# De Kunst van Design Patterns, Deel 2: Geavanceerde Patronen in een Onderwaterstad

In deel 1 verkenden we de basis van design patterns en hun toepassing in software en logistiek. Nu schakelen we over naar een hoger niveau met geavanceerde patronen, toegepast op een radicaal ander domein: het ontwerp en beheer van een zelfvoorzienende onderwaterstad. Geen computers of programmeertalen hier, maar een futuristisch systeem van fysieke, ecologische en sociale componenten. Dit artikel wordt een uitgebreide showcase van hoe Chain of Responsibility, Command, Mediator en Visitor samen een complex mechanisme vormen. Pak een kop koffie – dit wordt een lange, technische duik!

# Geavanceerde Design Patterns: Een Inleiding

We richten ons op vier krachtige, minder gangbare patronen die uitblinken in complexe, dynamische systemen:

1. Chain of Responsibility: Taken delegeren door een keten van verwerkers, met flexibele prioriteit.
2. Command: Acties inkapselen als objecten, met ondersteuning voor uitvoering, ongedaan maken en logging.
3. Mediator: Communicatie centraliseren om chaos tussen subsystemen te vermijden.
4. Visitor: Algoritmen scheiden van de structuur waarop ze werken, voor flexibele analyses.

Deze patronen zijn ideaal voor systemen met veel bewegende delen, onzekerheden en interdependenties. Laten we ze loslaten op onze onderwaterstad.

# Use Case: Een Zelfvoorzienende Onderwaterstad

Stel je een stad voor op 200 meter diepte in de oceaan, genaamd Aquatropolis, ontworpen voor 10.000 inwoners. Het is een volledig zelfvoorzienend ecosysteem met:

• Energie: Geothermische en getijdencentrales.
• Voedsel: Hydroponische boerderijen en viskwekerijen.
• Water: Ontzilting en recycling van zeewater.
• Structuur: Modulaire habitats bestand tegen druk en corrosie.
• Sociaal: Onderwijs, governance en noodprotocollen.

De stad moet omgaan met uitdagingen zoals drukschommelingen, biologische verstoringen (bijv. algenbloei), sociale spanningen, en logistieke ketens voor onderhoud en afval. Het is een systeem waarin alles samenhangt: een storing in de energievoorziening kan voedselproductie stoppen, wat sociale onrust triggert. We ontwerpen een "beheerprotocol" met design patterns om dit te orkestreren.

# 1. Chain of Responsibility: Energiecrisisbeheer

Probleem: Energievoorziening is cruciaal, maar bronnen (geothermisch, getijden, reservebatterijen) kunnen falen door aardbevingen, stromingsveranderingen of mechanische slijtage. Het systeem moet storingen diagnosticeren en oplossen in een logische volgorde, zonder downtime te veroorzaken.

Oplossing: Een "EnergyResponseChain" met handlers:

• GeothermalHandler: Controleert geothermische turbines en schakelt over naar secundaire pompen bij drukverlies.
• TidalHandler: Optimaliseert getijdenturbines en compenseert met extra rotatiesnelheid.
• BatteryHandler: Activeert reservebatterijen en prioriteert essentiële systemen (zuurstof, verlichting).
• EmergencyHandler: Start een evacuatieprotocol als alles faalt.

Hoe werkt het?

• Elke handler ontvangt een "energie-incident" (bijv. "stroomdaling van 30% gedetecteerd").
• De handler evalueert of hij het kan oplossen (bijv. GeothermalHandler meet pompdruk en temperatuur).
• Zo niet, wordt het incident doorgestuurd naar de volgende handler.

Technische Diepte: De GeothermalHandler monitort real-time seismische data en thermische gradients (bijv. via sondes die ΔT/Δz berekenen). Als een aardbeving de warmtebron verstoort, schakelt hij naar een redundante pijpleiding, rekening houdend met warmteverlies (Q = mcΔT). De TidalHandler past turbinebladen aan op basis van stromingsvectoren (via Navier-Stokes-simulaties) en balanceert efficiëntie tegen slijtage. BatteryHandler gebruikt een prioriteitenmatrix (zuurstof > voedsel > verlichting) en berekent ontladingscurves om de resterende capaciteit te maximaliseren. EmergencyHandler activeert een fysieke sirene en decompressiekamers, met een "point of no return"-drempel gebaseerd op O₂-niveaus. Deze keten is adaptief, gedecentraliseerd en fouttolerant.

# 2. Command: Habitatonderhoud en Reparatie

Probleem: De modulaire habitats (woonunits, boerderijen, fabrieken) ondergaan constante druk en corrosie. Reparaties variëren van structurele versterking tot lekdichting, en moeten traceerbaar en omkeerbaar zijn om fouten te corrigeren of schade te evalueren. Tegelijkertijd moeten onderhoudsacties gepland worden zonder de stad te ontwrichten.

Oplossing: Een "HabitatCommand"-systeem met commando’s:

• ReinforceStructureCommand: Versterkt een module met extra titaniumplaten.
• SealLeakCommand: Dicht een lek met polymeerinjecties.
• ReplaceComponentCommand: Vervangt een versleten pomp of filter.
• ScheduleMaintenanceCommand: Plant een onderhoudsstop voor een module.

Hoe werkt het?

• Elk commando heeft een execute()-actie (uitvoeren), undo()-actie (ongedaan maken), en metadata (tijd, locatie, impact).
• Een "CommandScheduler" prioriteert en groepeert commando’s (bijv. "dicht lek vóór versterking").
• Een "CommandHistory" logt alles voor audits en rollback.

Technische Diepte: ReinforceStructureCommand berekent spanningen (σ = F/A) en selecteert plaatdikte op basis van hydrostatische druk (P = ρgh). Undo verwijdert platen alleen als drukmetingen stabiel blijven. SealLeakCommand injecteert polymeer met een drukgestuurde pomp (Q = kΔP/μL, Darcy’s wet), en undo zuigt het terug als de afdichting faalt (gecontroleerd via ultrasone lekdetectie). ReplaceComponentCommand coördineert robotarmen met een kinematics-model (bijv. inverse kinematica voor positionering), terwijl ScheduleMaintenanceCommand een Gantt-achtige planning bouwt met downtime-minimalisatie (onderwaterlassers werken in shifts). Dit systeem biedt precisie, flexibiliteit en herstelbaarheid in een vijandige omgeving.

# 3. Mediator: Systeembrede Stabiliteit

Probleem: Aquatropolis heeft subsystemen (energie, voedsel, water, sociale governance) die sterk interdependent zijn. Een storing in de ontzilting (water) stopt hydroponics (voedsel), wat energieverbruik verhoogt (extra pompen) en sociale spanningen veroorzaakt (rantsoenering). Directe koppelingen tussen subsystemen zouden een nachtmerrie van afhankelijkheden creëren.

Oplossing: Een "CityMediator" coördineert alles:

• EnergyModule: Beheert stroomdistributie en bronnen.
• FoodModule: Reguleert boerderijen en viskwekerijen.
• WaterModule: Controleert ontzilting en recycling.
• SocialModule: Monitort bevolkingswelzijn en conflict.

Hoe werkt het?

• Modules rapporteren statussen aan de Mediator (bijv. "WaterModule: ontzilting 50% capaciteit").
• De Mediator beslist over aanpassingen (bijv. "EnergyModule: verhoog stroom naar ontzilting; FoodModule: schakel over naar visrantsoenen").

Technische Diepte: De Mediator gebruikt een regelsysteem met prioriteiten (overleving > comfort > groei). Het integreert sensoren (stroomverbruik in kW, voedselvoorraad in kg, O₂-concentratie in ppm) en simuleert cascades met een systeem-dynamiekmodel (bijv. Vensim-achtige differentiaalvergelijkingen: dW/dt = I – O, waarbij W waterreserve is). Als ontzilting uitvalt, berekent het de minimale energie-input voor 80% capaciteit (P = VI) en stuurt FoodModule om lichtcycli in hydroponics te verkorten (fotosynthese-efficiëntie: μmol/m²s). SocialModule krijgt een "calm protocol" (bijv. educatieve broadcasts om paniek te dempen), gebaseerd op historische stressdata. Dit centraliseert coördinatie en houdt subsystemen autonoom.

# 4. Visitor: Evaluatie van Stadsprestaties

Probleem: Aquatropolis moet regelmatig worden geëvalueerd voor verschillende doelen: ecologische balans (biodiversiteit rond de stad), structurele integriteit (drukbestendigheid), sociale cohesie (inwonersgeluk), en externe rapportage (financiering van bovenwaterinvesteerders). De onderliggende structuur (modules, systemen, bevolking) blijft gelijk, maar analyses verschillen sterk.

Oplossing: Een "CityVisitor"-systeem met specifieke visitors:

• EcologyVisitor: Analyseert impact op zeeleven (bijv. koraalgezondheid).
• StructuralVisitor: Beoordeelt moduleconditie (bijv. corrosieschade).
• SocialVisitor: Meet welzijn (bijv. via enquêtes en activiteit).
• InvestorReportVisitor: Genereert economische metrics (bijv. ROI).

Hoe werkt het?

• Een "CityStructure" (hiërarchie van modules, ecosystemen, bevolking) accepteert visitors.
• Elke visitor doorloopt de structuur en verzamelt data volgens zijn logica.

Technische Diepte: EcologyVisitor meet turbiditeit (NTU) en O₂-verzadiging rond de stad, correleert dit met vispopulaties (via Markov-modellen) en berekent een ecologische voetafdruk (E = ΣR_i / K, waarbij R_i resourcegebruik is en K draagkracht). StructuralVisitor simuleert spanningen met eindige-elementenanalyse (FEA) op elke module (σ_max < σ_yield) en detecteert microscheuren via akoestische emissie. SocialVisitor gebruikt een gewogen index (W = 0.4gezondheid + 0.3onderwijs + 0.3*vrijheid) en past sentimentanalyse toe op gespreksdata. InvestorReportVisitor aggregeert kosten (energie, onderhoud) en opbrengsten (voedselexport), met een NPV-berekening (Net Present Value: NPV = Σ(C_t / (1+r)^t)). Dit scheidt evaluatielogica van de stadskern, waardoor nieuwe analyses slechts een nieuwe visitor vereisen.

# Het Grote Mechanisme: Alles Samen

Deze patronen vormen een samenhangend beheersysteem voor Aquatropolis:

• Een aardbeving triggert een energiecrisis. De Chain of Responsibility schakelt van geothermisch naar batterijen, met EmergencyHandler als laatste redmiddel.
• Een lek in een woonmodule activeert een Command-reeks: SealLeakCommand dicht het, gevolgd door ReinforceStructureCommand, met ScheduleMaintenanceCommand voor latere inspectie.
• De Mediator detecteert de impact (energie daalt, waterdruk stijgt) en stuurt FoodModule om rantsoenen aan te passen en SocialModule om inwoners te informeren.
• Een Visitor-analyse (StructuralVisitor) evalueert de reparatie, terwijl InvestorReportVisitor de kosten rapporteert aan bovenwaterfinanciers.

Scenario in actie: Een onderzeese stroming beschadigt een getijdenturbine. TidalHandler in de keten verhoogt rotatiesnelheid, maar faalt; BatteryHandler neemt over en prioriteert zuurstofpompen. Tegelijkertijd ontstaat een lek in een viskwekerij. SealLeakCommand dicht het met polymeer, en CommandScheduler plant een ReplaceComponentCommand voor de pomp. De CityMediator merkt een daling in visproductie, schakelt WaterModule naar recyclingmodus (minder ontzilting), en verhoogt energie naar hydroponics. SocialModule start een "gemeenschapsupdate" om onrust te beperken. EcologyVisitor meet een tijdelijke O₂-daling in het koraal, en StructuralVisitor bevestigt habitatstabiliteit. Dit mechanisme is zelfcorrigerend, schaalbaar en veerkrachtig.

# Reflectie: Waarom Dit Werkt

Dit onderwaterstad-voorbeeld toont de kracht van geavanceerde design patterns:

• Complexiteit: Het combineert fysica (druk, stroming), biologie (ecosystemen), en sociale dynamiek (welzijn).
• Integratie: De patronen overlappen en vullen elkaar aan, zoals een echt systeem.
• Diepgang: Technische concepten (FEA, thermodynamica, populatiemodellen) maken het realistisch.

Het bewijst dat design patterns universeel zijn – ze structureren chaos, of dat nu in code, natuur of futuristische steden is.

# Conclusie

Chain of Responsibility, Command, Mediator en Visitor zijn meer dan tools – ze zijn een filosofie voor het bouwen van complexe, adaptieve systemen. Aquatropolis laat zien hoe ze een onderwatermaatschappij draaiende kunnen houden, van crisisbeheer tot langetermijnplanning. Dit is slechts één domein; stel je voor wat ze kunnen doen in ruimtekolonies, megasteden of zelfs je eigen projecten.

Wat denk jij? Welk onverwacht systeem zou jij met design patterns aanpakken? Laat het me weten – deze reis is nog lang niet voorbij!