淺談城市污水處理系統(tǒng)建模

隨著水資源的日益短缺和對(duì)環(huán)境污染的日益重視，污水處理越來(lái)越受到人們的關(guān)注。與其他工業(yè)處理系統(tǒng)相比，污水處理系統(tǒng)的整個(gè)處理過(guò)程由許多單元組成，在不同的單元有可能發(fā)生不同的反應(yīng)，如化學(xué)、物理和生物反應(yīng)，因此在研究污水處理過(guò)程中需要面向單元對(duì)象分析，而不能單純進(jìn)行系統(tǒng)的整體建模分析，同時(shí)提供優(yōu)良的低端通用型語(yǔ)言支持、高效的數(shù)值程序以及優(yōu)化工具也是仿真軟件開發(fā)中的重要方向?；赨ML的建模更能全面、準(zhǔn)確地反映污水處理中的工藝細(xì)節(jié)和系統(tǒng)的對(duì)象（類）及其之間的交互，充分捕獲用戶的實(shí)際需求。
　　1統(tǒng)一建模語(yǔ)言（UML）及相關(guān)技術(shù)介紹
　　面向?qū)ο蟮姆治雠c設(shè)計(jì)（OOA Management Group）所接受，發(fā)布了UML的標(biāo)準(zhǔn)版。如今，UML已成為公認(rèn)的最好的分析和設(shè)計(jì)面向?qū)ο筌浖臉?biāo)準(zhǔn)建模語(yǔ)言［1］，而不是建模方法。它不包含任何具體的過(guò)程，即它并不講述如何運(yùn)用面向?qū)ο蟮母拍钆c原則去進(jìn)行系統(tǒng)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(gòu)成的各種圖的構(gòu)成規(guī)則。這使得UML作為一種建模工具，在面向?qū)ο箢I(lǐng)域有著廣泛的用途，特別是針對(duì)城市污水處理這樣一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)。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?qū)ο蠓治龊驮O(shè)計(jì)，在不同的視圖中建立相應(yīng)的UML圖形，反應(yīng)系統(tǒng)的不同特征。
　　從UML建模應(yīng)用的角度看［3］，一個(gè)最大的特點(diǎn)就是在設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)時(shí)采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，一般需要經(jīng)過(guò)以下三個(gè)步驟：（1）功能需求的描述；（2）根據(jù)功能需求建立系統(tǒng)的靜態(tài)模型；（3）在靜態(tài)視圖的基礎(chǔ)上，分析和設(shè)計(jì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為。
　　總的來(lái)說(shuō)，UML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。它融入了軟件工程領(lǐng)域的新思想、新方法和新技術(shù)，而且它的作用域不限于支持面向?qū)ο蟮姆治雠c設(shè)計(jì)，還支持從需求分析開始的軟件開發(fā)的全過(guò)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(shí)現(xiàn)的第一步，在UML中用例圖用于對(duì)系統(tǒng)、子系統(tǒng)或類的行為的可視化，以便系統(tǒng)的用戶更容易理解這些元素的用途，也便于軟件開發(fā)人員最終實(shí)現(xiàn)這些元素。在UML建模過(guò)程中，可以使用用例圖對(duì)系統(tǒng)的語(yǔ)境進(jìn)行建模，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)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(guān)系，因此用例圖包括三方面內(nèi)容：用例（Use Case）；參與者（Actor）；參與者之間的關(guān)系，包括泛化關(guān)系、包含關(guān)系、擴(kuò)展關(guān)系等。
　　（1）定義系統(tǒng)目標(biāo)與角色：通過(guò)對(duì)污水仿真系統(tǒng)功能的分析，本系統(tǒng)的開發(fā)目標(biāo)是提供一個(gè)運(yùn)行穩(wěn)定、仿真準(zhǔn)確、功能完備的被控對(duì)象，主要使用者是驗(yàn)證控制方案的學(xué)生，因此學(xué)生是本仿真系統(tǒng)的主要角色；（2）分析角色與系統(tǒng)的交互，確定系統(tǒng)用例：一個(gè)良好的被控對(duì)象，仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性是最起碼的要求，同時(shí)要求能夠靈活設(shè)置參數(shù)，高效地進(jìn)行過(guò)程控制，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的趨勢(shì)顯示，仿真結(jié)果的數(shù)據(jù)存取。據(jù)此，污水處理系統(tǒng)的主要用例有7個(gè)，分別是：參數(shù)設(shè)置、歷史趨勢(shì)顯示、數(shù)據(jù)存取、3D通訊、處理工程控制、重置冷態(tài)和轉(zhuǎn)PLC外部控制。PLC外部控制是其下一步擴(kuò)展功能，其主要職責(zé)是處理下位機(jī)的信號(hào)數(shù)據(jù)，用戶還可以通過(guò)擴(kuò)展的3D通訊接口實(shí)現(xiàn)逼真的現(xiàn)實(shí)模擬。
　　圖1描述了污水仿真軟件總用例，其中描述的用例實(shí)際上就是污水仿真系統(tǒng)中的一個(gè)子系統(tǒng)功能，在實(shí)際的功能需求分析與設(shè)計(jì)中，用例粒度的大小根據(jù)實(shí)際的功能需求來(lái)界定。
　　
　　2.2污水處理系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程分析與設(shè)計(jì)
　　用例圖只是表達(dá)了系統(tǒng)的功能需求，沒(méi)有描述系統(tǒng)隨時(shí)間變化的行為，這些行為是用從靜態(tài)視圖中抽取系統(tǒng)的瞬間值的變化來(lái)描述的。UML時(shí)序圖描述了對(duì)象之間傳遞消息的時(shí)間順序，它用來(lái)表示用例中的行為順序，是強(qiáng)調(diào)消息時(shí)間順序的交互圖。時(shí)序圖包括4個(gè)元素：對(duì)象（Object）、生命線（Lifeline）、激活（Activation）和消息（Message）。