蔡杰

基于UML的水電廠監(jiān)控系統(tǒng)培訓(xùn)仿真軟件建模

蔡杰

（南瑞集團(tuán)公司（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院），江蘇 南京 210003）

隨著自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)業(yè)務(wù)日趨復(fù)雜并不斷變化，這對(duì)培訓(xùn)仿真系統(tǒng)的建模工具通用性提出了更高的要求。針對(duì)這一要求，本文在現(xiàn)有建模工具的基礎(chǔ)上，應(yīng)用UML技術(shù)，形成通用性更強(qiáng)的基于UML的培訓(xùn)仿真軟件建模工具。

水電廠；監(jiān)控系統(tǒng)；培訓(xùn)仿真建模；UML

1　前言

隨著水電控制理論與計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)業(yè)務(wù)日趨復(fù)雜。業(yè)務(wù)的復(fù)雜與多變對(duì)水電廠培訓(xùn)仿真系統(tǒng)的兼容性與擴(kuò)展性提出了更高的要求。如何應(yīng)對(duì)業(yè)務(wù)的不斷變化，如何提高培訓(xùn)仿真系統(tǒng)建模效率，成為水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)培訓(xùn)仿真軟件發(fā)展首先需要克服的困難。

2　統(tǒng)一建模語(yǔ)言（UML）

統(tǒng)一建模語(yǔ)言（UnifiedModelingLanguage, UML）是一種可視化建模語(yǔ)言，它能讓系統(tǒng)構(gòu)造者用標(biāo)準(zhǔn)的、易于理解的方式建立起能夠表達(dá)他們想象力的系統(tǒng)藍(lán)圖，并且提供了便于不同人之間有效地共享和交流設(shè)計(jì)結(jié)果的機(jī)制，定義了一種抽象的用來(lái)描述軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和行為的語(yǔ)言，還定義了一種標(biāo)準(zhǔn)的用來(lái)建立模型元素的圖形符號(hào)，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(yǔ)言。UML中定義了兩類(lèi)圖：

一類(lèi)是靜態(tài)圖，包括：

類(lèi)圖——闡述系統(tǒng)的靜態(tài)設(shè)計(jì)視圖，包括包、類(lèi)、接口、協(xié)作以及之間的關(guān)系。

對(duì)象圖——從真實(shí)的實(shí)例或原型的角度，給出類(lèi)圖中實(shí)例的瞬態(tài)圖。

組件圖——闡述系統(tǒng)的靜態(tài)實(shí)現(xiàn)視圖，顯示一組組件和他們之間的關(guān)系。組件代表的是模型中邏輯抽象的物理實(shí)施，例如類(lèi)和他們的交互。

配置圖——闡述一個(gè)系統(tǒng)中物理結(jié)點(diǎn)的鏈接。結(jié)點(diǎn)是為執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)組件提供物理操作環(huán)境的計(jì)算資源。

另一類(lèi)是動(dòng)態(tài)圖，包括：

用例圖——通過(guò)闡述一組用例和參與者之間的關(guān)系，為系統(tǒng)、子系統(tǒng)或類(lèi)的行為建立模型。

序列圖——通過(guò)介紹消息的時(shí)間順序，闡述了對(duì)象間的相互關(guān)系。這些對(duì)象是類(lèi)的典型實(shí)例，可以描述其他的分類(lèi)者，如執(zhí)行者、組件或節(jié)點(diǎn)。

狀態(tài)圖——描述一個(gè)狀態(tài)機(jī)，包括狀態(tài)、過(guò)渡、時(shí)間和活動(dòng)。這些圖最常用于對(duì)象順序行為建模。

活動(dòng)圖——顯示一個(gè)系統(tǒng)的活動(dòng)，活動(dòng)到活動(dòng)連續(xù)流或分支流，以及執(zhí)行這些活動(dòng)或由這些活動(dòng)產(chǎn)生的對(duì)象。

3　基于UML的水電廠監(jiān)控系統(tǒng)培訓(xùn)仿真軟件建模

針對(duì)培訓(xùn)仿真軟件的實(shí)際情況，采用UML標(biāo)準(zhǔn)中滿(mǎn)足培訓(xùn)仿真軟件建模需要的建模方式實(shí)現(xiàn)軟件建模，可以有效提高軟件的易用性，使軟件更加適應(yīng)監(jiān)控系統(tǒng)不斷變化的業(yè)務(wù)環(huán)境。

3.1業(yè)務(wù)分析與模型分類(lèi)

水電廠監(jiān)控系統(tǒng)培訓(xùn)仿真軟件的主要功能在于模擬水電廠現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行情況，因此建立的模型必須反應(yīng)水電廠現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)設(shè)備的物理邏輯與關(guān)系。主要模塊包括：水輪機(jī)與調(diào)速系統(tǒng)模型、發(fā)電機(jī)模型、勵(lì)磁系統(tǒng)模型、水循環(huán)系統(tǒng)模型、油循環(huán)系統(tǒng)模型、風(fēng)系統(tǒng)模型、開(kāi)關(guān)與刀閘模型、開(kāi)關(guān)站潮流模型。這些模型需要通過(guò)建模工具描述的邏輯大致可以分為兩類(lèi)：

1）模型內(nèi)部邏輯：激勵(lì)與反饋，即根據(jù)某些輸入信號(hào)，產(chǎn)生特定輸出，如開(kāi)關(guān)設(shè)備，當(dāng)收到控制信號(hào)輸入后，模型應(yīng)根據(jù)設(shè)定判斷條件是否滿(mǎn)足，如果條件滿(mǎn)足給出合閘信號(hào)或者分閘信號(hào)，如果條件不滿(mǎn)足給予報(bào)警提示。

2）模型間的物理關(guān)系：描述模型對(duì)應(yīng)實(shí)際設(shè)備間的物理關(guān)系，比如開(kāi)關(guān)站潮流模型，需要配置開(kāi)關(guān)站內(nèi)機(jī)組、開(kāi)關(guān)、刀閘間的連接信息。

根據(jù)培訓(xùn)仿真軟件所需要描述的物理涵義特點(diǎn)，我們?cè)赨ML標(biāo)準(zhǔn)中挑選配置圖與活動(dòng)圖來(lái)實(shí)現(xiàn)軟件建模功能。

3.2配置圖建模

我們采用配置圖來(lái)表達(dá)模型對(duì)應(yīng)實(shí)際設(shè)備間的物理關(guān)系。部署圖描述的是系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的結(jié)構(gòu)，展示了硬件的配置及其軟件如何部署到網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中。部署圖包含以下元素：

結(jié)點(diǎn)（Node）：結(jié)點(diǎn)是系統(tǒng)存在與運(yùn)行時(shí)的代表，是實(shí)際資源的物理元素，以開(kāi)關(guān)站潮流為例，結(jié)點(diǎn)可以代表開(kāi)關(guān)、刀閘；

結(jié)點(diǎn)類(lèi)型（NodeStereotypes）：結(jié)點(diǎn)的屬性，如開(kāi)關(guān)站潮流模型中，結(jié)點(diǎn)可能是開(kāi)關(guān)、刀閘；

結(jié)點(diǎn)實(shí)例（NodeInstance）：結(jié)點(diǎn)類(lèi)型實(shí)例化就形成一個(gè)具體的結(jié)點(diǎn)，結(jié)點(diǎn)類(lèi)型與結(jié)點(diǎn)實(shí)例之間存在繼承關(guān)系；

連接（Association）：結(jié)點(diǎn)之間的連線(xiàn)表示實(shí)際物理設(shè)備之間的路徑，這個(gè)路徑稱(chēng)為連接。

下面以開(kāi)關(guān)站潮流模型為例，采用配置圖建模組態(tài)工具，描述水電廠開(kāi)關(guān)站內(nèi)各個(gè)設(shè)備間的物理關(guān)系，如圖1：

可以看出，配置圖1中存在斷路器、刀閘、地刀等類(lèi)型（結(jié)點(diǎn)類(lèi)型），用戶(hù)可以在圖形界面中將特定結(jié)點(diǎn)類(lèi)型實(shí)例化（形成結(jié)點(diǎn)實(shí)例），然后通過(guò)線(xiàn)段（連接）將結(jié)點(diǎn)物理關(guān)系描述出來(lái)。在未使用UML建模工具前，用戶(hù)需要自己將結(jié)點(diǎn)間物理關(guān)系形成關(guān)系矩陣，存放到文件中，作為后臺(tái)程序的參數(shù)輸入。一旦開(kāi)關(guān)站設(shè)備進(jìn)行改造，原有設(shè)備物理結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，關(guān)系矩陣的修改工作將非常復(fù)雜。在使用UML建模工具后，開(kāi)關(guān)站設(shè)備間的物理關(guān)系可以方便直觀的在配置圖上進(jìn)行修改，提高了建模工作效率，增強(qiáng)系統(tǒng)可維護(hù)性。

圖1　開(kāi)關(guān)站內(nèi)各個(gè)設(shè)備間的物理關(guān)系

3.3活動(dòng)圖建模

活動(dòng)圖是UML用于對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為建模的一種常用工具，它描述活動(dòng)的順序，展現(xiàn)從一個(gè)活動(dòng)到另一個(gè)活動(dòng)的控制流。活動(dòng)圖在本質(zhì)上是一種流程圖?；顒?dòng)圖著重表現(xiàn)從一個(gè)活動(dòng)到另一個(gè)活動(dòng)的控制流，是內(nèi)部處理驅(qū)動(dòng)的流程?；顒?dòng)圖包含如下元素：

活動(dòng)狀態(tài)：表示在工作流程中執(zhí)行某個(gè)活動(dòng)或步驟。

轉(zhuǎn)移：表示各種活動(dòng)狀態(tài)的先后順序。這種轉(zhuǎn)移可稱(chēng)為完成轉(zhuǎn)移。它不同于一般的轉(zhuǎn)移，因?yàn)樗恍枰黠@的觸發(fā)器事件，而是通過(guò)完成活動(dòng)（用活動(dòng)狀態(tài)表示）來(lái)觸發(fā)。

同步：用于顯示平行分支流。同步示意圖使您能夠顯示業(yè)務(wù)用例的工作流程中的并行線(xiàn)程。

下面以開(kāi)關(guān)設(shè)備為例，實(shí)現(xiàn)活動(dòng)圖組態(tài)工具，描述開(kāi)關(guān)設(shè)備的操作邏輯，如圖2所示：

圖2　圖形化組態(tài)界面

建模工具提供圖形化組態(tài)界面，圖形界面中每一個(gè)方塊都是一個(gè)活動(dòng)；不同邏輯下的活動(dòng)放在平行的分支下，描述邏輯間的并行關(guān)系；通過(guò)活動(dòng)間帶箭頭的連線(xiàn)（轉(zhuǎn)移）來(lái)表達(dá)邏輯上的先后順序。在沒(méi)有提供UML建模工具前，用戶(hù)需要手工修改代碼以實(shí)現(xiàn)模型內(nèi)部的邏輯，這種方式不直觀，后期維護(hù)與修改非常麻煩。通過(guò)UML方式進(jìn)行建模，能夠清晰的表達(dá)設(shè)備內(nèi)某個(gè)邏輯活動(dòng)的順序關(guān)系，提高用戶(hù)易用性，降低維護(hù)成本。

3.4UML建模工具軟件架構(gòu)

采用基于UML的建模工具完成建模，軟件結(jié)構(gòu)不需要做大量的調(diào)整，只需增加相應(yīng)的建模工具即可。其軟件結(jié)構(gòu)主要包含活動(dòng)圖和配置圖兩個(gè)模塊，分別用于描述模型運(yùn)行邏輯的不同方面，活動(dòng)圖模塊包括活動(dòng)管理、順序管理和同步管理模塊，分別管理UML活動(dòng)圖中活動(dòng)所執(zhí)行的操作、活動(dòng)的分支與順序關(guān)系、邏輯并行關(guān)系。配置圖模塊包括結(jié)點(diǎn)管理、連線(xiàn)管理，分別負(fù)責(zé)結(jié)點(diǎn)類(lèi)型與實(shí)例化、結(jié)點(diǎn)間關(guān)系描述。同時(shí)提供保存、錯(cuò)誤檢查、樹(shù)形索引、搜索與替換及權(quán)限等公共組件，最后制作好的UML圖形可以通過(guò)統(tǒng)一的編譯接口形成支撐平臺(tái)可以加載的參數(shù)文件。支撐平臺(tái)啟動(dòng)后，將會(huì)持續(xù)的按照參數(shù)文件中定義的活動(dòng)圖邏輯順序以及配置圖物理關(guān)系模擬水電廠實(shí)際設(shè)備運(yùn)行情況。

4　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)將UML技術(shù)應(yīng)用于計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)培訓(xùn)仿真軟件，可以顯著增強(qiáng)系統(tǒng)的易用性、擴(kuò)展性，使軟件更加適應(yīng)監(jiān)控系統(tǒng)不斷變化的業(yè)務(wù)環(huán)境，具有深遠(yuǎn)的實(shí)用價(jià)值。

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TP311

B

1672-5387（2016）08-0055-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.08.016

2016-06-29

蔡杰（1983-），男，電力工程師，主要研究方向：水電廠自動(dòng)化。