（化学工程专业论文）基于uml的n2010色谱数据处理软件设计和实现.pdf

摘要 本论文的研究对象是基于u m l 的n 2 0 1 0 色谱数据处理软件的设计和开发。 从总体结构上分为五大部分，这几个部分的主要内容有： 在第一章中，简述了色谱数据处理软件和它的应用范围，然后简要的说 明了选题背景和意义 在第二章中，首先以色谱工作站n 2 0 0 0 为例，介绍了色谱工作站的主要 功能和特点；然后概括了面向对象的方法和u m l 统一建模语言以及可 视化开发环境r o s e 的特征；最后介绍了与色谱数据相关的标准和规范， 如统一的分析数据和质量信息标准和g l p ( 非临床优良实验研究规范) 。 在第三章中，主要介绍了迭代式的、增量的、以体系结构为中心的、用 况驱动的开发过程，并根据此丌发过程和u m l 的规范和要求，对n 2 0 1 0 色谱工作站进行了详细的建模设计。整个分析和设计过程具体包括了开 始阶段的用例分析、分析阶段的建立概念模型和设计阶段的时间顺序图、 系统类图和状态图等内容。 在第四章中，介绍开发过程的构建阶段和测试阶段，针对n 2 0 1 0 ，采用 d e l p h i 编程，进行系统的代码实现。系统经过测试阶段后在用户中试运 行得到好评。 在第五章中，对本论文所作的工作进行了总结，并展望了u m l 统一建 模语言的前景和色谱数据处理软件的未来发展趋势。 关键词 色谱数据处理软件；色谱工作站，面向对象方法，u m l 统一建模语 d e l p h i 语言? 软件开发过程，g l p a b s t r a c t t h eo b j e c t i v eo ft h i sd i s s e r t a t i o ni sf o c u s e du p o nt h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to f n 2 010s o f t w a r eo f c h r o m a t o g r a p h y d a t ao nt h eb a s i so fu n i t e d m o d e l i n g l a n g u a g e ( u m l ) t h ew o r kc o m p r i s e s f i v ec h a p t e r si nt h el i g h to fi t sf r a m e w o r ka n d h i e r a r c h y ，h e r ea l lo f p a r t sa r ed i s c u s s e dr e s p e c t i v e l ya sf o l l o w i n g f i r s t ，i nc h a p t e ro n e ，t h ec o n c e p to fc h e m s t a t i o ni sr e v i e w e d ，a n dt h e a p p l i c a t i o n s o ft h es o f t w a r ea r ei l l u s t r a t e d t h e nt h eb a c k g r o u n da n dt h e v a l u eo fw o r ka r ed i s c u s s e di nb r i e f n e x t ，t h e r ea r et h r e ep a r t si nc h a p t e rt w o i nf i r s tp a r t ，t h em a i nf u n c t i o na n d c h a r a c t e r i s t i c so f c h e m s t a t i o na r ei n t r o d u c e si nd e t a i l s i nt h es e c o n d p m t ，t h e m e t h o do ft h eo b j e c t o r i e n t e d ，t h ef e a t u r e so fu m la n dr o s es e r v e da st h e v i s u a ld e v e l o p m e n te n v i r o n m e n to fu m la r es u m m a r i z e d i nt h el a s tp a r t ， s o m es t a n d a r d sa n dc r i t e r i ao f c h r o m a t o g r a p h yd a t aa r em e n t i o n e d ，s u c ha s u n i f i e dc h r o m a t o g r a p h yd a t a s t y l et e c h n o l o g ya n dg l p ( g o o dl a b o r a t o r y p r a c t i c ef o rn o n c l i n i c a ll a b o r a t o r ys t u d i e s ) i nt h ec h a p t e rt h r e e t h ei t e r a t i v ei n c r e m e n t a la r c h i t e c t u r e c e n t r i ca n du s e c a s ed r i v e nd e v e l o p m e n tp r o c e s si si n t r o d u c e d a n da f t e r w a r d s ，t h ew h o l e s o f t w a r e s y s t e m n a m e dn 2 0 10i s a n a l y z e d a n d d e s i g n e d w i t hd e t a i l e d m o d e l s ，a c c o r d i n g t ot h ep r o c e s sa n di nt e r mo ft h ec r i t e r i aa n d r e q u i r e m e n t s o f u m l i nt h ec o u r s eo f a n a l y s i s & d e s i g n ，t h e r ea r ed i f f e r e n tp h a s e ss u c ha s t h ei n c e p t i o np h a s ew i t hu s ec a s em o d e l s ，t h ea n a l y s i sp h a s ew i t hc o n c e p t m o d e l sa n dt h e d e s i g np h a s ew i t hs e q u e n c ed i a g r a m s ，c l a s sd i a g r a m sa n d s t a t e c h a r td i a g r a m s i nt h ef o u rc h a p t e r , i nt h ec o n s t r u c t i o na n dt e s t i n gp r o c e s so ft h es o f t w a r e d e v e l o p i n g ，t h ei m p l e m e n t a t i o n f o rn 2 0 1 0w i t ht h e u s eo fd e l p h ii s e x p l a i n e di nd e t a i l a f t e rt e s t e d ，t h es o f t w a r ew a sb eu s e db ys o m ec u s t o m e r s a n da t t a i n e dg o o de v a l u a t i o n 1 1 l a s t a l lo ft h ew o r ki nt h ed i s s e r t a t i o ni ss u m m e du ps y s t e m a t i c a l l y i nt h e s a m et i m e ，s o r t i et r e n d st h a ta r ef u l lo f p r o m i s e s ，a r ep r o p o s e dt ot h eu m ， t e c h n o l o g ya n d t h ec h e m s t a t i o n k e y w o r d s ： s o f t w a r eo fc h r o m a t o g r a p h y d a t a ，c h e m s t a t i o n ，o b j e c t o r i e n t e d m e h t h o d ，u n i t e dm o d e l i n gl a n g u a g e ( u m l ) ，r o s e ，d e l p h i ，s o f t w a r ed e v e l o p m e n t p r o c e s s ，g o o dl a b o r a t o r yp r a c t i c ef o r n o n c l i n i c a ll a b o r a t o r ys t u d i e s ( g l p ) h i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 色谱作为一种分离技术和方法，已有1 0 0 年的历史。自从2 0 世纪4 0 年代以 后，发展势头越来越猛，从技术到理论，到各种分离模式，以及在各个科学领域 内的应用，都得到了突飞猛进的发展，现在已经成为分析化学学科中的一个重要 分支。色谱技术也成了生命科学、材料科学、环境科学必不可少的手段和工具。 根据最近的统计，在全世界各类分析仪器中，气相色谱仪和液相色谱仪的营销总 额占2 5 3 0 ，而且对其需求量还在逐年增长。随着计算机在化工领域的应用 与普及，色谱技术将来的趋势就是增强自动化，特别是计算机工作站的应用，以 及专门的进样装置与气相色谱仪的一体化。 a q l 上面所说的计算机工作站就是色谱工作 2 【! i ( c h e m s t a t i o n ) 。所谓色谱工作站， 是一种用计算机来实时控制色谱仪器，并对色谱数据进行采集和处理，从而给出 定量、定性分析结果的色谱数据处理设备。色谱工作站与色谱仪相配套，是处理 色谱仪信号数据的电脑系统。它将一台普通的电脑从硬件上和软件上进行扩充， 使其具有处理色谱仪信号数据的功能。 a - 2 随着计算机软硬件的飞速发展，色谱工作站如今广泛的应用于化学分析，生 命科学等学科的分析实验室矛n z u 。而且其功能也从单一的分析发展到各种对 数据的后处理上，在用户和系统的交互性方面也有越来越高的要求。特别是软件 对硬件的自动化控制与批处理，更是对工作站提出的新要求。 1 2 选题背景及意义 目前国内外很多公司都在生产色谱工作站，而我国的工作站软件与国外著名 的公司包括惠普( h p ) 和岛津( s h i m a d z u ) 等出品的软件相比还存在很大的 差距。由于国外色谱工作站的功能强大，设备先进，同时操作不容易掌握，其价 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 格也比较昂贵，对于中小型企业、研究所和实验室来说，不是最佳选择。而国内 简便型的色谱工作站以它便宜的价格和简单的操作，在此类产品的市场中占了一 席之地。n 2 0 1 0 色谱工作站就是定位在适应此类需求，同时借鉴优秀软件的优点 基础上研制开发的。 由于色谱工作站的不断增长和更新的功能需求，使得软件开发过程中的形式 化和可视化、模型化的工作越来越重要。怎样把系统的功能需求、规格说明、体 系框架和构成、动态的行为和细节进行很好的形式化和模型化表示，使软件开发 过程的各个阶段之间以及程序开发人员之间能够互相协调，以缩短软件开发的周 期、减少软件开发费用并提高软件质量和适应性，这是一个亟待解决而又非常棘 手的难问题。经过近二十年的发展和实践，面向对象的技术变得越来越成熟，产 生了从系统的需求分析到编程实现的一系列的工具和方法。在面向对象技术发展 的过程中，具有里程碑意义的一个事件是“统一建模语言”( u m l ，u n i t e d m o d e l i n gl a n g u a g e ) 的诞生并被软件工程界广泛的采用， a - 3 i u m l 集成了面向对 象领域到目前为止最优秀的形式化表述、可视化建模的技术，已经不断的被开发 和设计人员所接受。应用u m l 开发模式，已经成为一种发展趋势。所以在n 2 0 1 0 色谱工作站软件设计和开发此项课题中，我们采用了面向对象技术和统一建模语 言，设计出具有高度可复用性和扩展性的色谱软件。同时开发过程中采用迭代增 量式的方法，取得了很好的效果。 浙江大学硕士学位论文 塑三至塞鳖堡垄 第二章文献综述 2 。1 有关色谱专监术语 2 1 1 色谱图的有关概念f b _ 1 l 色谱图：色谱柱流出物通过检测器系统时所产生的响应信号对时间或者说载 气流出髂毅靛瑟线强 色谱峰：色谱柱流出组分通过检测器系统时所产生响应信号的微分曲线 基线：溶瓣莛点与终点之阉获连接髂壹线 峰简：从峰的最大值到峰基线的距离 峰宽：在蜂两镶搦点处簌诈切线与峰基线穗交两点之闯静距离 半峰宽：通过峰高的中点作平行于峰底的直线，此崽线与峰两侧相交两点之 间的距离 峰面积：峰与峰基线之间的藤织。 2 。1 2 蝰憝理参数 鬯谱蜂梭溺基线漂移耱修正浚越落点匏确定、分割分离不完全静峰。测 定峰面积等谱峰处理，都是根据设定的峰处理参数( 如峰宽、斜率、漂移量、 最小峰面积、时闻交参、时闻程序表及积分事件表) 等进行的，英有关概念觅 下表 8 2 】； 参数单位及范围功能与说明 蝰宽啦5 0 ( 5 ) 秒剿豫蜂宽比设置德小数峰，过程翔其簿予 以最小有效峰的半高处的宽度为依据来设簧， 最小半漳露，可获谱霞显示处佶诗该设嚣德。 斜率0 - 9 9 9 9 9 9 9峰检测灵敏度，用于确定峰的起点与终点 ( 7 0 ) 鬻敬大学疆士掌蛙论文 第二章文献综述 ( 微茯分) 最小峰蟊 0 9 9 9 9 9 9 9溅滁瑟积( 涟衰) 魄设定馥小熬漳，鼹子簇狳分援 积 ( 1 0 0 )过程中面积相对较小的不相关峰( 如仪器噪声) ( 微伏移) 漂移 0 9 9 9 9 9 。9 9确定基线变化程度，实现峰面积的自动分割 ( 0 )鬣“o 刚进行自动修正 ( 微伏秽) 时间变参0 2 0 0 0 ( 0 )依据色谱峰的峰形规律，在到达设定时间后，斜 ( 分)率减半。蜂宽燕绩，置“0 ”缀据峰宽与实际峰影静 关系，自动改变，如不想使用则设鬻一个比停止 时溺大熬蹙 锁定时间 0 9 9 9 9 9 9 9 删除分析开始至锁定时间之间的峰，主臻用于 ( o ) ( 分)黼除分桥歹干始斡一段时阉内出现的空气峰，溶 剂峰，负蜂等不相关峰 样品爨 0 9 9 9 9 9 9 9 9 分析样品的重量，不能置潜，对非蚴一法有效 ( 1 0 0 ) 注：表中括号内数据为一般系统默认值。 莰2 。i 蜂链理参数 2 2 色谱工作站 2 ，2 1 色谱工作站简介 2 + 2 。1 。1 虚拟仪器技术f b 3 】 b 卅 本世纪年代，出现了数字式仪器。7 0 年代，琏罄量 冀枫零豹发震，出现 包含计算机的智能仪器。这是仪器发展中的一次真正的革命，它不仅能自动完成 巢些测量任务或在程痔黎警下宠箴颈定动馋，两黧还可殴滢嚣包禚各静笺杂诗冀 旗鼓太学矮士学经毽文 第二章文献综述 5 在肉豹数据处理，替麓仪器还具有鸯校壤静功麓，使溅璧或撬行静准确发显著撬 筒，商晶化的智能仪器出现在1 9 7 3 年。 到了8 0 年代中后期，随着熊成电路、微型计算机及软件技术的发展，在智 能仪器的基础上又出现了“虚拟仪器”。它们都含有计算机，但在性能特点上又 有新的飞跃。虚拟仪器怒将计算机、仪器硬件和计算机应用软件组合在一起而构 成的智熊测量分撰系统，是智煞测量分橱系绞鲍飞跃。纛掇仪器黥应用藏疆正在 | 三| 益扩大，例如建立自动测试系统、数据采集系统、数据分析、自动控制系统等。 色遘工俘站鼓是秘色谱仪组合在趁形残虚拟仪器，著在分褥实验室及纯工工厂 中得到广泛的应用。 2 2 1 2 色谱工作站 8 。 为了说明方便，下面以浙江大学智达信息技术有限公司的n 2 0 0 0 色谱工作站 为例，详细说明色谱工作站的功能和特点。 工揍站由硬传茅曩软件嚣个部分组成： 硬件：是指独立的信号采集单元( 称为外置式硬件) 或插在电脑扩展槽内的 偿号采集卡( 豫为凑鬟式矮俘) 。它将色谱饺输盼凑数信号转交为电藏能够接 受的一个个数字信号( 称之为采样信号) ，起着电脑与色谱仪之间的桥梁作用。 n 2 0 0 0 的数据采策卡是双遴遒，可以同时接受两台仪器传输过来的信号。信号经 过转换之后通过帛行口谶入计算机中，软件再对数据进行贮存和处理。 软件：是指接收和处理由硬件传送来的色谱采样信号数据并掇供人机窗口界 磁，对谱熙进行番转处理的照黪程序集。n 2 0 0 0 的软 孛部分包括在线和裹线嚣部 分，在线魑根据避样采集到的实验信息，汜录信号并对其进行处理，判别信号并 诗算数据实验结浆；褒线部分剃秃采撰功能，其铡重点在予对数援送行恁处理。 n 2 0 0 0 色谱工作站的主要功能如下： 色谱穗号采集 色谱仪通过色谱采集卡和计霁机连接，在色谱工作站软件控制下，可以将气 褶色谱、液褶色谱、离子色谱、凝胶渗透色谱毛细管电泳簿的检测器输出的色谱 峰的模拟信号( 电压信号) 转换贼数字信号，这信号被传送到色谱工作站中， 巍敬大学疆圭学位论文 第二章文献综述 并保存到数据文件中。在工作站采集数据的过程中可以在线浏览计算机中绘出的 色谱图。信号采集功能在软件的在线部分实现，需要采集数据的通道可以选择。 n 2 0 0 0 还允许用户对串行口进行设置。 方法编辑 实验方法是指控制工作站对色谱仪的信号进行采集保存、显示、分析计算、 打印、同时记录实验条件的一个程序，它实际上是一个分析进样前编好的批处理 程序，一旦编辑好了实验方法，计算机将一步一步按你所编好的方法进行操作。 n 2 0 0 0 工作站的方法中包括采样控制、积分、组分表、谱图显示、报告编辑 及仪器条件等的设置。其中采样控制包括采样结束时间、文件保存方式、采样结 束是否自动积分和打印等。积分包括积分参数、积分变量及积分方法的设置。积 分变量是指积分是以面积还是高度为标准。积分方法有归一法、内标法、外标法、 校正归一法及指数法。在积分参数中，可以对峰宽、斜率样品重量、最小面积、 时间变参、锁定时间及漂移两进行选择性设置。 组分表可用在定性鉴别中，它的使用与归一法无关。组分表对组分的分辨很 重要，组分表中列出了峰名和保留时间，时间宽度等。 根据自己的需要设定好了实验方法之后，可以保存到一个方法文件中，以后 需要的运行此方法只要从计算机中调出就可使用。方法编辑提供了让用户按照不 同分析物确定不同的实验方法的功能。 数据处理 n 2 0 0 0 色谱工作站在数据处理方面的功能有：色谱峰的识别、基线的校正、 重叠峰和拖尾峰的解析，计算峰参数( 包括保留时间、峰高、峰面积、半峰宽等) ， 定量计算组分含量( 方法包括归一法、内标法、外标法等) 。定量计算包括积分、 计算含量和校正。积分过程是在信号中确定峰，建立基线，计算峰大小( 峰面积 和峰高) 。积分过程是一项复杂的工作，色谱工作站要达到良好的积分效果，需 要解决噪声、漂移和峰的不完全分离问题。 积分中包括自动积分和手动积分。自动积分是工作站按照预先设定积分参数 和谱峰检测方法，对色谱峰自动积分。实际分析中由于有时样品十分复杂，实验 浙江大学硕士学位论文 第= 章文献综述 室所用的色谱分离技术无法达到理想的分离状况，软件要百分之百准确地鉴别出 峰的起点、终点与峰类型，仍然有一定的难度，手动积分就是对色谱峰识别进行 补充处理。手动积分是用户对色谱峰进行手工处理，比如：谱峰手工识别、修改 基线、负峰识别、谱峰合并、谱峰删除等。对谱图进行的这些手动积分操作被记 录在手动积分事件表中。软件根据此表中的记录对色谱进行重新分析。 定量是使用峰面积或峰高来确定样品中化合物的浓度，包括以下过程：弄清 并鉴别您所分析的化合物；建立分析含有这种化合物样品的方法；分析含有已知 化合物浓度的一个或几个标准样品，以获得该浓度下的响应，并计算出响应因子： 分析未知浓度的化合物样品，以得到未知浓度的响应；将未知浓度的样品与标准 样品进行比较，并利用标准样品的校正因子来确定未知样品中化合物的浓度。为 了获得未知样品响应与标准样品的有效比较，必须在相同的条件下采集和处理数 据。 色谱仪的校正对结果的准确性通常是重要的。校正一台仪器的目的是核对某 一给定的组分在检测器上的响应，因为等量的不同组分在同一检测器上在相同的 色谱条件下往往产生不同的响应。校正的另一个原因是有关检测器的线性，通常 组分的响应将随着组分的浓度的增大而增加，因此需要用同一组分的不同浓度对 检测器进行校正。校正方法包括线性、平方和立方等拟合方法。校正中还有以下 概念： a - 2 重复次数：同一浓度的标准样品平行进样的次数 校准点数：由一个校准不同样品浓度的校准点组成。 标准样品：也叫校准样品或标准混合物，是含有用于定量的已知数量的化合物样 品。标准样品可从国家标准试剂供应商处买到。 标准曲线：是从一个或多个标准样品中获得的化合物的数量与响因数据的图形表 不。 谱图处理 n 2 0 0 0 色谱工作站软件谱图处理功能包括对已存储的色谱图的整体的调整 或部分的调出；色谱峰的增加和删除；调整色谱图放大和缩小；手动调整峰的起 点和终点；处理重叠峰、拖尾峰和负峰等。谱图中还可以添加不同的注释，例如 浙江大学硕士学位论文 墨三茎，壅塑堡蕉一羔 峰号、保鼷嚣寸闽等游。多蠛色灌图可以进行比较，锶据叠煳或相城计算。 定麓报告 报告镪括所分柝祥晶黼定性定量信意。撤告可良誊接打印，藏在屏幕上预 览擞示。蹋户可以按照需要选择掇告中包含酶内鸯。 2 3 鬣爨对蒙方法( o b j e c t - o r i e n t e dm e t h o d ) 撅述 遥年寒，隧着软 孛系统糯模越来越大，人们在森稻中又不断爨潞新的甏求， 露软彳串的菱瘸瞧( r e u s a b i l i t y ) 、可扩震懿( e x t e n d i b i l i t y ) 、对环境秘鼹户嚣 求的适应僚( a d e p t a b i l i t y ) 等，确应软件系统的复杂性( c o m p l e x i t y ) 也越来越 裹，传绫蛉结楗伲方法( s t r u c t u r em e t h o d ) 赝矛发豹系统，鼗攘与功麓稳分离， 整个系统是备个功能块的串联，很娥实现这螳疆求，而面向对象的方法，正以其 餐整麓赞经，缀好静籀决了遮鏊润越，曩益受到a 稠静重亳凳鞠广泛熬盎露。 剪先，在具体介绍题趣对象方法( ) 藤，也缀有必要阔顾一下结构化浆程 净设计方法。 2 3 1 传统的软件方法 传统的软件设计方法往往是为了解决面向过程语言系统的设计问题的产生 羁发浸装。爨蓉名懿是在趵零钱交薅兰学者e d s g e rd i j k s t r a 挺赉髓“舞掏纯 程序设计”方法【b 4 j ，这方法把面向机器代码的程序撼象为三葶申基本稷序结构： 颓毒缝穆、逸撂绪药襁蓬复缘稳，并摄出了一系戮静设诗器羹l | ，磐蠢上嚣下、逐 步袋糟、模块化编程簿f b 一。这些爨粼爨按照穗序所褥实瑶的功能，囊上面下屡 罄最开。主漂惩定义箨法韵模浚，最下罄是实蕊算法舔模块。投照这样的规范褐 威静横块是麓度功能健赡，饔最强耱蠹繁力。慷各摸捷的数援处予实现功黢黪姨 属圭电位，因此，各模块与数描间的相关性就较蘸，无论把数据分放在各个模块里 还是作为全菇量款在憨模块申，模袭之溜蘩有缓大麴糕台力。孬当多个模块并发 执行时，这种祸合就极易导数程序系统出现混乱。 浙江大学硕士学位论文 第二章文献综述 结构化程序设计从系统的功能入手，按照工程的标准和严格的规范将系统分 解为若干功能模块，系统是实现模块功能的函数和过程的集合。由于用户的需求 和软、硬件技术的不断发展变化，软件规模和复杂性的增长，按照功能划分设计 的系统模块必然是易变的和不稳定的，这样开发出来的模块可复用性很低。为了 最大限度的利用已有的资源和减少程序开发的工作量，需要有一种比传统的结构 化程序设计方法抽象能力更强的新方法，面向对象的程序设计方法正是在这种背 景下诞生的。面向对象程序设计同结构化程序设计相比最大的区别就在于其从所 处理的数据入手，以数据为中心而不是以服务( 功能) 为中心来描述系统。面向 对象的方法把编程问题视为一个数据集合，数据相对于功能而言，往往具有更强 的稳定性。 3 3 2 面向对象方法的特征 面向对象程序设计方法起源于六十年代未期的语言s i m u l a 6 7 ，到了七十年代 末期，软件行业正受到软件危机的困扰，结构化的开发方法显得无能为力。面向 对象语言s m a l l t a k 出现，进一步发展和完善了面向对象的程序设计语言，从此 面向对象也和开发方法相结合，出现了面向对象的开发方法，自8 0 年代后期以 来，相继涌现了大量应用广泛的面向对象的编程语言如c + + 、c l o s 、a d a 9 5 和t a v a 等等，与此相应也出现了多种面向对象开发方法。 面向对象的编程方法具有四个基本特征 1 抽象： 抽象就是忽略一个主题中与当前目标无关的那些方面，以便更充分地注意与 当前目标有关的方面。抽象并不打算了解全部问题，而只是选择其中的一部分。 比如，我们要设计一个学生成绩管理系统，考察学生这个对象时，我们只关心他 的班级、学号、成绩等，而t m - z 关心他的身高、体重这些信息。抽象包括两个 方面，一是过程抽象，二是数据抽象。过程抽象是指任何一个明确定义功能的操 作都可被使用者看作单个的实体看待，尽管这个操作实际上可能由一系列更低级 浙江大学硕士学位论文 第二章史献综述 0 鹩揉 乍来完戒。数据抽象定义了数据类受帮薤热予该类囊对象上豹操俸，并限定 了对象的值只能通过使用这些操作修改和观察。 2 继承： 继承楚一释联结类黪层次旗型，荠、纛龛诲稻鼓励类瓣重震，它提 荚t 穆鞠 确表述共性的方法。对象的一个新类可以从现有的类中派生，这个过程称为类继 承。新类继承了原始类的待性，新类称为原始类盼派生癸( 子粪) ，丽藤始类称 为新类的基类( 父类) 。派生类可以从它的基类郧里继承方法和实例变量，并且 炎可以修改或增加新的方法使之更适合特殊的需要。这也体现了大自然中般与 特赫的关系。继承性很妊豹鳃浃了软件黪爵重用性闯题。比如说，辑有兹w i n d 。w s 应用程序都有一个窗口，它们可以看作都是从一个窗e l 爽派生出来的。但是有的 疲蠲程序魂于文字处理，骞豹应簇程序麓予绘国，这是由予派生懑了不弱熬子类， 各个子类添加了不同的特性。 3 封装： 羹装建嚣自对象粒黪缝之一，是对象耪委概念浆主要特注。封装是怒过程秘 数据包围起来，对数据的访问只能通过已定义的界面。面向对象计算始于这个基 本褫念，帮现实凝界可以镀摇绘成一系列完全鸯治、封装的对象，这些对象通过 个受保护的接口访问其他对象。旦定义了一个对象的特性，则有必要决定这 些特性的可见性+ 即哪些特性对外部世界建可见的，哪些特性用于表示内部状态。 在这个阶段定义对象的接口。通卷，应禁止直接涛闽一个对象的实际表示，丽应 通过操作接口访问对象，这称为信息隐藏。事实i 二，信息隐藏是用户对封装性的 认识，势装烈为继息隐藏旋供支黪。封装德涯了模块具鸯较好豹狻立性，镬褥程 序维护修改较为容易。对应用程序的修改仅限于类的内部，因而可以将应用程序 惨菠带来瓣影旗躐少銎| 最低陵度。 4 多态镶： 多态性是指允许不同类的对象对同一消息作出响应。比如同样的加法，把两 个露阗热在一起秘楚两个整数蕊在一起肯定完全不霹。又比如，黼样的遥弹编辑 一粘贴操作，在字处理程序和绘图程序中有不同的效果。多态性包括参数化多态 辩= 改大学臻士学短论文 第二章文献综述 往帮包含多态瞧。多态槛语言其有灵活、擂象、行为共享、代弱共享静谯势，缀 好的解决了应用程序函数同名问题。 面向对象程序设计具有许多优点 开发时间短，效率高，可靠性高，所开发的程序更强壮。由于面向对象编稷 熬可蓬_ 囊l 姓，可以在应滔程序中太罴装臻残熬嚣类黪，扶嚣缭短了开发时趣。 应用程序更易于维护、更新和升级。继承和封装使得应用程序的修改带来的 影确蓬蕊嚣帮仡。 2 4u m l 统一建模语言介绍【b - 7 】【b _ 8 】【b - 9 b - t o 】【b - 1 1 西囱对象的分辑与设计o o a & d ) 方法龅发展在年代末至9 0 年代中出现了 一个高潮，u m l 熄这个高潮的产物。它不仅统一了b o o t h 、r u m b a u g h 和 a c o b s o n 静表示方法，嚣罴对其磐了进一步匏发震，著最终统一为大众聚搂受豹标准建接 谮言。 2 4 iu m l 的历史 公认鞠面向对象建模语言出现予7 0 年代中期。从1 9 8 9 年到1 9 9 4 年，其数 缀从不到十种增加到了五十多种。在众多的建模语言中，语言的创造者努力推崇 囊己豹产晒，势在实践中不断完蛰。但是，瑟囊对象方法款埂户著不了解不嗣建 模语言的优缺点及相互之间的差弊，因而很难根据应用特点选择合适的建模语 言，于是爆发了场“方法大羧”。9 0 年代中，一舞乏薪方法崮褒了，其中磺雩 人 注目的是b o o c h1 9 9 3 、o o s e 和o m t 一2 等。 b o o t h 是面向对象方法最旱的倡导者之一，德搓出了面向对象软件工程的概 念。1 9 9 1 年，他将以前面向a d a 的工作扩展到整个颟向对象设计领域。b o o c h1 9 9 3 眈较适合于系统的设计和构造。 r u m b a u g h 等人提出了葱匀对象豹建模技孝( 勰t ) 方法，采瘸了瑟囱对象豹 游我大学硕士学位论文 第二章文献综述 概念，并引入各释独立于语言静表示符。这种方法焉对象模型、动态模黧、功能 模型和用例模型引入各种独立于语言的表示符。这种方法用对象模型、动态模型、 功能模型和用例模型，莛阊完成对整个系统的建模，所定义的概念和符号可用于 软件开发的分析、设计鄹实现的全过程，软件开发人员不必在开发过程的不同阶 段进行概念和符号的转换。o m t - 2 特别通用于分析和描述以数据为中心的信息系 统。 j a c o b s o n 于1 9 9 4 年提出了o o s e 方法，其最大特点是面向用例( u s e c a s e ) ， 并在角镶豹撼述中 | 入7 姊部燕色熬藏念。震镶瓣壤念楚精确赘述蔫隶蠡孽重要武 器，用例贯穿于整个开发过程，包括对系统的测试和验证。o o s e 比较邋合支持 裔监工稷帮需求分析。 此外，还有c o a d y o a r d o n 方法，即著名的0 0 a 0 0 d ，它是最早的面向对象 的分析和设计方法之一。该方法简单、易学，适合于面向对象技术的初学者使用， 傻出于该方法在处理能力方面的局限，舅翦已很少使用。 概括起来，酋先，面对众多的建模语言，用户由于没有能力区别不同语言之 阗熬差掰，因此缀难找到一静毙较逶合其应霸特点款语言；其次，众多懿建摸语 言实际上各有千秋；第三，虽然不同的建模语言大多类同，但仍存在某些细微的 麓裁，极大建兢褥了露产之藩懿交流。因此在客潞上，极有登要在精心比较不同 的建模语言优缺点及总结面向对象技术应用实践的基础上，组织联合设计小组， 穰据应用需求，敬其精华，去萁糟粕，求间存异，统一建模语言。 1 9 9 4 年1 0 月，o r a d yb o o c h 和j i mr u m b a u g h 开始致力于这一工 乍。他们首 先将b o o c h 9 3 和o m t 一2 统一起来，并于1 9 9 5 年1 0 月发布了第个公开版本， 舔之为统一方法u m0 。8 ( u n i t i e dm e t h o d ) 。1 9 9 5 年教，o o s e 魅越始人i ￥a r j a e o b s o n 加盟到这一工作。经过b o o c h 、r u m b a u g h 和j a c o b s o n 三人的共同努力， 予1 9 9 6 年8 其秘1 0 月分澍发毒了嚣个数豹叛本，瑟u m l0 。翻u m l0 9 1 ，荠 将u m 重新命名为u m l ( u n i f i e dm o d e i n gl a n g u a g e ) 。 1 9 9 6 年，一黧祝梅蒋u m l 作为其裔鼗策略己霹趋碉撼。u m l 的开发者得n t 来自公众的正面反应，并倡议成立了u m l 成员协会，以完善、加强和促进u m l 的定义工作。当时的成员有d e c 、h p 、i l o g i x 、i t e l l i e o r d 、i b m 、i c o n c o m p u t i n g ，m c is y s t e m h o u s e 、m i c r o s o f t 、o r a c l e 、r a t i o n a ls o f t w a r e ? t i 新涎丈学颈士攀位论文 第二章文献综述 以及u n i s y s 。遮辊鞫对u m li ，0 ( 1 9 9 7 年1 月) 及u m li 。l ( 1 9 9 7 年l l 胃l ? 日) 的定义和发布起了重要的促进作用。 u m l 是一种定义良好、易于发达、功能强大艟普遍适精的建模语言。它溶入 了软件工程领域的新思想、新方法和新技术。它的作用域不限于支持面向对象的 分析与设计，还支持从需求分析开始的软件开发的全过程。 标猴建摸语言的出觋是其重疆成累。在美基，截止1 9 9 6 年l o 月，u m l 获褥 了工业界、科技界和应用界的广泛支持，已有7 0 0 多个公司表示支持采用u m l 作为建模语言。1 9 9 6 年残，u m l 邑稳占嚣自对象技术枣场豹8 5 ，成为爵李燕 七 建模语言事实上的工业标准。1 9 9 7 年1 1 月1 7 曰，o m g 采纳u m l1 1 作为基于面 囱对象技术的标准建模语言。u m l 代表了瑟离对象方法豹软件开发按术鹣发震方 向，具有巨大的市场前景，也具有重大的经济价值和国防价值。 2 4 2 标准建模语言u m l 的内容 蓄先，u m l 融合了b o o c h 、o m t 和o o s e 方法中夔基本壤念，露旦这些基本壤 念与其他面向对象技术中的基本概念大多相同，因而，u m l 必然成为这些方法以 及其缝方法酶襞麓券乐予采用懿耱麓单一蘩懿建模语畜：其次，u m l 不仅仅是 上述方法的简单汇合，而是在这魑方法的基础上广泛征求意见，集众家之长，几 经修改而完成的，u m l 扩髅了珉有方法的应用范蕊；第三，u m l 怒标准的建模语 言，而不是标准的开发过程。尽镣u m l 的应用必然以系统的开发过程为背景，但 亩于不同的组织和不同的应用领域，需嚣采取不同的开发过程。 作为辩建模语言，u m l 的定义包括u m l 语义和u m l 表示法聪个部分。 ( i ) u m l 语义描述基于u m l 的精确元模型定义。元模型为u m l 的所有元素在语 法稳语 义上提供了简单、一致、通用的定义性漉明，使开发者能在语义上取得一致，消 除了函入箍异鹊竣佳表达方法繇遗藏的影蛹。既羚潲l 还支持对元模型的扩展定 义。 ( 2 ) u m l 农示法定义u m l 符号的表示法，为开发者或开发工具使用这些图形符 号和文本语法为系统建模提供了栎准。这然图形符号和文字所表达的是应瘸级的 鬻巍大学疆士掌链论文 第二章文献综述 模型，在语义上它是磷l 元模黧静实铡。 标凇建模语言u m l 的重要内容可以出下列五类图来定义： 第一类是用例( u s ec a s e ) ，从用户角度描述系统功能，并指出各功能的搡 作者。 第二类是静态图( s t a t i cd i a g r a m ) ，包括类闰、对象图和包图。其中类图 接述系缆中类豹黪态结擒。不仅定义系统中兹类，表示娄之闻豹联系如关联、菝 赖、聚合等，也包括类的内部结构( 类的属性和操作) 。类图描述的是一种静态 关系，褒系统懿整令生余震麓帮楚畜效瓣。 对象图是类图的实例，几乎使用与类图完全相同的标识。他们的不同点在于 对象图鬟示类酶多个对象实镶，稀不是实际的类。个对象闺是类图的一个实铆。 娃；j 于对象存在生命周期，因此对象图只能在系统巢一时间段存在。 包e l = ；| 色或类组成，表示包与包之间的关系。包图用于描述系统的分层结构。 第三类是行为图( b e h a v i o rd i a g r a m ) ，攒述系统的动态模黧和组成对象阈 的交互关系。其中状态图描述类的对象所有可能的状态以及事件发生时状态的转 移条俘。遴鬻，状态图是对类銎斡羚充。在实用土并否零簧为簸鸯熬类西状态图， 仅为那些有多个状态其行为受外界环境的影响并且发生改变的类画状态图。 两活动霞攒述满是麓镯要求掰要遂行豹活动l 羞及活动溺静约寨关系，有稍予 识别并行活动。 第四类是交互图( i n t e r a c t i v ed i a g r a m ) ，播述对象闻酶交碰关系。其中顺 序图显示对象之间的动态合作关系，它强调对象之间消息发送的顺序，嗣时显示 对象之间的交互；合作图描述对象间的协作关系，合作图跟顺序圈相似，显示对 象闻豹动态合作关系。除照示壤想交换於，合作鬻还显示怼象以及它奶之闽豹关 系。如果强调时间和顺序，则使用顺序图；如果强调上下级关系，则选择合作图。 这嚣静强会髂为交互图。 第五炎是实现图( i m p l e m e n t a t i o nd i a g r a m ) 。其中构件图描述代码部件 兹物理维狗及各帮侔之阕盼依赖关系。一个部 掌可能是一个资源代码部件、一个 二进制部件或一个可执行部件。它包含逻辑类或实现类的有关信息。部件圈有助 予分析和理解部件之间的相互影响程度。 配置图定义系统中软硬件的物理体系结均。它可以显示实际款诗算枧鄹设各 滚鼗太学硕士攀位论文 第二章文献综述 ( 甬节患表示) 以及它们之阕麴连接关系，也可疆示连接的类型及部箨之溺酶袋 赖性。在节点内部，放置可执行部件和对象以显示节点跟可执行软件单元的对应 关系。 从应用的角度看，当采用面向对象技术设计系统时，首先是描述需求；其次 根据需求建立系统的静态模型，以构造系统的结构；第三步是描述系统的行为。 其中在第一步与第二步中所建立的模型都是静态蜘，包括用例图、类图( 包含包) 、 对象图、组件图和配置图等五个图形，是标准建模语言u m l 的静态建模机制。其 中第三步中辑建立懿模型装者可以执行，或者表示裁行时鼹时痔拨态或交互关 系。它包括状态图、活动图、顺序图和合作图等四个图形，是标准建模语言u m l 熬动态建模税裁。濯魏，稼准建穰语言u m l 酶主要内容也可以弱编为静态建模视 制和动态建模机制两大类。 2 4 3 标准建模语言u m l 的主要特点 标准建模语言u m l 款主要特点以归结为三点： ( 1 ) u m l 统一了b o o c h 、o m t 和o o s e 等方法中的基本概念。 ( 2 ) u b i l 还唆取了瑟蠢对象技零领域串英毡浚派豹长处，荚中也包括菲0 0 方法的影响。u m l 符号表示考虑了各种方法的图形表示，删掉了大量易引起混乱 懿、多余斡帮较少使霜懿符号，落添藤了一些耨符号。因此，在u m l 中汇久了瑟 向对象领域中很多人的思想。这贱思想并不是u m l 的开发者们发明的，而是开发 者们依据黻优秀躺o o 方法和丰富的计算机科学实践经验综合提炼而成的。 ( 3 ) u m l 在演变过程中还提如了一些灏的概念。在u m l 标捻中掰加了模扳 ( s t e r e o t y p e s ) 、职责( r e s p o n s i b i i i t i e s ) 、扩展机制( e x t e n s i h i l i t y m e c h a n i s m s ) 、线程( t h r e a d s ) 、过程( p r o c e s s e s ) 、分毒式( d i s t r i b u t i o n ) 、荠 发( c o n c u r r e n c y ) 、模式( p a t t e r n s ) 、合作( c o l l a b o r a t i o n s ) 、活动图( a c t i v i t v d i a g r a m ) 等瑟裰念，并清灏圭蠹嚣分类型( t y p e ) 、类( c l a s s ) 帮实俄( i n s t a n c e ) 、 细化( r e f i n e m e n t ) 、接口( i n t e r f a c e s ) 和组件( c o m p o n e n t s ) 等概念。 因此可以认为，u r l 怒一种先进实用的标准建模语言，但其中菜些概念尚待 实践来验证，u m l 也必然存在一个进化过稷。 滤爨太学硬圭攀蕴论文 第二章文献综述 2 4 ，4 基于u m i 。的软件分析与设计 软件开发正常情况下按照如下步骤进行。首先是了鳃系统( 搿户) 需求，其次 楚系统分析，再次是代礴编写，最后是代码的维护和扩展。 2 4 4 1 系统( 用户) 需求 它鼹问题提出的过稷，软件大体要实现什么功能，商什么参与者。而应用图 ( u s ec a s ed i a g r a m ) 臻表达静正蹙参与者( a c t o r ) 与软俸应焉( u s ec a s e ) ，应丽 和系统响应之间的关系。 在了解系统需求的过程中，就可以给应用圈添积上相应的a c t o r 与u s e c a s e 。在了解系绫需求的后期，则可