摘要：

為了提高監(jiān)控系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)效率和更好地使用UML進(jìn)行系統(tǒng)建模，從理論和實(shí)踐兩個(gè)方面對(duì)UML在軟件系統(tǒng)建模方面的應(yīng)用進(jìn)行了研究。把整個(gè)過(guò)程分為全局分析、局部分析、全局設(shè)計(jì)和局部設(shè)計(jì)四個(gè)階段詳細(xì)論述，最后簡(jiǎn)要介紹了系統(tǒng)的圖形用戶界面，完成了一個(gè)分布式高速公路監(jiān)控系統(tǒng)的UML分析和設(shè)計(jì)。

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關(guān)鍵詞：監(jiān)控系統(tǒng); UML; 高速公路; 分布式系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：

TN71134; TP3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004373X(2012)13

0187

04

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收稿日期：20120301

基金項(xiàng)目：國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目(2009AA043902)；山東省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2009GG10001011)；濟(jì)南青年科技明星計(jì)劃項(xiàng)目(20110301)

0引言

以工業(yè)PC總線組成的中小規(guī)?？刂葡到y(tǒng)，以及由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和單片機(jī)構(gòu)成的分布式控制系統(tǒng)，現(xiàn)在已經(jīng)在監(jiān)控系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位，因此控制軟件品質(zhì)就直接影響系統(tǒng)的安全和控制效果，從而進(jìn)一步影響到控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和產(chǎn)品的質(zhì)量。UML在軟件工業(yè)中占支配地位的建模語(yǔ)言，并在許多領(lǐng)域的軟件開發(fā)中得到應(yīng)用。本文以某高速公路監(jiān)控系統(tǒng)為背景，介紹了綜合運(yùn)用UML、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和相關(guān)的操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)、編程語(yǔ)言開發(fā)一個(gè)開放、可重用和擴(kuò)展的分布式監(jiān)控系統(tǒng)的新方法，并在從理論上對(duì)基于UML的分析設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了提煉，并提出了一些建議，為開發(fā)類似的系統(tǒng)提供了參考。

本文依托某高速公路監(jiān)控系統(tǒng)項(xiàng)目。這條高速公路全線長(zhǎng)22.7 km， 全線雙向六車道，共有五座互通式立交，一座特大橋，兩座隧道。全線設(shè)一個(gè)監(jiān)控中心、若干外場(chǎng)監(jiān)控點(diǎn)。監(jiān)控中心統(tǒng)一對(duì)全線交通運(yùn)行實(shí)施宏觀管理和調(diào)控，協(xié)調(diào)各監(jiān)控點(diǎn)的運(yùn)行，必要時(shí)下達(dá)控制命令。監(jiān)控系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)監(jiān)控外場(chǎng)設(shè)備、隧道設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)本路段各種交通系統(tǒng)信息的采集，向道路使用者提供本路段路況的各種信息，以達(dá)到監(jiān)視道路和控制道路的目的，確保本路段交通通暢\\[1\\]。

監(jiān)控中心實(shí)時(shí)采集管理區(qū)段內(nèi)的各種數(shù)據(jù)，包括交通量、速度、占有率、車頭距、氣象、CO/VI檢測(cè)值、光強(qiáng)檢測(cè)值、火災(zāi)報(bào)警、高位水池水位和事故等，對(duì)它們進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算、分析和處理。監(jiān)控系統(tǒng)具有事故自動(dòng)檢測(cè)功能；交通控制方案自動(dòng)選擇功能；統(tǒng)計(jì)、查詢功能；系統(tǒng)設(shè)備檢測(cè)功能；協(xié)調(diào)處理系統(tǒng)內(nèi)部交通管理業(yè)務(wù)功能等。還要使用閉路監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)外場(chǎng)攝像機(jī)、廣場(chǎng)攝像機(jī)、隧道攝像機(jī)對(duì)重點(diǎn)路段、隧道以及報(bào)警收費(fèi)圖像和其他報(bào)警圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，并且可以對(duì)報(bào)警信號(hào)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)處理。

根據(jù)該高速公路的具體情況和當(dāng)今的技術(shù)背景，項(xiàng)目開發(fā)小組決定使用面向?qū)ο蟮拈_發(fā)方法，準(zhǔn)備采用UML對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，并使用Rational Rose作為CASE工具。目前國(guó)內(nèi)使用UML進(jìn)行的軟件建模，通常都是把整個(gè)過(guò)程分成建立靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型兩個(gè)階段，但這種分析設(shè)計(jì)模式對(duì)自頂向下的設(shè)計(jì)方法詮釋的仍不夠完美。本文使用了一種新穎的思路，即把整個(gè)過(guò)程分為全局分析、局部分析、全局設(shè)計(jì)、局部設(shè)計(jì)四個(gè)部分。

1基于UML的監(jiān)控系統(tǒng)分析

1.1全局分析

全局分析側(cè)重于定義擬建系統(tǒng)所采用的架構(gòu)以及影響構(gòu)架的要素。全局分析充分利用以往相似系統(tǒng)或問(wèn)題中的經(jīng)驗(yàn)，避免在確定架構(gòu)上浪費(fèi)人力和物力，主要完成選用架構(gòu)模式和整體功能分析兩項(xiàng)任務(wù)。

選用架構(gòu)模式活動(dòng)的主要依據(jù)是既往的經(jīng)驗(yàn)。表面上看，選用架構(gòu)模式只是在模型中擺放了一個(gè)沒(méi)有內(nèi)容的空架子；而實(shí)質(zhì)上，它為所有后續(xù)活動(dòng)設(shè)立了一個(gè)共有的基礎(chǔ)框架，用以承載逐步演進(jìn)和累加的設(shè)計(jì)內(nèi)容。

高速公路在地理上是分散的，所以必須使用分布式系統(tǒng)來(lái)完成對(duì)其全程監(jiān)控。監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和易操作性的要求很高，而不需要過(guò)于華麗的操作界面，所以采用三層C/S工作模式是最好的選擇。可以用UML的Business Use Case框圖對(duì)系統(tǒng)的總體功能進(jìn)行描述。圖1為系統(tǒng)的Business Use Case框圖。

該系統(tǒng)有五個(gè)業(yè)務(wù)用例，因此可以把其對(duì)應(yīng)劃分為五個(gè)包。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)一個(gè)業(yè)務(wù)工人通信系統(tǒng)，業(yè)務(wù)工人屬于系統(tǒng)，所以也可以把它歸結(jié)到一個(gè)包中。這樣就把整個(gè)系統(tǒng)按功能劃分為六個(gè)包，分別命名為RoadMonitor，TunnelMonitor，GraphPacket，VideoMonitor，DataManagePacket，CommPacket。既然已經(jīng)決定采用分布式系統(tǒng)，那么這六個(gè)包初步?jīng)Q定分別作為六個(gè)客戶端，分布在六個(gè)工作站上。對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)確定之后，可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的功能進(jìn)一步整理。因?yàn)槲覀円呀?jīng)按功能劃分了包，這樣就可以分別對(duì)每個(gè)包的功能進(jìn)行分析［2］。

整體功能分析可以采用用例模型描述。UML是一種基于用例驅(qū)動(dòng)的建模語(yǔ)言，所以用例模型特別重要。把系統(tǒng)的用例模型所需要的角色和用例都提取出來(lái)，即可以繪制出系統(tǒng)的用例圖，視頻監(jiān)控包的用例圖如圖2所示。但是一個(gè)系統(tǒng)并不是用一個(gè)用例圖就能分析清楚的，還需要對(duì)其他一些備選事件進(jìn)行用例建模［3］。

1.2局部分析

局部分析以選定的用例作為研究對(duì)象，以相對(duì)粗大的顆粒，用面向?qū)ο蟮母拍詈头椒▽?duì)問(wèn)題進(jìn)行轉(zhuǎn)述，為后續(xù)以相對(duì)細(xì)小的顆粒做進(jìn)一步的設(shè)計(jì)活動(dòng)提供必要的鋪墊。局部分析中有不同側(cè)重的兩項(xiàng)活動(dòng)：提取分析類和轉(zhuǎn)述需求場(chǎng)景［4］。

提取分析類就是對(duì)選定的用例進(jìn)行進(jìn)一步研究，該活動(dòng)的基本依據(jù)是對(duì)全局分析時(shí)獲取的用例的理解。分析類用于描述擬建系統(tǒng)中那些較高層次的對(duì)象，不必關(guān)注某些與應(yīng)用邏輯不直接相關(guān)的細(xì)節(jié)，特別是那些純粹的軟件技術(shù)問(wèn)題。轉(zhuǎn)述需求場(chǎng)景活動(dòng)的主要依據(jù)是已經(jīng)獲取的需求中各個(gè)用例描述的需求場(chǎng)景；該活動(dòng)的結(jié)果基于面向?qū)ο蟾拍?，用UML交互圖，主要是順序圖，來(lái)轉(zhuǎn)述需求場(chǎng)景。順序圖能夠使BCE(BoundaryControlEntity)模型清晰的展現(xiàn)出來(lái)［5］。圖3所示的是“監(jiān)聽并處理路隧報(bào)警”用例的順序圖。從圖中可以看出，處理報(bào)警的各個(gè)步驟都是通過(guò)控制類(Listener)發(fā)送的各條消息來(lái)實(shí)現(xiàn)的，從圖中還可以注意到編號(hào)為3和4的兩條消息是異步消息。

2基于UML的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1全局設(shè)計(jì)

全局設(shè)計(jì)的任務(wù)是在擬建系統(tǒng)的全局的范圍內(nèi)，以系統(tǒng)分析活動(dòng)的結(jié)果為出發(fā)點(diǎn)，將現(xiàn)有的分析類映射成模型中的設(shè)計(jì)元素，明確適用于擬建系統(tǒng)的設(shè)計(jì)機(jī)制，調(diào)整內(nèi)容逐步充實(shí)擬建系統(tǒng)的架構(gòu)。全局設(shè)計(jì)任務(wù)的總體思想是從上向下充實(shí)層次架構(gòu)中的內(nèi)容，然后做貫穿層次的調(diào)整。

(1) 確定核心元素

確定核心設(shè)計(jì)元素，具體講就是確定設(shè)計(jì)類和子系統(tǒng)接口。確定核心元素活動(dòng)的主要依據(jù)是在多個(gè)局部分析活動(dòng)中得到的分析類集合，也就是說(shuō)要把分析類映射為核心設(shè)計(jì)元素。

從概念上講，設(shè)計(jì)元素是能夠直接用于指導(dǎo)編碼實(shí)施的模型元素，但是在本文中推遲了“明確設(shè)計(jì)類的操作”這一活動(dòng)，設(shè)計(jì)元素僅是指由分析類映射而來(lái)的設(shè)計(jì)類和子系統(tǒng)接口。原因是，對(duì)于設(shè)計(jì)類而言，在全局設(shè)計(jì)任務(wù)中，尚且不需要將原有分析類的責(zé)任精確地轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的操作。因?yàn)樵诤罄m(xù)設(shè)計(jì)活動(dòng)中，一般的設(shè)計(jì)類還要經(jīng)歷很多調(diào)整與精化。

(2) 明確組織結(jié)構(gòu)

當(dāng)設(shè)計(jì)元素確定了之后，下一步的工作就是把他們分配到系統(tǒng)的各個(gè)層次上去。在UML建模中，各個(gè)不同的層次表現(xiàn)為各個(gè)不同的包。

在全局分析階段我們把系統(tǒng)按功能劃分為六個(gè)包，并初步設(shè)定這六個(gè)包是六個(gè)客戶端。經(jīng)過(guò)局部分析階段和進(jìn)入全局設(shè)計(jì)階段后，認(rèn)為這樣的設(shè)定基本合理，所以在此明確這六個(gè)包為六個(gè)客戶端，同處于客戶端層中。全局分析中還確定使用三層C/S工作模式實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)，所以還有另外兩個(gè)層次應(yīng)用服務(wù)層和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)層，這兩個(gè)層分別定義為兩個(gè)包Application Sever和Database Sever。把設(shè)計(jì)元素分配到系統(tǒng)的各個(gè)層次工作并不復(fù)雜。一般而言，由邊界類映射而來(lái)的設(shè)計(jì)元素放置在客戶層對(duì)應(yīng)的包中，由控制類映射而來(lái)的設(shè)計(jì)元素放置在應(yīng)用服務(wù)層所對(duì)應(yīng)的包中，由實(shí)體類映射而來(lái)的設(shè)計(jì)元素放置在數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)對(duì)應(yīng)的包中。

2.2局部設(shè)計(jì)

局部設(shè)計(jì)的任務(wù)是基于全局分析和局部分析的框架，利用全局設(shè)計(jì)提供的素材，精化設(shè)計(jì)類的屬性和操作，然后在不同的局部，將分析的結(jié)果用精化后的設(shè)計(jì)元素加以替換和落實(shí)。

(1) 精化設(shè)計(jì)類

完成全局設(shè)計(jì)之后，可以開始對(duì)設(shè)計(jì)類進(jìn)行精化了。精化設(shè)計(jì)類就包括兩方面的工作，一是填充類的信息，主要是確定類的屬性和操作；二是找出類之間的關(guān)系，繪制出類圖［6］。

尋找類之間的關(guān)系有一個(gè)很好的直觀依據(jù)，就是交互圖。簡(jiǎn)單的順序圖能很容易的看出類之間的關(guān)系，復(fù)雜的順序圖只要慢慢對(duì)照，也能了解到各個(gè)類之間的關(guān)系［7］。例如用圖1所示的“監(jiān)聽并處理路隧報(bào)警”用例的順序圖，可以找出與之相關(guān)的類之間的關(guān)系，從而繪制出如圖4所示的類圖。被映射成數(shù)據(jù)庫(kù)表格形式的實(shí)體類的屬性和類之間的關(guān)系也可以通過(guò)這種類圖表現(xiàn)出來(lái)，從中可以了解到Vidicon，RecordLog，AlarmLog，SiteToVidicon這幾個(gè)類的屬性、操作以及它們之間的依賴關(guān)系，即一個(gè)類元以某種方式依賴于其他類元，但關(guān)系不是真正的關(guān)聯(lián)。

(2) 實(shí)現(xiàn)需求場(chǎng)景

實(shí)現(xiàn)需求場(chǎng)景活動(dòng)的基本依據(jù)是局部分析任務(wù)中得到的用例實(shí)現(xiàn)，即用分析類的交互關(guān)系轉(zhuǎn)述的需求場(chǎng)景。該活動(dòng)的結(jié)果是設(shè)計(jì)意義上的用例實(shí)現(xiàn)，主要從兩個(gè)方面進(jìn)行：一方面，用核心設(shè)計(jì)元素取代分析類；另一方面，充分分析需求場(chǎng)景，加入備選事件的交互關(guān)系。

分析類和設(shè)計(jì)元素的本質(zhì)區(qū)別是有不同的使用目的。分析類針對(duì)的是問(wèn)題描述中的要點(diǎn)，可以在用例事件流描述中找到直接的對(duì)應(yīng)內(nèi)容；設(shè)計(jì)元素針對(duì)的是解決方案，將作為后續(xù)實(shí)施活動(dòng)切實(shí)可行的根據(jù)。在分析活動(dòng)中，很多與應(yīng)用邏輯不直接相關(guān)的技術(shù)細(xì)節(jié)可以用概要的方式描述和封裝；在設(shè)計(jì)活動(dòng)中，對(duì)大多數(shù)技術(shù)問(wèn)題應(yīng)當(dāng)有一個(gè)明確的交代［8］。

在此以“監(jiān)聽并處理路隧報(bào)警”用例為例來(lái)說(shuō)明。首先要繪制出事件流圖，可以用圖5所示的活動(dòng)圖來(lái)表示。下面即可以用順序圖來(lái)實(shí)現(xiàn)用例描述的需求場(chǎng)景，另一種交互圖協(xié)作圖也可以完成同樣的任務(wù)。順序圖強(qiáng)調(diào)的是交互的時(shí)間順序。協(xié)作圖強(qiáng)調(diào)的是交互的語(yǔ)境和參與交互的對(duì)象的整體組織。圖6所示的是“監(jiān)聽并處理路隧報(bào)警”用例在設(shè)計(jì)階段的協(xié)作圖。這個(gè)圖可以清楚的表示出各個(gè)對(duì)象之間的協(xié)作關(guān)系，TRollAlarmThread類的實(shí)例是整個(gè)圖的中心，所有其他實(shí)例都圍繞著它。如果通過(guò)協(xié)作圖看到其他實(shí)例不是以控制類的實(shí)例為中心，就應(yīng)該對(duì)協(xié)作進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

在完成分析和設(shè)計(jì)工作之后，該高速公路監(jiān)控系統(tǒng)就可以開始部署并實(shí)施編碼。組件圖是描述各個(gè)組件之間關(guān)系的一種圖形。UML中的組件包括源代碼組件、二進(jìn)制代碼組件和可執(zhí)行組件或者相應(yīng)的文檔組件。在該高速公路監(jiān)控系統(tǒng)中包含了exe文件、dll文件、ini配置文件和電子文檔。組件圖就是要描述這些組件在服務(wù)器和客戶端上的分布以及組件之間的關(guān)系［9］。圖7為整個(gè)系統(tǒng)的組件圖。

圖8是公路監(jiān)控工作站的主畫面，界面中上部為整條高速公路的地圖(不包括隧道)。

可以通過(guò)菜單項(xiàng)中選擇對(duì)應(yīng)的菜單項(xiàng)驅(qū)動(dòng)以便選擇控制查看及統(tǒng)計(jì)，通過(guò)對(duì)地圖上的對(duì)應(yīng)設(shè)備進(jìn)行左鍵單擊選擇對(duì)應(yīng)設(shè)備，彈出對(duì)應(yīng)的控制或狀態(tài)頁(yè)面。對(duì)于設(shè)備故障報(bào)警、路段異常報(bào)警和交通其他報(bào)警，系統(tǒng)單獨(dú)開辟獨(dú)立線程自動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)查詢。并當(dāng)相應(yīng)路段出現(xiàn)異常時(shí)可以在界面上得到顯示并設(shè)為特定對(duì)應(yīng)顏色居中顯示并提供報(bào)警預(yù)案。當(dāng)相應(yīng)的設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)閃爍該設(shè)備從而提醒用戶該設(shè)備已故障。對(duì)于設(shè)備故障報(bào)警、路段異常報(bào)警和交通其他報(bào)警，系統(tǒng)還提供了人工手動(dòng)報(bào)警輸入，為系統(tǒng)提供相當(dāng)大的自主性［10］。

4結(jié)語(yǔ)

本文某高速公路監(jiān)控系統(tǒng)為背景，使用Rational Rose為建模工具，分析、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一個(gè)分布式的高速公路監(jiān)控系統(tǒng)，目前該系統(tǒng)已經(jīng)交付使用。其中，打破常規(guī)的UML動(dòng)態(tài)建模和靜態(tài)建模的設(shè)計(jì)思想，使用一種新穎的思路對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)是該系統(tǒng)開發(fā)的重要前提和關(guān)鍵。當(dāng)然，系統(tǒng)中仍然存在不完善的地方，比如對(duì)象的分布設(shè)計(jì)問(wèn)題等。不過(guò)由于面向?qū)ο缶哂锌蓮?fù)用、可擴(kuò)展的特性，可以在以后的研究中方便的完善其中的不足。

參考文獻(xiàn)

［1］夏創(chuàng)文.基于多媒體技術(shù)的高速公路聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)研究與應(yīng)用［J］.公路交通科技，2011(1):185188.

［2］李立芳.基于多媒體技術(shù)的指揮調(diào)度系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.艦船電子工程，2007(3):6465.

［3］穆振海，張昌年.新型指揮信息管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2008(6):295296.

［4］余林.多媒體通信的關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)［J］.山西科技，2006(6):2931.

［5］GUO Qian， HUANG Lin. Software design and modules development of the expressway tunnel monitoring system \\[C\\]// 4th IEEE Conference on Industrial Electronics and

Applications. Xi’an， China: IEEE， 2009: 965968.

［6］BAUER Bernhard， ODELL James. UML 2.0 and agents: How to build agentbased systems with the new UML standard \\[J\\]. Journal of Engineering Applications of Artificial Intelligence， 2005， 18: 141157.

［7］BERARDI Daniela， CALVANESE Diego， DE GIACOMO Giuseppe. Reasoning on UML class diagrams \\[J\\]. Artificial Intelligence， 2005， 168(1/2): 71118.

［8］BOGER Marko， JECKLE Mario， MUELLER Stefan， et al. Diagram interchange for UML \\[R\\]. \\[S.l.\\]: SpringerVerlag， 2002.

［9］SONG Eunjee， YIN Shuxin， RAY I. Using UML to model relational database operations \\[J\\]. Computer Standards and Interfaces， 2007， 29(3): 343354.

［10］DENG Wenjun， LIANG Yiwen. Reason on UML diagrams with answer set programming \\[C\\]// Proceedings of International Conference on Computer Science and Software Engineering. Washington， DC， USA: IEEE Computer Society， 2008: 205209.

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作者簡(jiǎn)介：

劉勇 男，1971年出生，山東濟(jì)南人，碩士研究生，副教授。主要研究方向?yàn)殡娮有畔ⅰ?/p>

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