LE 5 OO Concepts in the AEC Sector

Einführung in IT im AEC-Sektor (Grundlagen der Bauinformatik)

• Modul BIG-LE-05 behandelt OO-Konzepte im AEC-Sektor.
• Der Kurs ist BIW 1-07: Grundlagen der Bauinformatik.
• Der Kontext ist BIG-LE-05.

Datenstrukturen

• Primitive Typen (LE-01), Strings/Arrays (LE-02), Einführung in OO-Konzepte (LE-03), Sortieralgorithmen (LE-04), OO-Programmierung (LE-05), UNICODE, I/O-Operationen (LE-06), OO-Konzepte für GUIs (LE-07), Graphen (LE-21), Greedy- (LE-22) und rekursive Algorithmen (LE-23), Bäume (LE-24) und Backtracking (LE-25) sind Bestandteile.

Überblick über IT im AEC-Sektor (BIG-LE-05)

• Die The Industry Foundation Classes (IFC) werden behandelt.
• OO-Techniken wie Klassen und Vererbung werden betrachtet.
• Vererbung wird anhand eines Beispiels erläutert.
• Vererbung in IFC wird betrachtet.
• OO-Techniken wie Polymorphismus werden betrachtet.
• OO-Techniken wie Instanzen von Klassen werden betrachtet.

Literaturhinweise

• Mark A. Weiss (2014): Datenstrukturen und Problemlösung mit Java.
• Sebastian Dörn (2016): Programmieren für Ingenieure und Naturwissenschaftler-Band 1: Grundlagen.
• Building Smart stellt Informationen zum Standard IFC bereit.

IFC: Die Industry Foundation Classes - Zusammenfassung

• Dieser Abschnitt führt in das bekannteste offene BIM Meta Data Model im AEC-Bereich ein, das als Industry Foundation Classes bezeichnet wird.
• Es führt in openBIM ein.
• Es bietet eine „Vogelperspektice“ auf die IFC-Modellierungsschichten.

Terminologie für Building Information Modelling (BIM)

• BIM umfasst Design, Analyse, Planung/Preisgestaltung, Zeichnen/Visualisierung, Herstellung und Betrieb.

Komponenten von IFC (MBA-LE-0104) - Zusammenfassung

• Wichtige Teile/Komponenten des IFC-Meta-Modells werden erläutert.
• Dies umfasst Resource Layer, Core Layer, Interoperability Layer und Domain-specific Application Layer.

Übersicht der IFC 2.x2 Standard Komponenten

• Die IFC ist in vier Schichten organisiert: Resource Layer, Core Layer, Interoperability Layer und Domain-specific Application Layer.
• Die Resource Layer stellt allgemeine Ressourcen bereit.
• Die Core Layer bietet abstrakte, generische Konzepte.
• Die Interoperability Layer definiert Objekte, die von mehr als einer Anwendung gemeinsam genutzt werden.
• Die Domain-specific Application Layer unterstützt Anwendungen, die von Fachexperten genutzt werden.

IFC-Resource Layer

• Die Resource Layer enthält Datenmodelle für Ownership, History und Identification.
• Ownership entspricht den Akteuren, die für die Pflege eines Objekts verantwortlich sind und sich im Laufe der Zeit ändern kann.
• History erfasst Änderungen an der Owner/Application-Kombination.
• Identification bietet ProjectUniqueld und globallyUniqueld.

IFC-Core Layer

• Die Core Layer bietet abstrakte generische Konzepte, die in höheren Definitionen verwendet werden.
• Sie enthält Kernel Schema, Product Extension, Process Extension und Controls Extension.
• Das Kernel Schema definiert allgemeine Konstrukte und behandelt die grundlegende Funktionalität.
• Die Product Extension liefert die Mehrheit der Objektklassen, die die physische Beschreibung eines Gebäudes ausmachen.
• Die Process Extension definiert Klassen zur Darstellung von Prozessen zur Planung und Errichtung eines Gebäudes.
• Die Controls Extension - NICHTS

Interoperability Layer (IL)

• Die Interoperability Layer definiert Objekte, die von mehr als einer Anwendung gemeinsam genutzt werden; IL-Objekte spezialisieren die Core Layer Objekte.
• Beispiele sind Bauelemente, Gebäudeausrüstungselemente, Verteilungselemente, Möbel, Elektrogeräte oder Bauvorschriften.

Domain-Specific Application Layer

• Sie unterstützt Anwendungen, die von Fachexperten genutzt werden.
• Spezifikationen in dieser Schicht sollten klein und einfach bleiben.

OO-Modellierungskonzepte: Vererbung

• Vererbung ist das grundlegende objektorientierte Prinzip zur Wiederverwendung von Code zwischen verwandten Klassen.
• Sie modelliert eine IST-EIN-Beziehung und bildet Hierarchien.
• Java nutzt Vererbung intensiv in seinen Klassenbibliotheken.
• Neue Klassen können der Hierarchie hinzugefügt werden, ohne bestehende Implementierungen zu beeinträchtigen.
• Beim Hinzufügen neuer Child-Klassen sind keine Änderungen an Parent- oder bestehenden Child-Klassen erforderlich.

Vererbungshierarchien

• In einer IST-EIN-Beziehung ist die abgeleitete Klasse eine Variante der Basisklasse und stellt eine Beziehung auf Klassenebene dar.
• Eine Subklasse ähnelt einer Klasse, mit wenigen zusätzlichen Datenmembern und Methoden.
• Hierarchische Beziehungen zwischen Klassen und Subklassen sollen explizit sein, um das Kopieren und Einfügen von Methoden zu vermeiden.
• Maintenance und Versionierung sollen durch die Weitergabe von Änderungen von Klassen zu Subklassen effizient unterstützt werden.
• Es gibt maximal drei Arten von Veränderungen, die in Unterklassen erlaubt sind: neue Felder, neue Methoden und Überschreiben existierender Methoden.
• Das Entfernen von Feldern oder Methoden ist in Unterklassen nicht erlaubt.

Abstrakte Klassen

• Eine abstrakte Klasse dient als gemeinsame Superklasse für andere Klassen.
• Java erfordert die explizite Deklaration abstrakter Klassen, es ist nicht vorgesehen, Instanzen einer abstrakten Klasse zu erstellen.
• Eine Klasse mit mindestens einer abstrakten Methode ist abstrakt.
• Abstrakte Methoden sind nicht dazu vorgesehen, direkt aufgerufen zu werden; stattdessen werden Platzhaltermethoden eingeführt, die von Child-Klassen überschrieben werden.
• Kindklassen können spezifischere Methodendefinitionen enthalten, um Platzhaltermethoden zu überschreiben.
• Abstrakte Klassen können sowohl statische als auch Instanzfelder deklarieren, wobei Instanzfelder typischerweise private sind und durch Konstruktoren initialisiert werden.

Abstrakte Methoden

• Eine abstrakte Methode deklariert eine Funktionalität, die alle daraus abgeleiteten Klassen letztendlich implementieren müssen.
• Sie stellt jedoch keine Standardimplementierung bereit; jede Klasse muss ihre eigene Implementierung bereitstellen.

Abgeleitete Klasse

• Die „Extends“-Klausel deklariert, dass eine Klasse von einer anderen Klasse abgeleitet ist.
• Eine abgeleitete Klasse erbt alle Eigenschaften der Basisklasse und kann Datenmember hinzufügen, Methoden überschreiben und neue Methoden hinzufügen.
• Jede abgeleitete Klasse ist eine völlig neue Klasse.
• Zusätzliche Datenfelder werden dem privaten Abschnitt der abgeleiteten Klasse hinzugefügt.
• Methoden der Basisklasse, die nicht in der abgeleiteten Klasse angegeben sind, werden unverändert vererbt.
• Private Methoden der Basisklasse können nicht im privaten Abschnitt der abgeleiteten Klasse überschrieben werden, da dies die IST-EIN-Beziehung verletzen würde. Auch wenn es keine direkte Beziehung gibt.
• Methoden der Basisklasse, die (erneut) im öffentlichen Abschnitt der abgeleiteten Klasse deklariert werden, werden überschrieben.

Beispiel für eine abstrakte Klasse

• Der Programmierer hat versucht, zu signalisieren, dass der Aufruf von Shape's area ein Fehler ist, indem er -1 zurückgibt.
• Darüber hinaus wird dieser Wert zurückgegeben, wenn area bei der Erweiterung von Shape nicht überschrieben wird.
• Dieser Fehler beim Überschreiben kann aufgrund eines Tippfehlers auftreten.
• Eine bessere Lösung, um einen Überschreibungsfehler hervorzuheben, ist es: eine Laufzeitausnahme in der Elternklasse auszulösen.
• Dies ist vorzuziehen, -1 zurückzugeben.

Vererbung in UML modellieren

• Vererbung zeigt an, dass eine Subklasse eine spezialisierte Form einer Superklasse ist bzw. die Superklasse eine verallgemeinerte Form der Subklasse darstellt.
• Die Superklasse wird auch als "Elternklasse", "Basisklasse" oder "Superklasse" bezeichnet.
• Die Subklasse wird auch als "Kindklasse", "abgeleitete Klasse" oder "erbende Klasse" bezeichnet.
• In UML wird die Generalisierung durch ein hohles Dreieck am Ende der Linie dargestellt, die die Superklasse mit einer oder mehreren Subklassen verbindet.

Vererbung im IFC

• Die Vererbung wird verwendet, um Bauelemente im IFC zu modellieren.
• ifcRoot ist die Wurzel der Vererbungshierarchie im IFC.
• ifcBuildingElement ist ein Supertyp von ifcBeam, ifcColumn, ifcDoor, ifcFooting usw.
• Building Elements werden durch Attribute wie Globalld, Owner History, Name und Description modelliert.

Polymorphismus

• Polymorphismus in Programmiersprachen und Typtheorie ermöglicht eine einzige Schnittstelle für Entitäten unterschiedlicher Typen oder die Verwendung eines einzelnen Symbols zur Darstellung mehrerer verschiedener Typen.
• Methodenüberladung ist eine Möglichkeit, wie OO-Programmiersprachen Polymorphismus implementieren.
• Dies ermöglicht Definitionen von zwei Methoden mit gleichem Namen innerhalb derselben Klasse, solange ihre Parameterdeklarationen unterschiedlich sind.

Polymorphismus in Java

• Polymorphismus ist ein wichtiges objektorientiertes Prinzip.
• Eine polymorphe Referenzvariable kann Objekte verschiedener Typen referenzieren.
• Operationen, die auf die Referenz angewendet werden, werden automatisch entsprechend dem referenzierten Objekt ausgewählt.
• Dynamic Dispatch, Late Binding und Dynamic Binding sind weitere Begriffe, die für Polymorphismus verwendet werden.
• In Java sind alle Referenztypen polymorph.

Extends-Anweisung

• Diese Anweisung ist geeignet, wenn die Kindklasse ein Subtyp der Superklasse ist.
• Jede Operation, die eine Parent-Klasse ausführen kann, muss auch die Child-Klasse unterstützen.
• Es muss in der Zukunft möglich sein, der Parent-Klasse Operation hinzuzufügen.
• Option #1: die nicht unterstützte Methode wird überschrieben mit einer Implementierung, die eine Ausnahme auslöst
• Option #2: die gesamte Hierarchie wird neu gestaltet

Finale Methoden

• Eine abgeleitete Klasse kann Basisklassenmethoden entweder überschreiben oder akzeptieren.
• Das Schlüsselwort „FINAL“ macht eine bestimmte Basisklassenmethode über die Hierarchie hinweg invariant, d. h. eine abgeleitete Klasse kann die Basisklasse nicht überschreiben.

Finale Klassen

• Dies ähnelt der finalen Methode, d. h. eine finale Klasse kann nicht erweitert werden.
• Somit sind alle Methoden einer finalen Klasse (automatisch) finale Methoden.
• Klassen mit ausschliesslich finalen Methoden sind nich zwingend auch finale Klassen
• Finale Klassen werden auch als Leaf Klassen bezeichnet.

Zusammenfassung der vier Arten von Klassenmethoden

• Abstrakte Methoden: Das Überschreiben wird zur Laufzeit aufgelöst; die Basisklasse bietet keine Implementierung und ist abstrakt.
• Finale Methoden: Diese werden verwendet, wenn die Methode über die Vererbungshierarchie hinweg invariant ist.
• Statische Methoden: Das Überschreiben wird zur Kompilierzeit aufgelöst (kein steuerndes Objekt).
• Andere Methoden: Das Überschreiben wird zur Laufzeit aufgelöst; die Basisklasse bietet eine Standardimplementierung, die entweder überschrieben oder von abgeleiteten Klassen unverändert übernommen werden kann.

Grundlegende Modellierungsprinzipien für BIM

• Eine Klasse: eine Abstraktion in objektorientierten Programmiersprachen;; sie fasst Struktur und Verhalten zusammen, definiert Attribute und Operationen für alle ihre Instanzen, und Attribute und Operationen können an die Objekte der Unterklasse vererbt werden.
• Eine abstrakte Klasse: Es dient lediglich dazu, gemeinsame Attribute und Operationen zu modellieren. Es wird niemals instantiiert; sie stellt verallgemeinerte Konzepte im Anwendungsbereich dar.

IT-Objekt

• Ein IT-Objekt ist eine Instanz einer Klasse.
• Es hat eine Identität, speichert Attributwerte and gehört zu genau einer Klasse.
• Attribut ist ein benannter Slot in der Instanz, wo ein Wert gespeichert ist
• Datentyp stellt verwendungszwecks für gültige Operationen sicher -> hat eindeutigen Namen -> dient von anderen Datentyp zu unterscheiden -> hat Zweck und Member
• Ein IT-Objekt hat einen Zustand, ein Verhalten und eine Identität.
• Zustand umfasst (statisch) Eigenschaften eines Objekts
• Verhalten ist wie sich das Objekt in Bezug auf Zuständsänderung und Nachrichtenübermittlung verhält.
• Identität welches dasObjekt von allen anderen unterscheidet. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Struktur und Verhalten ähnlicher Objekte in ihrer GEMEINSAMEN KLASSE definiert sind.
• INSTANZ und OBJEKT sind austauschbare Begriffe.