The design of a building model service

Abstract

Bestehende Software-Architekturen für Gebäudemodell-Dienste orientieren sich stark an den Anforderungen der Entwurfsphase und teilweise auch der Errichtungsphase von Gebäuden.<br />Gegenstand dieser Dissertation ist der Entwurf von Gebäudemodell-Diensten, die sich für die Unterstützung des Betriebs von Gebäuden eignen. Als Referenzanwendung dient simulationsgestützte Beleuchtungsregelung, die ein besonders hochauflösendes und aktuelles Modell erfordert. Das Modell ist daher mit Sensoren und Aktuatoren im Gebäude verbunden, wodurch es laufend aktualisiert wird und für Anwendungen als Schnittstelle zu den Gebäudesystemen dienen kann.<br />Eine breite Palette verschiedener Datenquellen und -senken muss unterstützt und anhaltend hohe Datenraten müssen verarbeitet werden, wobei gleichzeitig rascher Zugriff auf Modelldaten möglich sein muss.<br />Besonderes Augenmerk ist daher auf Performanz, Skalierbarkeit und Modifizierbarkeit zu legen.<br />Im Kern der vorgeschlagenen Architektur steht das Objektmodell in einer bitemporalen (versionierten) Hauptspeicher-Datenbank mit persistenter Speicherung. Die Datenbank ermöglicht serialisierbare Transaktionen mit hoher Nebenläufigkeit durch den Einsatz von Multiversions-Synchronisierung mit Prioritäten. Sowohl die Reihenfolge der Datenbank-Aktualisierungen als auch der gespeicherten Ereignisse kann jederzeit wiederhergestellt werden, indem Daten auch nachträglich in die Versionshistorie eingefügt werden können.<br />Es wird von zwei Arten von charakteristischem Verhalten von Anwendungen ausgegangen: interaktives und Batch-Verhalten. Applikationen mit interaktivem Verhalten werden als Agenten direkt im Modelldienst ausgeführt; Batch-Applikationen können zur Lastverteilung auf anderen Knoten laufen.<br />Die Kommunikation mit Gebäudesystemen wird über asynchrones Messaging abgewickelt. Eine flexible nebenläufige Verarbeitung wird verwendet, um Zielobjekte zu lokalisieren und mit den empfangenen Daten zu aktualisieren. Für interne Kommunikation wird eine einfache asynchrone Messaging-Infrastruktur zur Verfügung gestellt. Code kann zur Laufzeit getauscht werden, um hohe Verfügbarkeit und Modifizierbarkeit zu erreichen.<br />

Existing software architectures for building information model (BIM) servers are focused on supporting the design and construction phases of the building lifecycle. The subject of this dissertation is the design of a building model server to support the operations phase of a building. The prototypical application is simulation-based control, which requires a fine-grained and up-to-date model. The model is therefore connected to sensors and actuators to keep itself updated and to provide an application interface to building systems.<br />A wide range of data sources and endpoints must be supportable, and high rates of incoming data must be handled while ensuring low-latency access to model data. Emphasis must be placed on performance, scalability, and modifiability.<br />The building object model is implemented in a versioned main memory database with persistent backing storage. The database ensures serializable transactions with high concurrency using a variant of multi-version transaction ordering with transaction priorities. Full support for happened-before and known-before ordering of data is provided by allowing retroactive insertion.<br />The distribution design acknowledges two classes of client application behaviours: interactive and batch. Interactive clients can access the model as agents within the building model service for transparent low-latency access; batch applications can be distributed for load distribution.<br />Communication with the building systems is performed through a message-queue infrastructure. A flexible processing pipeline served by thread pools is used to process incoming messages. For internal communications, the model service provides simple generalised message queuing. A facility for runtime-pluggable code is provided to increase modifiability and availability.<br />