausgabe etc.).

Diese integrierten Informationssysteme für mathematisch-technische Anwendungen werden in der Regel kurz als "technische Informationssysteme" bezeichnet. Außer mehreren Systemen für spezielle Anwendungsfälle sind in den letzten Jahren etwa 15 allgemein ausgerichtete Systeme entstanden, von denen wiederum vier Systeme besonders bekannt geworden sind:

ICES Integrated Civil Engineering System (USA)

GENESYS General + System (GB)

REGENT Rechnergestützter Entwurf (D)

IST Informationssystem Technik (D)

Jedes System besteht aus einem Systemkern und eine Reihe von Subsystemen (Programmbausteien). Einige Systeme bezeichnen den Kern als "Steuersystem", "Basissystem" oder "Monitor". Der Kern besteht aus allgemeinen: DV-Routinen (zur Interpretation der Eingabesprache, zur Verwaltung der Datenstrukturen, zur Steuerung des Programmablaufes und so weiter). Im Gegensatz zum Kern lösen die Subsysteme die eigentlichen Fachprobleme; jedes Subsystem ist für einen bestimmten Anwendungsbereich zuständig (etwa für Statik, Klimatechnik, Netzplantechnik). . Die Prozeduren dieser Subsysteme können sich weitgehend auf die Bearbeitung der rein fachlichen Aufgaben beschränken, weil die Lösung der DV-Aufgaben vom Kern erledigt wird. Subsysteme entsprechen also den herkömmlichen Anwendungsprogrammen - gekürzt um die üblichen Verwaltungs- und Steuerroutinen.

Die Gliederung in einen allgemeinen Kern und in fachspezifische Subsysteme (Anwendungsbausteine) bietet folgende Vorteile:

- Die wiederholte Programmierung von DV-Routinen mit gleicher Aufgabenstellung wird überflüssig.

- Dem Programmierer werden vom Systemkern Fähigkeiten angeboten, die in den höheren Programmiersprachen nicht enthalten sind und die zur Lösung technischer Probleme besonders gut geeignet sind.

- Bei der Entwicklung eines Systemkerns kann aus wirtschaftlichen und termintechnischen Gründen ein höherer Aufwand getrieben werden als bei der Erstellung eines Einzelprogrammes. Daher sind die Routinen in der Regel besonders leistungsfähig.

- Der Kern kann zentrale und übergeordnete Aufgaben übernehmen (beispielsweise die Übertragung von Daten zwischen Subsystemen).

Im Kern sind alle maschinenabhängigen Funktionen zusammengefaßt. Damit sind die Subsysteme Hardware-unabhängig und können ohne Änderung auf alle DV-Anlagen übernommen werden, an denen ein Kern verfügbar ist.

- Erweiterungen der Hardware und der System-Software stehen nach Anpassung des Kerns automatisch allen Subsystemen zur Verfügung.

Bei der Beschreibung der Aufgaben eines Systemkerns bietet sich zusammenfassend folgender Vergleich an:

Wie das Betriebssystem einer DV-Anlage die Gesamtheit der Jobs unterstützt und verwaltet, so unterstützt der Systemkern speziell die Programme mit technisch-wissenschaftlicher Aufgabenstellung. Ebensowenig wie ein herkömmliches Anwendungsprogramm Funktionen des Betriebssystems enthält, soll das Subsystem eines technischen Informationssystems Funktionen enthalten, die bereits im Kern vorhanden sind.

Das "lnformationssystem Technik" (IST) ist mit Unterstützung des Bundesministers für Forschung und Technologie als Gemeinschaftsvorhaben entwickelt worden. An dem Gesamtprojekt haben sich folgende Institutionen fachlich oder finanziell in größerem Umfang beteiligt:

- Technische Universität Berlin, Professor Dr. Pahl

- Forschungszentrum des Deutschen Schiffbaus e. V., Hamburg

- Siemens AG, München, Berlin

- IKO Software Service GmbH (IKOSS), Stuttgart

- Bundesverband der Industrieverbände Heizungs-, Klima- und Sanitärtechnik e. V. (BHKS), Düsseldorf

- Elektronisches Rechenzentrum GmbH (ERB), Berlin

- Messerschmitt-Bölkow-Blohm GmbH (MBB), Ottobrunn

- Landesgewerbeanstalt Bayern (LGA), Nürnberg.

Das fertige System wird heute von zahlreichen Institutionen eingesetzt. Um den erreichten Entwicklungsstand zu sichern und weiter auszubauen, haben Entwickler und Anwender einen gemeinnützigen Verein gegründet; er trägt den Namen "Gesellschaft für Technische Informationssysteme e. V. (GTI)".

Das IST-Konzept basiert auf den Erfahrungen, die bei der Entwicklung und dem praktischen Einsatz des Systems ICES gesammelt worden sind. Ein Vergleich zwischen ICES und IST zeigt,

- daß Funktionen von ICES in das IST übernommen worden sind

- daß bei der Programmierung dieser Funktionen zum Teil verbesserte Algorithmen verwendet worden sind

- daß zahlreiche neue Funktionen eingeführt worden sind.

Zur Zeit besteht das IST unter anderem aus folgenden Komponenten:

- Systemkern (BS1000, BS2000, OS/VS)

- Bausteingruppe BAUSTATIK (Hochbau)

- Bausteingruppe TOPAS/TOPDYN/ TOPLOT/TOKOBI (Statik und Schwingungen mit finiten Elementen, einschließlich Lastfallüberlagerung und Bemessung)

- Bausteingruppe ISP (Integriertes Schiffbau-Programmsystem)

- Bausteingruppe HLKK (Heizung Lüftung, Klima, Kälte)

- Baustein INFOTHEK (Datenbanksystem mit Dialogschnittstelle).

Weitere Programmbausteine befinden sich in der Entwicklung. Beispielsweise arbeitet das Umweltbundesamt in Berlin an Subsystemen, die an alle Landesämter für Umweltschutz ausgeliefert werden sollen.

Der IST-Kern unterstützt sowohl den Entwickler von Subsystemen als auch den Endanwender. Im folgenden werden einige Fähigkeiten des Kerns erläutert, die sich als besonders nützlich erwiesen haben.

Dem Endanwender steht zur Formulierung seiner Eingabe eine außergewöhnlich komfortable Kommandosprache zur Verfügung. Sie setzt sich aus Fachbegriffen des jeweiligen Anwendungsgebietes zusammen und ist infolgedessen leicht erlernbar; das gedruckte Protokoll der Eingabe ist ohne weitere Erläuterung verständlich. Beispiele für Eingabekommandos:

BERECHNE LASTFALL 2;

SORTIERE ZEILEN 1 BIS 100 NACH SPALTE 3

DRUCKE VERFORMUNGEN, KNOTEN 18, 22, 24;

Jedes Kommando wird sofort nach der Eingabe vom Kern interpretiert und vom Subsystem ausgeführt, die Reihenfolge der Kommandos ist beliebig. Mit jedem Kommando können vorangehende Angaben korrigiert und ergänzt werden. Diese Eigenschaften machen die Kommandosprache dialogfähig. Die Form der Eingabe ist im Stapel- und im Dialogbetrieb vollkommen identisch.

Folgende Fähigkeit ist gerade für technisch-wissenschaftliche Anwendungen von besonderer Bedeutung:

Die IST-Kommandosprache enthält Sprachelemente, die in der Eingabe herkömmlicher Programme nicht zulässig sind und die nur von höheren Programmiersprachen her bekannt sind: die Variable, die Zuordnung (Ergibt-Anweisung), den arithmetischen Ausdruck, die Schleife, den Sprung und andere. Mit diesen Hilfsmitteln kann der Anwender auf Kommandoebene "programmieren" und die in den Baustein-Prozeduren enthaltenen Fähigkeiten nach Bedarf ergänzen. Beispielsweise kann er Kommandofolgen zur automatischen Generierung von Eingabedaten oder zur Weiterverarbeitung der Berechnungsergebnisse entwickeln.

Diese Kommandofolgen lassen sich auf Wunsch unter einem eigenen Namen abspeichern und künftig ähnlich wie ein Kommando aufrufen; sie werden als "Makro-Kommandos" bezeichnet. Innerhalb dieser Kommandofolgen können bestimmte Eingabewerte als Parameter offengehalten und beim späteren Aufruf mit aktuellen Werten belegt werden.

Das IST besteht aus einer Vielzahl unabhängig voneinander gebundener Phasen (Lade-Moduln). Die Programmbausteine des IST sind also nicht in Form einer Overlaystruktur miteinander verknüpft; das Laden und Verknüpfen der Phasen wird vielmehr vom IST-Kern durchgeführt (der Kern enthält einen dynamischen Lader und Binder). Diese Funktion ermöglicht die Freizügigkeit in der Reihenfolge der Kommandos (nach der Eingabe eines beliebigen Kommandos lädt der Kern sofort die zugehörige Bearbeitungsphase und ruft sie auf). Die Tatsache, daß alle Phasen voneinander unabhängig sind, bringt noch einen zweiten Vorteil mit sich: Will eine Institution die Prozeduren der Bausteine ergänzen und soll dies nicht auf Kormnandoebene, sondem durch neue Baustein-Prozeduren geschehen, so kann diese Institution eigene Phasen hinzufügen, ohne daß dabei eine Änderung der bestehenden Phasen notwendig wird.

Der IST-Kern stellt dynamische Datenstrukturen zur Verfügung (Datenbäume und IST-Tabellen). Diese lassen sich sowohl auf Fortran-Ebene als auch auf Kommandoebene definieren und ansprechen. Sie haben zwei wichtige Eigenschaften:

- Sie sind flexibel und lassen sich der logischen Struktur einer Aufgabe günstig anpassen.

- Die Speicherplatzbelegung erfolgt dynamisch; während eines Laufes findet eine ständige Anpassung an den tatsächlichen Speicherplatzbedarf statt.

Datenstrukturen bis 100 MB

Das IST ist für das Betriebssystem ein gewöhnliches Anwenderprogramm. Beim Laden wird dem IST ein bestimmter Bereich im Arbeitsspeicher (Hauptspeicher) zugewiesen. Der Kern unterteilt diesen Bereich in mehrere Unterbereiche: den Systemkernbereich, den Phasenbereich (für die Baustein-Prozeduren) und den Datenbereich. Die erwähnten Datenstrukturen sind von den Prozeduren sauber getrennt und befinden sich im Datenbereich. Der Programmierer braucht nicht zu prüfen, ob der Datenbereich des Arbeitsspeichers zur Aufnahme der Datenstrukturen ausreicht. Der Kern verwaltet nämlich eine Plattendatei, die als virtuelle Erweiterung des Datenbereiches wirkt (Datenbereichserweiterung DBE). Sobald der Datenbereich im Arbeitsspeicher vollkommen belegt ist, transportiert der Kern alle nicht benötigten Datenbaumäste und Tabellenseiten in die DBE; bei Bedarf holt er sie automatisch zurück. Diese Funktion des Kerns ist auch bei virtuellen Betriebssystemen nicht überflüssig, weil der Kern seinen Transport nach logischen Gesichtspunkten regelt. Außerdem werden in einigen Bausteinen sehr große Datenstrukturen (Matrizen) verarbeitet (bis zu 100 MB); Strukturen dieser Größenordnung können vom automatischen Paging des Betriebssystems nicht verkraftet werden.

Der Kern garantiert die sogenannte "Datendurchlässigkeit". Das heißt: IST-Datenstrukturen, die in einem bestimmten Lade-Modul (in einer bestimmten Phase) aufgebaut worden sind, lassen sich von jeder anderen Phase mit ihrem Namen ansprechen. Gibt der Anwender ein neues Kommando ein, dann wechselt die Bearbeitungsphase im Phasenbereich; trotzdem bleiben die Daten im Datenbereich erhalten und können von der neuen Phase weiterverarbeitet werden. Dieses Prinzip gilt über die Phasen eines einzelnen Bausteins hinaus: Jeder Baustein kann zu den Datengruppen eines anderen Bausteins zugreifen. Der Programmierer braucht keine Maßnahmen zur Übertragung der Daten zu ergreifen; er gibt in seinen Anweisungen lediglich den Namen der Datengruppe und den Namen des Herkunftsbausteins an. Die Datendurchlässigkeit reicht bis zur Kommandoebene: Auch der Endanwender hat mit Hilfe der Eingabekommandos die Möglichkeit, die IST-Datengruppen anzusprechen.

Zur längerfristigen Speicherung von Daten stellt der Kern spezielle IST-Dateien zur Verfügung; sie werden als "Akten" bezeichnet. Um einen Datentransport zwischen dem Arbeitsspeicher und einer IST-Datei zu veranlassen, braucht der Programmierer in seiner Anweisung nur den Namen der Datenstruktur und der Datei anzugeben. Der Kern führt den Transport aus und regelt automatisch die Belegung der Datei.

Der Endanwender hat mit Hilfe der Kommandosprache ebenfalls direkten Zugang zum Inhalt der Dateien. Sofern er berechtigt ist, kann er alle gespeicherten Werte abrufen und auf Wunsch weiterverarbeiten.

Die Steuerung des Datenflusses ist also sowohl auf Baustein- als auch auf Kommandoebene möglich.

Der Kern stellt grafische Funktionen zur Verfügung, die geräteunabhängig und besonders leistungsfähig sind.

Nach Fertigstellung des Systemkerns zeigte sich, daß die realisierten Funktionen nicht nur für technische, sondern auch für administrative Problemstellungen geignet sind. Beispielsweise wird der Datenbank, Baustein INFOTHEK sowohl in der TDV als auch in der KDV eingesetzt (Anwendungsbeispiele: Materialprüfung, Brandforschung, Strahlenschutz, Kundendaten). Damit schließt sich der Kreis: Die Ingenieure und Naturwissenschaftler übernahmen ursprünglich das Prinzip, die Rechenanlage konsequent als Informationsträger zu nutzen, von den Kaufleuten; sie entwickelten auf der Grundlage dieses Prinzips Programmprodukte, die heute wegen ihrer Leistungsfähigkeit wiederum für kaufmännische Anwendungen von Interesse sind.

Aufgrund der Förderung durch den Bund erhalten Siemens-Anwender den IST-Kern zu besonders günstigen Bedigungen (BS1000-Version rund 1000 Mark/BS2000-Version rund 5000 Mark als einmaliges Nutzungsentgelt).