基于UML的城市污水處理系統(tǒng)建模
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隨著水資源的日益短缺和對(duì)環(huán)境污染的日益重視,污水處理越來越受到人們的關(guān)注。與其他工業(yè)處理系統(tǒng)相比,污水處理系統(tǒng)的整個(gè)處理過程由許多單元組成,在不同的單元有可能發(fā)生不同的反應(yīng),如化學(xué)、物理和生物反應(yīng),因此在研究污水處理過程中需要面向單元對(duì)象分析,而不能單純進(jìn)行系統(tǒng)的整體建模分析,同時(shí)提供優(yōu)良的低端通用型語言支持、高效的數(shù)值程序以及優(yōu)化工具也是仿真軟件開發(fā)中的重要方向?;赨ML的建模更能全面、準(zhǔn)確地反映污水處理中的工藝細(xì)節(jié)和系統(tǒng)的對(duì)象(類)及其之間的交互,充分捕獲用戶的實(shí)際需求。
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(shè)計(jì)(OOA Management Group)所接受,發(fā)布了UML的標(biāo)準(zhǔn)版。如今,UML已成為公認(rèn)的最好的分析和設(shè)計(jì)面向?qū)ο筌浖臉?biāo)準(zhǔn)建模語言[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(yùn)用面向?qū)ο蟮母拍钆c原則去進(jìn)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(duì)城市污水處理這樣一個(gè)復(fù)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(shè)計(jì),在不同的視圖中建立相應(yīng)的UML圖形,反應(yīng)系統(tǒng)的不同特征。從UML建模應(yīng)用的角度看[3],一個(gè)最大的特點(diǎn)就是在設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)時(shí)采用面向?qū)ο蠹夹g(shù),一般需要經(jīng)過以下三個(gè)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(chǔ)上,分析和設(shè)計(jì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為??偟膩碚f,UML是一種定義良好、易于表達(dá)、功能強(qiáng)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(shè)計(jì),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(shí)現(xiàn)的第一步,在UML中用例圖用于對(duì)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(shí)現(xiàn)這些元素。在UML建模過程中,可以使用用例圖對(duì)系統(tǒng)的語境進(jìn)行建模,強(qiáng)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(kuò)展關(guān)系等。(1)定義系統(tǒng)目標(biāo)與角色:通過對(duì)污水仿真系統(tǒng)功能的分析,本系統(tǒng)的開發(fā)目標(biāo)是提供一個(gè)運(yùn)行穩(wěn)定、仿真準(zhǔn)確、功能完備的被控對(duì)象,主要使用者是驗(yàn)證控制方案的學(xué)生,因此學(xué)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(gè)良好的被控對(duì)象,仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性是最起碼的要求,同時(shí)要求能夠靈活設(shè)置參數(shù),高效地進(jìn)行過程控制,實(shí)時(shí)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(gè),分別是:參數(shù)設(shè)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(kuò)展功能,其主要職責(zé)是處理下位機(jī)的信號(hào)數(shù)據(jù),用戶還可以通過擴(kuò)展的3D通訊接口實(shí)現(xiàn)逼真的現(xiàn)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(tǒng)中的一個(gè)子系統(tǒng)功能,在實(shí)際的功能需求分析與設(shè)計(jì)中,用例粒度的大小根據(jù)實(shí)際的功能需求來界定。
2.2污水處理系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程分析與設(shè)計(jì)
用例圖只是表達(dá)了系統(tǒng)的功能需求,沒有描述系統(tǒng)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(tǒng)的瞬間值的變化來描述的。UML時(shí)序圖描述了對(duì)象之間傳遞消息的時(shí)間順序,它用來表示用例中的行為順序,是強(qiáng)調(diào)消息時(shí)間順序的交互圖。時(shí)序圖包括4個(gè)元素:對(duì)象(Object)、生命線(Lifeline)、激活(Activation)和消息(Message)。污水處理系統(tǒng)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(tǒng),驗(yàn)證用戶名及其密碼,經(jīng)過后臺(tái)驗(yàn)證后進(jìn)入主界面;在操作主界面,用戶可以使用默認(rèn)的參數(shù)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(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(yùn)行環(huán)境,如仿真步長、仿真時(shí)間等參數(shù);接著,封裝為獨(dú)立類的污水仿真引擎,對(duì)外表現(xiàn)為一個(gè)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(jìn)行迭代仿真運(yùn)算;用戶此時(shí)可以從擴(kuò)展的3D通訊接口觀察實(shí)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(shí)時(shí)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(duì)象,而對(duì)象又是類的實(shí)例,所以采用靜態(tài)視圖描述類、對(duì)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(jī)制,包括類、接口、數(shù)據(jù)類型、信號(hào)、組件、節(jié)點(diǎn)、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(gè)類的靜態(tài)結(jié)構(gòu)。類圖包含7個(gè)元素:類、接口、協(xié)作、依賴關(guān)系、泛化關(guān)系、實(shí)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(yùn)行僅有一個(gè)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(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞、控制操作、數(shù)據(jù)顯示。它是整個(gè)仿真軟件的人機(jī)交互操作平臺(tái),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(chǔ)用戶名和用戶密碼,可擴(kuò)展為鏈接底層數(shù)據(jù)庫,管理員可設(shè)置對(duì)應(yīng)操作權(quán)限及用戶賬戶管理;(3)系統(tǒng)控制類:每當(dāng)用戶進(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(jìn)行數(shù)學(xué)迭代運(yùn)算;(4)污水處理仿真引擎類:根據(jù)污水處理的數(shù)學(xué)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(xué)模型,接收從主程序界面和控制類傳來的組分?jǐn)?shù)據(jù)、控制參數(shù),內(nèi)部進(jìn)行迭代運(yùn)算,實(shí)時(shí)通過數(shù)據(jù)接口外傳各控制點(diǎn)數(shù)據(jù)。3城市污水處理的實(shí)現(xiàn)
參照北京市某大型污水處理廠的實(shí)際處理過程,仿真軟件中數(shù)學(xué)模型采用活性污泥法。通過對(duì)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(dòng)力學(xué)方程出發(fā)進(jìn)行了仿真研究,并對(duì)這一生化曝氣過程進(jìn)行了建模,利用UML建模工具Rational Rose根據(jù)系統(tǒng)類圖自動(dòng)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(shí)現(xiàn)污水處理的系統(tǒng)功能。以上利用UML對(duì)城市污水處理仿真系統(tǒng)進(jìn)行了建模分析。實(shí)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(gè)階段。它能準(zhǔn)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(gè)清晰的建模平臺(tái)框架。整個(gè)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(gè)優(yōu)良的被控對(duì)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(gè)良好的思路。