基于UML的城市污水處理系統建模

1統一建模語(yǔ)言（UML）及相關(guān)技術(shù)介紹

面向對象的分析與設計（OOA Management Group）所接受，發(fā)布了UML的標準版。如今，UML已成為公認的最好的分析和設計面向對象軟件的標準建模語(yǔ)言[1]，而不是建模方法。它不包含任何具體的過(guò)程，即它并不講述如何運用面向對象的概念與原則去進(jìn)行系統建模[2]，而只是定義了用于建模的各種元素，以及由這些元素所構成的各種圖的構成規則。這使得UML作為一種建模工具，在面向對象領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的用途，特別是針對城市污水處理這樣一個(gè)復雜系統。Rational Rose是Rational公司推出的一款支持UML可視化建模的工具軟件，它包括了用例、邏輯、組件和部署視圖，支持面向對象分析和設計，在不同的視圖中建立相應的UML圖形，反應系統的不同特征。

從UML建模應用的角度看[3]，一個(gè)最大的特點(diǎn)就是在設計一個(gè)系統時(shí)采用面向對象技術(shù)，一般需要經(jīng)過(guò)以下三個(gè)步驟：（1）功能需求的描述；（2）根據功能需求建立系統的靜態(tài)模型；（3）在靜態(tài)視圖的基礎上，分析和設計系統的動(dòng)態(tài)行為。

總的來(lái)說(shuō)，UML是一種定義良好、易于表達、功能強大且普遍適用的建模語(yǔ)言。它融入了軟件工程領(lǐng)域的新思想、新方法和新技術(shù)，而且它的作用域不限于支持面向對象的分析與設計，還支持從需求分析開(kāi)始的軟件開(kāi)發(fā)的全過(guò)程[4].

2城市污水處理仿真軟件的建模仿真

2.1用例建模

用例圖（Use Case Diagrams）是由軟件需求到最終實(shí)現的第一步，在UML中用例圖用于對系統、子系統或類(lèi)的行為的可視化，以便系統的用戶(hù)更容易理解這些元素的用途，也便于軟件開(kāi)發(fā)人員最終實(shí)現這些元素。在UML建模過(guò)程中，可以使用用例圖對系統的語(yǔ)境進(jìn)行建模，強調系統外部的參與者。

UML中的用例描述了一組用例、參與者以及它們之間的關(guān)系，因此用例圖包括三方面內容：用例（Use Case）；參與者（Actor）；參與者之間的關(guān)系，包括泛化關(guān)系、包含關(guān)系、擴展關(guān)系等。

（1）定義系統目標與角色：通過(guò)對污水仿真系統功能的分析，本系統的開(kāi)發(fā)目標是提供一個(gè)運行穩定、仿真準確、功能完備的被控對象，主要使用者是驗證控制方案的學(xué)生，因此學(xué)生是本仿真系統的主要角色；（2）分析角色與系統的交互，確定系統用例：一個(gè)良好的被控對象，仿真結果的準確性是最起碼的要求，同時(shí)要求能夠靈活設置參數，高效地進(jìn)行過(guò)程控制，實(shí)時(shí)數據的趨勢顯示，仿真結果的數據存取。據此，污水處理系統的主要用例有7個(gè)，分別是：參數設置、歷史趨勢顯示、數據存取、3D通訊、處理工程控制、重置冷態(tài)和轉PLC外部控制。PLC外部控制是其下一步擴展功能，其主要職責是處理下位機的信號數據，用戶(hù)還可以通過(guò)擴展的3D通訊接口實(shí)現逼真的現實(shí)模擬。

圖1描述了污水仿真軟件總用例，其中描述的用例實(shí)際上就是污水仿真系統中的一個(gè)子系統功能，在實(shí)際的功能需求分析與設計中，用例粒度的大小根據實(shí)際的功能需求來(lái)界定。

2.2污水處理系統的業(yè)務(wù)流程分析與設計

用例圖只是表達了系統的功能需求，沒(méi)有描述系統隨時(shí)間變化的行為，這些行為是用從靜態(tài)視圖中抽取系統的瞬間值的變化來(lái)描述的。UML時(shí)序圖描述了對象之間傳遞消息的時(shí)間順序，它用來(lái)表示用例中的行為順序，是強調消息時(shí)間順序的交互圖。時(shí)序圖包括4個(gè)元素：對象（Object）、生命線(xiàn)（Lifeline）、激活（Activation）和消息（Message）。污水處理系統的操作時(shí)序圖如圖2所示。

這張操作時(shí)序圖描述了污水仿真軟件的一般性操作流程：首先登錄仿真系統，驗證用戶(hù)名及其密碼，經(jīng)過(guò)后臺驗證后進(jìn)入主界面；在操作主界面，用戶(hù)可以使用默認的參數值，例如進(jìn)水流量、曝氣池容積、DO濃度、曝氣空氣流量、COD濃度等關(guān)鍵參數，也可以根據控制方案的需要修改初始參數值；用戶(hù)可以配置運行環(huán)境，如仿真步長(cháng)、仿真時(shí)間等參數；接著(zhù)，封裝為獨立類(lèi)的污水仿真引擎，對外表現為一個(gè)黑箱，僅開(kāi)放接收數據和顯示數據的接口，內部進(jìn)行迭代仿真運算；用戶(hù)此時(shí)可以從擴展的3D通訊接口觀(guān)察實(shí)際處理效果或者通過(guò)趨勢曲線(xiàn)觀(guān)察，并可通過(guò)操作閥門(mén)開(kāi)度及回流比，實(shí)時(shí)調整控制出水各組分濃度。

由于采用了OO方法建立的污水仿真系統，其基本組成的元素為對象，而對象又是類(lèi)的實(shí)例，所以采用靜態(tài)視圖描述類(lèi)、對象和它們之間的關(guān)系。類(lèi)是任何面向對象系統中最重要的構造塊，也是一種重要的分類(lèi)器，用來(lái)描述結構和行為特性的機制，包括類(lèi)、接口、數據類(lèi)型、信號、組件、節點(diǎn)、用例和子系統。類(lèi)圖是描述類(lèi)、接口、協(xié)作以及它們之間關(guān)系的圖，用來(lái)顯示系統中各個(gè)類(lèi)的靜態(tài)結構。類(lèi)圖包含7個(gè)元素：類(lèi)、接口、協(xié)作、依賴(lài)關(guān)系、泛化關(guān)系、實(shí)現關(guān)系以及關(guān)聯(lián)關(guān)系。根據系統用例的功能研究分析，建立污水仿真系統主要類(lèi)圖如圖3所示。

（1）污水處理系統主程序類(lèi)：這是污水仿真系統的主界面類(lèi)，每次運行僅有一個(gè)主程序類(lèi)，它是其他類(lèi)的關(guān)聯(lián)橋梁，依賴(lài)其他類(lèi)暴露的接口進(jìn)行數據傳遞、控制操作、數據顯示。它是整個(gè)仿真軟件的人機交互操作平臺，從封裝性角度考慮，其自身不具有數據處理功能；（2）用戶(hù)類(lèi)：用于存儲用戶(hù)名和用戶(hù)密碼，可擴展為鏈接底層數據庫，管理員可設置對應操作權限及用戶(hù)賬戶(hù)管理；（3）系統控制類(lèi)：每當用戶(hù)進(jìn)行控制操作，如增大空氣流量、增加或減小進(jìn)水量、改變回流比時(shí)，該類(lèi)通過(guò)暴露在主程序類(lèi)的數據接口，獲取閥門(mén)開(kāi)度量或控制參數，處理后傳遞給仿真引擎進(jìn)行數學(xué)迭代運算；（4）污水處理仿真引擎類(lèi)：根據污水處理的數學(xué)模型，確定仿真系統采用國際水協(xié)發(fā)布的活性污泥ASM1數學(xué)模型，接收從主程序界面和控制類(lèi)傳來(lái)的組分數據、控制參數，內部進(jìn)行迭代運算，實(shí)時(shí)通過(guò)數據接口外傳各控制點(diǎn)數據。

3城市污水處理的實(shí)現

參照北京市某大型污水處理廠(chǎng)的實(shí)際處理過(guò)程，仿真軟件中數學(xué)模型采用活性污泥法。通過(guò)對溶解氧、污染物基質(zhì)和異養菌生長(cháng)三者關(guān)系分析，采用白箱建模的方法，從基本動(dòng)力學(xué)方程出發(fā)進(jìn)行了仿真研究，并對這一生化曝氣過(guò)程進(jìn)行了建模，利用UML建模工具Rational Rose根據系統類(lèi)圖自動(dòng)翻譯的系統框架代碼及可執行程序，完成代碼的編寫(xiě)，最終實(shí)現污水處理的系統功能。

以上利用UML對城市污水處理仿真系統進(jìn)行了建模分析。實(shí)踐證明，UML在面向對象建模過(guò)程中效果顯著(zhù)，它是一種優(yōu)秀的建模語(yǔ)言，適用于軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程的各個(gè)階段。它能準確反映出污水處理仿真系統的功能需求，為建模人員搭建了一個(gè)清晰的建模平臺框架。整個(gè)仿真建模研究具有高度的透明性，其結果具有很高的可信度。無(wú)論用于理論上的污水建模研究，還是提供一個(gè)優(yōu)良的被控對象，基于UML開(kāi)發(fā)出的污水仿真產(chǎn)品無(wú)疑是讓人放心的，也為今后污水仿真產(chǎn)品的研究提供了一個(gè)良好的思路。