基于UML的城市污水處理系統(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(kāi)發(fā)中的重要方向。基于UML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(lèi)）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(kāi)始的軟件開(kāi)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(lèi)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(kāi)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(kāi)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）。污水處理系統(tǒng)的操作時(shí)序圖如圖2所示。這張操作時(shí)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(tǒng)，驗(yàn)證用戶名及其密碼，經(jīng)過(guò)后臺(tái)驗(yàn)證后進(jìn)入主界面；在操作主界面，用戶可以使用默認(rèn)的參數(shù)值，例如進(jìn)水流量、曝氣池容積、DO濃度、曝氣空氣流量、COD濃度等關(guān)鍵參數(shù)，也可以根據(jù)控制方案的需要修改初始參數(shù)值；用戶可以配置運(yùn)行環(huán)境，如仿真步長(zhǎng)、仿真時(shí)間等參數(shù)；接著，封裝為獨(dú)立類(lèi)的污水仿真引擎，對(duì)外表現(xiàn)為一個(gè)黑箱，僅開(kāi)放接收數(shù)據(jù)和顯示數(shù)據(jù)的接口，內(nèi)部進(jìn)行迭代仿真運(yùn)算；用戶此時(shí)可以從擴(kuò)展的3D通訊接口觀察實(shí)際處理效果或者通過(guò)趨勢(shì)曲線觀察，并可通過(guò)操作閥門(mén)開(kāi)度及回流比，實(shí)時(shí)調(diào)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(tǒng)，其基本組成的元素為對(duì)象，而對(duì)象又是類(lèi)的實(shí)例，所以采用靜態(tài)視圖描述類(lèi)、對(duì)象和它們之間的關(guān)系。類(lèi)是任何面向?qū)ο笙到y(tǒng)中最重要的構(gòu)造塊，也是一種重要的分類(lèi)器，用來(lái)描述結(jié)構(gòu)和行為特性的機(jī)制，包括類(lèi)、接口、數(shù)據(jù)類(lèi)型、信號(hào)、組件、節(jié)點(diǎn)、用例和子系統(tǒng)。類(lèi)圖是描述類(lèi)、接口、協(xié)作以及它們之間關(guān)系的圖，用來(lái)顯示系統(tǒng)中各個(gè)類(lèi)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)。類(lèi)圖包含7個(gè)元素：類(lèi)、接口、協(xié)作、依賴(lài)關(guān)系、泛化關(guān)系、實(shí)現(xiàn)關(guān)系以及關(guān)聯(lián)關(guān)系。根據(jù)系統(tǒng)用例的功能研究分析，建立污水仿真系統(tǒng)主要類(lèi)圖如圖3所示。（1）污水處理系統(tǒng)主程序類(lèi)：這是污水仿真系統(tǒng)的主界面類(lèi)，每次運(yùn)行僅有一個(gè)主程序類(lèi)，它是其他類(lèi)的關(guān)聯(lián)橋梁，依賴(lài)其他類(lèi)暴露的接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞、控制操作、數(shù)據(jù)顯示。它是整個(gè)仿真軟件的人機(jī)交互操作平臺(tái)，從封裝性角度考慮，其自身不具有數(shù)據(jù)處理功能；（2）用戶類(lèi)：用于存儲(chǔ)用戶名和用戶密碼，可擴(kuò)展為鏈接底層數(shù)據(jù)庫(kù)，管理員可設(shè)置對(duì)應(yīng)操作權(quán)限及用戶賬戶管理；（3）系統(tǒng)控制類(lèi)：每當(dāng)用戶進(jìn)行控制操作，如增大空氣流量、增加或減小進(jìn)水量、改變回流比時(shí)，該類(lèi)通過(guò)暴露在主程序類(lèi)的數(shù)據(jù)接口，獲取閥門(mén)開(kāi)度量或控制參數(shù)，處理后傳遞給仿真引擎進(jìn)行數(shù)學(xué)迭代運(yùn)算；（4）污水處理仿真引擎類(lèi)：根據(jù)污水處理的數(shù)學(xué)模型，確定仿真系統(tǒng)采用國(guó)際水協(xié)發(fā)布的活性污泥ASM1數(shù)學(xué)模型，接收從主程序界面和控制類(lèi)傳來(lái)的組分?jǐn)?shù)據(jù)、控制參數(shù)，內(nèi)部進(jìn)行迭代運(yùn)算，實(shí)時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)接口外傳各控制點(diǎn)數(shù)據(jù)。3城市污水處理的實(shí)現(xiàn)

參照北京市某大型污水處理廠的實(shí)際處理過(guò)程，仿真軟件中數(shù)學(xué)模型采用活性污泥法。通過(guò)對(duì)溶解氧、污染物基質(zhì)和異養(yǎng)菌生長(zhǎng)三者關(guān)系分析，采用白箱建模的方法，從基本動(dòng)力學(xué)方程出發(fā)進(jìn)行了仿真研究，并對(duì)這一生化曝氣過(guò)程進(jìn)行了建模，利用UML建模工具Rational Rose根據(jù)系統(tǒng)類(lèi)圖自動(dòng)翻譯的系統(tǒng)框架代碼及可執(zhí)行程序，完成代碼的編寫(xiě)，最終實(shí)現(xiàn)污水處理的系統(tǒng)功能。以上利用UML對(duì)城市污水處理仿真系統(tǒng)進(jìn)行了建模分析。實(shí)踐證明，UML在面向?qū)ο蠼＿^(guò)程中效果顯著，它是一種優(yōu)秀的建模語(yǔ)言，適用于軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程的各個(gè)階段。它能準(zhǔn)確反映出污水處理仿真系統(tǒng)的功能需求，為建模人員搭建了一個(gè)清晰的建模平臺(tái)框架。整個(gè)仿真建模研究具有高度的透明性，其結(jié)果具有很高的可信度。無(wú)論用于理論上的污水建模研究，還是提供一個(gè)優(yōu)良的被控對(duì)象，基于UML開(kāi)發(fā)出的污水仿真產(chǎn)品無(wú)疑是讓人放心的，也為今后污水仿真產(chǎn)品的研究提供了一個(gè)良好的思路。