1統一建模語言（UML）及相關技術介紹

面向對象的分析與設計（OOA Management Group）所接受，發布了UML的標準版。如今，UML已成為公認的最好的分析和設計面向對象軟件的標準建模語言[1]，而不是建模方法。它不包含任何具體的過程，即它并不講述如何運用面向對象的概念與原則去進行系統建模[2]，而只是定義了用于建模的各種元素，以及由這些元素所構成的各種圖的構成規則。這使得UML作為一種建模工具，在面向對象領域有著廣泛的用途，特別是針對城市污水處理這樣一個復雜系統。Rational Rose是Rational公司推出的一款支持UML可視化建模的工具軟件，它包括了用例、邏輯、組件和部署視圖，支持面向對象分析和設計，在不同的視圖中建立相應的UML圖形，反應系統的不同特征。

從UML建模應用的角度看[3]，一個最大的特點就是在設計一個系統時采用面向對象技術，一般需要經過以下三個步驟：（1）功能需求的描述；（2）根據功能需求建立系統的靜態模型；（3）在靜態視圖的基礎上，分析和設計系統的動態行為。

總的來說，UML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。它融入了軟件工程領域的新思想、新方法和新技術，而且它的作用域不限于支持面向對象的分析與設計，還支持從需求分析開始的軟件開發的全過程[4].

2城市污水處理仿真軟件的建模仿真

2.1用例建模

用例圖（Use Case Diagrams）是由軟件需求到最終實現的第一步，在UML中用例圖用于對系統、子系統或類的行為的可視化，以便系統的用戶更容易理解這些元素的用途，也便于軟件開發人員最終實現這些元素。在UML建模過程中，可以使用用例圖對系統的語境進行建模，強調系統外部的參與者。

UML中的用例描述了一組用例、參與者以及它們之間的關系，因此用例圖包括三方面內容：用例（Use Case）；參與者（Actor）；參與者之間的關系，包括泛化關系、包含關系、擴展關系等。

（1）定義系統目標與角色：通過對污水仿真系統功能的分析，本系統的開發目標是提供一個運行穩定、仿真準確、功能完備的被控對象，主要使用者是驗證控制方案的學生，因此學生是本仿真系統的主要角色；（2）分析角色與系統的交互，確定系統用例：一個良好的被控對象，仿真結果的準確性是最起碼的要求，同時要求能夠靈活設置參數，高效地進行過程控制，實時數據的趨勢顯示，仿真結果的數據存取。據此，污水處理系統的主要用例有7個，分別是：參數設置、歷史趨勢顯示、數據存取、3D通訊、處理工程控制、重置冷態和轉PLC外部控制。PLC外部控制是其下一步擴展功能，其主要職責是處理下位機的信號數據，用戶還可以通過擴展的3D通訊接口實現逼真的現實模擬。

圖1描述了污水仿真軟件總用例，其中描述的用例實際上就是污水仿真系統中的一個子系統功能，在實際的功能需求分析與設計中，用例粒度的大小根據實際的功能需求來界定。

2.2污水處理系統的業務流程分析與設計

用例圖只是表達了系統的功能需求，沒有描述系統隨時間變化的行為，這些行為是用從靜態視圖中抽取系統的瞬間值的變化來描述的。UML時序圖描述了對象之間傳遞消息的時間順序，它用來表示用例中的行為順序，是強調消息時間順序的交互圖。時序圖包括4個元素：對象（Object）、生命線（Lifeline）、激活（Activation）和消息（Message）。污水處理系統的操作時序圖如圖2所示。

這張操作時序圖描述了污水仿真軟件的一般性操作流程：首先登錄仿真系統，驗證用戶名及其密碼，經過后臺驗證后進入主界面；在操作主界面，用戶可以使用默認的參數值，例如進水流量、曝氣池容積、DO濃度、曝氣空氣流量、COD濃度等關鍵參數，也可以根據控制方案的需要修改初始參數值；用戶可以配置運行環境，如仿真步長、仿真時間等參數；接著，封裝為獨立類的污水仿真引擎，對外表現為一個黑箱，僅開放接收數據和顯示數據的接口，內部進行迭代仿真運算；用戶此時可以從擴展的3D通訊接口觀察實際處理效果或者通過趨勢曲線觀察，并可通過操作閥門開度及回流比，實時調整控制出水各組分濃度。

由于采用了OO方法建立的污水仿真系統，其基本組成的元素為對象，而對象又是類的實例，所以采用靜態視圖描述類、對象和它們之間的關系。類是任何面向對象系統中最重要的構造塊，也是一種重要的分類器，用來描述結構和行為特性的機制，包括類、接口、數據類型、信號、組件、節點、用例和子系統。類圖是描述類、接口、協作以及它們之間關系的圖，用來顯示系統中各個類的靜態結構。類圖包含7個元素：類、接口、協作、依賴關系、泛化關系、實現關系以及關聯關系。根據系統用例的功能研究分析，建立污水仿真系統主要類圖如圖3所示。

（1）污水處理系統主程序類：這是污水仿真系統的主界面類，每次運行僅有一個主程序類，它是其他類的關聯橋梁，依賴其他類暴露的接口進行數據傳遞、控制操作、數據顯示。它是整個仿真軟件的人機交互操作平臺，從封裝性角度考慮，其自身不具有數據處理功能；（2）用戶類：用于存儲用戶名和用戶密碼，可擴展為鏈接底層數據庫，管理員可設置對應操作權限及用戶賬戶管理；（3）系統控制類：每當用戶進行控制操作，如增大空氣流量、增加或減小進水量、改變回流比時，該類通過暴露在主程序類的數據接口，獲取閥門開度量或控制參數，處理后傳遞給仿真引擎進行數學迭代運算；（4）污水處理仿真引擎類：根據污水處理的數學模型，確定仿真系統采用國際水協發布的活性污泥ASM1數學模型，接收從主程序界面和控制類傳來的組分數據、控制參數，內部進行迭代運算，實時通過數據接口外傳各控制點數據。

3城市污水處理的實現

參照北京市某大型污水處理廠的實際處理過程，仿真軟件中數學模型采用活性污泥法。通過對溶解氧、污染物基質和異養菌生長三者關系分析，采用白箱建模的方法，從基本動力學方程出發進行了仿真研究，并對這一生化曝氣過程進行了建模，利用UML建模工具Rational Rose根據系統類圖自動翻譯的系統框架代碼及可執行程序，完成代碼的編寫，最終實現污水處理的系統功能。

以上利用UML對城市污水處理仿真系統進行了建模分析。實踐證明，UML在面向對象建模過程中效果顯著，它是一種優秀的建模語言，適用于軟件開發過程的各個階段。它能準確反映出污水處理仿真系統的功能需求，為建模人員搭建了一個清晰的建模平臺框架。整個仿真建模研究具有高度的透明性，其結果具有很高的可信度。無論用于理論上的污水建模研究，還是提供一個優良的被控對象，基于UML開發出的污水仿真產品無疑是讓人放心的，也為今后污水仿真產品的研究提供了一個良好的思路。