龍勝各族自治縣龍勝中學(xué) 劉時濤

1.引言

聲傳感器組網(wǎng)探測是數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)的一個重要組成部分，它的主要目的是通過聲傳感器網(wǎng)絡(luò)對低空/超低空飛行目標進行探測，以獲得目標方位及屬性信息[1,2]。通常情況下，單個聲傳感器不能準確探測目標的位置信息，通過多傳感器組網(wǎng)，即按照一定的陣列將多個傳感器布置在指定位置，這些傳感器在各自的探測范圍內(nèi)共同探測低空/超低空目標在運動過程中產(chǎn)生的方位及特征信號，計算出該目標的方位角及俯仰角。同時，對接收到的聲音特征信號，聲傳感還能利用模式識別的方式判斷目標的屬性特征信息，目標方位和目標屬性特征信息作為目標定位的數(shù)據(jù)上報到數(shù)據(jù)融合中心。

2.傳感器布陣

由于能探測目標距離的聲強傳感器目前的成本還比較高，常用的傳感器只能對目標的方位角進行探測。為提高目標定位和跟蹤的精確度，提高被動聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的抗打擊和抗摧毀能力，在傳感器網(wǎng)絡(luò)布陣時，需要考慮一定的冗余度。本文采用的聲傳感器布陣有十字布陣和蜂窩積木式布陣兩種。

2.1 十字形布陣

十字形布陣是聲傳感器網(wǎng)絡(luò)實際應(yīng)用中廣泛采用的一種布陣方式，具有簡單，直觀的特點。十字形布陣方式及其有效覆蓋范圍如圖1所示，菱形框內(nèi)為每個子陣的覆蓋區(qū)域，其中，顏色最深的部分有三個傳感器覆蓋，顏色次深部分有兩個傳感器覆蓋。在每個十字形子陣內(nèi)，任意區(qū)域的目標都有兩或兩個以上的傳感器可以同時探測到，這將會提供目標定位和跟蹤的準確度和精度。網(wǎng)絡(luò)中任意一個傳感器被破壞，所有區(qū)域仍有兩個或以上的傳感器覆蓋，具有較強的抗打擊能力。

2.2 積木式蜂窩布陣

積木式蜂窩布陣是受蜂窩通訊啟發(fā)而引進的一種聲音傳感器網(wǎng)絡(luò)布陣方法。若探測單元數(shù)量和相同分布密度相同，積木式蜂窩布陣的覆蓋范圍最大。蜂窩網(wǎng)的積木式結(jié)構(gòu)特征，使其可按任何幾何圖形組網(wǎng)，不受防御地形限制，極提高組網(wǎng)的靈活性[15]。探測單元需要安放在每個蜂窩的中心和頂點。如圖2所示，擁有四個探測單元覆蓋的是蜂窩中最黑的部分，擁有三個探測單元覆蓋的是蜂窩中較黑的部分，即至少有三個探測單元覆蓋蜂窩內(nèi)，就算是其中任意兩個探測單元發(fā)生故障的情況下，蜂窩內(nèi)的任何一點也可由至少有一個探測單元覆蓋，預(yù)警網(wǎng)的冗余度和融合精度得到了極大地提高。

圖1 十字形布陣及有效覆蓋范圍

圖2 積木式蜂窩布陣及有效覆蓋范圍

3.UML系統(tǒng)建模

3.1 UML語言

UML（Unified Modeling Language，統(tǒng)一建模語言）是一種定義良好、易于表達、功能強大且普遍適用的建模語言[3]。其融入軟件工程領(lǐng)域的新思想、新方法和新技術(shù)，其作用域也不限于支持面向?qū)ο蟮姆治雠c設(shè)計，支持包括需求分析在內(nèi)的軟件開發(fā)的全過程。

UML建模過程通常分為5個階段。

需求分析階段：捕捉系統(tǒng)功能要求是建模的目的，分析、提取開發(fā)系統(tǒng)“客觀世界”領(lǐng)域的類以，描述其合作特性。

系統(tǒng)建模階段：通過對實現(xiàn)環(huán)境的考慮建模，將分析階段的模型擴展和轉(zhuǎn)化為可行的技術(shù)實現(xiàn)方案。

編程實現(xiàn)階段：進行編碼的同時，對已構(gòu)造模型作相應(yīng)修正。

模型配置階段：模型描述所開發(fā)系統(tǒng)軟硬件配置的情況。

測試運行階段：使用前幾個階段所構(gòu)造的模型來指導(dǎo)和協(xié)助后面的測試工作。

使用UML在系統(tǒng)開發(fā)的不同階段為系統(tǒng)建模，可從不同的視角，不同的詳略程度建立不同模型進行描述系統(tǒng)。UML從不同應(yīng)用層次和不同角度提供的九種視圖，有力支持系統(tǒng)分析、設(shè)計直到實現(xiàn)。不同階段對應(yīng)建立不同模型，建模的目的自然也就各不相同。

3.2 系統(tǒng)動態(tài)行為建模

系統(tǒng)的動態(tài)行為模型由順序圖、合作圖和活動圖表達。

順序圖是用來描述對象之間動態(tài)交互的關(guān)系示意圖，對象間消息傳遞的時間順序是其重點體現(xiàn)之一。順序圖由參與者(Actor)、對象(Object)、消息(Message)、生命周期(Lifeline)和控制源(Focus of control)組成。

順序圖具有兩個軸：水平軸表示不同對象，垂直軸表示時間。帶有垂直虛線的矩形框表示對象，標有對象名和類名。垂直虛線是對象的生命線，表示在某段時間內(nèi)對象的存在。通過在對象的生命線間畫消息來表示對象間的通信。消息的類型由消息的箭頭來指明。收到消息后，接收對象立即執(zhí)行活動，也就是對象被激活[4]。

合作圖就是用來描述相互合作對象間的交互和鏈接關(guān)系?；顒诱?Actor)、對象(Object)、連接(Link)和消息(Message)共同組成合作圖。順序圖和合作圖都被用來描述對象間的交互關(guān)系，但是其側(cè)重點各有不同。著重體現(xiàn)交互時間順序的是順序圖，著重體現(xiàn)交互對象間的靜態(tài)鏈接關(guān)系的則是合作圖。

合作圖不僅可以直接表現(xiàn)操作的實現(xiàn)，也可用來表示整個類的實現(xiàn)，它表示用來實現(xiàn)類的所有操作語境，從而使得對象在不同操作中可以擔當多種角色。合作圖通過描述對象所有操作的合作的聯(lián)合來構(gòu)造[5]。圖3委用戶添加目標合作圖。

圖3 用戶添加目標合作圖

活動圖根據(jù)目標對象的狀態(tài)變化來捕獲目標活動之間的結(jié)果。起始狀態(tài)(Start state)、終止狀態(tài)(End state)、狀態(tài)轉(zhuǎn)移(State transition)、決策(Decision)、守護條件、同步棒(Synchronization bar)和泳道(Swim lane)共同組成活動圖[4]。

起始狀態(tài)用實心圓點表示活動圖上工作流程的開始，一個圖中只有一個起始狀態(tài)。終止狀態(tài)用實心圓點外加小圓圈來表示活動圖的最后和終結(jié)狀態(tài)，一個圖中可以有0個或多個終止狀態(tài)。動作用圓角四邊形表示，其內(nèi)部的文本串用來說明采取的動作。動作間的轉(zhuǎn)移用帶有箭頭的實線來表示，守護條件、發(fā)送短句和動作表達式等標在箭頭上。守護條件用來約束轉(zhuǎn)移，只有當條件為真時，轉(zhuǎn)移才可以開始。決策點用菱形符號表示，進入轉(zhuǎn)移的決策符可以一個或者多個，發(fā)生轉(zhuǎn)移的是帶有兩個或兩個以上的守護條件。一個轉(zhuǎn)移可被分解為兩個或兩個以上的轉(zhuǎn)移，從而導(dǎo)致并發(fā)動作。在合并之前，所有的并行轉(zhuǎn)移必須被執(zhí)行。同步棒用粗黑線表示，可表示將轉(zhuǎn)移分解為多個分支，同樣也可表示分支的合并。

在被動聲傳感器網(wǎng)絡(luò)模擬系統(tǒng)中，當需要進行傳感器布陣時系統(tǒng)首先必須加載電子地圖，在地圖層進行航跡創(chuàng)建和傳感器布陣，所有在視圖區(qū)域的圖形也具有與地圖同步縮放功能。

圖4 傳感器布陣的活動圖

4.結(jié)論

本文首先針對聲傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)理論和技術(shù)進行了研究和介紹，接著運用UML語言對聲傳感器組網(wǎng)探測系統(tǒng)進行系統(tǒng)分析，建立了動態(tài)行為模型。最后，按照UML語言對系統(tǒng)建模的分析和設(shè)計結(jié)果，對系統(tǒng)類圖中的類和順序圖進行了詳細實現(xiàn)，進而實現(xiàn)了聲傳感器探測組網(wǎng)的系統(tǒng)建模。

[1]王耀南,李樹濤．多傳感器信息融合及其應(yīng)用綜述[J]．控制與決策,2001,16(5)∶518-522．

[2]劉志軍,金蓓弘．軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)及其應(yīng)用[J]．計算機工程與設(shè)計,2002,23(6)∶45-49．

[3]安建偉．基于UML的軟件系統(tǒng)建模研究[D]．西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文,2002．

[4]王文豪．銷售管理系統(tǒng)的UML分析與設(shè)計[D]．淮陰工學(xué)院碩士學(xué)位論文,2005

[5]何佳洲,潘冠華,袁富宇．單平臺多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]．火力與指揮控制,2002,27(2)．47-51．