Arbeitspaket 6: Visualisierungsmethoden für Multimodelle und komplexe Interaktionen

Um eine kontextrelevante Präsentation der Projektinformationen zu gewährleisten entwickelt das Arbeitspaket AP6 diverse Visualisierungsmethoden (geometrische, graphentheoretische etc.). Im Fokus der Arbeit sind weiterhin die Erarbeitung einer grundlegenden Visualisierungsontologie sowie die Realisierung einer einheitlichen Navigation in den Informations- und Wissensräumen.

In den folgenden Abschnitten sind die wesentlichen Zwischenergebnisse aus dem Arbeitspaket AP6 im Hinblick auf die folgenden vier Projektphasen zusammengefasst:

Phase 4: Validierung und Demonstration

Die im Arbeitspaket AP6 entwickelten Visualisierungskomponenten waren für die Ausarbeitung der Szenarien sowohl zum Bauprojektmanagement als auch zur Bauablaufsimulation von besonderer Bedeutung. Zum einen für das Verständnis und die Prüfung der Eingangsmodelle und zum anderen für die Darstellung von Filter-, Analyse und Simulationsergebnissen.

Phasenbild der Bauausführung, bei dem die in einer Phase fertiggestellten Bauelemente jeweils mit einer Farbe belegt sind, Institut für Bauinformatik, Technische Universität Dresden

Ein Vielzahl von Multimodell-Visualisierungen wurden für die Demonstrationsszenarien zum Bauprojektmanagement „Nachtragserstellung und -controlling“ und „Leistungs- und Fortschrittscontrolling“ sowie im Rahmen der Simulationsszenarien erstellt. Ziel ist es, transparente Darstellung von geänderten, ergänzten oder gefilterten Multimodelle zu erreichen, um z.B. die Nachtragsleistungen für den Anwender an den betroffenen Bauteilen sichtbar zu machen. Auf der Basis der Leistungsfeststellung durch den AN können beispielsweise Baufortschritt und Mittelabfluss im Kontext der Termin- und Kostenplanungen visuell dargestellt werden. Dafür wird der ausgetauschte Multimodell-Container „Leistungsfeststellung“ in Verbindung mit bestehenden Vorgangsmodellen und Leistungsverzeichnissen in verschiedene Multimodellvisualisierungen überführt, z.B.:

- Gebäudezentriert: mittels verschiedener Skalen eingefärbte 3D-Darstellungen des Bauwerksmodells (Fertigstellungsgrad, Terminerfüllung, abgerechneter Anteil des Budgets)
- Terminplanbasiert: retrospektive und prognostizierende Soll-Ist-Animationen des Terminplans, mit farblicher Hervorhebung der Rückstände und Vorsprünge
- Topologisch: diagrammatische Übersichtsdarstellungen des Fertigstellungsgrades bezogen auf die räumliche Bauwerksstruktur und die Struktur der Leistungsverzeichnisse mit Hilfe von Hierarchical Edge Bundles (HEBs)
- Baustellenbasiert: Überblick über den Baufortschritte im georäumlichen Maßstab

Für die Bearbeitung der Simulationsszenarien wurde die prozessbasierte Simulationsplattform durch einen webbasierten Multimodell-Navigator ergänzt, über den Multimodell-Container mit unterschiedliche detaillierten Fachmodellen verwaltet, geprüft und verglichen sowie die Simulationsergebnisse visualisiert werden können.

Zusätzlich zu den Multimodell-Visualisierungen wurden die Möglichkeiten der intelligenten Visualisierung unterschiedlichster Modell- und Ergebnisinformationen in der Visualisierungsworkbench VizBoard weiter ausgebaut. In den Komponenten werden vor allem Methoden zum Datamining der generischen, semantischen Baudaten sowie deren visuellen Reduktion genutzt. Als Ergebnis entstand eine intelligente Komponente, die dem Nutzer die Navigation in großen Datenmengen und die Auswahl überschaubarer Teilbereiche zur Weiterverarbeitung ermöglicht.

Phase 3: Systementwicklung und Tests

Das Arbeitspaket AP6 befindet sich zurzeit in der dritten Projektphase. Bisher wurden in dieser Phase die Konzepte für die kontextsensitive Visualisierung weiter ausgearbeitet und entsprechende Softwarekomponenten entwickelt. Für ausgewählte Visualisierungs-Anwendungsfälle wurden zunächst Multi-Modelle des Mefisto-Hochhauses aufgebaut und Visualisierungen getestet.

Bauwerkszentrierte Visualisierung LE-/RE-Mengen, RIB Information Technologies AG


Die obige Abbildung zeigt exemplarisch eine konfigurierbare bauwerkszentrierte Visualisierungskomponente für die Darstellung von LE- und -Mengen für unterschiedliche Berichts- oder Abrechnungszeiträumen.

Kontextsensitive Visualisierungstechnologien
Von den Forschungspartnern wurde ein Modell zur Integration von Visualisierungstechniken für Multi-Modelle entwickelt, mit dem Visualisierungsmethoden für die Darstellung einzelner und kombinierter Fachmodelle mit unterschiedlicher Domäne, Version und Detailstufe kombiniert werden können. In den Softwareanwendungen der Projektpartner GIB, RIB und CIB wird das Modell durch einzelne miteinander verknüpfbare Visualisierungskomponenten umgesetzt.
Der Projektpartner MMT entwickelt darüber hinaus ein Softwaresystem, mit dem auch externe Visualisierungskomponenten eingebunden und dynamisch kombiniert werden können. Dabei wird die Visualisierungsontologie genutzt, um Daten semi-automatisch zu annotieren und gekapselte Visualisierungskomponenten zu beschreiben. Ein auf semantischen Technologien basierender Recommendation-Algorithmus empfiehlt je nach aktuellem Nutzer- und Endgerätekontext passende Komponenten zur Visualisierung der gewählten Daten. Zur Evaluation des entwickelten Konzepts wurde begonnen, einen Prototyp umzusetzen, der künftig Teil der Management-Plattform werden soll. Die Benutzerschnittstelle ist so konzipiert, das sie den kontextsensitiven Aufbau einer Benutzerschnittstelle aus UI-Mashups unter Verwendung der Visualisierungsontologie und zugehöriger Visualisierungs-Workflows ermöglicht.

Bauwerkszentrierte Visualisierungen
Ein Schwerpunkt der Entwicklungen war die Visualisierung von Planungs- und Controlling-Informationen am Bauwerk. Als Grundlage der bauwerkszentrierten Visualisierungen wurden von Forschungs- und den Industriepartnern kontextsensitive Nutzerschnittstellen zur Erstellung, Verwaltung und Visualisierung der Multi-Modelle entworfen und die Einbindung in 3D-Viewer (u. A. Oracle, Octaga, OpenIFCTools) untersucht. Für die Darstellung von Controlling-Informationen am Bauwerk wurden Visualisierungskomponenten für die anamorphen (verzerrende) und chorophleten (quantitive Flächenfärbung) Bauwerks-visusalisierungen umgesetzt. Darüber hinaus wurden die Fachmodelle und Visualisierungskomponenten erweitert, um die Visualisierung und die Navigation in unterschiedlichen Hierarchieebenen eines Multi-Modells zu ermöglichen.
Vom Projektpartner RIB wurden die Konzepte für die intelligente kontextsensitive Visualisierung für die im Arbeitspaket AP4 konzipierten Filtermethoden verwendet und mit der Implementierung auf dem Projektserver iTWO begonnen. Durch benutzerspezifische Einstellungen kann das Multi-Modell in seiner Darstellung auf die Präferenzen des Anwenders eingeschränkt werden. Ebenfalls wurde mit der Implementierung der Baufortschrittprozesse als zeitliche Animation der Bauzustände begonnen.

Baustellenzentrierte Visualisierungen
Im Vordergrund der Konzeption und Umsetzung von baustellenzentrierten Visualisierungskomponenten stand die hierarchische und dynamische Navigation von Projektinformationen in unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Kontexten. Hierfür wurden in Abstimmung mit den Arbeitspaketen AP5 und AP7 die Visualisierung der Baustellenplanung und Simulation aus verschieden kommerziellen Programmen (SolidWorks, SketchUP, MS-Project, Plantsimulation) besprochen und erste Integrationskomponenten umgesetzt.

Netzwerkzentrierte Visualisierungen
Im Rahmen der Softwareanwendungen der Projektpartner werden verschiedene Komponen-ten für die netzwerkzentrierte Visualisierung umgesetzt. Neben unterschiedlichen Darstel-lungen zur Navigation von Informations- und Bauausführungsprozessen in Verbindung mit entsprechenden Ressourcen- und Risikoverteilungen sind insbesondere Komponenten für die Visualisierung der im Projekt erstellten Multi-Modelle und ihrer Interdependenzen in der Entwicklung.

Phase 2: Ausarbeitung und Spezifikation

Der Zweck des Arbeitspakets AP6 ist eine bessere Nutzerunterstützung bei der Arbeit mit den großen Datenmengen eines Bauprojektes. Um diesem Ziel einen Schritt näher zu kommen, wurden in der zweiten Projektphase Methoden erarbeitet, welche den mehrdimensionalen Datenraum durch dessen parallele Anzeige in unterschiedlichen grafischen Darstellungen visuell auffalten und so den Erkenntnisgewinn des Anwenders fördern.

Anwendung der visuellen Integrationsmethoden auf die Multimodell-Szenarien, Institut für Bauinformatik, Technische Universität Dresden


Kontextsensitive Visualisierung von Multi-Modellen
In der zweiten Projektphase wurde das Konzept für die intelligente kontextsensitive Visualisierung von Projektinformationen aus Multi-Modellen entwickelt und die hierfür erforderlichen Methoden definiert.
Ausgehend von den in AP5 und AP8 erarbeiteten Simulations- und Projektmanagementszenarien wurden unterschiedliche Formen für die Darstellung einzelner Fachmodelle systematisiert. Darauf aufbauend wurden typische Anwendungsfälle für die Visualisierung von Multi-Modellen ausgearbeitet und die jeweils erforderlichen Visualisierungsmethoden identifiziert. Die Anwendungsfälle unterscheiden sich im Wesentlichen darin, welche Fachmodelle ein Multi-Modell enthält und ob diese (1) in mehreren fachmodellspezifischen Visualisierungen, (2) in einer dieser fachmodellspezifischen Visualisierungen oder (3) in einer neuen fachübergreifenden Visualisierung darstellt werden. Darüber hinaus werden unterschiedliche Nutzeraufgaben, wie das Suchen, Browsen oder Prüfen von Projektinformationen, unterschieden, für die evtl. nur bestimmte Teile oder Abstraktionsstufen der Fachmodelle von Interesse sind.

Visualisierungsontologie
Die Visualisierungsontologie wurde als Grundlage für die kontextsensitive, intelligente Visualisierung entwickelt. Hierfür wurden existierende Taxonomien und erste Ansätze für Ontologien im Gebiet der Visualisierung untersucht und wichtige Bestandteile der virtuellen Organisation auf der Mefisto Plattform definiert. Anschließend wurden wichtige Visualisierungskonzepte und deren Relationen untereinander identifiziert, beschrieben und formalisiert. Sie sind die Basis der semantischen Beschreibung der sogenannten Visualization Plug-Ins, die zur Visualisierung der Daten eingesetzt werden. Mittels der Beschreibung können die Plug-Ins künftig zielgerichtet je nach Situation identifiziert und integriert werden.

Phase 1: Anforderungen und Konzeption

Im Arbeitspaket AP6 wurden in der ersten Projektphase die Anforderungen an die Visualisierungen von Projektinformationen zur Entscheidungsunterstützung auf der Mefisto-Plattform analysiert. Gleichzeitig wurden die Grundlagen für eine Visualisierungsontologie zur semantischen Beschreibung unterschiedlicher visueller Präsentationen begonnen.

Darstellung des Baufortschritts am Gebäudemodell, Lehrstuhl Multimediatechnik, Technische Universität Dresden


Die obige Abbildung zeigt beispielhaft eine der entworfenen Darstellungsformen für die Anzeigen des aktuellen Baufortschritts direkt am Bauwerk.

Visualisierungsaufgaben und -formen
Basierend auf den ersten Szenarioanalysen und der Konzeption des Multi-Modells im Arbeitspaket AP1 wurden unterschiedliche bauwerkszentrierte, baustellenorientierte und topologisch-netzwerkzentrierte Visualisierungen von Projektinformationen aus Multi-Modellen untersucht und den heute in der Praxis des Bauwesens eingesetzten Visualisierungstechniken von Projektinformationen gegenübergestellt. Für die Präsentation der Mefisto-Plattform wurde ein grober Überblick über die Benutzeroberflächen von kollaborativen Plattformen erarbeitet. Hierbei wurden Benutzerschnittstellen von sozialen Netzwerken, Mashups, Business-Intelligence-Lösungen, PC-Spielen und neuartige Desktop-Konzepte berücksichtigt.

Visualisierungsontologie
Als Grundlage für den Aufbau der Visualisierungsontologie wurden grundlegende Modelle der Visualisierung und verschiedene Klassifikationen von zugehörigen Visualisierungstechniken betrachtet. Auf Basis dieser Klassifikation soll die automatische Identifikation von passenden Darstellungen je nach Aufgabe, Daten oder Rolle des Bearbeiters ermöglicht werden. Letztlich wird an neuartigen Visualisierungskonzepten, wie etwa der Darstellung von Kosten oder des Projektfortschritts am 3D-Bauwerksmodell, gearbeitet.

Teilaufgaben des AP6

Anforderungen an die Visualisierung

Hier erfolgt die Formulierung von Anforderungen an die Visualisierung durch die Industriepartner. Dies beinhaltet die Definition der benötigten Sichten, der hierfür relevanten Modelldaten und Spezifikation der Beziehungen zwischen den Sichten. Weiterhin werden Analysen der vorhandenen Visualisierungsmethoden und -schnittstellen durchgeführt und die Strategie erarbeitet, wie Visualisierungsarten durch ein übergreifendes Modellkonzept beschrieben und um kontextsensitive Techniken erweitert werden können.

Visualisierungskonzeption und –ontologie

Diese Teilaufgabe ist der Erstellung eines ganzheitlichen Visualisierungskonzeptes gewidmet. Für die Visualisierung sind Schnittstellen auf XML-Basis zu marktgängigen Darstellungsformaten zu konzipieren. Hier werden auch die Erkenntnisse der anderen Arbeitspakete genutzt. Die entwickelte Bau-Ontologie soll um die Visualisierungsontologie erweitert werden.

Entwicklung intelligenter, kontextsensitiver Visualisierungsmethoden

Einen besonderen Forschungsschwerpunkt bilden Fragen der kontextabhängigen Visualisierung und der dynamischen Adaption modellspezifischer Sichten an Nutzerpräferenzen, Projektzustände oder Detaillierungsgrade. Schwerpunkt ist die Untersuchung und Konzeption intelligenter Visualisierungslösungen und intuitiver Interaktionskonzepte, die das Management von Bauprojekten sowohl in der Planungs- als auch der Ausführungsphase erleichtern.
Entwicklungsziele sind hierbei die Konzeption intuitiver Interaktionstechniken zur Navigation zwischen den verschiedenen Sichten und innerhalb der Modelldaten, die Konzeption intelligenter Filtermechanismen und die Konzeption von Adaptionsmechanismen, die eine kontextabhängige Visualisierung und Filterung der Modell- und Planungsdaten ermöglichen.

Bauwerkszentrierte Visualisierungsmethoden

Das virtuelle Bauwerk eignet sich gut, um einerseits den Baufortschrittsprozess als zeitliche Animation und andererseits die aktuellen Zustände in den verschiedenen Bauprojektmodellen darzustellen. Es ist vorgesehen ein BIM-Modell für die Visualisierung einzusetzen, das durch zusätzliche Objekte und Attribute zu erweitern ist, die die Träger der graphisch zu repräsentierenden Information sind.

Baustellenorientierte Visualisierung

Die baustellen- bzw. produktionsstättenorientierte Visualisierung schließt bei der Informationsdarstellung die Produktionsanlagen mit ein und ist auf die visuelle Vermittlung der Produktionsprozesse und die Darstellung der Prozessvarianten, die das Ergebnis der Simulationen sind, ausgerichtet. Die günstigsten Darstellungsformen sollen erforscht, klassifiziert und als Prototypen entwickelt werden. Dies unabhängig davon, ob die Visualisierung in 3D oder 2D erfolgt.

Topologische netzwerkzentrierte Visualisierung

In dieser Teilaufgabe sollen die Präsentationsmöglichkeiten in und auf topologischen Netzwerken vertieft untersucht werden. Das Ziel von MEFISTO ist es, die komplexen Modelle und Prozesse des Controlling, des Risikomanagements, der Vorgangsabhängigkeiten etc. und deren Interaktionen dem menschlichen Auge bildhaft zu repräsentieren.

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