（计算机应用技术专业论文）基于uml的面向对象仿真及其在中央空调仿真培训系统中的应用研究.pdf

基于u m l 的面向对象仿真及其在中央空调仿真培训系统中的应用 研究 摘要 随着计算机科学技术的飞速发展，系统仿真技术已经成为许多领域进行科 学探索和创新的常用手段。其中，制冷空调系统的仿真一直是系统仿真中的一 个研究热点，但它要取得良好的效果首先就必须建立精确的系统模型。实际的 系统本身是非常复杂的，采用面向对象的思想与方法对复杂系统进行建模和仿 真，把系统分解成多个对象，每个对象表现系统一部分的特征和行为，通过这 些对象就能清晰而简洁地表现整个系统，可以有效地降低问题域的复杂性。虽 然进行面向对象分析与设计的工具众多，但统一建模语言u m l 具有自身的强大 优势，在仿真领域有着广阔的应用前景。近年来，u m l 开始在仿真领域中得到 初步应用，但研究尚处于起步阶段。 论文首先对面向对象分析与设计思想在系统仿真领域中的应用和u m l 语占 进行了详细的分析和研究，然后结合实际项目中央空调仿真培训系统，使用u m l 对仿真培训系统及实际仿真对象中央空调进行分析与设计，重点对仿真培训系 统的故障处理模块及后台故障数据库进行了分析与设计，最后对设计的所有模 型进行了一致性检查，检查结果证明所有模型都是正确的。 论文通过u m l 在中央空调仿真培训i 系统中的应用，为基于u m l 的面向对象 仿真在系统仿真领域的进一步应用作了一些有益的探索，具有一定的参考价值。 关键字：面向对象仿真u m l 空调 o b j e c t o r i e n t e ds i m u l a t i o na n di t sa p p l i c a t i o ni nc e n t r a la i 卜c o n d i t i o n s i m u l a t i o n t r a i n i n gs y s t e mb a s e do nu m l a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e rs c i e n c e ，t h es y s t e ms i m u l a t i o nt e c h n 0 1 0 9 yh a s b e e nac o m m o nm e t h o du s i n gi nt h es c i e n t i f cd i s c o v e r ya n ds c i e n t i f i cr e s e a r c hi nm a n yf i e l d s t h es i m u i a t i o no fa na i 卜c o n d i t i o ni saf o c u s ，b u ti tm u s td e s i g na na c c u r a t em o d e lo fa n a i r - c o n d i t i o n f i r s t l y t oh a sag o o de f 俺c t a na c t u a l s y s t e m i s v e r yc o m p l e x u s i n gt h e o b j e c t - o r i e n t e dt h o u g h t sa n dm e t h o d st om o d e la n ds i m u l a t e ，as y s t e mc a nb ed i v i d e di n t o s e v e r a lo b j e c t s ，e a c ho b j e c te x p r e s s e st h ec h a r a c t e r sa n da c t i o n so fo n ep a r to ft h es y s t e m ，a n d a l lo b j e c t se x p r e s st h ew h o l es y s t e mc l e a ra n dc o m p a c t l y ，i tc a ne f 亿c t i v e l yr e d u c ec o m p l e x i t y a l t h o u g ht h e r ea r em a n yt o o l su s e di no b j e c t - o r i e n t e da n a l y s i sa n dd e s i g n ，u m lh a sab r o a d a p p l i c a t i o nf u t u r e i ns i m u l a t i o nf i e i db e c a u s eo fi t s p o w e r f u la d v a n t a g e s r e c e n t ly u m l b e 百n st ob ea p p l i e di nt h es i m u l a t i o nf i e l d b u tt h er e s e a r c hi si nt h ei n i t i a ls t a g e f i r s to fa l l ，t h i sp a p e ra n a l y z e sa n ds t u d i e st h ea p p l i c a t i o no ft h eo b j e c t - o r i e n t e dm e t h o d s i ns i m u l a t i o nf l e l da n du m li nd e t a i l ，t h e na p p l i e su m l t oa n a l y z ea n d d e s i g nt h es j m u l a t i o “ t r a i n i n gs y s t e m ，t h e c e n t r a la i 卜c o n d i t i o n ，t h ef a i l u r em a n a g e m e n tm o d u l ea n dt h ef a i l u r e d a t a b a s eb yc o m b i n i n gw i t ht h ea c t u a lp r o j e c to ft h ec e n t r a la i 卜c o n d t t i o ns i m u i a t i o nt r a i n i n g s y s t e m ，矗n a l l yc h e c k sa l lt h ed e s i g n e dm o d e l s ，a n dt h e r e s u l t sp r o v et h a ta l lt h ed e s i g n e d m o d e l sa r ec o r r e c t t h r o u g ha p p l y i n gu m l i nt h ec e n t r a ia j 卜c o n d i t i o ns i m u l a t i o nt r a i n i n gs y s t e m ，t h ew o r k j nt h i sp a p e fi sb e n e f i c i a la n dv a l u a b l ef o rf u r t h e ra p p l i c a t i o no fo b j e c t - o r i e n t e ds i m u i a t i o n b a s e do nu m li nt h es i m u l a t i o nn e l d k e yw o r d s ：o b j e c t - o r i e n t e ds i m u l a t i o nu m la i r - c o n d i t i o n 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕士 学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 主席 i 彦、c 之五二知芝 委觅镓舷支摊山天 荔1 躬抬 钇。f 气今妒叹 伽氐 导师： 韵丢掀 插图清单 3 - lc r c 卡片的布局1 6 3 - 2u m l 的形成2 0 3 3u m l 的内容结构2 3 3 4u m l 的视图2 4 3 - 5r o s e 模型采用的过程2 6 4 1 中央空调仿真培训系统的用例图3 2 4 2 空调系统稳态仿真算法流程图3 8 4 3 空调的用例图4 0 4 4 空调仿真运行活动图4 1 4 5 空调类图4 2 5 1 故障处理模块的用例图4 5 5 - 2 “登录”的活动图4 6 5 3 “设置故障”的活动图4 8 5 4 “添加故障”的活动图5 0 5 5 “检测与排除”的活动图5 2 5 - 6 故障数据库的r d b 模型图一5 4 5 7 故障数据库的r d b 模型图二5 5 5 _ 8 故障数据库的r d b 模型图三5 6 5 9 故障数据库的r d b 模型图四j 7 5 1 0 故障数据库的o d b 模型图一5 9 5 1 1 故障数据库的o d b 模型图二6 0 6 1 所设计的空调系统的模型检查6 3 6 2 所设计的仿真培训系统的模型检查6 4 6 3 所设计的故障处理模块的模型检查6 5 6 4 所设计的故障数据库的r d b 模型的检查6 6 6 5 所设计的故障数据库的0 d b 模型检查6 7图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 表格清单 表3 1 结构建模表2 0 表3 2 行为建模表2 l 表3 3 体系结构建模表2 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得盒盟王、业盍堂或其他教育机构的学位或证讳而使用过的材料。与我一同t ：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谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金世王些盍堂有关保留、使用学位论文的规定有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权佥壁王些盔 ! l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名导师签名 签字日期：年月 日签字日期：年月日 学位论文作者毕业后去向： t 作单位： 通讯地址： 电话 邮编 致谢 在导师杨善林教授的悉心教导下，我完成了研究生阶段的学习、课题的研 究和论文的撰写。杨老师在学习上为我创造了良好的学习环境，给予我很大的 关心和帮助。杨老师严谨的治学态度、丰富渊博的知识、敏锐的学术思维、精 益求精的工作态度、积极进取的科研精神以及诲人不倦的师者风范值得我终生 学习。值此论文完成之际，衷心地向杨老师表示深深的感谢。 感谢马溪骏老师在学习和生活上给予我的无微不至的关心和帮助。 感谢毛雪岷老师、俞家文老师、胡笑旋老师在学习和论文方面给予我的帮 助。 感谢一直以来关心和帮助过我的所有老师和朝夕相伴的同学们。 作者：李敏 2 0 0 5 年4 月 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 系统仿真技术作为分析和研究系统运动行为、揭示系统动态过程和运动规 律的一种重要的方法和手段，随着2 0 世纪4 0 年代第一台计算机的诞生而迅 速发展。特别是近些年来，随着系统科学研究的深入，控制理论、计算技术、 信息处理技术的发展，计算机软硬件技术的突破，使得系统仿真技术有了许多 突破性的进展。使用计算机仿真可以解决许多复杂的系统求解，而且省时、省 力、省钱。因此，系统仿真已经成为科学研究的重要途径之一，甚至可以说是 今后科技发展的关键推动力。现在计算机仿真已被广泛地应用于众多的科研领 域。在军事、航天、天文物理、生念系统、社会系统、气候学等领域，计算机 仿真都发挥着重要的作用。 一直以来，制冷空调系统的仿真一直是系统仿真中的一个研究热点。因 为随着社会经济的快速发展，制冷空调与人民的生活越来越息息相关，处于不 可替代的重要地位，同时人们对制冷空调性能的要求则越来越高，加上空调市 场激烈竞争带来的压力，迫使空调生产企业必须不断地开发出性能更好的产品 才能满足市场的需要。对于空调生产企业来说，这一研究可以节省空调新产品 设计试验过程中反复制作样机的大量费用，降低生产成本，缩短设计周期，有 利于空调产品的设计开发，还可以不断优化已有产品性能，使生产企业在市场 中更具有竞争力。这一研究还可以用于进行仿真培训，用于训练学员熟练地操 纵、控制或管理空调。 系统仿真是基于系统模型的活动，系统是研究的对象，系统模型应是系统 本质的描述。制冷空调系统的仿真要取得良好的效果首先就必须建立精确的系 统模型。 实际的客观系统本身是非常复杂的，它是由许多对象( 事务或实体) 组成的， 每种对象有其独特的属性。对象之间的联系和相互影响呈现出系统的不同特征 和性能。如果使用传统的建模思想和方法对这样复杂的系统进行建模和仿真， 不但实现起来相当困难，而且效率也是极低的。但如果利用客观系统是由各种 相互作用的对象组成的这一特性，采用面向对象的思想与方法对复杂系统进行 建模和仿真，把系统分解成多个对象，每个对象表现系统一部分的特征和行为， 通过这些对象就能清晰而简洁地表现整个系统，就可以有效地降低问题域的复 杂性。 面向对象仿真( o b j e c t o r i e n t e ds i m u l a t i o n ) 是当前仿真研究领域最为活 跃的研究方向之一”3 。它在理论上突破了传统仿真方法的概念，根据组成系统 的对象及其相互作用关系构造仿真模型，仿真模型的对象表示实际系统中对应 的实体，从而拉近了模型与实际系统之间的距离，使建模仿真的思想方法与人 们认识客观世界的自然思维相一致， 且具有内在的可扩充性和可重用性， 段。 增强了仿真模型的直观性和可理解性，并 为仿真大型复杂系统提供了极为方便的手 由于进行面向对象分析与设计的工具众多，1 9 9 7 年对象管理组织o m g 采 纳了u m l 作为基于面向对象技术的标准建模语言，它定义了用于面向对象建 模的各种元素，以及由这些元素所构成的各种图的构成规则”1 。由于u m l 统一了 b o o c h 、o m t 、0 0 s e 和其它面向对象方法的基本概念和符号，批判地继承了 众多面向对象方法的优点，总结了使用这些面向对象方法的实践经验和教训l ， 并在u m l 中进行了相应的改进，这使得u m l 作为一种建模语占，有着自身 的强大优势，在面向对象领域有着广泛的用途，是目前进行面向对象软件系统 分析与设计的必要手段。 u m l 可以以面向对象的方式来描述任何类型的系统，其中最常用的是建立 软件系统的模型。它同样可以用于描述非软件领域的系统，如机械系统、企业机 构或业务过程，以及处理复杂数据的信息系统、具有实时要求的工业系统或工业 过程等。 近年束，u m l 开始在仿真领域中得到初步应用，用于仿真系统的分析与设 计，但研究尚处于起步阶段。由于u m l 在软件系统中的应用取得了非常好的 效果，仿真软件系统与普通软件系统有着许多相似之处，使用u m l 具有的强 大优势指导仿真软件开发，在仿真领域有着广阔的应用前景。论文采用面向对 象的思想和方法，使用u m l 作为建模语言，希望通过u m l 在中央空调仿真培 训系统中的应用来对u m l 在仿真领域的应用作一些有益的探索。 论文中的课题来源于实际项目“中央空调仿真培训系统的研究和开发”。 中央空调仿真培训系统是一个训练仿真系统。训练仿真系统是利用计算机并通 过运动设备、操纵设备、显示设备、仪器仪表等复现所模拟的对象行为，并产 生与之适应的环境，从而成为训练操纵、控制或管理这类对象的人员的系统。 中央空调计算机仿真培训系统就是模拟中央空调的运行状态和环境，来对操作 人员进行培训。 1 2 国内外研究现状 面向对象的概念在6 0 年代s l m u l a 仿真语言中被提出来的，s i m u l a 是 第一个面向对象的程序设计语言，它的最初的目的是设计一种通用的仿真语言， 但只具有一些面向对象的基本特性，例如：对象、类、继承和动态类型，还不 完善。随后s i m u l a 超越仿真领域成为一种通用语言，发展成为s i m u l a 6 7 。 接着到8 0 年代s m a l l t a l k 的出现是面向对象程序设计的一个里程碑，它是一种 通用的面向对象程序设计语言，它提供了图形环境和扩展了动态类型、类、继 承等源于s 1 m u l a 的概念，它的出现标志着厩向程序设计方法的形成。直到这 时，人们才重新意识到s i m u l a 中对象和类的概念在软件设计和开发中的重要 性，才开始使用面向对象方法开发仿真软件”7 8 “”1 。 美国的r a n d 公司在战争对策与空战的基于规则的仿真系统中，首次提出 了面向对象的仿真系统的概念并推出了面向对象的仿真系统r 0 0 s ，随后这一 概念在其他领域也得到了广泛的应用。八十年代末，英国将面向对象的仿真、 基于知识的仿真、系统仿真环境和计算机图形学集成在一起推出了面向对象的 仿真建模环境w i t n e s s ，成为当时美、欧最流行的仿真软件之一，广泛应用 于军事、航空航天、计算机集成制造( c i m s ) 和一般的工业、交通、商业、金 融等领域中。 由于面向对象仿真有非常广阔的应用前景，促使许多研究人员从各个方面 对它进行广泛的研究。由于进行面向对象仿真最需要语言和开发环境，所以近 年来研究人员在这一方面作了很多努力。目前： 已经出现了一些适用于开发基于面向对象概念的仿真系统的开发语言， 如c + + 、a d a 、s e l f 、s m a u t a l k 、c l o s 、e i f 琵l 、m o d u l a - 3 、o b j e c t i v e c ； 出现了一些通用的商业面向对象仿真语言，如s i m d l e + + 、s i l k ： 还出现了基于面向对象方法学，利用已有的商用面向对象语言建立的适 甩于某类范围问题的专用面向对象仿真环境。它们分别应用在计算机系统环境、 军事系统环境、环境生态系统环境、化学药品制造环境、离散部件制造环境等 多个不同领域，如使用c + + 语言开发的计算机系统环境s i m 2 8 6 + + 、使用m o d s i m i i 开发的军事系统环境i m d e 、使用s m a l l t a l k 语言开发的环境生态系统环境 g x 、使用c + + 语言开发的化学药品制造环境o m a l a 和使用o b j e c t i v e c 开发 的b l o c s m 。 u m l 被提出开始于1 9 9 4 年l o 月，那时o m t 的创始人j a m e sr u m b a u g h 加入了b o o c h 的创始人g r a d yb o o c h 所在的r a t i o n a l 公司，他们统一了b o o c h 方法和o m t 方法，于1 9 9 5 年1 0 月发布了u n m e d m e t h o d o 8 。大约同时，o o s e 的创始人i v a r j a c o b s o n 也加入了该公司，开始在其中加入0 0 s e 方法，并于1 9 9 6 年6 月将u n i f i e dm e t h o d 改为u m l ( u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ) ，发布了 u m l o 9 。1 9 9 6 年又发布了u m l o 9 1 。很快，u m l 的开发者得到了用户的支 持，倡议成立了u m l 协会，以完善、加强和促进u m l 的规范工作。u m l l o 发布后，很快获得了美国工业界和科技界的广泛支持，稳占面向对象技术市场 8 5 的份额，并于1 9 9 7 年1 月被提交给对象管理组织0 m g ( o b j e c tm a n a g e m e n t g r o u p ) ，申请成为标准建模语言。1 9 9 7 年1 1 月1 7 日o m g 采纳了u m l l 1 为 基于面向对象技术的标准建模语言。1 9 9 8 年6 月o m gr t f ( r e v i s i o nt a s k f o r c e ) 发布了u m l l 2 ，1 9 9 8 年秋发布了u m l l 3 ，1 9 9 9 年8 月发布了 u m l 2 o 1 “。 统一建模语考+ u m l 代表了面向对象软件开发技术的发展方向，并获得了 广泛的应用，但在系统仿真领域中得到应用的时间并不长，尚处于起步阶段。 目前国内已经有学者把u m 乙应用于仿真系统的分析与设计中，比如河海大学 的蔡付林、成海生把u m l 应用于水轮机的三维仿真系统的分析与设计“；装 甲兵工程学院的王杏林博士把u m l 应用于作战任务空间的一致性描述，建立 对真实世界( 包括作战过程、作战实体、作战环境以及它们之间的交互等) 一致 性的描述模型，即建立任务空间概念模型，用以解决作战仿真中军事领域专家 与仿真技术专家之间的沟通问题，解决仿真间的互操作与仿真资源的重用“3 1 “ “；海军工程学院的谢志武博士把u m l 技术应用于可扩展的燃气轮机仿真 建模研究，将燃气轮机仿真的各种计算任务概括为部件计算、流路计算和系统 状态计算三个层次，并在此基础上提出节点连接器一部件模型，构造了一个部 件模型、工质流程及仿真算法均可扩展的仿真类属框架，并通过一个三轴燃气 轮机的容积效应法仿真验证了该模型的有效性和可扩展能力。此外，u m l 在空 调领域中的应用还不多见。 1 3 论文的主要内容 论文首先对面向对象分析与设计思想在系统仿真领域中的应用和u m l 语 言进行分析和研究，然后结合实际项目中央空调仿真培训系统，使用u m l 对 仿真培训系统及实际仿真对象中央空调进行分析与设计，重点对仿真培训系统 的故障处理模块及后台故障数据库进行了分析与设计，最后对所建立的模型进 行一致性检查。 1 4 论文的章节安排 论文共分为六部分： 第一章绪论 首先对论文所选课题的研究背景和研究意义进行了详细说明，然后介绍了 国内外在这方面的相关研究现状，最后阐述了论文的主要研究内容以及章节安 排。 第二章面向对象仿真 说明了面向对象仿真软件与传统仿真软件相比所具有的特点，对面向对象 仿真的建模方法进行了详细的分析研究。 第三章统一建模语言u m l 简单介绍了一些其它的面向对象方法，把u m l 与这些酝向对象方法进行 了比较；然后具体介绍了u m l 的内容结构以及u m l 的使用中所选用的开发过 程、开发工具和支持的数据库模型。 第四章中央空调仿真培训系统的分析与设计 通过u m l 的用例图对中央空调仿真培训系统进行了需求分析，建立了仿 4 真培训系统的用例模型；然后介绍了空调的一般运行过程、简化后的数学模型 和选用的稳态运行算法流程，在这些资料的基础上对培训系统的仿真对象中央 空调进行了需求分析和详细设计。 第五章培训系统的故障处理模块的分析与设计 对中央空调仿真培训系统中的故障处理模块进行了需求分析、总体设计和 详细设计，在详细设计部分建立了故障数据库的关系数据库模型和对象数据库 模型，并对所建立的两个模型进行了简单的比较。 第六章模型检查 对论文第四和五章所设计的模型进行一致性检查。 第七章总结与展望 总结论文的研究内容和所做的全部工作，并对今后的进一步研究提出展望。 第二章面向对象仿真 2 1 系统仿真简介 系统仿真技术是一种以相似原理、控制理论、计算机技术、信息技术及其 应用领域的专业技术为基础，以计算机和其它物理效应设备为工具，利用数学 模型或部分实物对实际的或设想的系统进行动态试验研究的一门综合性技术 】? ，l8 ，l9 】 o 系统仿真的三个要素是模型、计算机和系统，首先要建立仿真对象的数学 模型，然后才能对仿真软件系统进行建模。 2 2 面向对象仿真的特点 客观世界的问题都是由客观世界的实体及实体间的相互关系构成，客观世 界的实体可以称之为问题域的对象。面向对象的方法就是力图符合人们这种认 识世界的方法，认为客观系统是由各种相互作用的对象组成的，将系统分解为 一些对象，这些对象可以拥有、传递和处理消息，并能相互作用，从而实现系 统的功能。面向对象仿真采用的就是面向对象的方法对仿真软件进行建模，既 符合人们的思维方式，使得仿真建模更为直观、自然，同时开发出的仿真软件 又具备面向对象软件的数据抽象、信息隐蔽、继承、动态链接等特点，具有更 优良的模块性、可重用性、可维护性和灵活性”。 正因为面向对象仿真采用的是面向对象的方法，所开发出的面向对象仿真 软件才具有与传统仿真软件所不同的特点： 建模方法不同：0 0 ( 0b i e c to “e n t e d ) 仿真软件的模型开发基于面向对象 的范式，通过把问题域分解为一系列相互作用的对象即可构造出模型。传统的 仿真软件属于过程范式，采用面向任务的观点，当提出一种解决目标问题的方 法时，将解决方法分解为一系列任务来完成，这些任务就构成了基于过程的仿 真语言的基本结构。在大多数情况下，面向对象仿真采用的建模方法比传统仿 真方法是更符合人们的思维、更自然，效果也更好。 软件框架和实现方式不同：o o 仿真软件采用的是模块化结构，相互问通 过消息进行通信，一个对象根据提交给它的消息，通过定义的操作采取相应行 动，完成仿真运行、输出分析等工作，是以对象为中心，利用消息传递进行仿 真的实现机制：而传统的仿真语言中，程序是由传递参数的过程或函数的集合 组成，每个过程处理它的参数，因此是以执行单元( 即过程) 为中心，通过功 能函数调用完成仿真。这样，面向对象仿真软件与传统仿真软件相比，就具有 了更优良的模块性、可重用性、可维护性和灵活性等特点。 支撑环境不同；0 0 仿真软件一般基于面向对象的程序设计语言开发，而 传统仿真软件则大多利用基于过程的过程语言开发。这也是使面向对象仿真软 6 件具有面向对象软件的优点的重要原因。 2 3 面向对象仿真的建模框架 面向对象仿真( 0 0 s ) 的建模方法，包括建模框架和控制结构两个方面”。 面向对象仿真的建模框架，是面向对象技术在仿真领域的具体实现，它通 过描述组成系统的对象、对象的行为和对象之问的交互关系来描述系统的模型， 它包括对象关系描述、对象行为描述和对象交互描述三个部分。 2 3 1 对象关系描述 1 对象 对象表达实际系统中具有明确边界和意义的实体，因而，在仿真范围内， 建模对象直接与实际系统中的实体相对应，它是对实际系统中的实体的抽象描 述。如空调系统中的压缩机、冷凝器、节流阀等在仿真模型中都可以抽象为相 应的对象，并具有相应实体的有关属性和行为模式，是构成模型的基本建模单 位。 根据仿真对象的功能不同，可以把仿真系统中对象分为仿真支持对象和模 型元素对象。 仿真支持对象提供仿真运行和实验必要的功能和机制，例如，时间管理、 事件表处理、对象的生成和消除、随机数生成、统计数据的搜集和处理等，即 在实际系统中的没有实体与之相对应的概念或对象，都抽象为仿真支持对象。 模型元素对象，是构造模型的基本元素，它对应于实际系统中的相应实体，具 有与实际系统中的实体相关的属性和行为。 模型元素对象按其在现实系统中的作用可进一步分为：物理对象、信息对象 和控制对象。 物理对象表达实际系统中的有形实体，它们构成了系统的物理组成部分、 物理配置和结构，例如空调系统中的压缩机、冷凝器、节流阀等，制造系统中 的机器、运输设备、仓库和零配件、产品等。如果我们只关心一个对象所包含 的信息内容，则把它称为信息对象，一个信息对象描述系统中的有关信息，如 排除空调故障的操作记录，制造系统的原材料清单、库存量共享资源数量、产 品订购量、在制品数量等。控制对象模拟系统的控制决策，它定义决策点、处 理路线、机器选择、排队规则，以及有关的控制决策等。把对象分为物理对象、 信息对象和控制对象可以实现实际系统中的物流、信息处理和决策控制功能的 分离，这种分离能够提供更为自然和高度可重用的建模结构。 2 对象问的关系 现实世界中的对象不是孤立存在的，它们之间存在着各种各样的关系，关 系建立了对象之间的逻辑连接。关系描述并不说明对象之间的物理连接或到另 一个对象的处理路线，而是定义一个对象有可能与什么对象进行交互的消息传 递协议，协议是一个对象对外界所能提供的服务的说明，当一个对象与其它对 象实际建立连接以后，对象之间则根据定义的消息传递协议进行通讯。 对象之间的关系可以表现为一对一、多对一、一对多或多对多的形式，即 表示一个对象有可能和几个对象进行交互。例如，空调培训系统中一个故障现 象可能是由多个故障原因造成的；生产线系统中，两台机器之间的关系有可能 会出现这四种形式，一台机器可能会接受来自于几台机器加工的工件它也可能 把加工完的工件送到一台或几台机器。 对象之间的关系可以描述为层次形式，对象之间存在两种类型的层次关系， 一种是分类关系，一种是分解关系。 分类方法根据对象的共同点和差异，将对象区分为不同的种类，并形成具 有一定从属关系的对象的分类层次结构。分类可以使我们找出客观对象之间的 本质区别和联系，归纳出客观对象的共同特性，便于有条理地、系统地、分门 别类地研究客观对象。分解方法把具有整体和部分关系的对象组织成一个层次 结构，最上层的对象往往表示一个系统的整体，下一层表示该整体的各个组成 部分，其中，每个组成部分又含有自己的组成部分，由此，可以得到一个系统 的分解层次结构。根据系统理论的概念，这种分解方法隐含重构的概念，即低 层的各个组成部分可以相互组合起来，形成一个高层的整体。在分解层次结构 中，自项向下的关系是一种分解关系，而自底向上的关系是一种合成关系，因 此，分解方法可以提供自顶向下和自底向上的层次建模方法。 通过对象及其关系描述，我们可以准确地从功能和静态结构上描述系统。 2 3 2 对象行为描述 0 0 s 建模框架强调描述对象的局部行为，通过描述对象的状态和状态之间 的转移把对象的行为和控制局部于对象本身，达到对象的行为和控制的封装， 体现了对象的模块性。整个系统的行为则体现在对象的行为和对象之间通过接 口机制进行的交互作用。为了明确地描述对象的行为，必须确定对象可能存在 的状态，引起状态发生改变的事件和条件，以及在状态转移过程中对象所执行 的动作。 状态是对象所有属性值的一种抽象，它表示对象在某一时刻所处的状况、 阶段或活动。例如，离散系统仿真的特点是系统的状态仅在离散的时间发生变 化，因而，状态往往与一个时间间隔或持续的活动有关，在状态发生变化之前 和之后，状态将保持一段相对稳定的时间。离散系统的这种特点表明对象的状 态序列是一个有限的离散集合，对象的行为表现在由事件触发的从一个状态到 另一个状态的转移。一个事件表示对象状态的一次改变，它只能发生在某一个 8 瞬时，改变对象状态的过程称为转移。事件和状态紧密联系在一起，一个事件 分开两个状态，因此，一个事件既标志着前一个状态的结束，又标志着后一个 状态的开始。当事件发生时，触发状态转移，其结果是关闭前一个状态，进入 下一个状态。 一个转移由事件描述和动作描述所组成，事件描述确定一个触发转移的事 件，给这个事件赋给一个唯一的标识名，并给出事件发生所必须满足的条件， 这种条件称为触发条件。触发条件是一个关于对象当前状态和环境的逻辑表达 式，当这个逻辑表达式的值从“假”变为“真”时，为这个转移定义的事件将 触发这个转移。动作描述在状态转移过程中对象执行的操作。动作是对事件触 发的响应，一个动作可能改变一个或多个属性的值、设置一个新事件、生成或 消除对象、发送或接收消息等。 仿真对象可能执行的动作可以分为以下五种基本类型：属性赋值操作、事件 排序操作、对象生成与消除操作、通讯操作和终止操作。 属性赋值操作就是改变一个或多个属性的值。 事件排序操作是为了处理实际系统中的并行性而引入的一个概念，实际 系统中的并行性是通过交替执行不同对象的操作来达到的，这种交替性通过使 用一个不同于实际时间的计时机制来实现，即仿真时钟。它包含两个相应的操 作，一个操作是用于安排一个未来的事件，另一个用于响应这个事件。 对象生成与消除操作用以控制对象的存在与消除，如生成到达的顾客和 消除离去的顾客。通讯操作提供对象之间进行交换信息的机制。一个对象在它 的存在期间需要与其它对象进行交互，它可以接收某些请求，也可以发出某些 请求，这些请求通过消息的形式在对象之间进行传递。 终止操作提供终止仿真运行的机制，简单的终止动作可能仅仅中断仿真 程序的运行。 除以上讨论的几种类型的操作外，提供一些附加的结构可能会简化模型和 对象行为的描述。通过对象行为描述，我们可以准确地描述系统动态变化的过 程与方式。 2 3 3 对象交互描述 对象行为描述确定了局部于对象的状态和行为，这种行为描述独立于其它 对象。但在仿真运行过程中，对象之间需要进行交互和通讯。对象交互描述确 定了对象之间的交互行为和依赖关系。对象交互过程是对象之间相互传递消息 的过程。为了描述对象之间的交互，必须确定： 咬互对象：在对象状态发生变化的过程中对象和哪些对象发生关系以及关 系的形式； 交互过程：用对象行为描述对象是如何响应的； 9 交互内容：描述在对象交互过程中利用接口所传递或交换的信息的内容， 这依赖于具体的问题： 交互方式：表现为消息同步传递或异步传递、单向传递或双向传递。对象 之间通过明确定义的接口传递消息，接口提供了对象之间进行通讯的机制。 通过对象交互描述，我们可以准确地描述系统内的信息流，并把对象实体 及其关系描述表达的系统静态结构、功能和对象行为表达的系统动态过程有机 地结合起来。 2 3 4 两种面向对象仿真的建模框架 1 基于事件调度法的o o 仿真软件框架 在该方法中，是将仿真过程视为一系列事件按时间先后顺序发生的过程。 随着仿真时钟的推进，从一个事件转换到另个事件，直到所有事件完成。每 一个事件执行时都会引起系统状态的变化，或触发另外的事件，因而需要将每 个事件都按其发生时间或其优先级( 如调度问题中需按调度规则确定哪个事件 先发生) 存储在事件表中，并能完整描述一个独立事件发生时所出现的各个步 骤。 为了表达这些概念，基于事件调度法的o o 仿真软件一般需要以下几个类 模块： 时间表类：是事件调度法的核心。具备的功能有： a 把将要发生的事件按其属性( 包括发生时间、发生优先级或其他属性) 插入到事件表中； b 删除一个已完成的事件； c 按事件表中先后顺序抽出最先发生的事件，并给该事件发送执行的消息。 事件类：包括各个具体的事件子类，每个事件由一个具体的发生时间和 方法来定义该事件发生时会引起哪些变化，进行哪些操作。 排队类：描述仿真系统中的动态实体缓冲区，如零件等待某个资源的队 列。其基本操作是描述顾客进入和离开队列，并提供有关统计功能和输出报表。 顾客类：被描述系统中的动态实体，如生产车间中的零件。 资源类：被描述系统中所有的静态实体，包括物理的和抽象的。 仿真时钟类：用来记录仿真时间进程的。当前一事件结束，下一事件开 始，就把仿真时钟推进下一事件开始执行的时间。 仿真管理类：用来确定仿真开始时间，或令仿真开始等管理仿真运行的 类。 以上的类基本构成了一个仿真系统的m o d e l i n ge l e m e n t s 类和s i m u l a t i o n c o n t r 0 1 类。 1 0 2 面向进程的0 0 仿真软件的框架 该方法强调实体在一个进程中的流动和处理。这样的o o 仿真软件大多用 网络图来表示仿真系统。一个进程可视为一个网络，每个网络包含一些节点， 这些节点可以是建模元素类中类的对象，也可以是仿真控制类的对象，或表示 处理及为描述仿真实体在网络图中的活动所需的一些其他成分。实体要流入网 络，在流动过程中要经过一些步骤，如被创建、排队等待、接受处理等，直至 退出系统。这类方法特别适合描述制造系统中的加工过程，因而成为制造系统 仿真中的主要方法，并且这种模型描述更强调模型中对象和对象间的联系，利 用o o 的方法能获得更多好处。 目前基于网络图的仿真根据其自身的需要，定义了刁；同的网络节点，但为 表达这样的建模方法所需的概念框架是一致的，如下所示： 创建和处理实体： 队列和资源：o u e u e 用来表达一个等待队列，实体在该队列中等待申请 的资源，0 u e u e 的定义中需包括排队规则以确定实体进入队列的顺序。r e s o u r c e 则指系统中各种静态实体； 制定决策：描述当实体在有向网络图中流动时，它在下一步应流入哪个 节点： 数据分析：定义用来评估系统性能的统计信息； 支持功能：一个仿真系统需要一些支持函数来完成必要的操作，如对象 的属性处理和随机数产生。 2 4 面向对象仿真的控制结构 仿真中包含几种不同的控制功能，不同的控制功能涉及处理仿真中不同的 方面，有的是为了控制仿真运行或模型计算，如事件调度算法、监测和控制对 象交互等；有的体现了实际系统中的控制决策，如定义处理路线、决策点等。 在传统仿真建模中，模型的控制逻辑往往隐含并分散于描述模型的过程代码中， 仿真中涉及的不同控制功能不能明确地区别开。例如，模型结构的控制通常和 仿真逻辑控制混在一起；描述模型结构和描述对模型的实验没有分开。这种情 况导致模型缺乏表达能力，所产生的仿真代码也难以修改和重用。面向对象仿 真的控制结构通过对象技术，使仿真中包含的控制功能产生分离，形成专门的 控制对象将产生更为灵活和实际的控制结构。 2 4 1 仿真逻辑控制 仿真逻辑控制是仿真的内部执行机制，如仿真时钟管理、事件表控制、实 体的生成、记录和消除、数据的传送、监测对象交互等。仿真逻辑控制确定了 仿真的主控制流，它包含两种类型的控制，即仿真时间管理和监测对象之间的 交互，前者称为时间控制，后者称为对象交互控制。 时间控制执行以下任务： 维护全局仿真时间； 记录和排序到达的事件； 确定下次最早未来事件和触发时嵋j ： 推进仿真时钟。 对象交互控制监测和协调对象之间的交互和通讯。对象之间存在两种类型 的交互方式，一种是模型元素对象和仿真逻辑控制结构之间的交互，一种是模 型元素对象之间直接进行的交互。 2 4 2 对象行为控制 对象行为控制为建模者提供了描述和定义对象行为的机制。虽然，在面向 对象的仿真语言或系统中可以提供预定义的对象，同通常的仿真语言中提供的 通用模块一样，建模者可以利用这些预定义的对象，通过定义和描述它们的初 始条件和实验参数，以及对象之间的连接关系来构造仿真模型。但是预定义的 对象往往会受到应用领域的限制，因而必定是有限的，因此，提供建模者自己 能够定义或修改对象的状态和行为的手段，无疑会极大地增强建模能力和灵活 性。 对象行为描述框架提供了定义对象状态和行为的基础，通过描述局部于对 象的状态、状态之间的转移以及触发转移的事件和动作就能够完整地确定对象 的行为。对象行为控制也可借助于继承机制，提供数据共享手段，新对象的定 义可以从已有的对象中继承数据和行为。对象的接口定义是对象行为控制的一 个重要组成部分。 2 4 3 模型结构控制 模型结构通过描述对象接口之间的连接关系来定义，模型结构的控制就是 定义和改变这种连接关系，通过建立对象接口之间的连接关系，就可以确定系 统中的物流和信息流。控制对象是实现模型结构控制的一种手段，控制对象可 以与为对象定义的模型逻辑控制接口连接在一起提供对处理路线、决策点以及 其它控制决策的定义。这是建模者必须要定义的控制决策，把这种控制决策作 为一个单独的对象来定义提供了控制模型结构的灵活性和方便性。在控制对象 中定义的控制决策与物理对象的模型逻辑控制接口连接在一起，就可以控制对 象的处理逻辑。这种控制结构可以与系统中实际控制器或建模者的实际控制过 程相一致。各种类型的控制决策可以作为预定义的对象保存在对象库中，建模 者可以直接使用或把它组合在一起定义更为复杂的控制决策。 2 ，4 4 实验控制 实验控制借助于实验框架的概念来实现。仿真模型定义了系统的静态和动 惫特性，而实验框架则定义了对模型进行实验的运行条件。对于同一个模型， 可能会定义多个实验框架以产生多组实验数据，以便比较不同条件下的系统行 为，或者将不同实验条件下的实验结构进行统计分析求得稳定的仿真结果。 把模型结构和实验框架分开，只通过改变实验框架就可对模型进行不同的仿真 实验，而模型结构保持不变。 实验框架由三个基本对象，即输入生成对象、运行控制对象和输出汇总对 象组成。输入生成对象摸拟外部环境对模型的输入，产生对模型的输入段，在 空调仿真系统中，输入段的轨迹通过多组描述空调不同运行状态的参数组合和 说明空调系统组成结构部件的实体格式来生成；参数组合提供空调不同运行状 态所需参数，实体格式定义实体的结构，实体是一种被动对象，它具有属性和 状态的概念，但没有行为。例如一个实体可能具有名字、类型、优先权等属性。 运行控制对象