Kategorie: Modell und System

Sektion 01 Modell und System

Definition

Kapi­tel inner­halb der Ter­mi­no­lo­gie Smart Ener­gy zum Begriff Modell und Sys­tem basie­rend auf einer attri­bu­ti­ven Beschrei­bung von Originalen

Quel­le: kei­ne

Abkür­zung: kei­ne

Bemer­kung: kei­ne

Bezie­hun­gen: hat den Ober­be­griff Ter­mi­no­lo­gie Smart Energy

Einführung zu Grundbegriffen der Sektion 01

Lis­te der Begriffe

• Anla­ge
• Attri­but
• attri­bu­ti­ves System
• Attri­but­klas­se
• Aus­gangs­schnitt­stel­le
• Eigen­schaft
• Eigen­schaf­ten­klas­se
• eigent­li­ches Attribut
• Ein­gangs­schnitt­stel­le
• Funk­ti­on
• Funk­tio­nen­klas­se
• Gerät
• Kom­po­nen­te
• Kom­po­nen­ten­klas­se
• Kul­tur
• kyber­ne­ti­sches System
• kyber­ne­ti­sches Systemmodell
• Modell
• Natur
• Netz­werk
• Objekt
• onto­lo­gi­sches Energiesystemmodell
• onto­lo­gi­sches Systemmodell
• Ope­ra­ti­on
• Ori­gi­nal
• Prä­di­kat
• Prä­di­kat­klas­se
• Raum
• Rela­ti­on
• Rela­tio­nen­klas­se
• Schnitt­stel­le
• Sys­tem
• Sys­tem aus Systemen
• Sys­tem­ag­gre­gat
• Sys­tem­ar­chi­tek­tur
• Sys­tem­mo­dell
• Sys­tem­um­ge­bung, Umwelt
• unei­gent­li­ches Attribut
• Zeit

Modell

Um den Begriff Ener­gie­sys­tem zu defi­nie­ren, wer­den die Begrif­fe Sys­tem und Sys­tem­mo­dell benö­tigt. Davor soll aber der grund­le­gen­de Begriff Modell ein­ge­führt wer­den, um das Ver­hält­nis zwi­schen Sys­tem und Sys­tem­mo­dell strin­gent her­zu­lei­ten. Nach­fol­gen­de Ein­füh­rung zu den genann­ten Begrif­fen basiert auf [Sta­cho­wi­ak, H. (1973)].

Um Ori­gi­na­le von etwas zu beschrei­ben und dabei bezüg­lich ihrer Haupt­ei­gen­schaf­ten zu abs­tra­hie­ren, bedarf es eines Modells. Das Modell stellt nach Sta­cho­wi­ak das ver­meint­lich objek­ti­ve Erkennt­nis­ge­bil­de in einer für das abbil­den­de Sub­jekt bestimm­ten Gedan­ken­kon­struk­ti­on dar, die auch durch Sub­jek­ti­vi­tät und Per­spek­ti­vi­tät geprägt ist.
Ein Modell ist somit ein Abbild von etwas sowie auch Vor­bild für etwas und kann damit als Reprä­sen­ta­ti­on eines bestimm­ten Ori­gi­nals defi­niert wer­den, wobei das Ori­gi­nal natür­li­chen oder künst­li­chen Ursprungs und wie­der­um auch selbst ein Modell sein kann.

Ent­spre­chend der gram­ma­ti­ka­li­schen Ver­bin­dung von Nomen und Verb beim Satz­auf­bau mit Sub­jekt und Prä­di­kat wer­den nach Sta­cho­wi­ak sowohl Ori­gi­na­le als zu erfas­sen­de Objek­te als auch deren Model­le als Men­ge von Indi­vi­du­en sowie deren Attri­bu­ten gedeutet.
Man spricht von der attri­bu­tie­ren­den Objekt­er­fas­sung (z.B. Die Erde ist eine Kugel mit „Erde“ als Indi­vi­du­um sowie „ist eine Kugel“ als Attri­but). Dabei wird das Indi­vi­du­um als Ding, eine Enti­tät oder ein­zel­nes Sei­en­des definiert.
Attri­bu­te wie­der­um sind
—    Eigen­schaf­ten (oder Merk­mal als rea­li­sier­te Eigen­schaft) von Individuen,
—    Rela­tio­nen (oder Bezie­hung) zwi­schen Individuen,
—    Operationen,
—    Eigen­schaf­ten von Eigenschaften,
—    Eigen­schaf­ten von Relationen,
— usw.

Einem belie­bi­gen Ori­gi­nal sind also stets wohl­un­ter­scheid­ba­re, nicht wei­ter zu zer­le­gen­de Teil­ob­jek­te – die Indi­vi­du­en — zuzu­spre­chen, die poten­ti­ell oder tat­säch­lich Trä­ger von Eigen­schaf­ten sind und denen gege­be­nen­falls Rela­tio­nen und Ope­ra­tio­nen auf­ge­prägt wer­den können.
Dabei kön­nen aber objekter­stel­len­de Ele­men­te in einem Zusam­men­hang Attri­but-Funk­ti­on und in ande­ren Zusam­men­hän­gen Indi­vi­du­um-Funk­ti­on haben. Inso­fern ist zur obi­gen Lis­te zu ergän­zen, dass Attri­bu­te auch Indi­vi­du­en sein können.
Die­se Teil­ob­jek­te als Indi­vi­du­en eines Ori­gi­nals wer­den auch Attri­bu­te 0. Stu­fe oder unei­gent­li­che Attri­bu­te genannt, um der prin­zi­pi­el­len Ver­tausch­bar­keit von Indi­vi­du­en und Attri­bu­ten gerecht zu wer­den (z.B. im Modell „Die Erde ist eine Kugel“ ist der Begriff „Kugel“ ein Attri­but, aber kann in ande­rem Kon­text Indi­vi­du­um sein).
Den Indi­vi­du­en zuge­ord­ne­te Eigen­schaf­ten, Rela­tio­nen und Ope­ra­tio­nen wer­den wie­der­um eigent­li­che Attri­bu­te oder auch Attri­bu­te 1. Stu­fe genannt. Da jedes Indi­vi­du­um auf­grund der Ver­tausch­bar­keit auch zum Attri­but wer­den kann, gibt es kei­ne Indi­vi­du­en per se.

In einem Zusam­men­hang ste­hen­de Ele­men­te, die über eine „attri­bu­tie­ren­de Objekt­er­fas­sung“ beschrie­ben wer­den, erhal­ten die Bezeich­nung Attri­but­klas­se. Dabei kön­nen Attri­bu­te in unter­schied­lichs­ter Aus­prä­gung defi­niert wer­den, z.B. als Axio­me und Axiom­klas­sen, als Zustän­de oder als Kon­struk­ti­ons- und Herstellungsanweisungen.

Attri­bu­te kön­nen gespro­chen, geschrie­ben oder sym­bo­li­siert sprach­lich arti­ku­liert wer­den. Ver­wen­det wer­den dazu Prä­di­ka­te als sprach­li­che Arti­ku­la­tio­nen von Attri­bu­ten aller Stu­fen pri­mär wahr­ge­nom­me­ner Gebil­de. Die Sum­me der Attri­bu­te eines wahr­ge­nom­me­nen Ori­gi­nals bil­det die Attri­but­klas­se. Jede Attri­but­klas­se kann durch eine Prä­di­kat­klas­se sym­bo­li­siert werden.

Zusam­men­fas­send ist fest­zu­hal­ten, dass die Abbil­dung eines Ori­gi­nals auf ein Modell durch Erfas­sung von Indi­vi­du­en als unei­gent­li­che Attri­bu­te der 0. Stu­fe und von eigent­li­chen Attri­bu­ten der 1. Stu­fe (Ope­ra­tio­nen, Eigen­schaf­ten, Rela­tio­nen) erfolgt. Die Men­ge aller Attri­bu­te des Modells ist eine Attri­but­klas­se, die durch eine Prä­di­kat­klas­se sym­bo­li­siert wird.

System

Ori­gi­na­le kön­nen Sys­te­me bil­den. Somit wird für eine Teil­men­ge der durch Model­le abge­bil­de­ten Ori­gi­na­le der Begriff Sys­tem benutzt. Die­se Ver­wen­dung ist gül­tig, wenn das Ori­gi­nal nach IEV 151–11-27 [DKE-IEV] als Gesamt­heit mit­ein­an­der in Ver­bin­dung ste­hen­der Objek­te, die in einem bestimm­ten Zusam­men­hang als Gan­zes gese­hen und von ihrer Sys­tem­um­ge­bung abge­grenzt sind, betrach­tet wer­den kann.

Ana­log zur Erfas­sung eines Ori­gi­nals durch eine Attri­but­klas­se und deren Sym­bo­li­sie­rung durch eine Prä­di­kat­klas­se kann ein Sys­tem als attri­bu­ti­ves Sys­tem beschrie­ben wer­den. Dabei befin­det sich im Kon­text des Sys­tem­be­grif­fes jedes Ele­ment mit jedem ande­ren Ele­ment der­sel­ben Klas­se in (wenigs­tens) der­art einer Zusam­men­hangs­re­la­ti­on, dass die Gesamt­heit der Klas­sen­ele­men­te ein „ein­heit­lich geord­ne­tes Gan­zes“ bleibt. Dies umfasst die prin­zi­pi­el­le Erreich­bar­keit jedes Attri­bu­tes von jedem ande­ren Attri­but ohne Umweg über ein ande­res Attri­but (z.B. y in Abhän­gig­keit von x, d.h. y(x), aber nicht y in Abhän­gig­keit von t in der Form y(x(t))).
Ein attri­bu­ti­ves Sys­tem ist wie­der­um ein kyber­ne­ti­sches Sys­tem, wenn wenigs­tens eine Teil­men­ge der Indi­vi­duen­men­ge aus Indi­vi­du­en besteht, die zeit­ak­ti­ve Ele­men­te sind, denen also ein zeit­ab­hän­gi­ges Input-Out­put-Ver­hal­ten zukommt. Zwei­tens muss das Sys­tem ein sta­bi­les Sys­tem sein, d.h. ein Sys­tem im Gleich­ge­wicht oder mit dem Durch­lauf einer Zustands­fol­ge einem Gleich­ge­wicht ent­ge­gen­stre­ben. Not­wen­dig für die Sta­bi­li­tät eines kyber­ne­ti­schen Sys­tems ist Rück­kopp­lung. In einer geschlos­se­nen Ket­te zeit­ak­ti­ver Ele­men­te ist damit der Out­put eines Ele­men­tes auf den Input eines ande­ren Ele­men­tes zurückzuführen.

Jedes der die Gesamt­heit bil­den­den Objek­te eines attri­bu­ti­ven Sys­tems wird im Wei­te­ren Kom­po­nen­te genannt, wobei die­se Gesamt­heit wie­der­um von der Sys­tem­um­ge­bung abge­grenzt ist. Eine Kom­po­nen­te kann wei­ter durch Unter­be­grif­fe spe­zia­li­siert wer­den (z.B. Gerät, Anla­ge oder Netz­werk).  Über eine Schnitt­stel­le oder deren Viel­zahl kann die Gesamt­heit der Kom­po­nen­ten eines Sys­tems mit der Sys­tem­um­ge­bung inter­agie­ren, indem Attri­bu­te über Schnitt­stel­len wir­ken. Die Schnitt­stel­len brin­gen das Sys­tem also in Rela­ti­on zur Systemumgebung.
Eigen­schaf­ten der Sys­tem­um­ge­bung haben als Ein­gang­s­at­tri­bu­te an den Schnitt­stel­len Ein­fluss auf das Sys­tem. Ana­log gilt, dass Eigen­schaf­ten des Sys­tems als Aus­gang­s­at­tri­bu­te an den Schnitt­stel­len Ein­fluss auf die Sys­tem­um­ge­bung haben.
Indem Attri­bu­te auf die Sys­tem­um­ge­bung wir­ken und die Sys­tem­um­ge­bung wie­der­um auf das Sys­tem ein­wirkt, wird Rück­kopp­lung möglich.
Durch Inter­ak­ti­on des Sys­tems mit der Sys­tem­um­ge­bung ändert sich der Zustand des Systems.
Jeder Kom­po­nen­te eines Sys­tems kann ein Ort im Raum zuge­ord­net wer­den, der durch Koor­di­na­ten beschrie­ben wird. Der Zustand der Kom­po­nen­ten sowie die an den Schnitt­stel­len genutz­ten Attri­bu­te ändern sich mit dem Attri­but Zeit.

Syn­onym zum Begriff Sys­tem­um­ge­bung wird auch der Begriff Umwelt genutzt, wobei die Umwelt wie­der­um in nicht vom Men­schen geschaf­fe­ne Aspek­te unter dem Begriff der Natur sowie in vom Men­schen geschaf­fe­ne Aspek­te unter dem Begriff der Kul­tur unter­teilt wer­den kann. Natur und Kul­tur stel­len aber wech­sel­sei­tig bedin­gen­de Betrach­tun­gen der gesam­ten Umwelt dar.
Die Funk­ti­on (Ope­ra­tio­nen) eines Sys­tems beein­flusst die Umwelt als Sys­tem­um­ge­bung. Gleich­zei­tig wird das Sys­tem durch Funk­tio­nen ande­rer Sys­te­me in der Umwelt beein­flusst. Dies betrifft auch den erwei­ter­ten Rah­men belie­bi­ger Sys­te­me der kul­tu­rel­len und natür­li­chen Ein­fluss­sphä­re, die die Hand­lungs­mög­lich­kei­ten des Sys­tems sowie die Nutz­bar­keit exter­ner Poten­tia­le begrenzen.
Poli­ti­sche Struk­tu­ren als Teil­sys­te­me einer Gesell­schaft besit­zen bei­spiels­wei­se die Funk­ti­on zum Erlass von Geset­zen und Regu­la­ri­en, die ein Sys­tem in sei­nem Wir­ken ein­schrän­ken. Eigen­schaf­ten der umge­ben­den Natur wie­der­um beein­flus­sen­den das Poten­ti­al der auf das Sys­tem über Schnitt­stel­len wir­ken­den Eigenschaften.

Systemmodell

Das Sys­tem wird durch ein Sys­tem­mo­dell als ver­ein­fa­chen­des Abbild des ori­gi­na­len Sys­tems beschrieben.
Es exis­tie­ren ver­schie­de­ne Modell­ty­pen, die die Anfor­de­run­gen an ein attri­bu­ti­ves Sys­tem erfül­len. Für den hier nach­fol­gend ver­wen­de­ten Kon­text wird ein onto­lo­gi­sches Sys­tem­mo­dell zur Ein­tei­lung der Indi­vi­du­en und Attri­bu­te des Sys­tems ein­ge­führt. Wei­ter­hin wird ein kyber­ne­ti­sches Sys­tem­mo­dell zur Abbil­dung eines kyber­ne­ti­schen Sys­tem­ori­gi­nals genutzt.

Um zu ent­schei­den, ob ein Sys­tem mit einem bestimm­ten onto­lo­gi­schen Sys­tem­mo­dell abge­bil­det wer­den kann, wird eine über­prüf­ba­re Men­ge von Ele­men­ten (unei­gent­li­che Attri­bu­te) sowie deren Ope­ra­tio­nen, Eigen­schaf­ten und Rela­tio­nen (eigent­li­che Attri­bu­te) benö­tigt. Zu die­sem Zwe­cke wird das nach­fol­gend beschrie­be­ne onto­lo­gi­sche Sys­tem­mo­dell benutzt, mit dem die Attri­bu­te der betrach­te­ten Sys­te­me in bestimm­te Attri­but­klas­sen ein­ge­ord­net wer­den kön­nen, um mit einem ver­ein­fa­chen­den Abbild das ori­gi­na­le Sys­tems zu beschreiben.

Das genutz­te onto­lo­gi­sche Sys­tem­mo­dell glie­dert das Sys­tem mit­tels der vier nach­fol­gen­den Attributklassen.
1.    Kom­po­nen­ten­klas­se (Indi­vi­du­en als unei­gent­li­che Attri­bu­te des Systems),
2.    Eigen­schaf­ten­klas­se (Eigen­schaf­ten als eigent­li­che Attri­bu­te des Systems)
3.    Funk­ti­ons­klas­se (Funk­tio­nen sind Ope­ra­tio­nen und damit eigent­li­che Attri­bu­te des Systems)
4.    Rela­ti­ons­klas­se (Rela­tio­nen / Bezie­hun­gen zwi­schen den Kom­po­nen­ten des Sys­tems als eigent­li­che Attri­bu­te des Systems)

Eine Sys­tem­ar­chi­tek­tur umfasst ins­be­son­de­re die Beschrei­bung von Rela­tio­nen der Kom­po­nen­ten eines Sys­tems und damit die Ord­nung oder Struk­tu­rie­rung des ent­spre­chen­den Sys­tems. Die Rela­tio­nen wer­den im Sys­tem­mo­dell der Rela­tio­nen­klas­se zugeordnet.
Dabei wer­den zur Ver­gleich­bar­keit der Abbil­dung der Rela­tio­nen in unter­schied­li­chen Sys­tem­ar­chi­tek­tu­ren iso­mor­phe (gleich­ge­stal­ti­ge) Abbil­dungs­vor­schrif­ten benö­tigt. Die­sem Anspruch dient ein gemein­sa­mes Sys­tem­ar­chi­tek­tur­mo­dell, um bei unter­schied­li­chen Ori­gi­nal­ar­chi­tek­tu­ren von Sys­te­men ein gemein­sa­mes Ver­ständ­nis zu erreichen.

Systeme aus Systemen

Ein Sys­tem besteht – wie aus­ge­führt — aus unei­gent­li­chen und eigent­li­chen Attri­bu­ten, die alle in einer direk­ten Rela­ti­on ste­hen kön­nen. Ent­hält ein Sys­tem eine bestimm­te Men­ge von Attri­bu­ten inner­halb einer Attri­but­klas­se (Prä­di­kat­klas­se) und ver­bin­det sich mit einem ande­ren Sys­tem der glei­chen Attri­but­klas­se ent­steht ein Sys­tem­ag­gre­gat. Die Ver­bin­dung eines Sys­tem­ag­gre­ga­tes mit glei­chen Attri­but­klas­sen ist wie­der­um ein Sys­tem­ag­gre­gat. Ana­log ver­hält es sich mit der Ver­bin­dung eines Sys­tem­ag­gre­ga­tes mit einem Sys­tem glei­cher Attri­but­klas­se zu einem neu­en Systemaggregat.

Damit mit der Ver­ei­ni­gung zwei­er Sys­te­me wie­der­um ein Sys­tem ent­steht (Sys­tem aus Sys­te­men), muss wenigs­tens ein neu­es Attri­but hin­zu­kom­men. Die­ses Attri­but muss min­des­tens zwei­stel­lig sein, d.h. es muss min­des­tens ein Ele­ment eines Sys­tems mit min­des­tens einem Ele­ment des ande­ren Sys­tems verknüpfen.
Die Auf­ga­be besteht also dar­in, die Basis­at­tri­bu­te des Sys­tem­mo­dells (Kom­po­nen­ten, Funk­tio­nen, Eigen­schaf­ten, Rela­tio­nen) zu identifizieren.
Wer­den nun zwei Sys­te­me mit glei­chen Basis­at­tri­bu­ten mit­ein­an­der ver­bun­den, ent­steht ein Systemaggregat.
Ein Sys­tem kann genau dann aus meh­re­ren Sys­te­men bestehen, wenn beim Zusam­men­schluss min­des­tens ein Attri­but hin­zu­kommt, das in kei­nem der Sys­te­me vor­kommt und min­des­tens zwei Attri­bu­te der Sys­te­me mit­ein­an­der verbindet.
Das poli­ti­sche Sys­tem Euro­pa besteht bei­spiels­wei­se aus den poli­ti­schen Sys­te­men der Mit­glieds­staa­ten und dies wie­der­um aus poli­ti­schen Struk­tu­ren in Regio­nen, wäh­rend dar­in die poli­ti­schen Sys­te­me von Städ­ten wir­ken. In jeder die­ser neu­en Struk­tu­ren kommt eine neue legis­la­ti­ve Kom­po­nen­te hin­zu, die in unter­ge­ord­ne­ten poli­ti­schen Struk­tu­ren nicht existiert.

Somit las­sen sich ein­ge­bet­te­te Sys­te­me zu umfas­sen­de­ren Sys­te­men orga­ni­sie­ren, wobei Netz­wer­ke als Kom­po­nen­ten des Sys­tems die Ver­bin­dung zwi­schen den Schnitt­stel­len der Sys­te­me her­stel­len. Da meh­re­re zusam­men­ge­setz­te Sys­te­me sich wie­der­um zu einem umfas­sen­de­ren Sys­tem zusam­men­set­zen las­sen, ist die­se Ket­te ein­ge­bet­te­ter Sys­te­me rekur­siv belie­big fortsetzbar.

Verweise

DKE-IEV. (2017). Deut­sche Online-Aus­ga­be des IEV. Inter­na­tio­nal Elec­tro­tech­ni­cal Voca­bu­la­ry Frank­furt. DKE.