Aufgabe 3 - Datenbankmodellierung und Normalisier… · Abitur NRW Informatik LK · Nachtermin 2023

Sachkontext: E-Auto-Ladesäulen-App

Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor setzen $\text{CO}_2$ frei, das erheblich zum Klimawandel beiträgt. Daher strebt Deutschland an, den Straßenverkehr auf Elektrofahrzeuge (E-Autos) zu verlagern. Zu diesem Zweck entstehen bundesweit an zahlreichen Standorten Ladesäulen für E-Autos.

Die Ladesäulen werden von unterschiedlichen Betreibergesellschaften betrieben. Wer sein E-Auto unterwegs laden möchte, muss sich dafür jeweils bei der Betreibergesellschaft der betreffenden Ladesäule registrieren.

Eine Firma stellt eine App bereit, mit der man E-Autos an Ladesäulen verschiedener Betreibergesellschaften laden kann. Dazu hinterlegt die Fahrerin oder der Fahrer in der App eine Kreditkarte und scannt vor dem Ladevorgang den QR-Code der Ladesäule. Anschließend leitet die Firma die Zahlung für den Ladevorgang an die Betreibergesellschaft der Ladesäule weiter.

Die Daten der Firma liegen in einer relationalen Datenbank. Abbildung 1 zeigt einen Teil der Modellierung.

Hinweis: Das Attribut Menge gibt die bei dem Ladevorgang übertragene Energiemenge in kWh an.

Datenbankschema

Das in Abbildung 2 gezeigte Datenbankschema setzt die Teilmodellierung um und wird im Weiteren zugrunde gelegt. Beispieldaten zu diesem Schema finden sich im Anhang.

Implementationsdiagramm der App

Die App soll die Standorte aller Ladesäulen eines bestimmten Steckertyps innerhalb eines vorgegebenen Umkreises um die aktuelle Position der Benutzerin bzw. des Benutzers anzeigen. Abbildung 3 enthält als Implementationsdiagramm einen Ausschnitt der App-Modellierung.

Anlage: Ausschnitt aus den Beispieldaten zum Datenbankschema

Kunde

ID · Name · Emailadresse · Kreditkartennummer

1 · Albert Anger · a@anger.de · 1234-5678-9000-4321

2 · Birte Bolweg · b@bolweg.de · 1212-3434-5656-7878

3 · Christa Ciunta · c@ciunta.de · 1111-2222-3333-4444

Betreiber

Name · Adresse · Bank · Kontonummer

E-Werke Sauerland · Industrieweg 9, 59755 Arnsberg · Voltbank · 987654321

Pottpower · Werkstraße 3, 45219 Essen · Amperekasse · 232323232

Rheinstrom · An der Fabrik 7, 40597 Düsseldorf · Wattsparkasse · 123456789

Westfalenkraft · Gewerbegasse 8, 48143 Münster · Amperekasse · 100000001

Ladesaeule

ID · BetreiberName · Standort · Steckertyp · maximaleLadeleistung

1 · Rheinstrom · Sonnenhang · Typ 2 · 22

2 · Pottpower · Sonnenhang · CCS · 150

3 · Westfalenkraft · Stausee · CCS · 300

4 · Pottpower · Windwinkel · CHAdeMO · 50

5 · Rheinstrom · Windwinkel · Typ 1 · 7

6 · Pottpower · Windwinkel · CCS · 150

7 · Rheinstrom · Windwinkel · CCS · 150

8 · Westfalenkraft · Grüner Strom · Typ 2 · 11

9 · Westfalenkraft · Grüner Strom · Typ 2 · 11

hatGeladen

KundeID · LadesaeuleID · Zeitstempel · Menge

1 · 3 · 2023-03-21-14-27 · 35

1 · 2 · 2023-03-28-07-02 · 21

3 · 8 · 2023-03-30-22-54 · 47

1 · 6 · 2023-04-02-18-43 · 29

3 · 1 · 2023-04-06-09-00 · 38

Anhang: Dokumentationen der verwendeten Klassen

Die Klasse LadeApp

Ein Objekt der Klasse LadeApp stellt der Benutzerin bzw. dem Benutzer auf einem mobilen Endgerät die Funktionen des Ladesystems zur Verfügung. Hier sind nur die für die Bearbeitung des Aufgabenteils e) relevanten Methoden dokumentiert.

Dokumentation der Klasse LadeApp

LadeApp()

Ein Objekt der Klasse LadeApp wird initialisiert.

List<String> gibStandorteImUmkreis(double pEntfernung, String pSteckertyp)

Die Anfrage gibt eine Liste mit den Namen von allen passenden Standorten von Ladesäulen zurück. Dabei gilt:

Die Liste enthält alle Standorte aus der Datenbank, an denen mindestens eine Ladesäule mit dem im Parameter pSteckertyp übergebenen Steckertyp zur Verfügung steht und

bei denen die Entfernung von der aktuellen Position der Benutzerin bzw. des Benutzers maximal den in dem Parameter pEntfernung in km übergebenen Wert hat.

Wenn ein Fehler in der Datenbankverbindung auftritt, wird eine leere Liste zurückgegeben.

double gibEntfernungZurAktuellenPosition(String pStandort)

Es wird die Distanz in km zwischen der aktuellen Position der Benutzerin bzw. des Benutzers und dem im Parameter pStandort übergebenen Standort ermittelt.

Die generische Klasse List

Objekte der generischen Klasse List verwalten beliebig viele, linear angeordnete Objekte vom Typ ContentType. Auf höchstens ein Listenobjekt, aktuelles Objekt genannt, kann jeweils zugegriffen werden. Wenn eine Liste leer ist, vollständig durchlaufen wurde oder das aktuelle Objekt am Ende der Liste gelöscht wurde, gibt es kein aktuelles Objekt. Das erste oder das letzte Objekt einer Liste kann durch einen Auftrag zum aktuellen Objekt gemacht werden. Außerdem kann das dem aktuellen Objekt folgende Listenobjekt zum neuen aktuellen Objekt werden.

Das aktuelle Objekt kann gelesen, verändert oder gelöscht werden. Außerdem kann vor dem aktuellen Objekt ein Listenobjekt eingefügt werden.

Dokumentation der Klasse List<ContentType>

List()

Eine leere Liste wird erzeugt.

boolean isEmpty()

Die Anfrage liefert den Wert true, wenn die Liste keine Objekte enthält, sonst liefert sie den Wert false.

boolean hasAccess()

Die Anfrage liefert den Wert true, wenn es ein aktuelles Objekt gibt, sonst liefert sie den Wert false.

void next()

Falls die Liste nicht leer ist, es ein aktuelles Objekt gibt und dieses nicht das letzte Objekt der Liste ist, wird das dem aktuellen Objekt in der Liste folgende Objekt zum aktuellen Objekt, andernfalls gibt es nach Ausführung des Auftrags kein aktuelles Objekt, d. h., hasAccess() liefert den Wert false.

void toFirst()

Falls die Liste nicht leer ist, wird das erste Objekt der Liste aktuelles Objekt. Ist die Liste leer, geschieht nichts.

void toLast()

Falls die Liste nicht leer ist, wird das letzte Objekt der Liste aktuelles Objekt. Ist die Liste leer, geschieht nichts.

ContentType getContent()

Falls es ein aktuelles Objekt gibt (hasAccess() == true), wird das aktuelle Objekt zurückgegeben. Andernfalls (hasAccess() == false) gibt die Anfrage den Wert null zurück.

void setContent(ContentType pContent)

Falls es ein aktuelles Objekt gibt (hasAccess() == true) und pContent ungleich null ist, wird das aktuelle Objekt durch pContent ersetzt. Sonst bleibt die Liste unverändert.

void append(ContentType pContent)

Ein neues Objekt pContent wird am Ende der Liste eingefügt. Das aktuelle Objekt bleibt unverändert. Wenn die Liste leer ist, wird das Objekt pContent in die Liste eingefügt und es gibt weiterhin kein aktuelles Objekt (hasAccess() == false). Falls pContent gleich null ist, bleibt die Liste unverändert.

void insert(ContentType pContent)

Falls es ein aktuelles Objekt gibt (hasAccess() == true), wird ein neues Objekt pContent vor dem aktuellen Objekt in die Liste eingefügt. Das aktuelle Objekt bleibt unverändert. Falls die Liste leer ist und es somit kein aktuelles Objekt gibt (hasAccess() == false), wird pContent in die Liste eingefügt und es gibt weiterhin kein aktuelles Objekt. Falls es kein aktuelles Objekt gibt (hasAccess() == false) und die Liste nicht leer ist oder pContent == null ist, bleibt die Liste unverändert.

void concat(List<ContentType> pList)

Die Liste pList wird an die Liste angehängt. Anschließend wird pList eine leere Liste. Das aktuelle Objekt bleibt unverändert. Falls es sich bei der Liste und pList um dasselbe Objekt handelt, pList == null oder eine leere Liste ist, bleibt die Liste unverändert.

void remove()

Falls es ein aktuelles Objekt gibt (hasAccess() == true), wird das aktuelle Objekt gelöscht und das Objekt hinter dem gelöschten Objekt wird zum aktuellen Objekt. Wird das Objekt, das am Ende der Liste steht, gelöscht, gibt es kein aktuelles Objekt mehr (hasAccess() == false). Wenn die Liste leer ist oder es kein aktuelles Objekt gibt (hasAccess() == false), bleibt die Liste unverändert.

Die Klasse DatabaseConnector

Ein Objekt der Klasse DatabaseConnector ermöglicht die Abfrage und Manipulation einer relationalen Datenbank. Beim Erzeugen des Objekts wird eine Datenbankverbindung aufgebaut, sodass anschließend SQL-Anweisungen an diese Datenbank gerichtet werden können.

Dokumentation der Klasse DatabaseConnector

DatabaseConnector(String pIP, int pPort, String pDatabase, String pUsername, String pPassword)

Ein Objekt vom Typ DatabaseConnector wird erstellt, und eine Verbindung zur Datenbank wird aufgebaut. Mit den Parametern pIP und pPort werden die IP-Adresse und die Port-Nummer übergeben, unter denen die Datenbank mit Namen pDatabase zu erreichen ist. Mit den Parametern pUsername und pPassword werden Benutzername und Passwort für die Datenbank übergeben.

void executeStatement(String pSQLStatement)

Der Auftrag schickt den im Parameter pSQLStatement enthaltenen SQL-Befehl an die Datenbank ab.

Handelt es sich bei pSQLStatement um einen SQL-Befehl, der eine Ergebnismenge liefert, so kann dieses Ergebnis anschließend mit der Methode getCurrentQueryResult abgerufen werden.

QueryResult getCurrentQueryResult()

Die Anfrage liefert das Ergebnis des letzten mit der Methode executeStatement an die Datenbank geschickten SQL-Befehls als Objekt vom Typ QueryResult zurück.

Wurde bisher kein SQL-Befehl abgeschickt oder ergab der letzte Aufruf von executeStatement keine Ergebnismenge (z. B. bei einem INSERT-Befehl oder einem Syntaxfehler), so wird null geliefert.

String getErrorMessage()

Die Anfrage liefert null oder eine Fehlermeldung, die sich jeweils auf die letzte zuvor ausgeführte Datenbankoperation bezieht.

void close()

Die Datenbankverbindung wird geschlossen.

Die Klasse QueryResult

Ein Objekt der Klasse QueryResult stellt die Ergebnistabelle einer Datenbankanfrage mithilfe der Klasse DatabaseConnector dar. Objekte dieser Klasse werden nur von der Klasse DatabaseConnector erstellt. Die Klasse verfügt über keinen öffentlichen Konstruktor.

Dokumentation der Klasse QueryResult

String[][] getData()

Die Anfrage liefert die Einträge der Ergebnistabelle als zweidimensionales Feld vom Typ String. Der erste Index des Feldes stellt die Zeile und der zweite die Spalte dar (d. h. String[zeile][spalte]).

String[] getColumnNames()

Die Anfrage liefert die Bezeichner der Spalten der Ergebnistabelle als Feld vom Typ String zurück.

String[] getColumnTypes()

Die Anfrage liefert die Typenbezeichnung der Spalten der Ergebnistabelle als Feld vom Typ String zurück. Die Bezeichnungen entsprechen den Angaben in der Datenbank.

int getRowCount()

Die Anfrage liefert die Anzahl der Zeilen der Ergebnistabelle als int.

int getColumnCount()

Die Anfrage liefert die Anzahl der Spalten der Ergebnistabelle als int.

Teilaufgabe a)

a.1

Beschreiben Sie die beiden Entitätstypen Kunde und Ladesaeule des Entity-Relationship-Diagramms in Abbildung 1.

[3 Punkte]

a.2

Erläutern Sie im Sachzusammenhang die Beziehungstypen hatGeladen und betreibt des Entity-Relationship-Diagramms unter Einbeziehung der Kardinalitäten.

[4 Punkte]

a.3

Erläutern Sie, auf welche Weise die Beziehungstypen hatGeladen und betreibt des Entity-Relationship-Diagramms im Datenbankschema realisiert wurden.

[4 Punkte]

Teilaufgabe d)

Die Datenbank der App soll so ergänzt werden, dass Nutzerinnen und Nutzer zusätzlich Angaben zu ihrem E-Auto speichern können. E-Autos desselben Modells besitzen stets den gleichen Anschlusstyp und laden ausschließlich an Ladesäulen mit passendem Steckertyp.

Ein Praktikant schlägt hierfür eine Erweiterung der Relation Kunde vor und nennt zur Verdeutlichung neben dem Relationenschema auch Beispieldaten:

Kunde( ID, Name, Emailadresse, Kreditkartennummer, Modell, Anschlusstyp)

Kunde

ID

Name

Emailadresse

Kreditkartennummer

Modell

Anschlusstyp

1

Albert Anger

a@anger.de

1234-5678-9000-4321

Buzzcar

CCS

2

Birte Bolweg

b@bolweg.de

1212-3434-5656-7878

Nicola

Typ 2

3

Christa Ciunta

c@ciunta.de

1111-2222-3333-4444

Buzzcar

CCS

d.1

Beurteilen Sie das Relationenschema der Relation Kunde, das der Praktikant vorschlägt, bezüglich der ersten drei Normalformen.

[4 Punkte]

d.2

Überführen Sie das Relationenschema der Relation Kunde, das der Praktikant vorschlägt, in die dritte Normalform.

[5 Punkte]