基于UML的城市污水处理系统建模

随着水资源的日益短缺和对环境污染的日益重视，污水处理越来越受到人们的关注。与其他工业处理系统相比，污水处理系统的整个处理过程由许多单元组成，在不同的单元有可能发生不同的反应，如化学、物理和生物反应，因此在研究污水处理过程中需要面向单元对象分析，而不能单纯进行系统的整体建模分析，同时提供优良的低端通用型语言支持、高效的数值程序以及优化工具也是仿真软件开发中的重要方向。基于UML的建模更能全面、准确地反映污水处理中的工艺细节和系统的对象（类）及其之间的交互，充分捕获用户的实际需求。

1统一建模语言（UML）及相关技术介绍

面向对象的分析与设计（OOA Management Group）所接受，发布了UML的标准版。如今，UML已成为公认的最好的分析和设计面向对象软件的标准建模语言[1]，而不是建模方法。它不包含任何具体的过程，即它并不讲述如何运用面向对象的概念与原则去进行系统建模[2]，而只是定义了用于建模的各种元素，以及由这些元素所构成的各种图的构成规则。这使得UML作为一种建模工具，在面向对象领域有着广泛的用途，特别是针对城市污水处理这样一个复杂系统。Rational Rose是Rational公司推出的一款支持UML可视化建模的工具软件，它包括了用例、逻辑、组件和部署视图，支持面向对象分析和设计，在不同的视图中建立相应的UML图形，反应系统的不同特征。

从UML建模应用的角度看[3]，一个最大的特点就是在设计一个系统时采用面向对象技术，一般需要经过以下三个步骤：（1）功能需求的描述；（2）根据功能需求建立系统的静态模型；（3）在静态视图的基础上，分析和设计系统的动态行为。

总的来说，UML是一种定义良好、易于表达、功能强大且普遍适用的建模语言。它融入了软件工程领域的新思想、新方法和新技术，而且它的作用域不限于支持面向对象的分析与设计，还支持从需求分析开始的软件开发的全过程[4].

2城市污水处理仿真软件的建模仿真

2.1用例建模

用例图（Use Case Diagrams）是由软件需求到最终实现的第一步，在UML中用例图用于对系统、子系统或类的行为的可视化，以便系统的用户更容易理解这些元素的用途，也便于软件开发人员最终实现这些元素。在UML建模过程中，可以使用用例图对系统的语境进行建模，强调系统外部的参与者。

UML中的用例描述了一组用例、参与者以及它们之间的关系，因此用例图包括三方面内容：用例（Use Case）；参与者（Actor）；参与者之间的关系，包括泛化关系、包含关系、扩展关系等。

（1）定义系统目标与角色：通过对污水仿真系统功能的分析，本系统的开发目标是提供一个运行稳定、仿真准确、功能完备的被控对象，主要使用者是验证控制方案的学生，因此学生是本仿真系统的主要角色；（2）分析角色与系统的交互，确定系统用例：一个良好的被控对象，仿真结果的准确性是最起码的要求，同时要求能够灵活设置参数，高效地进行过程控制，实时数据的趋势显示，仿真结果的数据存取。据此，污水处理系统的主要用例有7个，分别是：参数设置、历史趋势显示、数据存取、3D通讯、处理工程控制、重置冷态和转PLC外部控制。PLC外部控制是其下一步扩展功能，其主要职责是处理下位机的信号数据，用户还可以通过扩展的3D通讯接口实现逼真的现实模拟。

图1描述了污水仿真软件总用例，其中描述的用例实际上就是污水仿真系统中的一个子系统功能，在实际的功能需求分析与设计中，用例粒度的大小根据实际的功能需求来界定。

2.2污水处理系统的业务流程分析与设计

用例图只是表达了系统的功能需求，没有描述系统随时间变化的行为，这些行为是用从静态视图中抽取系统的瞬间值的变化来描述的。UML时序图描述了对象之间传递消息的时间顺序，它用来表示用例中的行为顺序，是强调消息时间顺序的交互图。时序图包括4个元素：对象（Object）、生命线（Lifeline）、激活（Activation）和消息（Message）。污水处理系统的操作时序图如图2所示。

这张操作时序图描述了污水仿真软件的一般性操作流程：首先登录仿真系统，验证用户名及其密码，经过后台验证后进入主界面；在操作主界面，用户可以使用默认的参数值，例如进水流量、曝气池容积、DO浓度、曝气空气流量、COD浓度等关键参数，也可以根据控制方案的需要修改初始参数值；用户可以配置运行环境，如仿真步长、仿真时间等参数；接着，封装为独立类的污水仿真引擎，对外表现为一个黑箱，仅开放接收数据和显示数据的接口，内部进行迭代仿真运算；用户此时可以从扩展