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摘要 中央空调远程监管系统的u m l 建模研究 摘要 网络技术的不断发展，为远程监控技术的广泛应用创造了条件。远程监控 系统对于企业降低生产成本、提高劳动生产率和增强综合竞争实力等方面具有 十分重要的意义。 本文使用统一建模语言( u m l ) 对结构复杂并且涉及多种设备和平台的远程 监控系统软件进行研究。u m l 是一种图形化语言，为软件开发的各个步骤提供 模型化和可视化支持。利用u m l 语言进行系统建模可以有效控制软件结构复杂 性，使系统灵活且易于重用，提高开发效率。 本文结合一个具体的远程监控系统中央空调远程监管系统开展研究。 文章进行了详细的系统需求分析，确定了系统的用例视图，逻辑视图，部署视 图，一系列并发视图以及数据库模型，实现了一个比较完整的建模开发步骤： 同时针对系统中m o d e m 通信模块的细节进行详细讨论，设计了用于通信的 m o d e m 工具类和解决“一收多发”问题的s o c k e t v e c t o r 类，开发了远程监管模块 使用的m o d e m 通信服务器，并制定了m o d e m 通信使用的通信协议；最后完成系 统的编码实现以及成功试运行，对系统设计建模的可行性和正确性进行验证。 本文综合运用u m l 和j a v a 技术来快速构建一个高效、高质量、可扩展而且 易于维护的中央空调远程监管系统，所做工作对其他远程监控系统的开发和应 用具有一定的借鉴作用和参考价值。 关键词远程监控，u m l ，j a v a ，中央空调，m o d e m a b s t r a c t m o d e l i n go nr e m o t i n gm o n i t o n gs y s t e m o fc e n t e ra i rc o n d i t i o nb a s e do nu m l a b s t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to fn e t w o r kt e c h n o l o g yh a sm a d ei tp o s s i b l et h a tt h e r e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l ( rm c ) r e s e a r c ho nrm & cs y s t e mi si m p o r t a n t f o rd e c r e a s i n gp r o d u c t i o nc o s t ，r a i s i n gp r o d u c t i v i t ya n di n t e g r a t i v ec o m p e t i t i o na b i l i t y f o re n t e r p r i s e u n i f i e dm o d e ll a n g u a g e ( u m l ) i su t i l i z e di no r d e rt or e s e a r c hrm & cs y s t e m t l l a ti sc o m p l e xa n dt h a th a sr e l a t i o nt ol o t so fk i n d so fd e v i c e sa n dp l a t f o r m si nt h i s p a p e r u m l ，ak i n do fg r a p h i c sl a n g u a g e ，p r o v i d e sm o d e l i n ga n dv i s u a ls u p p o r t sa t e v e r ys t e po fs o f t w a r ed e v e l o p m e n t m o d e l i n g0 ns y s t e mu s i n gu m lc a ne f f e c t i v e l y c o n t r o ls o , w a r es t r u c t u r ec o m p l e x i t y ，m a k es y s t e ms m a r ta n de a s i l yr e u s i n g ，i n c r e a s e d e v e l o p m e n te f f i c i e n c y a s p e c i f i c a l l ys y s t e mo fr e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l ，r e m o t em o n i t o r i n g s y s t e mo fc e n t e ra i rc o n d i t i o n s i sr e s e a r c h e di n t h i sp a p e r 1 1 1 ep a p e rf i n i s h e d d e t a i l e dr e q u i r e m e n ta n a l y s i s ，e s t a b l i s h e du s ec a s ev i e w , l o g i c a lv i e w , d e p l o y m e n t v i e w , as e r i e so f c o n c u r r e n tv i e wa n dd a t a b a s em o d e lf o r t h es y s t e m ，a n di m p l e m e n t e d aw h o l ed e v e l o p m e n tp r o c e s s ；t h ep a p e rb a t t e da r o u n dt h ed e t a i l so fm o d e m c o m m u n i c a t i o nm o d u l eo ft h es y s t e m ，d e s i g n e dm o d e mc l a s st oi m p l e m e n tf u n c t i o n o f m o d e ma n ds o c k e t v e c t o rc l a s st or e s o l v et h ep r o b l e mo f “o n es e n d ，m a n yr e c e i v e ” d e v e l o pm o d e mc o m m u n i c a t i o ns e r v e r f o rr e m o t em o n i t r o i n gm o d u l e ，i n s t i t u t e p r o t o c o lf o rm o d e mc o m m u n i c a t i o na tt h es a m et i m e ：a n ds u c c e s s f u l l yf i l l i s h e d s y s t e mc o d i n ga n dt e s tr u n n i n g ，t h a tp r o v e dt h a tm o d e l i n ga n dd e s i g n i n go ns y s t e mi s f e a s i b l ea n dv a l i d t h i sp a p e rb u i l dae f f e c t i v e ，h i 【曲q u a l i t y ，e x t e n s i b l ea n de a s i l ym a i n t a i n a b l e s y s t e mo fr e m o t em o n i t o r i n go fc e n t e ra i rc o n d i t i o nu s i n gj a v aa n du m l n l ew o r k h e r ew i l lc o n t r i b u t et ot h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no ft h eo t h e rs y s t e m c o m p o n e n tg r e a t l y k e yw o r d sr e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l ( rm & c ) ，u m l j a v a c e n t e ra i r c o n d i t i o n ，m o d e m 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：j 乏燃 日期：2 丝堕! 主，主 i 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅：学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：乏k 2 厶迄日期：- 2 。缢。王l 导师签名：! 乏趸趔日期：丝芝，i2 第一章绪论 1 1 远程监控系统简介 第1 章绪论 2 0 世纪9 0 年代以来，计算机技术与通信技术的紧密结合使计算机网络 得以迅速普及和发展，i n t e r n e t 技术已经渗透到工业生产和日常生活的各个 领域，为远程监控技术的发展创造了条件。 远程监控技术采用本地计算机通过网络系统( 特别是i n t e r n e t ) 对远端 的控制系统进行监视和控制，完成对分散控制网络的状态监控、远程软件下 载及设备的诊断维护等功能【l 】。实现远程监控的计算机软、硬件系统总称为 远程监控系统。传统的监控系统仅局限于同一地点，使用局域网或者现场总 线技术传递信息；而远程监控系统的监视点与控制中心分别位于相距较远的 两地，需要使用i n t e r n e t 进行通信。 1 1 1 远程监控系统的特点和优势 远程监控系统具有传统监控系统所不具备的许多优点： ( 1 )通过远程监控，技术人员无须亲临现场或恶劣的环境就可以监视 并控制生产系统或现场设备的运行状态和各种参数，维护设备的 正常运营，从而减少值守的工作人员，最终实现远端的少人或无 人值守，达到减员增效的目的： ( 2 )通过远程监控可以实现现场运行数据的实时采集和快速集中，获 得现场监控数据，这为远程故障诊断技术提供了物质基础 2 1 ： f 3 )远程监控技术可以建立广域网络范围内的监控数据获取，建立网 上的知识资源库； ( 4 )企业研究机构可以方便地利用本地丰富的软硬件资源对远程对象 进行高级过程控制； ( 5 )借助于远程监控可以将企业内部的信息网与控制网有效的连接起 来，实现对生产、运营情况的随时掌握，把生产运营状况同企业 的经营管理策略紧密结合，从而实现企业的综合自动化。 目前，越来越多的企业集团呈现跨地域的发展趋势，利用网络技术实现 远程监控，对企业降低生产成本，提高劳动生产率，提高企业产品的科技含 量，以及增强企业的综合竞争实力等方面都具有十分重要的意义。 北京邮电大学工学硕士学位论文 1 1 2 远程监控技术的发展及国内外研究动态 远程监控技术是计算机技术、网络技术和监控技术的结合。远程监控最 早来自于医疗系统中的远程诊断系统，目前在医疗系统中较为完善，但在制 造业领域发展的速度仍然较为缓慢。监控系统发展大致经过了如下三个阶 段：第一个阶段是单机监控系统，主要是针对单台或者单一类型的设备进行 监控，系统是封闭的，状态信息仅仅供内部使用；第二个阶段是集中式监控 系统，由多台计算机组成，其中一台计算机控制其他多台计算机进行监控： 第三个阶段是网络范围内的远程监控系统口l 。i n t e m e t 的发展为各行各业带 来了全新的理念，对传统监测与控制的功能进行了大大的扩展，把生产企 业、科研机构、设备提供商三者更加紧密的结合在一起。 远程监控与故障诊断技术是国内外研究的前沿课题，国内外都展开了积 极的研究。1 9 9 7 年1 月，首届基于i n t e m e t 的远程监控诊断工作会议由斯坦 福大学和麻省理工学院联合主办，由斯坦福大学和麻省理工学院合作开发基 于i n t e m e t 的下一代远程诊断示范系统，这项工作同时也得到了制造业、计 算机业和仪器仪表业的s u n 、h p 、b o e i n g 、i n t e l 等1 2 家大公司的热情支持 和通力配合，之后，这些公司协同共同推出了一个实验性的系统 t e s t b e d l 4 1 。在国外，著名的n a t i o n a li n s t r u m e n t 公司就在它的产品 l a b v i e w 中加入了网络通讯处理模块，因而可以通过w w w 、f t p 、e m a i l 方式在网络范围内进行监控数据的传送【5 1 。另外，许多著名的国际组织 m i m o s a ( m a c h i n e r yi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n to p e ns y s t e ma l l i a n c e ) 、 c d m a d e m ( c o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n de n g i n e e rm a n a g e m e n t ) 等也开展了对远 程监控与故障诊断技术的研究，并提出了一定的信息交换和数据处理的标 准。 在国外大力发展和研究远程监控技术的同时，国内的各科研部门也开展 了积极的研究。目前，西安交通大学、华中科技大学、哈尔滨工业大学、南 京理工大学等高校的研究成果较有代表性。如西安交通大学研制的“大型旋 转机械计算机状态监测系统及故障诊断系统r m m d ”、华中科技大学开发 出的“汽轮机工况监测和诊断系统k b t g m d ”、哈尔滨工业大学的“微计 算机化机组状态监视与故障诊断专家系统m m m d e s ”、南京理工大学 c i m s 研究所承担了国防科工委长春f m s 实验中心检测监控系统的研制任 务，对柔性制造系统中各子系统的检测监控技术进行了初步集成【6 j 。 1 1 3 目前存在的问题 远程监控技术目前是国内外学术和工程领域都相当活跃的课题，并且取 得了丰硕的研究成果。但是，远程监控技术作为一门新兴的技术仍然存在很 多不足，主要体现在目前的远程监控系统结构大多比较复杂，分布距离远： 一2 第一章绪论 同时系统中存在着不同局域网、不同平台，甚至在同一局域网中的操作平台 以及编程语言也有可能不同 ”。这些问题通过采用传统的方法是难以解决 的。 本文针对作者的具体的研究课题“中央空调远程监管系统”，使用面向 对象的思想，利用统一建模语言( u m l ) ，从静态和动态两个方面对系统进行 了分析建模，在实践中对跨平台通信的问题提出了解决方案。下面介绍“中 央空调远程监管系统”课题的概要情况。 1 2 项目概要介绍 1 2 1 项目背景 中央空调生产厂家的空调设备机组，分布区域较广，给监控管理及售后 设备维护带来相当大的困难。在传统情况下，工程维护人员只能定期到空调 工作地点做现场检查，不易及时地检测、发现实际存在的隐患。这种维护方 法使得空调生产厂家的成本大幅度提高，很难为客户提供及时有效的服务， 服务质量较差，不能适应现阶段企业向服务型企业转变的需要。 随着国家生产力的快速发展和人民生活水平的大幅度提高，中央空调生 产企业原有的售后服务网络体系已经不能满足现阶段的社会要求。为巩固和 进一步开拓中央空调市场，顺应时代发展，建设先进的中央空调客户服务支 持系统，某中央空调生产企业提出必须依靠技术创新和管理创新，建设全新 的客户服务支持系统，建立起一个“畅通、高效、快速响应”并被广大客户 接受和欢迎的中央空调客户服务支持系统，为客户提供“优质、方便、规 范、真诚”的服务，以充分挖掘企业潜力，大大提高企业竞争力和企业效 益。在这样的大形势和总体要求下，企业委托北京邮电大学m c m 教研中心 试点开发全新的客户服务支持系统，咀建立全国联网的客服系统和统一的营 销业务平台。 1 2 2 项目的目标和意义 “中央空调远程监管系统”项目拟建立中央空调的远程监管系统。通过 本系统，使得中央空调生产企业在企业本地就可以实时监视已经售出的远程 各台机组的运行状况和相关参数，如机组进出水温度、进回风温度及湿度 等；系统还将这些运行数据记录保存形成历史参数，改善和提高设备故障的 检测能力，使管理人员能够及时准确地了解现场设备的工作情况，降低维护 费用，设备故障率和现场维护费用；系统同时提供空调设备的故障报警功 能，使企业能迅速了解远程中央空调出现的故障，在降低值守维护人员成本 的基础上，提供优质的售后服务；系统保存的历史参数可以进一步开发为数 北京邮电大学工学硕士学位论文 据仓库，利用当今流行的数据挖掘技术，挖掘各地空调的运行与维护规律， 提高企业预期提供维护和服务的能力，并为未来产品的改进提供可靠的依 据。 1 2 3 项目技术简要介绍 本课题组开发的中央空调远程监管系统主要基于当今十分成熟j a v a 和 c 语言技术，采用b s 结构的方式实现。系统由一个主控中心和若干远程监 管模块组成，主控中心可以细分为应用程序服务器，w e b 服务器和数据库 服务器三部分，远程监管模块和主控中心之间通过i n t e r n e t 或者p s t n 进行 通信。在系统开发中，远程监管模块部分采用a r m 板进行控制，应用程序 服务器采用j a v a 技术自行开发，w e b 服务器采用当今流行的，纯j a v a 实现 的开源t o m c a t5 0 服务器，数据库采用功能强大的开源数据库m y s q l ，达 到了性能和成本的较好平衡，在数据采集显示，存储方面达到了一个崭新的 水平。系统满足了中央空调生产企业在集中处理空调运行维护数据，提高售 后服务水平，降低服务成本的要求，为构建全国级的客户服务系统打下了坚 实的基础。 1 3 本文完成的工作 远程监控系统是目前国际上发展较快，思想十分活跃的学术领域。同时 远程监控技术也具有相当高的实用价值，可以为企业，为国家节省数量可观 的资源，创造大量的财富，可以为企业生产和人民生活提供优质服务。对远 程监控系统进行分析研究具有较强的实用意义。 本论文完成的工作如下： ( 1 ) 搜集国内外远程监控技术的相关资料，对国内外现有的远程监控 技术进行了分析和研究，确定了比较合理的中央空调远程监管系 统的系统结构和使用技术； ( 2 ) 运用在系统构架分析方面独具优势的u m l 语言，对中央空调远程 监管系统进行静态和动态两个方面的建模分析，建立了具体的系 统模型，同时建立了数据库的u m l 模型，对中央空调远程监管系 统的实现具有指导性作用，乃至对整个远程监控系统的建立都具 有可以借鉴的方面： ( 3 ) 使用j a v a 和c 两种语言完成系统模块的编码工作，洋细讨论了中 央空调远程监管系统的m o d e m 通信模块具体的实现，完成了两种 语言编写m o d e m 通信模块进行透明通信的工作，建立的m o d e m 工其类对于一般m o d e m 应用具有普遍应用意义。 第2 章统一建模语言 第2 章统一建模语言 统一建模语言( u n i f i e dm o d e ll a n g u a g e ，u m l ) 是一种通用的可视化建模语 言，用于对软件进行描述、可视化处理、构造和建立软件系统制品的文档，记 录对系统的理解、设计、浏览、配置、维护和信息控制哺j 。u m l 适用于各种软 件开发方法、软件生命周期的各个阶段、各种应用领域以及各种开发工具，是 一种总结了以往建模技术的经验并吸收当今优秀成果的标准建模方法。同时 u m l 技术也是本论文的技术方面的出发点之一。所以首先对u m l 语言进行简要 介绍。 2 1i m i 概述 u m l 是一种随着面向对象软件开发方法发展起来的软件建模的通用解决办 法，要想深入的了解l ，需要首先明白u m l 的发展历史。 2 1 1u m l 历史与发展 从2 0 世纪8 0 年代初期开始，众多的方法学家都在尝试用不同方法进行面向 对象的分析和设计，在程序设计艺术与计算机科学之间寻求合理的平衡，来进 行复杂软件的开发。 到了2 0 世纪9 0 年代中期，j i mr u m b a u g h 、g r a d yb o o c h 和i v a rj a c o b s o n 三位 大师联合起来提出“统一建模语言”。1 9 9 7 年1 月，u m l 版本1 o 提交给o m g 组 织，作为软件建模语言标准化的候选。最后于1 9 9 7 年1 1 月7 日正式由o m g 采纳 为业界标准。现在o m g 已经把u m l 作为公共可得到的规格说明( p u b l i c l y a v a i l a b l es p e c i f i c a t i o n ，p a s ) 提交给国际标准化组织( i n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o nf o r s t a n d a r d i z a t i o n ，i s o ) 进行国际标准化。 u m l 是b o o c h 、o b j e c t o r y 、o m t 和j a c o b s o n 方法的结合，并且是这三者直 接的向上兼容的后继。另外它吸收了其他大量方法学家的思想，把这些先进的 面向对象思想统一起来例。u m l 为公共的、稳定的、表达能力很强的面向对象 开发方法提供了基础。 2 ，1 2u m _ l 语言描述 u m l 是一种图形化建模语言，是面向对象分析与设计的一种标准表示。 u m l 与具体的实现和过程无关，具有良好的扩展性，可以运用于多种平台。同 时u m l 也是一种非常复杂，高度抽象的语言，要对其加以清楚的描述是一件比 较复杂的工作，我们将从u m l 言的架构、定义、视图( v i e w ) 模型和主要的 北京邮电大学工学硕士学位论文 u m l ( d i a g r a m ) 来进行介绍。 2 1 2 1u m l 的架构 u m l 的语义定义在一个四层( 或者说四个抽象级) 的建模概念框架中，这四 层建模概念描述见下表： 表2 - 1u m l 语义建模概念框架 8 1 名黪 鬻遴l攀例 元模型层的下层基础，定义了描述元模型 元元模型( m e t a - 层的语义。元元模型层和元模型层拥有一 元类( m e m c l a s s l m e t a m o d e l )部分共同的设计思想和结构，他们之间并 没有很严格的界限。 元元模型的实例，定义了描述模型层的语 【元模型( m e t a m o d e l )类( c l a s s l 义。 模型( m o d e l )元模型的实例，定义了描述信息域的语言a s k p r i c e ( - - 个用例1 6 5 4 7 7 f 一个具体数 l 用户对象c u s e r m 。a e - ， 模型的实例，描述了一个特定的信息域 字1 2 122 u m l 的定义 作为一种建模语言，u m l 的定义包括u m l 语义和u m l 表示法两个部分。 u m l 语义用来描述基于u m l 的精确元模型定义。元模型为u m l 的所有元素在 语法和语义上提供了简单、一致、通用的定义性说明，使开发者能在语义上取 得一致，消除了因人而异的最佳表达方法所造成的影响，此外u m l 还支持对元 模型的扩展定义。u m l 表示法定义了u m l 符号的表示方法，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标准。这些图形符号和文字 所表达的是应用级的模型，在语义上它是u m l 元模型的实例。 2 1 2 3u m l 的视图模型 u m l 是用来描述模型的，它用模型来描述系统的结构或静态特征，以及行 为或动态特征。它从不同的视角为系统建模，形成系统的不同视图( v i e w ) 。这些 视图包括： ( 1 )用例视图( u s ec a s ev i e w ) ，强调从用户的角度看到的或需要的系统功 能，这种视图也叫做用户模型视 ( u s e rm o d e lv i e w ) 或者情景视图 ( s c e n a r i ov i e w ) ； 第2 章统一建模语言 佗) 逻辑视图( 1 0 9 i c a lv i e w ) ，展现系统的静态或结构组成及特征，也称为 结构模型视图( s t r u c t u r a lm o d e lv i e w ) 或者静态视n ( s t a t i cv i e w ) ： f 3 )并发视图( c o n c u r r e n tv i e w ) ，体现了系统的动态或行为特征，也称为 行为模型视图( b e h a v i o r a lm o d e lv i e w ) 、过程视图( p r o c e s sv i e w ) 、协 作视图( c o l l a b o r a t i v ev i e w ) 或者动态视 ( d y n a m i cv i e w ) ： f 4 ) 组件视图( c o m p o n e n tv i e w ) ，体现了系统实现的结构和行为特征，也 称为实现模型视图( i m p l e m e n t a t i o nm o d e lv i e w ) 和开发视图 ( d e v e l o p m e n tv i e w ) ； ( 5 )部署视图( d e p l o y m e n tv i e w ) ，体现了系统实现环境的结构和行为特 征，也称为物理视n ( p h y s i c a lv i e w ) 。 在必要的时候，还可以定义其他视图。 2 i 2 4u m l 的图及分类 每一种u m l 的视图都是由一个或多个 ( d i a g r a m ) 组成的。一个图就是系统 架构在某个侧面的表示，它与其它图是一致的，所有的图一起组成了系统的完 整视图。u m l 提供了九种不同的图，根据它们在不同架构视图的应用，可以把 这九种图分成五类。 ( 1 )用户模型视图包括用例图( u s ec a s ed i a g r a m ) ，描述系统的功能； ( 2 ) 结构模型视图包括类图( c l a s sd i a g r a m ) ，描述系统的静态结构，对象 图( o b j e c td i a g r a m ) ，描述系统在某个时刻的静态结构； ( 3 ) 行为模型视图包括序列图( s e q u e n c ed i a g r a m ) ，按时间顺序描述系统 元素问的交互，协作图( c o l l a b o r a t i o nd i a g r a m ) ，按照时间和空间的顺 序描述系统元素间的交互和它们之间的关系，状态图( s t a t e d i a g r a m ) ，描述了系统元素的状态条件和响应，活动图( a c t i v i t y d i a g r a m ) ，描述了了系统元素的活动： ( 4 ) 实现模型视图包括组件 ( c o m p o n e n td i a g r a m ) ，描述了实现系统的 元素的组织； ( 5 ) 环境模型视图包括部署 ( d e p l o y m e n td i a g r a m ) ，描述了环境元素的 配置并把实现系统的元素映射到配置上。 这九种图是u m l 的主要表示工具，但是更多使用的是静态模型和动态模型 分类标准。静态模型包括用例图、类图、对象图、组件图和部署图；动态模型 包括状态图、活动图、序列图和协作图。下面就依据这种标准对这九种图分别 进行详细介绍。 2 2 静态建模机制 静态结构描述了系统中的结构成员及其相互关系。其中包含的类元包括 类、用例、构件和节点。类元为研究系统动态行为奠定了基础。类元视图包括 类视图、用例视图和部署视图。 2 2 1 用例图 用例模型是把应满足用户需求的基本功能聚合起来表示的强大工具。用例 模型的主要作用就是用来描述系统需要完成或者能够完成什么样的功能。构建 用例模型是通过开发人员和客户f 或最终使用者) 共同协商完成的 i 。用例模型 主要应用在工程开发的初期，进行系统需求分析时使用。通过用例的分祈描述 使开发者明确需要开发的系统功能有那些。 在u m l 中，一个用例模型由若干个用例图描述，用例图中的主要元素是用 例( u s ec a s e ) 、执行者( a c t o r ) 和系统( s y s t e m ) 。用例用来捕获用户可见的需求，实 现一次具体的和用户与系统的交互过程，其中包括了具体的事件和事件发生的 先后顺序。执行者是指用户在系统中所扮演的角色。不同的用户可能扮演着相 同的角色，这时用一个执行者表示；一个用户也可以同时扮演不同的角色，这 样就会有多个执行者与之对应。执行者也可以是一个外界系统，该外界系统可 能需要从当前系统中获取信息，与当前系统进行交互。系统是一系列用例的集 合，代表的是一部机器或者一个商务活动等等，而不是真正实现的软件系统。 在用例模型中，系统仿佛是实现各种用例的“黑盒子”，我们只关心该系统实 现了那些功能，并不关心内部的具体实现细节。系统的边界用来说明构建的用 例模型的应用范围。 图形化的用例本身不能提供该用例所具有的全部信息，因此还需要用文字 描述用例，主要是描述一个关于执行者和系统如何交互的规格说明，该说明要 清晰明了，没有二义性，描述的时候应当着重于系统的外部能力。 下面的图2 1 描述了一个我们日常生活中常见的电子商务系统。 第2 章统一建模语言 o 您 。鬻蜘艨 吴c 卜吴 盒瀛f 飞 l 晋弹幕统 图2 1 电子商务系统用例图 2 2 2 类图 类( c l a s s ) 和类之间的关联是面向对象技术中最基本的元素。对于一个想要描 述的系统，其类模型揭示了系统的结构。在u m l 中，类模型是由类图表示的。 类图技术是o o 方法的核心。 类图描述类和类之间的静态关系。与数据模型不同，它不仅显示了信息的 结构，同时还描述了系统的行为。类图是定义其他图的基础。在类图的基础 上，状态图、协作图等进一步描述了系统其他方面的特性。 类图可以分为三个层次：概念层、说明层、实现层1 。概念层类图描述应 用领域中的概念，它和实现它的软件无关，独立于程序设计语言。说明层类图 描述软件的接口部分类型( t y p e ) ，而不是软件中的实现部分一类( c l a s s ) 。 实现层以类来描述真正的软件的逻辑实现。虽然将类图分成三个层次的观点并 不是u m l 的组成部分，但是它们对于建模或者评价模型非常有用。 图2 2 显示了电子商务系统中的订单管理系统的类图，这个类图使用了一种 叫做流水线的系统结构，把对顾客订单的四种处理订单有效性验证、订单 存储缓冲、根据订单支付以及根据订单进行配送看作是流水线上部件的功能， 如果处理成功则转移到下一步处理。 图2 - 2 电子商务系统中订单管理系统类图 2 2 3 对象图 对象图是类图的变体。两者之间的差别在于对象图表示的是类的对象实 例，丽不是真实的类。对象图是类图的一个范例( e x a m p l e ) ，它反映系统执行到 某处时系统的工作状况。 对象图通常用来示例一个复杂的类图，通过对象图反映真正的实例是什 么，它们之间可能具有什么样的关系，帮助对类图的理解。对象图也可以用在 协作图中作为其一个组成部分，用来反映一组对象之间的动态协作关系。 图2 3 显示了老师指导同学的对象图。 2 2 4 组件图 图2 - 3 老师指导同学的对象图 组件图描述软件组件及组件之间的关系，显示代码的结构组件，是逻辑架 构中定义的概念和功能( 类对象它们的关系协作) 在物理架构中的实现。典型情 况下组件是开发环境中的实现文件。 第2 章统一建模语言 下面图2 - 4 给出电子商务系统的数值对象部分的组件图。数值对象( v a l u e o b j e c t ) 是一种设计模式，一般用来表示专门传递数据的对象，首先是数值对象 部分的类图，然后是对应于类图的组件图。这个组件图很简单，类图中的个 类，在这里就设计为一个组件，这些组件都是源代码级的，使用j a v a 设计。 可 押司口 甲 叫 星 器昱 r o r 1r - 1 图2 4 电子商务系统数值对象组件图 2 2 5 部署图 部署图描述处理器设备软件组件在运行时的架构，它是系统拓扑的最终的 物理描述，即描述硬件单元和运行在硬件单元上的软件的结构。在这样的架构 中，在拓扑圈中寻找一个指定节点是可能的，从而了解哪一个组件正在该节点 上运行，哪些逻辑元素( 类、对象、协作等等) 是在本组件中实现的，并且最终 可以跟踪到这些元素在系统的初始需求说明( 在用例建模中完成的) 中的位置。 图2 5 是电子商务系统的部署图，系统部署在两个设备上，一个是w e b 服务 器，一个是数据库服务器，两个服务器之间通过t c p f l p 协议，使用s o c k e t 进行 流控制通信。这是比较典型的一个部署设计。客户p c 不属于本系统的一部分， 在这里将其画出是为了说明通信协议和机制。 2 3 动态建模机制 图2 - 5 电子商务系统部署图 所有系统均可表示为两个方面：静态结构和动态行为。描述系统的静态结 构能够说明系统包含些什么以及它们之间的关系，但它并不解释系统中的各个 对象是如何协作来实现系统的功能，也不解释系统之间的各个对象是如何通信 的。为了弥补静态模型的缺陷，u m l 定义了四种图来说明系统的动态建模机 制，它们是状态图( s t a t ed i a g r a m ) 、序列图( s e q u e n c ed i a g r a m ) 、协作图 北京邮电大学工掌硕士学位论文 ( c o l l a b o r a t i o nd i a g r a m ) 和活动n l ( a c t i v i t yd i a g r a m ) 。 2 3 1 状态图 当某些事情发生使对象的状态发生改变，我们称改变对象状态的事情为 “事件”，动态性表现在两个方面：交互和内部状态改变，交互描述对象的外 部行为以及对象如何与其他对象交换信息：内部状态改变掐述对象如何改变其 状态。状态图用来显示对象对事件的反应以及对象状态的改变。包括它的所有 可能状态及其引起状态转移的事件。 图2 6 是我们电子商务系统例子中订单对象的状态图，订单由用户提交后就 保存在订单处理的缓冲队列中等待处理，此时它的状态为“等待处理”。当订 单处理的流水线处理到这个订单对象时，该对象的状态更新为“处理”，处理 完毕以后根据订单填写状况可能处理成功，可能失败，分别进行到不同的结束 点。 2 3 2 顺序图 订单产生 正确遗出 圈2 - 6 电子商务系统订单状态图 u m l 中的交互图分为两种，一种是顺序图，另外一种是协作图，顺序图用 来描述对象之间动态的交互关系，着重体现对象之间消息传递的时间顺序。顺 序图中存在两个轴，水平轴表示不同的对象，垂直轴表示时间，顺序图中的对 象用一个带有垂直虚线的矩形框表示，并标有对象名和类名；垂直虚线上的很 窄的矩形框是对象的生命线，用于表示在某段时间之内对象是存在的。对象之 间的通信通过在对象生命线之间画消息来表示，消息的箭头指明消息的传递方 向。 第2 章统一建模语言 图2 7 是电子商务系统中“支付订单”用例的时序图。 要 牟圈鬯雪圈圈国目 1 要求支付 2 ：发8 嘎慈f 勃品 4 ：遁回l 晶信息 f 剖建 6 填写洋信息 睦查信息 日= 盘邀请求 9 _ 制薯订单 1 0 遁目戚琦 l 图2 7 电子商务系统“支付订单”用例时序图 2 3 3 协作图 协作图用于描述相互合作的对象之间的交互关系和链接关系。虽然顺序图 和协作图都用来描述对象之间的交互关系，但侧重点不一样。顺序图着重体现 交互的时间顺序，协作图则着重描述交互对象问的静态链接关系。 图2 - 8 是电子商务系统中“查找商品”用例的协作图，将它与图2 7 进行比 较，很容易看出描述角度的差异。 图2 一il 电子商务系统“支付订单”用例协作图 品 2 3 4 活动图 活动 ( a c t i v i t yd i a 鲫n ) 显示动作及其结果【8j 。活动图着重描述操作( 方法) 实现中所完成的工作，以及用例实例或对象中的活动。活动图是状态图的一个 变种，与状态图的目的有一些小的差别。 活动图的主要目的是描述动作及对象状态改变的结果，当状态中的动作被 执行时活动图中的状态直接转移到下一个阶段；同时活动图中的动作可以放在 泳道中，泳道聚合一组活动并指定负责人和所属组织。 图2 1 2 显示了电子商务系统中购物管理的活动图。 煎 ( 5 ”+ ) 使用 图2 1 2 电子商务系统购物管理活动图 第2 章统一建模语言 2 4 工具简介 由于u m l 的模型主要是通过图来表达的，一个系统往往需要很多的图来从 不同侧面进行建模。如果仅靠手工，要正确和一致的处理好它们并不是很简单 的事好在目前有一些c a s e 工具可以帮助开发人员创建和管理u m l 模型。这 样，开发人员就可以将更多的精力投入到分析和设计中，而不是萦琐的画图工 作中。接下来我们就将介绍最常用的c a s e 工具胁i o n a lr o s e 。 r a t i o n a lr o s e 是一种用来分析和设计面向对象软件系统的强大的工具。 r o s e 支持u m l 的所有建模元素，同时也支持b o o c h 和o m t 标记【“。使用r o s e 不 但可以进行面向对象的分析、设计的正向开发过程，还能通过从源代码中提取 接口、类声明信息来获取源码中的模型信息，即对软件进行逆向工程。目前， r o s e 己经被广泛地应用于通信、金融以及企业信息系统的分析和设计。 r o s e 主要通过四个视图来描述u m l 模型。 ( 1 ) u s ec a s e 模型，从参与者的角度描述系统功能，可以表现用例之间 以及用铡与参与者之间的关系，并可以通过活动匿、交互图、文字 说明、链接到文件等方式详细描述用例： ( 2 ) l o g i c 模型，描述系统所要具有的逻辑结构，主要由描述系统静态结 构的类图以及描述系统动态行为的交互图、活动图等组成； ( 3 ) c o m p o n e n t 模型，用组件图描述系统的实现模块( 即组件) ，通过它可 以生成代码框架； ( 4 ) d e p l o y m e n t 模型，用配置图描述系统在网络结构中的物理分布。 通过使用r o s e 建模，可以使整个开发团队达成一致，更好的交流。同时， r o s e 本身可以检查模型的一致性，而且r o s e 模型也是一种很好的文档组织方 式，在r o s e 中可以对每个事物进行必要的说明，如果需要，还可以通过链接到 外部文件或者i n t e m e t 来对事物进行说明。后面对系统的分析和建模都是采用 r o s e 作为工具。 第3 章使用u m l 对系统建模 第3 章使用u m l 对系统建模 用u m l 语言建立系统模型的时候，需要根据系统开发各个阶段的不同 目的，建立不同的模型，解决不同的问题。需求分析阶段建造的模型用来捕 获系统的需求、描绘与真实世界相应的基本类和协作关系。设计阶段的模型 是分析模型的扩充，为实现阶段做指导性的、技术上的解决方案。实现阶段 的模型是真正的源代码( s o u r c ec o d e ) ，编译后成为程序。最后是部署模型， 它在物理架构上解释系统的部署。虽然这些模型各不相同，但通常情况下， 后期的模型都由前期的模型扩展而来。每一个阶段的模型，都需要保留备 查。 若使用u m l 语言建模，建模工作一定要依照某个方法或过程进行。建 模的过程一般被分为以下几个连续的重复迭代阶段：需求分析阶段、设计阶 段、实现阶段和部署阶段。这是一个简单的建模过程。在这个工程中，首先 进行的就是需求分析工作。 3 1 系统需求分析 i e e e 软件工程标准词汇表中( 1 9 9 7 年) 中定义需求为： ( 1 )用户解决问题或达到目标所需的条件或能力( c a p a b i l i t y ) ： ( 2 1系统或者系统部件要满足合同、标准、规范或其它正式规定文档 所需具有的条件或能力： ( 3 )一种反映上面( 1 ) 或者( 2 ) 所描述的条件或者能力的文档说明 1 3 1 。 软件需求包含多个层次，不同层次的需求从不同角度与不同程度反映着 细节问题。i e e e 公布的定义包括从用户角度( 系统的外部行为) ，以及从开 发者角度( 一些内部特性) 来阐述需求。 软件需求工程是一个宽泛的概念，包含多种技术，在这里我们主要讨论 与本文相关的需求获取和分析技术。 3 1 1 需求获取技术 需求获取( r e q u i r e m e n te l i c i t a t i o n ) 是需求工程的主体。对于所建议的软件 产品，获取需求是一个确定和理解不同用户类的需要和限制的过程。需求获 取、分析、编写需求规格说明和验证并不遵循线性的顺序，这些活动是相互 隔开、增量和反复的，这四个过程贯穿着需求开发的整个阶段。 下面是几个软件需求的典型来源。 北京邮电大学工学硕士学位论文 f 1 1系统需求规格说明，一个包含