Darstellung und Analyse hydrologischer Topologien auf der Basis ...

3.7 Praktische Umsetzung der entwickelten Verfahren 113
3. wasmod: Dieses Paket beinhaltet Klassen zur Einbindung des Modells WASMOD mit Hilfe
des Java Native Interface.
4. misc: In diesem Paket sind Klassen zur Darstellung des Einzugsgebietes, zum Zugriff auf
WASMOD-Parameterdateien sowie zur Repräsentation verschiedener Typen von Aktivierungsfunktionen
zusammengefasst.
5. oms: Dieses Paket beinhaltet alle Klassen, die für den Datenaustausch zwischen HydroNet und
bereits vorhandenen Komponenten zur Visualisierung und Manipulation benötigt werden.
Die wichtigsten der für die Implementierung des HydroNet verwendeten Klassen sind in Abbildung
3.25 dargestellt. Das UML-Klassendiagramm zeigt die Klasse NN, welche ein generisches vorwärtsgerichtetes
neuronales Netz implementiert. Jedem Objekt dieser Klasse ist dazu je eine Menge von
Instanzen der Klassen Neuron und Link assoziiert. Eine Reihe von Methoden von NN implementieren
Grundfunktionalitäten neuronaler Netze wie etwa das Propagieren eines Eingabevektors durch das
Netz mit dem Ergebnis eines Ausgabevektors (propagate(input:Vector):Vector). Die Objekte
der Klasse Link verwalten je ein zugehöriges Start- und Zielneuron sowie einen Gewichtswert.
Die Klasse Neuron stellt neben Informationen über die aktuelle Aktivierung eines Neurons auch
den Zugriff auf eine assoziierte Aktivierungsfunktion zur Verfügung. Für deren Darstellung wurde
zunächst nur ein Interface ActivationFunction bereitgestellt, um dieses anschließend mit Hilfe
unterschiedlicher Klassen implementieren und so die im Verlauf der Arbeit getesteten Funktionstypen
auf einfache Art und Weise einbinden zu können. Die zur Repräsentation der Funktionstypen implementierten
Klassen besitzen Methoden zur Ermittlung ihrer Funktionswerte und zur Berechnung ihrer
Ableitung. Die den Funktionen zugrunde liegenden Stützstellen werden in einer Matrix gespeichert,
deren Methoden im Fall von Polynomen auch zur Ermittlung der Polynom-Parameter herangezogen
werden können.
Für die Darstellung des HydroNet wurde eine weitere Klasse HydroNet von NN abgeleitet. Hier ist
auch das auf einer Reihe von Besonderheiten des HydroNet aufbauende Lernverfahren implementiert,
ebenso Methoden zum Speichern und Laden von HydroNet-Instanzen auf der Grundlage von XML-
Dokumenten, zur Ermittlung der Aktivierungsfunktionen und Kantengewichte im HydroNet sowie
zur Initialisierung der Düngekantengewichte mit Startwerten. Ein weiterer Unterschied zur Klasse NN
besteht in der Verwendung einer speziellen Klasse zur Kantendarstellung (HydroLink), welche die
Unterscheidung von Grundwasser- und Interflowkanten ermöglicht.
Neben den für die Umsetzung des Optimierungsverfahrens benötigten Klassen wurden weitere zur
Bereitstellung einer Schnittstelle zur Modellierungssoftware WASMOD implementiert. Ziel war eine
möglichst enge Einbindung des Stofftransportmodells in ein Gesamtsystem zur Modellierung, Optimierung
und Ergebnisdarstellung. Da WASMOD als Fortran77-Implementierung vorlag, kam das
Java Native Interface (JNI) zum Einsatz (Liang 1999). Dazu wurde zunächst die gesamte WASMOD-
Implementierung über eine Funktion innerhalb einer nativen Bibliothek bereitgestellt. Die Kommunikation
zwischen dieser Bibliothek und Java-Klassen wurde durch die Bereitstellung von C++-Vermittlungsfunktionen
realisiert, die mit Hilfe des JNI die Wertübergabe zwischen Java-Instanzenvariablen
der nativen WASMOD-Funktion umsetzen. Somit konnte das Stofftransportmodell über eine entsprechende
Java-Klasse mit den notwendigen Eingabedaten zu versehen und seinen Ablauf zu steuern.