（道路与铁道工程专业论文）公路施工管理信息系统的设计与优化技术.pdf

复杂系统。本文在分析总结公路工程施工管理具体内容的基础上，对建立公路 工程施工管理信息系统( h 嘶i s ) 展开研究。采用面向对象( o b j e c t - o r i e n t e d ) 这 一先进的系统分析、设计工具对系统进行了深入的分析与设计。通过对各个具 体的u s ec a s e 的分析，建立了h c m i s 核心子系统的对象模型，并进一步完善了 系统的功能与结构。在系统分析的基础上，通过对系统数据的分析，建立了较 为完善的系统数据库。 在网络技术建模中：1 实现了网络工序的自动编号。2 通过考虑网络搭接时 间的不确定性，对搭接p e r t 网络的计算进行了扩展，提出了新的网络计算方法， 并应用模糊数学的方法对网络工序进行评审。3 针对目前大多数软件无法实现 网络计划的动态管理的实际情况，本文提出了网络更新处理方法和步骤，解决 了网络的状态更新、动态跟踪、动态计划及优化问题，从而实现了网络计划的 动态管理。4 在网络优化问题求解时，本文引入非数值并行算法遗传算法( g a ) 作为基本优化求解手段。针对网络优化中工期优化、工期一资源优化、工期一 成本优化的不同特点，从染色体、遗传算子、算法结构方面进行设计，提出了 三种有效的算法。在此基础上，本文进步研究了考虑气候条件及投资利率因 素的网络多目标综合优化问题，并提出了这类问题的具体解法，解决了其它方 法难以解决的公路工程网络多目标综合优化问题。 另外，本文还对传统的库存模型进行了分析与改进。在考虑材料价格的周期 变化这一特点的前提下，进行推导计算，建立了两个新的库存优化模型，并用 线性规划与“斐波那契搜索算法”分别进行优化求解。 根据本文的分析研究成果，作者运用数据库系统开发工具p o w e r b u il d e r 6 5 编制了基于w i n d o w s 9 5 平台的管理软件h c m i s ，实现了工程子系统、系统子系统、 计划子系统和控制与优化子系统的核心功能( 包括：工程总体信息管理、系统权 限管理、项目概预算、网络工序自动编号、搭接p e r t 网络参数计算、网络更新、 网络的三种优化的演化计算、网络综合优化的演化计算等) 。经验证，作者所开 发的公路施工管理信息系统( h c m i s ) 各功能完成正常，网络计算正确，优化效果 良好。 a b s l f l 认c t h i g h w a yc o n s t r u c t i o nm a n a g e m e n ti s ac o m p l e xs y s t e mo fc o m p r e h e n s i v e f u n c t i o n s ，w i d ee x t e n t ，c o m p l i c a t e ds t r u c t u r ea n dl o t so f v a r i a b l ef a c t o r s a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fh i g h w a yc o n s t r u c t i o nm a n a g e m e n t ，t h ed e e p r e s e a r c ha n da n a l y s e so fd e v e l o p i n gt h eh c m i s ( h i g h w a yc o n s t r u c t i o nm a n a g e m e n t i n f o r m a t i o ns y s t e m ) i sc a r r i e do u ti nt h i st h e s i sw i t ho b j e c t - o r i e n t e dm e t h o d b yt h e a n a l y s e so fe a c hu s ec a s e ，t h et h e s i ss e t su pt h eo b j e c tm o d e lo fc o r es u b - p r o j e c t so f h c m i s ，a n di m p r o v e st h ef u n c t i o n sa n ds t r u c t u r eo f t h es y s t e m b a s e do nt h ea n a l y s e s o f t h et h e s i s , c o m p a r a b l yp e r f e c td a t a b a s ei ss e tu p i n n e t w o r k - t e c h n i q u em o d e l i n g ：1 t h e t h e s i s a c c o m p l i s h e st h ea u t o m a t i c n u m b e r i n g 2 an e wp e r tn e t w o r kc a l c u l a t i o ni sp u tf o r w a r db yc o n s i d e r i n gt h e u n c e r t a i n t yo fc o n n e c t i n gd u r a t i o n 3 t h et h e s i ss o l v e st h ep r o b l e m so fn e t w o r ks t a t e u p d a t i n g ，d y n a m i ct r a c i n g ，d y n a m i cp l a n i n g & o p t i m i z a t i o n 4 an e wo p t i m i z a t i o n m e t h o dg e n e t i ca l g o r i t h m s ( g a ) w a si n t r o d u c e dt oc a r r yo u tt h en e t w o r k o p t i m i z a t i o n a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tc h a r a c t e r so ft h r e eo p t i m i z a t i o np r o b l e m s ， t h r e en e wa l g o r i t h m sa r eb r o u g h tf o r w a r d m o r e o v e r , t h et h e s i ss o l v e st h eg e n e r a n e t w o r ko p t i m i z a t i o nc o n s i d e r i n gw e a t h e rc o n d i t i o na n di n v e s t m e n tc o n d i t i o n m e a n w h i l e ，t h et h e s i sp u t sf o r w a r d st w on e ws t o c km o d e l sb a s e do nt h e t r a d i t i o n a lo n e sb yc o n s i d e r i n gt h ev a r i e t yo f t h ep r i c eo f m a t e r i a l i na d d i t i o n , c o m b i n e dw i t ht h ec o n t e n ta n dm e t h o dp r e s e n t e di nt h i sp a p e r , h c m i ss o f t w a r ew a sd e v e l o p e dw i t hp o w e r b u i l d e r 6 5u n d e rw i n d o w s 9 5 e n v i r o n m e n t t h er u n n i n gr e s u l to f t h es o f t w a r ei n d i c a t e st h a tt h es y s t e mf u n c t i o n sa r e n o r m a la n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e l sw o r kw e l l 公路工程施工管酯怠系统的研究与开发 ，- _ _ _ _ p _ _ _ 。- ( 摘要) 研究生 指导教师 常云涛 孛嘉剐教授 内容提要 按照公路施工管理的具体需要，在前任开发者工作的基础上，本文运用面向对象( o o ) 技术，以啦cc 船c 为主要的分折手段，对公路施工管理系统h c m i s 进行了详细、深入的系 统分析与设计，得到了主要的子系统的对象模型建立了较为完善的系统结构，完成了系 统功能的划分。在系统分析成果的基础上，完成了数据库的设计。在网络技术建模中，本 文做了下列工作：1 实现了网络工序的自动编号2 在搭接p e r t 网络中考虑了搭接时间的 不确定性，并引入模糊数学理论进行网络评审，从而提出了新的搭接p e r t 网络计算与评审 方法。3 提出并解决了网络的动态管理问题。4 在网络优化方面，引入了遗传算法( g a ) 作为 基本优化手段。针对工期优化、工期成本、工期一资源优化的不同特点分别提出了三种 遗传算法的设计，在此基础上，本文还进一步研究并解决了网络计划的多目标优化问题。 此外，在考虑材料价格的周期性变化的基础上，提出了两个新的库存优化模型。 最后，作者还编制了h c m i s 软件的原型并实现了其核心的功能，通过测试运行与计算 实例分析，系统各部分运行正常，计算正确，所采用的g a 优化算法结果令人满意。 f i 第一章绪论 本章介绍了课题的来源、意义瞰及研究现状，引出本文所涉及到的基本理论和方法， 介绍了主要的研究内容 嚣萨鼢柏酣一张腑徽驾就了耥髅删躺 第三章数据库设计 本章在系统分析的基础上，通过对系统数据结构的分析建立了除标准定额数据库以外 的其它全部数据库内容，对数据库内的各数据表给出了详细的定义，并对系统数据的编号 作了统的规定 第四章公路工程网络技术及其数学模型 本章在对搭接p e r t 网络的研究中，首先实现了网络工序的自动编号；其次，通过考虑 搭接时间的模糊性，扩展了p e r t 网络的计算，提出了考虑搭接时间模糊性的网络计算方法， 并运用模糊数学理论进行网络计划的评审：最后，提出并解决了利用工程当前状态数据进 行网络更新的阎题。 本章针对网络优化问题，首先对各类优化的基本原理和常规解法进行了分析，然后在网 络优化中引入遗传算法( g a ) ，针对不同网络优化的各自特点，从染色体、遗传算子、算法 结构方面进行分析与设计，提出了三种有效的算法，分别用于解决工期优化、资源优化、 成本优化等优化问题。进一步，本文对工程网络优化中的工期、成本、资源限制与均衡、 气候、投资等因素进行综合的考虑，运用“化多为少”的方法简化问题，提出并实现了解 决这类问题的具体方法。 第五章公路工程施工材料储备优化模型 通过对传筑库存模型假设条件的合理修改，运用预测学方法考虑材料价格的周期性变 化，在此基础上提出了两个新的适合于公路生产实际的库存优化模型。通过对两个模型的 推导与分析，本文分别采用线性规划与“斐波那契搜索计算法”进行优化求解。 第六章h c m i s 的原型实现与算例分析 本章说明了系统实现的总思想和方法，并介绍h c m i s 已实现功能的操作方法。最后还 通过对一工程的范例的计算来检验系统运行的正确性和有效性，运行结果表明本系统能正 确执行，网络计算正确，网络优化效果令人满意。 第七章结束语( 略) 参考文献( 略) 致谢( 略) 湖南大学硕土学位论文公路工程施工管曩信息系统f i n i s ) 的研究与开发 第一章绪论 1 1 本课题研究的意义 公路是田民经济的重要基础设施之一，它承担着经济建设繁重的运输任务随着田民 经济的迅速发展，国内的公路建设已达到空前的繁荣，尤其是高等级公路的大量兴建，其 规模之巨大，对新工艺、新技术、新设备的引进之多是前所未有的1 9 9 8 年，我国交通 事业大发展，全国新增公路里程3 7 万公里，桥梁6 0 0 0 余座。全嗣公路建设投资达到2 1 1 8 亿元。是历史上是多的一年截止到1 9 9 8 年底我国公路通车总里程已达到1 2 6 万公里， 其中高速公路6 2 5 8 公里，二级以上公路近1 4 万公里，全国通公路的乡镇、行政树比例分 别达到9 9 n 和8 7 * , 。为我国交通运输事业的发展莫定了良好的基础瞄】 但是，应当看到随着大量高等级公路的兴建，其对人、财、物的消耗日益增多；而且 对各项技术指标的要求也越来越高，再加之公路工程具有筑路材料和公路结构的多样性、 外界环境的可变性、工程战线的延续性，以及来自社会等方面的因素，这一切都使得公路 在施工期间的管理成为一个艰巨而复杂的问题本文将紧紧围绕公路施工企业实际的管理 工作这一主题，遵循提出问题分析问题解决问题的思路，研究和归纳我田公路施 工企业管理现状和存在的一般性问题。继丽分析和探讨公路行业企业施工管理的一般规律 和实用方法，最终从信息系统角度给出解决问题的思路和方法 1 1 1 莸国公路企业工程管理工作的现状及存在的问题 管理工作是公路施工企业中的重要一环是企业节源降耗，创造经济效益的重要手段， 可以说缺乏管理的施工单位必将走向衰落。因此。如何加强公路藤工企业的管理，从而提 高公路的整体水平，已经提上议事日程随着经济体制改革的进行。公路施工企业内部的 施工管理体制有了很大的变化主要表现为：一是随着市场经济的推行，公路施工企业同 市场的联系大大加强，企业可根据实际需要进行各项人力、材料等资源安排与管理：二是 企业在施工管理上有了更大的自主权，对旌工过程中的各项事物的管理工作能采取更加灵 活的措施。但同时企业担负的经济责任也更大，对施工管理工作的周密性和控制的严格性 要求更高了。 从总体情况来看，目前在公路施工过程中。国内许多单位仍存在施工管理混乱，施工 组织计划不合理的现象，更没有对施工组织进行优化，加之管理者的主观因素，或是难以 对工程的各个方面考虑周全，对施工的投资、进程的信息缺乏了解，从而造成人力、资源、 资金的不合理安摊甚至极大浪费其结果往往是不但延误工期，也使得施工单位难有好的 经济效益。从总体角度来讲，我园公路企业施工管理中存在的问题可以归纳如下： 1 计划多变，缺乏权威性 公路施工受公路结构、外界环境、资源。社会因素等多方面影响，我国公路企业对这 湖南大学硕土学位论文公路工程施工管理信息系统0 i 叫i s ) 的研究与开发 些环节普遍缺乏准确的计划和预测，加上企业在实际工作中些观点不科学，缺乏对先进 管理技术的了解和对施工情况的动态掌握与控制，导致施工组织与计划的不稳定，甚至有 时制定计划仅是为了应付上级检蠢而已，实际工作中则很少去执行，或是经常修改施工组 织计划，这本身也影响了计划指导作用的发挥，使得施工组织陷于混乱 2 施工管理方式落后 目前，我国许多公路施工单位所采取的管理方法仍是一些落后的人工方法，这些方法 已逐渐无法适应当前的大规模、高等级公路的建设在实际中，常会因管理者的主观因素 或是难以对工程的各个方面考虑周全而使得工程在施工过程中蒙受不必要的损失 3 信息反馈速度慢，准确度不足 信息作为搞好管理工作的基础在整个管理过程中占有重要的地位，企业的各项管理 工作都应力求做刭事前管理防息未然，这就需要及时进行准确的信息反馈，用以监督各项 计划的执行但是，由于老方法在制度和操作上的烦琐，以及易发生琉漏，信息很难得到 准确迅速的反馈管理人员需花大量时间用于各种报表凭证的整理统计传递工作中。这些 工作依靠手工完成。其核对周期过长。这就不能及时掌握施工发展的动态情况，使信息资 料与工程实际相脱节管理工作往往成了“马后炮”，因此很难有效地对生产组织与计划 进行指导性控制p 】 1 1 2 对问题根源的探讨 以上所列是存在于我国公路企业施工管理工作中的普遍问题，本文认为造成上述问题 的主要原因可以归纳为如下几个方面： 1 施工管理者本身较少注重管理水平的提高和管理方式的转变 公路企业在管理上往往凭经验办事，缺乏科学性，与当前市场经济体制对施工管理提 出的灵活、周密、迅速的要求不能适应。 2 施工的信息管理与现场管理相脱节 管理者所掌握的工程进展资料与现场施工实际有一定的出入这使得管理者难于从全 局上对工程有清晰的掌握。从而易对工程情况的了解产生遗漏 3 信息收集和传递渠道不够完善 许多企业目前还停留在信息的手工处理阶段一般来讲，企业决策者需要的是高质量 的信息，也就是说，能令其迅速、准确、科学地作出决策的信息但是通过手工处理的信 息很难有此特征，不仅因为信息输送渠道松散，更因为许多必需的数据在过程中尚不够及 时，不富流动性、经常性、阶段性在内容上不能做到相关、准确、完全、可操作。在形 式上不能做到简洁、具体、有序导致决策准确性差 4 决策者掌握的科学决策方法比较少 企业决策者在面临实际决策问题时缺乏相应的软件支持，不能根据适当的方法，尤 其是那些先进准确的方法，进行及时的分析与判断，也因此失去了许多机会。 2 湖南大学硕土学位论文 公路工程施工管理信息系统( h c m i s ) 的研究与开发 总的来讲。造成公路施工企业管理工作落后的原因是管理结构混乱规范化管理机制 不健全，信息的采集和流通过于缓慢，缺乏先进的管理技术的支持，决策者很难采取恰当 的决策来提高企业的管理水平 1 1 3 问题解决的思路管理信息系统引入公路企业施工管理工作 怎样才能做到工程建设费用省、效率高、质量好，保证按期完成工程任务呢? 最重要 的就是要加强施工项目的科学管理建立规范的管理机制采用有效的生产组织管理措施， 在保证质量的前提下科学地协调进度、费用、资源三大目标之间的关系采用先进的施工 管理技术。并利用计算机协助管理者对整个工程信息进行全盘的掌握，对施工过程的组织 进行调整和优化，使工程顺利进展，工程资源、费用与工期三者得到合理的安排，充分发 挥工程潜力，使人力、资源、资金得到充分利用。 那么应采取怎样的具体措旅昵? 我们注意到，造成公路旌工企业组织与管理混乱的主 要原因是施工过程中的信息不畅，计划不周，决策不力，反应不快。所以最佳的解决措施 就是运用当今发达的计算机技术来完成与信息有关的工作。目前，计算机在企业管理中的 应用日益广泛计算机软件的实用性和可操作性大大改善，同时信息系统理论也日趋完善 另一方面旌工管理工作信息量大，同类工作重复次数多，这种工作性质正好符合计算机的 特点微型计算机投资少，使用方便，效率高。加上数据库的发展，使数据管理更加迅速 灵活而且，信息系统的飞速发展使得管理者可以利用一些先进的方法进行管理、预测和 决策。这就为公路企业的各项管理提供了更好的条件 当前，世界正处在信息时代，信息革命已冲击到了各个具体行业作为信息革命产物 信息产业，已蓬勃发展起来，并迅速在国民经济各部门中渗透、融合、交叉，促进了 经济的发展在西方发达国家，信息产业已在各行各业有了广泛而成熟的应用，在公路建 设管理方面也有了长足的发展，施工管理的新技术不断发展成熟，各类算法不断地改进， 其应用及管理水平已远远领先于国内。随着中国加入w t o ，外国企业参与国内竟争，将使 我国公路企业受到严峻考验。因此，发展我国公路信息产业。对提高我国公路旌工管理的 整体水平，节源降耗，增强国际竞争具有极为重要的作用。 1 2 相关学科国内外研究发展状况 在国外，建筑行业对管理信息系统的研究较为普遍。较早的软件有罗马尼亚编制的管 理信息系统，德国h o s m a n 建筑公司研制的材料管理系统等。当前发达国家的其企业管理 软件已倾向于集成化，通用化如mp r1 1 、p d m ( p r o d u c t sd a t am a n a g e m e n t ) 经过在工业 企业中的实践后，已经开始在国外公路企业中推广应用而现在较为流行的工程施工管理 软件是微软公司的m i c r o s o f tp 蛔e c t9 8 ，具有项目优化，项目跟踪网络进度管理，资 源分配等多项功能。 湖南大学硕士学位论文公路工程施工管理信息系统( b c m i s ) 的研究与开发 国内同类学科研究起步比较晚，但发展比较迅速，尤其值得一提的是北京公路局组织 开发了基于网络的“北京市公路管理信息系统”为其它地区进行此类系统的开发树立了 榜样其它具有一定影响的软件还有珠海同望科技公司的“公路工程造价系统w c o s t ”， 它能够使决策者快速得到工程的造价，以及工、料、机的需求；海文电脑软件有限公司的 “公路工程概、预算系统”、“公路工程菲迪克报价系统”和陕谣公众软件有限责任公 司开发的“公路工程计量与支付系统”。 总的看来，国外软件虽然发展比较成熟，功能也相对较完善，但其使用往往与国内的 生产及管理实际有着较大的差异，适用性并不很好。国内软件虽发展较快，但总体数量仍 然较少。整体水平较低而且其功能往往局限于造价计算等较为单一的几个方面，而在信 息传递，施工组织优化，动态管理，辅助决策方面涉及很少。因此，国内的公路施工管理 信息系统方面的软件发展，尤其是包含决策支持功能的管理信息系统( m i s ) 赶i 有很大的发 展前景。 1 3 本论文研究的内容 公路工程施工管理信息系统( h i g h w a yc o n s t r u c t i o nm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m h c m i s ) 是一个复杂的管理信息系统，其研究内容包括两条主线：一条是h c m i s 的软件结 构与内容的研究与开发其内容包括对h c m i s 进行系统分析、系统设计、数据库的设计与 建造以及程序设计；另一条主线是对b c m i s 系统中管理技术的数学模型的建模、分析与求 解作为公路施工管理信息系统，这两方面是缺一不可的。 h c m i s 系统这一课题的是在李嘉副教授的指导下，由9 6 级研究生周长新提出的，周长 新已为此系统的研究与开发作了大量的工作。通过对公路施工的需求、结构组织、职能、 及实际管理工作的深入分析，他已完成了对h c m i s 系统的初步系统分析工作，搭建起了系 统的总体结构框架，同时对系统设计、数据库建造及管理模型做了部分工作，这对本文的 研究具有重要的指导意义。但由于该课题涉及面广，工作量非常大，已完成工作只是课题 的一部分。这表现在1 系统分析有待细化2 只完成了数据库的部分设计，3 系统核心 功能还未实现基于上述原因，本文研究的主要内容有：在计算机技术方面1 总结已有 的对公路企业需求分析的工作成果2 对h c m i s 的系统结构、功能进行进一步的深入分 析。3 进行系统设计与核心功能的设计4 完成系统数据库的设计；在管理技术方面1 分析各种管理问题的原理。2 针对不同问题建立求解模型。3 分析、实现求解方法。最终。 将这两方面结合，编制出h c m i s 软件，实现系统的工程管理、计划、优化等核心功能。 4 湖南大学硕土学位论文公路工程旌工管理信息系统( h c h s ) 的研究与开发 第二章基于面向对象方法的系统功能分析与设计 2 1 对已有工作成果的分析与调整 一、对已有工作成果的回顾 周长新同学已对h c m i s 的系统分析做了大量的工作，取得了一定的成果，其主要内容 简述如下： 一) 、公路施工企业需求分析 1 “h c m i s 企业模型”的提取 通过综合、归纳、筛选，得出公路施工企业“三层次”结构的特征这三个层次包括： ( i ) 决策层 ( 2 ) 职能层 ( 3 ) 生产基层 2 h 饵i s 企业模型 h c m i s 中的企业模型是一个标准的“三层次体系结构”，决策层和生产基层不再细分， 职能层概括为与工程项目直接相关的五个部门：工程管理部门、经济管理部门、财务管理 部门，人事劳资部门。在以上企业模型分析的基础上，进一步定义了各部门之间的报表 信息传递。 3 h c m i s 的功能范围 已有的h c m i s 中对系统的功能范围是如下定义的： ( 1 ) 工程管理功能： 对企业承担的各类工程项目进行统一管理：使系统能动态地查询工程状况、分配工程 资源、并满足各个层次和部门对工程信息的要求： ( 2 ) 工程经济管理功能： 工程成本分析、优化、预测、查询，概算管理，工程合同管理；并满足各个层次和部 门对工程经济信息的要求； ( 3 ) 企业财务管理： 标准的企业财务报表及内部专用财务报表： ( 4 ) 企业生产资料管理： 企业设备、材料管理( 采、保，供、销、租、赁等) ； ( 5 ) 企业人事管理； 人事档案管理、职员业绩管理、劳务组织管理、劳动保护政策等； ( 6 ) 企业工程质量管理。 二) 、h c m i s 的总体系统分析 采用i d e f o 方法与i d e f i x 方法对h c m i s 系统的功能模型与信息模型进行了分析与建 湖南大学硕土学位论文公路工程施工管理信息系统( h c w i s ) 的研究与开发 立。 通过分析与建模，整个系统分为七个功能模块( 工程模块、计划模块、优化模块、预 测模块、查询模块、部门模块、系统模块) 。并对各种模块的内部功能机制作了详细的描 述。 二、对已有工作成果的分析与调整。 通过分析已做的工作，可以看刘h c m i s 的前期工作已对公路施工管理中的进度管理、 成本管理及赘源管理作了详细的分析由于h c i s 是定位于“不再对外分包工程的独立的 公路及市政施工企业”，其组织结构较为固定，组织结构管理的内容相对较少，因而系统 中未有包括同时h c m i s 这一系统的开发与运行本身就是对施工企业信息管理的种形 式，故对信息管理也未单独建立模块而质量管理相对独立且已有较为成熟的软件，故本 文不予深入讨论在已完成的系统结构中，概预算子模块设在查询模块子系统之下，本文 认为概预算是在工程开始之前所做的工作，具有一定的计划性质，故将其主要的计算功能 移到计划子系统之下，在廪位置仅保留对概预算讦算结果的查询功能；同时，将补充定额 模块从系统子系统下移至概预算模块之下，这样更能保证概预算子模块的完整性。考虑到 本文在网络优化方面所使用优化算法的特性，本文将工期优化、工期一资源优化、工期一 成本优化功能合并为网络优化，通过参数的选择进一步来区分具体的优化方式。通过以上 的修改与调整，可设计出系统整体功能框图( 如附录1 ) 。 以上对h c m i s 系统的总体结构分析作了回顾总结和调整。本文对系统的进一步分析与 设计内容将只对工程子系统、计划子系统、优化子系统、系统子系统进行：其它子系统或 模块都预留下了接口，今后可以方便地进行功能扩充。 基于软件科学的发展方向及开发h c m i s 所使用的p o w e r b u i l d e r 6 5 开发系统的面向对 象的特性，本文将主要采用较为先进的面向对象的方法进行子系统和功能模块的分析与设 计。 2 2 面向对象方法的简介 2 2 1 什么是面向对象 面向对象( o b j e c t o r i e n t e d ) 不仅是一些具体的软件开发技术与策略，而且是箍套 关于如何看待软件系统与现实世界的关系，以什么观点来研究问题并进行求解，以及如何 进行系统构造的软件方法学 概括地说，面向对象方法的基本思想是，从现实世界中客观存在的事物( 即对象) 出发 来构造软件系统，并在系统构造中尽可能采用人类的自然思维方式开发个软件是为了 解决某些问题。这些问题所涉及的业务范围称作该软件的问题域面向对象方法强调直接 以问题域( 现实世界) 中事物为中心来考虑问题、认识问题，井根据这些本质特征，把它们 抽象地表示为系统中的对象，作为系统的基本构成单位( 而不是用一些与现实世界中的事 6 湖南大学硕土学位论文 公路工程施工管理信息系统( h k z u i s ) 的研究与开发 物相差较远。并且没有对应关系的其它概念来构造系统) 这可以使系统直接地映射问题 域，保持问题域中事物及其相互关系的本来面貌结构化方法采用了许多符合人类思维习 惯的原则与策略( 如自顶向下、逐步求精) 面向对象方法更加接近人类在日常的逻辑思维 中经常采用的思想方法与原则，例如抽象、分类、继承、聚合、封装等等这使得软件开 发者能更有效地思考问题，并以其他人也能看得懂的方式把自己的认识表达出来。 在用面向对象方法开发的系统中，以类的形式进行描述并通过对类的引用而刨建的对 象是系统的基本构成单位这些对象对问题域中的各个事物。它们内部的属性与服务刻画 了事物的静态特征和动态特征对象类之间的继承关系、聚合关系、消息和关联如实地表 达了问题域中事物之间实际存在的各种关系。因此，无论系统的构成成分，还是通过这 些成分之间的关系而体现的系统结构。都可直接地映射问题 2 2 2 面向对象分析方法的优点 需求分析就是研究问题，产生一个满足用户需求的系统模型这个系统模型应能正确 地描述问题和系统责任，并使后继开发阶段的有关人员能根据这个模型继续进行工作 自软件工程学问世以来。已出现过多种分析方法，其中最有影响的是功能分解法，数 据流法、信息建模法和8 0 年代后期兴起的面向对象的分析( o o a ) 。 一、功能分解法 功能分解= 功能+ 子功能+ 功能接口 功能分解法( f u n c t i o nd e c o m p o s i t i o n ) 以系统需要提供的功能为中心来组织系统首 先定义各种功能，然后把功能分解为子功能，同时定义功能之间的接口对较大的子功能 再进一步分解，直到可以对它给出明确的定义数据结构是根据功能子功能的需要设计 的。 从系统所需要的功能出发构造系统能够直接地反映用户的需求，所以工作很容易开 始，但开头容易深入难。因为功能、子功能接口这些系统成分不能直接地映射问题中的事 物，由它们所构成的系统只是对问题域的间接映射。运用这种方法，分析员很难准确、深 入地理解问题域，也很难检验分析结果的正确性。 二、数据流法 数据流法= 数据流+ 数据复e 理+ 数据存储+ 端点+ 处理说明+ 数据字典 数据流法( d a t af l o wa p p r o a c h ) 又称作结构化分析。其基本策略是跟踪数据流，即研 究闯题域中数据如何流动以及在各种环节进行何种处理，从而发现数据流和加工 ( b u b b l e ) 问题域被映射为由数据流、加工及文件、端点等成分构成的数据流图( d f d ) ， 并用处理说明和字典对数据流与加工进行详细说明。 由于研究和描述问题域的着眼点并不是其中固有的对象，而是数据流、加工等专业化 概念，所以它也是对问题域的间接映射。当系统较复杂时，很难检验分析的正确性。 三、信息建模法 信息建模一实体( 对象) + 属性+ 关系+ 父类型予类型+ 关联对象 湖南大学硕士学位论文公路工程施工管理信息系统( i o d i s ) 的研究与开发 信息建模法的发展与数据库设计有很深的渊源但它本质上是一种系统分析方法信 息建模法的核心概念是实体和关系实体描述问题域中一个事物t 它包含描述一组事物数 据信息的属性：关系描述问题域中各事物之间在数据方面的联系。它也可以带有自己的属 性。由于实体中只有属性，没有把操作封装进来，所以该方法是对问题域的半直接映射。 四、面向对象的分析( o o a ) 面向对象= 对象、类+ 结构与连接+ 继承+ 封装+ 消息通信 简单说来，o o a 的对象是对问题域中事物的完整映射，包括事物之间的数据特征( 属性) 和行为特征( 服务) 。o o a 的结构与连接如实地反映了问题域中事物之间的各种关系，包括 分类结构、组装结构、静态联系和动态联系。o o a 采用封装、继承、消息通信等原则，使 问题的复杂性得到控制总之，面向对象的分析方法所建立的系统模型是对象问题域的完 整、直接的映射。 四种分析方法的主要特点见表2 - i ： 表2 - - 1 加强问题域及系改进交流对需求变化的支持软件复用 统责任的理解适应性 功能分解法差 差 最差差 数据流法 较差差 较差 差 信息建模法较好 略好 略好略好 0 0 a好好好好 由以上可知面向对象的分析方法在分析大型复杂系统时。有着明显的优越性，加之 p o w e r b u i i d e r 6 5 这样的面向对象的开发环境中，o o a 所具有的封装、继承、消息通信的 特性能够得以充分的发挥，故而o o a 的方法在对h c m i s 的分析中成为首选的主要分析方法。 2 2 3o o a 模型主要概念及表示方法 o o a 的主要概念如下： i 对象、类 对象是系统中用来描述客观事物的个实体，它是构成系统的一个基本单位，由一种 属性和对这组属性进行操作的一组服务构成。 类是具有相同属性和相同服务的一组对象的集合。它为属于该类的全部对象提供了统 一的抽象描述，其中包括属性和服务两个主要部分。 2 属性 属性是描述对象静态特征的一个数据项。 3 服务 服务是描述对象动态特征( i f 为) 的一个操作序列。 4 一般一特殊结构 如果类a 具有类b 的全部属性和全部，而且具自己特有的某些属性或服务。则a 为b 8 湖南大学硕土学位论文 公路工程施工管理信息系统( h c u i s ) 的研究与开发 的特殊类，b 为a 的一般类。并把b 和a 之间的关系称作一般一特殊关系 5 整体一部分结构 如果对象a 是对象b 的一个组成部分，则称b 为a 的整体类a 为b 的部分类。并把 b 和a 之间的关系称作整体一部分关系。 6 实例连接 实例连接用于表达对象之间的静态联系。所谓静态联系是指最终可通过对象属性来表 达的一个对象对另一个对象的依赖关系。 7 消息连接 消息连接是面向对象模型中对对象之间行为依赖关系的表示即：若类a 的对象在它 的服务执行时需要向类b 的对象发送消息，则称存在着从a 到b 的消息连接。 8 主题 主题是把一组具有较强联系的类组织在一起而得到的类的集合。 ( a ) 类，对象的 表示法 b ) 属性与服务 表示法 类 ( e ) 实例连接表示法 发送者( 类) + 接收者( 类) ( f ) 消息连接衰示法 图2 一l ( c ) 一般一特殊结构的 表示法 匣 盈 压缩方式 整体对象的类 l i 1 帮分对象的类 ( d ) 整体一部分结构的 表示法 半展开方 展开方 ( g ) 气题的三种表示蒡 法 2 2 4o o a 模型 用本文的o o a 方法建立的系统模型包括基本模型和补充模型两部分基本模型以直观 的方式表达了最重要的系统信息：补充模型提供了帮助理解基本模型的主题图和反映系统 如何满足用户需求的交互图。系统的详细说明主要是由模型中每个类的“类描述模板”组 成的。 1 基本模型类图 用o o a 开发的系统基本模型是一个类图( c l a s sd i a g r a m ) 。它包含以下三个层次： 9 湖南大学硕土学位论文公路工程施工管理信息系统( 删i s ) 的研究与开发 对象层给, q l 系统中所有反映问题域与系统责任的对象层 对象。用类符号表示属于每一类的对象类作为对象的抽 ，厂= i i 7 象的描述，是构成系统的基本单位z 特征层给出每一个类的内部特征。这个层次描述特征层 了对象的内部构成情况和细节 关系层- 给出各个类彼此的关系。这些包括：继承 囝。一2 关系( e p 分类关系) 。用一般一特殊结构表示；组装关系。整体一部分结构表示：静态依赖 关系，用实例关系表示：动态关系，用消息表示这个层次描述了对象外部的联系情况。 以上三个层次叠加在一起就构成了o o a 基本模型( 图2 2 ) 。 2 补充模型主题图、u s ec a s e 和交互图 用o o a 开发的系统补充模型是主题图和交互图 主题 所谓主题( s u b j e c t ) 是把一些具有较强联系的类 组织在一起而得的类集合，它能使开发者在不同层次 上表示或理解系统模型 u s ec a s e 和交互图 u s ec a s e 是对系统功能使用情况的一个文字描 述序列。每个u s ec a s e 针对一项系统功能。描述系 统外部的活动者( 人或物) 如何与系统进行对话，它能 较好地表达用户对系统的功能需求。 图2 3 交互图( i n t e r a c t i o nd i a g r a m ) 是一个u s ec a s e 与完成相应功能的系统成分之间的对 照图。它表明u s ec a s e 中陈述的每件事是由系统中对象的哪个服务响应和完成的，以及 这个服务以进一步用到哪些别的对象服务。 用基于u s ec a s e 的交互图作为o o a 的补充模型，有助于准确地理解用户需求的发现 和定义服务，也有助于检查系统是否提供了满足用户需求的对象及其服务。 3 详细说明 o o a 的详细说明主要由模板构成。对于0 0 a 模型中的每个类，都要建立一个类描述模 板。其中的信息包括：对整个类的说明，对每个属性和每个服务的说明，以及其它一切必 要的说明，说明主要是以文字的方式给出的，也包括一些图形，如状态转换图和服务流程 图。 4 完整的o o a 文档及详简程度的控制 完整的o o a 文档应包括：o o a 基本模型、o o a 补充模型和o o a 详细说明，如图( 2 3 ) 所示。其中o o a 基本模型是o o a 模型的核心；主题图是在基本模型之上附加的粒度控制机 制：交互图建立了u s ec a s e 与对象服务的对照o o a 详细说明是对模型语义的详细定义 与解释。 o 湖南大学硕土学位论文公路工程旌工管理信息系统( 唧i s ) 的研究与开发 2 2 50 0 a 过程 o o a 过程包括以下主要活动： 1 发现对象、定义它们的类 2 识别对象的内部特征 定义属性 定义服务 3 识别对象的外部关系 建立一般一特殊结构 建立整体一部分结构 建立实例连接 建立消息连接 4 划分主题，建立主题图 5 定义u s ec a s e ，建立交互图 定义u s ec a s e 建立交互图 图2 4 6 建立详细说明 7 原型开发。 以上1 到7 各个活动及它们的子活动，没有特定的次序要求，并且可以交互地进行， 图( 2 4 ) 给出了一般o o a 开发过程模型的示意图。 本论文中将主要涉及上述o o a 过程的l 、2 、3 、5 、7 步，对4 、6 部不作直接介绍 但在实际的系统开发中仍然按照全过程严格地进行。n 】 ” 2 3 应用面向对象技术对h c m i s 的部分子系统进行分析与设计 本节将利用面向对象技术对工程、计划、控制优化子系统及功能进行分析与设计。 2 3 1 工程子系统 一、u s ec a s e 分析 根据实际的操作情况，本文定义如下的u s ec a s e ： 1 堑建王捏亟冒基奎信息 ( i ) 进行登录： ( 2 ) 系统检索登录信息，确定操作权限，并提交新登录信息，保留到数据库中；系统 给出新建工程的信息录入界面； ( 3 ) 输入工程基本数据( 包括：工程代号、工程类别、工程名称等) ，并确认： ( 4 ) 将录入信息提交给系统，构造新的工程项目数据库，并将新增信息情况提交给 工程项目一览表；系统与当前数据库相连。 2 丝逮工摆亟且基奎筐息 ( 1 ) 进行登录； ( 2 ) 系统检索登录信息，确定操作权限，并提交新登录信息。保留到数据库中； ( 3 ) 选择需要修改的工程项目； ( 4 ) 系统检索工程项目一览表，并与相应工程数据库连接；给出已有( 在建) 工程 项目信息界面； ( 6 ) 输入工程项目信息数据并确认： ( 7 ) 系统将录入信息提交给工程项目数据库；并与当前数据库相连。 3 倒睦王程巫虽 ( 1 ) 进行登录； ( 2 ) 系统检索登录信息，确定操作权限，并提交新登录信息，保留到数据库中； ( 3 ) 从工程项目一览表中选择需要删除的工程项目，向系统发出删除的命令； ( 4 ) 从数据库中查出相应工程数据库，并删除； ( 5 ) 系统通知：所选工程已被删除。 针对上述u s ec a s e 可建立交互图见附录3 。由于交互图只是对象方法的辅助工具，且 全部列举篇幅较多，因此本文仅对本子系统列出交互图，以说明u s ec a s e 与之的对应关 系，后文不再列举。 二、对象建模 1 本子系统较为简单，通过对上面三个r i s ec a s e 的分析可确定如下的对象及其属性 和服务。 表2 2 对象属性服务 工程项目一览表工程类型、代号、工程名称增删、检索、选择 工程类型，代号。名称，地区号，创建、删除，连接、 工程项目状态号、建设单位、设计单位、录入、提交信息、检索 监理单位、预算造价、工期、 开工、竣工日期、工程说明 用户用户名、密码、部门增删、修改、登录 确定操作权限 2 本模块的对象模型可参见附录4 2 3 2 计划子系统 一、工程概预算模块 i h s ec a s e 分析 2 湖南大学硕士学位论文公路工程施工管理信息系统( h c m i s ) 的研究与开发 1 公鲤工程 ( 1 ) 进入工程分解界面： ( 2 ) 系统读取基本数据库信息；并给出工程分解的基本框架； ( 3 ) 在系统给出的工程分解框架中逐项加入工程分解的全部信息( 包括各项、目、 节等的代号、名称) ； ( 4 ) 系统将录入信息提交给数据库，并通知：分解成功。 2 建立萤丝弦赴五定额 ( 1 ) 输入新建或修改补充定额命令； 矿新建补充定额标准t h e n ( 2 )系统打开补充定额窗口 ( 3 ) 输入、修改补充定额数据； ( 4 )系统将数据提交，并在数据库中建立给新的补充定额表，并将新增信息情 况提交给补充定额一览表； e l s e ( 修改已有补充定额：) ( 5 ) 打开补充