基于UML的城市污水處理系統(tǒng)建模

1統(tǒng)一建模語言（UML）及相關(guān)技術(shù)介紹

面向?qū)ο蟮姆治雠c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?qū)ο筌浖臉藴式ＵZ言[1]，而不是建模方法。它不包含任何具體的過程，即它并不講述如何運用面向?qū)ο蟮母拍钆c原則去進行系統(tǒng)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(gòu)成的各種圖的構(gòu)成規(guī)則。這使得UML作為一種建模工具，在面向?qū)ο箢I(lǐng)域有著廣泛的用途，特別是針對城市污水處理這樣一個復雜系統(tǒng)。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?qū)ο蠓治龊驮O計，在不同的視圖中建立相應的UML圖形，反應系統(tǒng)的不同特征。

從UML建模應用的角度看[3]，一個最大的特點就是在設計一個系統(tǒng)時采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，一般需要經(jīng)過以下三個步驟：（1）功能需求的描述；（2）根據(jù)功能需求建立系統(tǒng)的靜態(tài)模型；（3）在靜態(tài)視圖的基礎上，分析和設計系統(tǒng)的動態(tài)行為。

總的來說，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?qū)ο蟮姆治雠c設計，還支持從需求分析開始的軟件開發(fā)的全過程[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現(xiàn)的第一步，在UML中用例圖用于對系統(tǒng)、子系統(tǒng)或類的行為的可視化，以便系統(tǒng)的用戶更容易理解這些元素的用途，也便于軟件開發(fā)人員最終實現(xiàn)這些元素。在UML建模過程中，可以使用用例圖對系統(tǒng)的語境進行建模，強調(diào)系統(tǒng)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(nèi)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(tǒng)目標與角色：通過對污水仿真系統(tǒng)功能的分析，本系統(tǒng)的開發(fā)目標是提供一個運行穩(wěn)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生，因此學生是本仿真系統(tǒng)的主要角色；（2）分析角色與系統(tǒng)的交互，確定系統(tǒng)用例：一個良好的被控對象，仿真結(jié)果的準確性是最起碼的要求，同時要求能夠靈活設置參數(shù)，高效地進行過程控制，實時數(shù)據(jù)的趨勢顯示，仿真結(jié)果的數(shù)據(jù)存取。據(jù)此，污水處理系統(tǒng)的主要用例有7個，分別是：參數(shù)設置、歷史趨勢顯示、數(shù)據(jù)存取、3D通訊、處理工程控制、重置冷態(tài)和轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)，用戶還可以通過擴展的3D通訊接口實現(xiàn)逼真的現(xiàn)實模擬。

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

2.2污水處理系統(tǒng)的業(yè)務流程分析與設計

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

這張操作時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(tǒng)，驗證用戶名及其密碼，經(jīng)過后臺驗證后進入主界面；在操作主界面，用戶可以使用默認的參數(shù)值，例如進水流量、曝氣池容積、DO濃度、曝氣空氣流量、COD濃度等關(guān)鍵參數(shù)，也可以根據(jù)控制方案的需要修改初始參數(shù)值；用戶可以配置運行環(huán)境，如仿真步長、仿真時間等參數(shù)；接著，封裝為獨立類的污水仿真引擎，對外表現(xiàn)為一個黑箱，僅開放接收數(shù)據(jù)和顯示數(shù)據(jù)的接口，內(nèi)部進行迭代仿真運算；用戶此時可以從擴展的3D通訊接口觀察實際處理效果或者通過趨勢曲線觀察，并可通過操作閥門開度及回流比，實時調(diào)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(tǒng)，其基本組成的元素為對象，而對象又是類的實例，所以采用靜態(tài)視圖描述類、對象和它們之間的關(guān)系。類是任何面向?qū)ο笙到y(tǒng)中最重要的構(gòu)造塊，也是一種重要的分類器，用來描述結(jié)構(gòu)和行為特性的機制，包括類、接口、數(shù)據(jù)類型、信號、組件、節(jié)點、用例和子系統(tǒng)。類圖是描述類、接口、協(xié)作以及它們之間關(guān)系的圖，用來顯示系統(tǒng)中各個類的靜態(tài)結(jié)構(gòu)。類圖包含7個元素：類、接口、協(xié)作、依賴關(guān)系、泛化關(guān)系、實現(xiàn)關(guān)系以及關(guān)聯(lián)關(guān)系。根據(jù)系統(tǒng)用例的功能研究分析，建立污水仿真系統(tǒng)主要類圖如圖3所示。

（1）污水處理系統(tǒng)主程序類：這是污水仿真系統(tǒng)的主界面類，每次運行僅有一個主程序類，它是其他類的關(guān)聯(lián)橋梁，依賴其他類暴露的接口進行數(shù)據(jù)傳遞、控制操作、數(shù)據(jù)顯示。它是整個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(shù)據(jù)處理功能；（2）用戶類：用于存儲用戶名和用戶密碼，可擴展為鏈接底層數(shù)據(jù)庫，管理員可設置對應操作權(quán)限及用戶賬戶管理；（3）系統(tǒng)控制類：每當用戶進行控制操作，如增大空氣流量、增加或減小進水量、改變回流比時，該類通過暴露在主程序類的數(shù)據(jù)接口，獲取閥門開度量或控制參數(shù)，處理后傳遞給仿真引擎進行數(shù)學迭代運算；（4）污水處理仿真引擎類：根據(jù)污水處理的數(shù)學模型，確定仿真系統(tǒng)采用國際水協(xié)發(fā)布的活性污泥ASM1數(shù)學模型，接收從主程序界面和控制類傳來的組分數(shù)據(jù)、控制參數(shù)，內(nèi)部進行迭代運算，實時通過數(shù)據(jù)接口外傳各控制點數(shù)據(jù)。

3城市污水處理的實現(xiàn)

參照北京市某大型污水處理廠的實際處理過程，仿真軟件中數(shù)學模型采用活性污泥法。通過對溶解氧、污染物基質(zhì)和異養(yǎng)菌生長三者關(guān)系分析，采用白箱建模的方法，從基本動力學方程出發(fā)進行了仿真研究，并對這一生化曝氣過程進行了建模，利用UML建模工具Rational Rose根據(jù)系統(tǒng)類圖自動翻譯的系統(tǒng)框架代碼及可執(zhí)行程序，完成代碼的編寫，最終實現(xiàn)污水處理的系統(tǒng)功能。

以上利用UML對城市污水處理仿真系統(tǒng)進行了建模分析。實踐證明，UML在面向?qū)ο蠼＿^程中效果顯著，它是一種優(yōu)秀的建模語言，適用于軟件開發(fā)過程的各個階段。它能準確反映出污水處理仿真系統(tǒng)的功能需求，為建模人員搭建了一個清晰的建模平臺框架。整個仿真建模研究具有高度的透明性，其結(jié)果具有很高的可信度。無論用于理論上的污水建模研究，還是提供一個優(yōu)良的被控對象，基于UML開發(fā)出的污水仿真產(chǎn)品無疑是讓人放心的，也為今后污水仿真產(chǎn)品的研究提供了一個良好的思路。