Aufgabe 1 - Objektorientierte Modellierung · Abitur NRW Informatik GK · Haupttermin · Weiterbildungskolleg 2021

Aufgabenstellung:

Ein Projektkurs zum Thema „Klimawandel“ plant, eine Software zu entwickeln, mit der Wetterdaten verwaltet und ausgewertet werden können.

Dem Kurs stehen hierfür Daten von Wetterstationen aus ganz Deutschland zur Verfügung, jeweils mit eindeutigem Stationsnamen und zugehöriger Stadt. Abhängig von ihrer Ausstattung erfasst jede Wetterstation unterschiedliche Messwertarten (z. B. die Temperatur in °C oder die Windgeschwindigkeit in km/h). Zu jeder Messung werden die Messwertart, der Messwert und der Zeitpunkt abgelegt (vgl. Abbildung 1).

Das nachstehende Implementationsdiagramm zeigt einen ersten Modellierungsentwurf zur Verwaltung der Wetterdaten. Die Klassendokumentationen sind im Anhang zu finden.

Anhang: Dokumentationen der verwendeten Klassen

Die Klasse Wetterdatenverwaltung

Objekte der Klasse Wetterdatenverwaltung verwalten Wetterstationen mit ihren Messungen.

Auszug aus der Dokumentation der Klasse Wetterdatenverwaltung

Wetterdatenverwaltung() Ein Objekt der Klasse Wetterdatenverwaltung wird initialisiert.

List<Wetterstation> gibWetterstationen() Eine Liste mit allen Wetterstationen wird zurückgeliefert.

Wetterstation gibWetterstation(String pStationsname) Die Wetterstation mit dem Namen pStationsname wird zurückgeliefert. Wenn zu diesem Namen keine Wetterstation existiert, dann wird null zurückgeliefert.

void fuegeHinzu(Wetterstation pWetterstation) Die Wetterstation pWetterstation wird der Wetterdatenverwaltung hinzugefügt, wenn der Stationsname bisher noch nicht existiert. Sonst geschieht nichts.

void fuegeHinzu(Wetterstation pWetterstation, Messung pMessung) Wenn die Wetterstation pWetterstation in der Wetterdatenverwaltung existiert, dann wird dieser Station die Messung pMessung hinzugefügt. Sonst geschieht nichts.

Double ermittleEtwas(String pMesswertart, int pJahr) Diese Methode soll in Teilaufgabe b) analysiert werden.

Die Klasse Wetterstation

Objekte der Klasse Wetterstation verwalten ihren Stationsnamen, ihre Stadt und ihre Messungen.

Auszug aus der Dokumentation der Klasse Wetterstation

Wetterstation(String pStationsname, String pStadt) Ein Objekt der Klasse Wetterstation wird mit dem Stationsnamen pStationsname und der Stadt pStadt initialisiert.

String gibStationsname() Der Stationsname wird zurückgeliefert.

String gibStadt() Die Stadt wird zurückgeliefert.

List<Messung> gibMessungen() Eine Liste mit allen Messungen dieser Wetterstation wird zurückgeliefert.

void fuegeHinzu(Messung pMessung) Die Messung pMessung wird hinzugefügt.

Double ermittleMaximum(String pMesswertart) Für die im Parameter übergebene Messwertart pMesswertart wird der höchste dokumentierte Messwert der jeweiligen Wetterstation ermittelt. Wenn für die Wetterstation kein Messwert dieser Messwertart vorliegt, dann soll null zurückgeliefert werden.

Diese Methode soll in Teilaufgabe c) hinzugefügt werden.

Die Klasse Messung

Objekte der Klasse Messung verwalten ihre Messwertart, ihren Messwert und ihren Zeitpunkt.

Auszug aus der Dokumentation der Klasse Messung

Messung(String pMesswertart, double pMesswert, int pJahr, int pMonat, int pTag, int pStunde, int pMinute) Ein Objekt der Klasse Messung wird mit der Messwertart pMesswertart, dem Messwert pMesswert und dem Zeitpunkt der Messung initialisiert.

String gibMesswertart() Die Messwertart wird zurückgeliefert.

double gibMesswert() Der Messwert wird zurückgeliefert.

int gibJahr() Das Jahr wird zurückgeliefert.

int gibMonat() Der Monat wird zurückgeliefert.

int gibTag() Der Tag wird zurückgeliefert.

int gibStunde() Die Stunde wird zurückgeliefert.

int gibMinute() Die Minute wird zurückgeliefert.

Die generische Klasse List<ContentType>

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 Double

Ein Objekt der Klasse Double verwaltet als Inhalt eine Dezimalzahl.

Auszug aus der Dokumentation der Klasse Double

Double(double value) Ein Objekt der Klasse Double wird mit dem Inhalt value initialisiert.

double doubleValue() Liefert den double-Wert dieses Double-Objektes zurück.

a)

Beschreiben Sie, in welchen Beziehungen die Klassen der in Abbildung 2 dargestellten Teilmodellierung zueinander stehen.

Begründen Sie im Sachkontext, weshalb es zweckmäßig ist, die Datensammlungen der Wetterstationen und der Messungen jeweils als lineare Liste statt als Feld (Array) umzusetzen. [5 Punkte]

d)

Nachdem der erste Prototyp der Software getestet wurde, wird klar, dass das Projekt erweitert werden muss, um wirklich aussagekräftige Ergebnisse zu liefern. Folgende Anforderungen sollen zusätzlich umgesetzt werden:

i. Die Wetterdatenverwaltung soll – für eine bestimmte Messwertart – den kleinsten Messwert zurückliefern können.

ii. Um möglichst schnell zu jeder Messung die zugehörige Wetterstation ermitteln zu können, soll eine Messung auch Kenntnis über ihre Wetterstation haben. Eine Messung soll ihre Wetterstation auch zurückliefern können.

iii. Der Projektkurs möchte in Zukunft auch mobile Messungen durchführen können, z. B. mit Wetterballons oder Treibbojen. Eine mobile Messung soll weiterhin einer Wetterstation zugeordnet sein. Zusätzlich soll nur für jede mobile Messung ihre Position in Form von zwei Werten gespeichert werden (z. B. 51.955013, 7.611646). Beide Werte sollen auch abgerufen werden können.

Modellieren Sie die oben aufgeführten Anforderungen, indem Sie das Implementationsdiagramm aus Abbildung 2 erweitern.

Erläutern Sie, auf welche Weise die zweite und die dritte Anforderung in Ihrem Implementationsdiagramm umgesetzt sind.

Hinweis: Unveränderte Klassen, Methoden und Attribute aus dem Implementationsdiagramm in Abbildung 2 müssen nicht dargestellt bzw. angegeben werden. [13 Punkte]

e)

Ein Schüler schlägt vor, dass man die Klassen Wetterstation und Messung durch eine neue Klasse Wetteraufzeichnung ersetzen sollte. Im Folgenden werden Beispieldaten für Wetteraufzeichnungen dargestellt:

Stationsname · Stadt · Messwertart · Messwert · Zeitpunkt

Botanischer Garten · Berlin · Temperatur · 17.0 · 2020-08-04 09:01

Botanischer Garten · Berlin · Temperatur · 18.4 · 2020-08-04 10:02

Botanischer Garten · Berlin · Temperatur · 20.6 · 2020-08-04 12:07

Leuchtturm · Kiel · Windgeschwindigkeit · 2.0 · 2019-08-03 10:02

Leuchtturm · Kiel · Windgeschwindigkeit · 20.0 · 2019-12-31 12:07

Zugspitze · Garmisch-Partenkirchen · Temperatur · -10.3 · 2019-12-31 09:01

Zugspitze · Garmisch-Partenkirchen · Windgeschwindigkeit · 20.0 · 2019-12-31 09:01

Zugspitze · Garmisch-Partenkirchen · Temperatur · 4.0 · 2020-08-04 13:01

Zugspitze · Garmisch-Partenkirchen · Windgeschwindigkeit · 32.0 · 2020-08-04 13:01

Teststation · Soest · (noch keine Messungen vorhanden)

Die Klasse Wetterdatenverwaltung würde dann eine Liste von Objekten der Klasse Wetteraufzeichnung verwalten.

Der Schüler behauptet, dass man aus dieser einen Liste von Wetteraufzeichnungen schließlich auch alle Informationen auslesen könne, sein Vorschlag einfacher zu implementieren sei und sonst keine nennenswerten Nachteile habe.

Begründen Sie ausgehend von der Behauptung des Schülers, weshalb der Alternativvorschlag nicht angenommen werden sollte. [7 Punkte]