徐育鋒, 何勝學(xué), 范炳全, 張 立

(上海理工大學(xué)管理學(xué)院,上海 200093)

由于傳統(tǒng)的軟件開發(fā)技術(shù)是基于問題域的功能,因此,用它開發(fā)的系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)模塊功能的函數(shù)和過程的集合[1].但由于用戶的需求和軌道交通軟硬件技術(shù)的不斷發(fā)展變化,按照功能劃分設(shè)計(jì)的系統(tǒng)模塊必然也會(huì)隨之變化,從而使得這樣開發(fā)出來的程序模塊可重用性不高,且不易維護(hù).面向?qū)ο蠼＜夹g(shù)從根本上改變了傳統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)思想,它對(duì)問題空間進(jìn)行自然分割,以更接近人類思維的方式建立問題域模型,以便對(duì)客觀實(shí)體進(jìn)行結(jié)構(gòu)模擬和行為模擬,使設(shè)計(jì)出的軌道交通系統(tǒng)軟件盡可能直接地描述現(xiàn)實(shí)世界,從而構(gòu)造出模塊化的、可重用的和維護(hù)性好的軟件.

目前面向?qū)ο蠹夹g(shù)已在交通領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用.楊曉光[2]將面向?qū)ο罄碚撨\(yùn)用到 ITS (intelligent transportation system)項(xiàng)目評(píng)價(jià)中.楊勇杰[3]運(yùn)用面向?qū)ο蟮睦碚摻⒘丝罩薪煌髁抗芾硐到y(tǒng)的模型結(jié)構(gòu).王婷[4]采用面向?qū)ο蠓治龊徒５姆椒▽?duì)城市軌道交通列車控制系統(tǒng)進(jìn)行了需求分析、模塊分解、對(duì)象模型建立以及對(duì)象間的靜態(tài)關(guān)聯(lián)性分析.陳玉[5]依據(jù)面向?qū)ο筌浖_發(fā)思想確定了城市交通仿真系統(tǒng)的主要對(duì)象類,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了對(duì)象建模、動(dòng)態(tài)模型,并完成了主要對(duì)象類屬性和操作的設(shè)計(jì).雋志才[6]采用面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)思想和交通并行仿真建模理論分析了交通網(wǎng)絡(luò)分布并行仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu).

鑒于軌道交通網(wǎng)涉及的要素眾多,利用面向?qū)ο笏枷雽?duì)軌道交通系統(tǒng)的特性進(jìn)行分析建模,可以全面覆蓋軌道交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的各種組成部分,便于分析各部分間復(fù)雜的相互關(guān)系.同時(shí),新的需求及研究成果可以及時(shí)融入到已存在的系統(tǒng),從而使所建模型系統(tǒng)的重用性優(yōu)勢(shì)得以充分發(fā)揮.正是基于上述思想,本文首次利用面向?qū)ο蟮能浖_發(fā)思想對(duì)城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行建模分析,明確了系統(tǒng)中基本類的特征,建立了初步的軌道交通網(wǎng)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)以及功能程序模型.

1 面向?qū)ο蠼＜夹g(shù)簡(jiǎn)介

面向?qū)ο蠼＜夹g(shù)也即三視點(diǎn)技術(shù),它將分析時(shí)收集的信息構(gòu)造在對(duì)象模型、動(dòng)態(tài)模型和功能模型中,用這3種模型來描述一個(gè)目標(biāo)系統(tǒng).其中,對(duì)象模型是3個(gè)模型中最關(guān)鍵的1個(gè)模型,用以描述系統(tǒng)中對(duì)象之間的靜態(tài)關(guān)系,包括構(gòu)成系統(tǒng)的類和對(duì)象的屬性、操作以及相互間的聯(lián)系;動(dòng)態(tài)模型描述系統(tǒng)中對(duì)象的變化和對(duì)象之間相互關(guān)系的變遷,它著重于系統(tǒng)的控制邏輯;功能模型側(cè)重于系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)的傳送和處理.這3種模型中功能模型說明發(fā)生了什么,動(dòng)態(tài)模型說明何時(shí)發(fā)生,對(duì)象模型說明作用對(duì)象[7].

2 軌道交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的面向?qū)ο蠼?/h2>

2.1 軌道交通網(wǎng)中對(duì)象和類的識(shí)別

軌道交通網(wǎng)的問題空間中包含以下實(shí)體[8]:

a.軌道交通網(wǎng)的每個(gè)站點(diǎn)一般都由出入口、自動(dòng)扶梯、自動(dòng)售票機(jī)、閘機(jī)、站臺(tái)和服務(wù)人員組成,站點(diǎn)是乘客與軌道交通交互的界面,站點(diǎn)內(nèi)的各項(xiàng)服務(wù)是否到位,很大程度上能體現(xiàn)出軌道交通的服務(wù)水平,所以,將站點(diǎn)作為一個(gè)類.

b.線路上包含站點(diǎn),車輛在線路上運(yùn)行,它決定了車輛的走向、站點(diǎn)的區(qū)位和乘客的流向,所以,將線路作為一個(gè)類.

c.換乘點(diǎn)是線網(wǎng)中各條線路的交叉點(diǎn),它除了集散乘車乘客之外,還要能實(shí)現(xiàn)兩線或多線車站站臺(tái)之間的客流暢通,可以將換乘點(diǎn)看作一個(gè)類.

d.樞紐站是兩條以上軌道交通線路交叉處,這種車站的客流集散量很大,不僅在內(nèi)部換乘,還與外部大型客運(yùn)站連接,需做好內(nèi)外交通組織設(shè)計(jì),因此,將樞紐站作為一個(gè)類.

e.區(qū)段是兩個(gè)站點(diǎn)之間的連接通道,區(qū)段的長(zhǎng)度是行車時(shí)間的決定因素之一;區(qū)段的通行能力是整條路線通行力的一部分,所以,有必要將區(qū)段作為一個(gè)類.

f.城市軌道交通列車作為城市公共交通的旅客運(yùn)載工具,要保證列車運(yùn)行的安全、準(zhǔn)點(diǎn)、快速,以及為乘客提供良好的服務(wù)條件,使乘客乘車舒適、方便,可將它作為一個(gè)類.

g.土地使用是城市總體規(guī)劃的依據(jù),也是軌道交通規(guī)劃設(shè)計(jì)的依據(jù),同時(shí),軌道交通的發(fā)展也會(huì)促進(jìn)土地的開發(fā)利用,因此,有必要將城市用地作為一個(gè)類.

h.軌道交通網(wǎng)絡(luò)由列車、站點(diǎn)及與其相連接的線路、路段組成.網(wǎng)絡(luò)作為問題域的整體,可將它視為一個(gè)抽象對(duì)象.它與其余對(duì)象是整體與部分的關(guān)系,可定義為網(wǎng)絡(luò)類.

在求解空間中,每個(gè)實(shí)體將映射到抽象對(duì)象的一個(gè)類中.由于Java類構(gòu)造支持?jǐn)?shù)據(jù)封裝和將一個(gè)問題分解成對(duì)象和操作,因此,本文用它來表述城市軌道交通系統(tǒng)中面向?qū)ο髥栴}求解空間的每個(gè)類的定義.限于篇幅,僅舉例介紹軌道交通列車類的定義.

2.2 軌道交通網(wǎng)的靜態(tài)建模

軌道交通網(wǎng)的靜態(tài)建模描述了軌道交通系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)、站點(diǎn)、線路、換乘點(diǎn)、樞紐及區(qū)段等對(duì)象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),以及它們相互之間的結(jié)構(gòu)化關(guān)系,借助CASE工具用統(tǒng)一 建模語言 UML(unified modeling language)產(chǎn)生靜態(tài)模型的圖形如圖 1所示.

類圖描述了每個(gè)對(duì)象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并將其封裝起來[9].以網(wǎng)絡(luò)為例,它的屬性包括線路總條數(shù)、線網(wǎng)結(jié)構(gòu)等,它的操作方法包括調(diào)用站點(diǎn)對(duì)象集合、通過能力及輸送能力等方法.

類圖描述了類間的關(guān)聯(lián)、聚集、繼承和多重性的結(jié)構(gòu)化關(guān)系[9].關(guān)聯(lián)是類之間的最一般的結(jié)構(gòu)化關(guān)系,總網(wǎng)絡(luò)與土地之間是相互促進(jìn)的關(guān)聯(lián)關(guān)系,軌道交通網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)依據(jù)城市土地的利用性質(zhì),同時(shí),軌道網(wǎng)的規(guī)劃會(huì)提高沿線的土地開發(fā)強(qiáng)度.聚集是一種暗含包容關(guān)系的特殊形式關(guān)聯(lián),在關(guān)聯(lián)線和包含類相接的一端放置菱形來區(qū)別普通的關(guān)聯(lián),例如,總網(wǎng)絡(luò)由土地、線路、站點(diǎn)、區(qū)段及列車等聚集而成.繼承表示一類關(guān)系,在關(guān)聯(lián)線和基類相接的一端放置三角形以區(qū)別普通關(guān)聯(lián),例如,樞紐繼承了換乘點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),換乘點(diǎn)繼承了站點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),樞紐和換乘點(diǎn)都是站點(diǎn).多重性指可以和給定的某一類的一個(gè)實(shí)例關(guān)聯(lián)在一起的另一類型對(duì)象的數(shù)目,多重性指示器標(biāo)在關(guān)聯(lián)線的兩端,例如,一個(gè)區(qū)段有且只有兩個(gè)站點(diǎn)組成,一個(gè)站點(diǎn)至少位于一個(gè)區(qū)段上.

圖1 城市軌道交通網(wǎng)類圖Fig.1 Class diagram of urban rail transport network

2.3 軌道交通網(wǎng)的動(dòng)態(tài)建模

動(dòng)態(tài)模型描述了系統(tǒng)中與時(shí)間和操作順序有關(guān)的內(nèi)容,它由事件、場(chǎng)景、順序圖和通信圖這4個(gè)單元構(gòu)建[7],通信圖和順序圖在本質(zhì)上是一樣的,所以,此處省略.

事件是對(duì)對(duì)象的外部刺激,并以消息的形式通知對(duì)象[9].圖2表明總網(wǎng)絡(luò)收到事故點(diǎn)的消息,接著總網(wǎng)絡(luò)以消息的形式請(qǐng)求線路、站點(diǎn)、車輛發(fā)出預(yù)警,下面的代碼片段以線路為例闡明了這種情況:

Network n=new Network();∥實(shí)例化一個(gè)

網(wǎng)絡(luò)對(duì)象

Line l=new Line();∥實(shí)例化一個(gè)線路對(duì)象

l.linePrewarning(n);∥線路對(duì)象收到一個(gè)來

自網(wǎng)絡(luò)對(duì)象請(qǐng)求預(yù)警的消息

場(chǎng)景描述了在執(zhí)行某些系統(tǒng)功能時(shí)必須出現(xiàn)的從始到終的內(nèi)部消息(事件)序列,場(chǎng)景是特定的用例如何完成的假想的實(shí)例,即一個(gè)用例可以產(chǎn)生多個(gè)不同的場(chǎng)景[9].“軌道交通網(wǎng)發(fā)生事故后恢復(fù)運(yùn)行”用例的其中一個(gè)場(chǎng)景:a.事故點(diǎn)向總網(wǎng)反應(yīng);b.總網(wǎng)同時(shí)請(qǐng)求線路、站點(diǎn)、車輛預(yù)警;c.系統(tǒng)檢查站點(diǎn)中的換乘點(diǎn);d.軌道網(wǎng)系統(tǒng)通知換乘本線路的乘客轉(zhuǎn)乘地面公交;e.系統(tǒng)定位到發(fā)生事故的區(qū)段并封閉區(qū)段站點(diǎn);f.維修工人對(duì)事故點(diǎn)進(jìn)行檢修;g.事故點(diǎn)確認(rèn)檢修完成;h.此區(qū)段、站點(diǎn)解除封閉;i.總網(wǎng)向線路、站點(diǎn)和車輛解除預(yù)警.

順序圖是圖形化地描述在執(zhí)行給定的場(chǎng)景時(shí)消息如何從一個(gè)對(duì)象流到另一個(gè)對(duì)象的方法.圖2是以“軌道交通網(wǎng)發(fā)生事故后恢復(fù)運(yùn)行”為用例的其中一個(gè)場(chǎng)景順序圖.

順序圖的核心作用是來確定靜態(tài)模型中每個(gè)類需要的操作方法[9].代表向該對(duì)象提出新請(qǐng)求的實(shí)線箭頭表示了接收請(qǐng)求的對(duì)象必須執(zhí)行的方法,例如,在圖2中可以看到一個(gè)標(biāo)記了“總網(wǎng)請(qǐng)求線路預(yù)警”的實(shí)線箭頭指向線路對(duì)象的生命線,表明線路類需要定義一個(gè)方法,以允許客戶對(duì)象傳入特定的總網(wǎng)絡(luò)對(duì)象的引用,并接收從該方法返回線路是否對(duì)乘客進(jìn)行了警戒的響應(yīng).該方法的聲明如下: boolean linePrewarning(Network n).表示從其他對(duì)象執(zhí)行方法返回的響應(yīng)的虛線箭頭不能建模為方法,但是,暗示了發(fā)起響應(yīng)方法的返回類型,例如,由于消息“總網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求線路預(yù)警”的響應(yīng)是“線路已警戒乘客”,因此,方法返回boolean結(jié)果.

圖2 “軌道交通網(wǎng)發(fā)生事故后恢復(fù)運(yùn)行”用例的順序圖Fig.2 Sequence diagram of resuming operation after the accident

2.4 軌道交通網(wǎng)的功能建模

功能模型描述了系統(tǒng)中的計(jì)算,僅說明計(jì)算中輸入到輸出的推導(dǎo),不考慮計(jì)算的次序.它由多個(gè)數(shù)據(jù)流圖組成,描述數(shù)據(jù)流從外部輸入經(jīng)計(jì)算和內(nèi)部存儲(chǔ)輸出到外部的過程[7].圖3(見下頁(yè))是軌道交通網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)全日行車計(jì)劃功能的數(shù)據(jù)流圖,線路作為整個(gè)數(shù)據(jù)流圖的驅(qū)動(dòng)者,通過輸入線路的屬性高峰小時(shí)客流量和全日客流分布模擬圖,計(jì)算全日分時(shí)最大斷面流量、分時(shí)開行列車數(shù)和行車間隔時(shí)間,最終得到全日行車計(jì)劃表[10].然而,在計(jì)算全日分時(shí)開行列車數(shù)時(shí)還需調(diào)用被動(dòng)對(duì)象線路斷面滿載率和列車定員數(shù)表,它們本身不能產(chǎn)生任何操作,僅僅是對(duì)存儲(chǔ)和訪問數(shù)據(jù)請(qǐng)求的響應(yīng).

功能模型中的處理對(duì)應(yīng)對(duì)象模型中的操作.通常在頂層數(shù)據(jù)流圖中的處理對(duì)應(yīng)于復(fù)雜對(duì)象提供的操作,軌道交通網(wǎng)系統(tǒng)與開發(fā)人員、終極用戶之間形成最頂層數(shù)據(jù)流圖,軌道交通網(wǎng)系統(tǒng)軟件對(duì)應(yīng)于軌道交通網(wǎng)系統(tǒng)中提供的操作;而在低層數(shù)據(jù)流圖中的處理對(duì)應(yīng)于基本的對(duì)象操作,如在圖3中計(jì)算全日開行列車數(shù)對(duì)應(yīng)于線路中的操作“全日分時(shí)開行列車數(shù)()”.

圖3 全日行車計(jì)劃表功能模型Fig.3 Functional model of full-day driving schedules

3 結(jié) 論

本文建立的軌道交通網(wǎng)絡(luò)對(duì)象模型、動(dòng)態(tài)模型和功能模型并不是完全獨(dú)立的過程,它們是相輔相成、不可分割的一個(gè)整體.對(duì)象模型是動(dòng)態(tài)模型和功能模型的基礎(chǔ)和主要依據(jù);動(dòng)態(tài)模型反過來補(bǔ)充和完善靜態(tài)模型和喚醒功能模型動(dòng)作的決策;功能模型描述對(duì)象模型中的操作和動(dòng)態(tài)模型中的動(dòng)作喚醒的功能.

本文的研究為我國(guó)城市軌道交通運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)的自主開發(fā)提供了一個(gè)可行的方法,從而為軌道交通網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)管理提供了有效的工具,大大提高了軌道交通運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)的效率,最終為實(shí)現(xiàn)軌道交通運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)軟硬件完全國(guó)產(chǎn)化起一定的鋪墊作用,從而可以降低軌道交通建設(shè)與運(yùn)營(yíng)的成本.

當(dāng)然,在這方面的工作還有很大的研究空間,對(duì)軌道交通系統(tǒng)所涉及的基礎(chǔ)資料數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)有待進(jìn)一步分析.軌道交通網(wǎng)建模只是一個(gè)準(zhǔn)備階段,是整個(gè)軟件系統(tǒng)代碼實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ),具體的某些方法的代碼實(shí)現(xiàn)本文還未作深入研究,可以運(yùn)用UML語言并借助Enterprise Architect工具進(jìn)行代碼實(shí)現(xiàn)的深入研究,最終實(shí)現(xiàn)軟件生產(chǎn)的自動(dòng)化.

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