（计算机应用技术专业论文）煤矿井下安全信息系统的建模与实现.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 煤矿井下安全信息系统专为解决井下安全生产和救援 研发，可有效提高井下安全的监控、管理和应急救援处理能力。 它是以计算机集成制造哲理为指导，以计算机技术为核心，以 地理信息系统为平台，将井下地理信息、人员信息、生产作业 信息、设备信息和井下瓦斯安全监控等信息进行集成优化，建 造一个综合的信息系统，为井下安全生产和救援行动服务。 该系统是一个在组件m a p x 基础上用v i s u a lb a s i c n e t 进 行二次开发的地理信息系统与管理信息系统的实例。 本文介绍了开发系统的目的和意义，以及主要工作内容。 接着介绍了地理信息系统在各领域的应用和发展趋势及统一 建模语言。根据需求，提出了功能模型，设计了程序架构，并 对信息管理和图形操作两个子系统分别进行了建模。根据所建 模型，用代码实现了具体的类，并详细介绍了系统功能的实现 过程。 关键词：企业信息化；煤矿安全生产；信息系统；g i s 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h em i n i n gs a f e t yi n f o r m a t i o ns y s t e mi s s p e c i a l l y f o rs o l v i n g s a f e t y i nt h ep i ta n dr e s c u i n g ，w h i c hc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v es a f e t y c o n t r o l ，m a n a g e m e n ti nt h ep i ta n dm e e ta nu r g e n tn e e dt o r e s c u ea n d d e a lw i t h a b i l i t y i tr e g a r d sp h i l o s o p h i ct h e o r y o fc i m ( c o m p u t e r i n t e g r a t e sa n dm a k e s ) a sg u i d e ，r e g a r d st e c h n o l o g yo ft h ec o m p u t e ra s t h ec o r e ，a n dr e g a r d sg i s ( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ) a st h e p l a t f o r m t h eg e o l o g i c a l i n f o r m a t i o ni nt h e p i t ，t h eg e o g r a p h y i n f o r m a t i o n ，t h ep e r s o n a li n f o r m a t i o no ft h ep r o d u c t i o no p e r a t i o n ， p r o d u c t i o no p e r a t i o ni n f o r m a t i o n ，e q u i p m e n tf a c i l i t yi n f o r m a t i o n ，g a s c o n t r o la n dc o n t r o lm e s s a g ei si n t e g r a t e da n do p t i m i z e di nt h ep i to ft h e m i n i n g i ti sb u i l tac o m p r e h e n s i v ei n f o r m a t i o ns y s t e m ，f o rs a f e t yi n p r o d u c t i o nr e s c u ea n dt a k i n ga c t i o na n ds e r v i n gi nt h ep i ts a f e l y t h es y s t e mi so n ec a r r i e so nt h ei n s t a n c eo ft h e g e o g r a p h i c a l i n f o r m a t i o ns y s t e ma n dm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e mo fs e c o n d a r y d e v e l o p m e n tw i t hv i s u a lb a s i co nt h eb a s i so fp a c k a g em a p x t h e p u r p o s eo ft h es y s t e ma n dt h ep r i m a r yc o n t e n t si si n s t r u c t e di n t h i st h e s i s a n dt h e n ，c o n c e p to fg i sa n du m l ( u n i f i e dm o d e l i n g l a n g u a g e ) a n dt h e i ra p p l i c a t i o n sa n dd e v e l o p m e n t sa r eg i v e ni nt h e p a p e r t h ef u n c t i o nm o d e la n dp r o g r a mf r a m ei sg i v e nb a s e do nt h e u s e r s d e m a n d s a n dt h ei n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts u bs y s t e ma n dt h e g r a p h i c so p e r a t i o ns u bs y s t e ma r em o d e l e d a c c o r d i n gt ot h em o d e l g i v e n ，t h e c o d ei s g i v e na n d t h ea c t u a l i z e d p a r t i si n s t r u c t e d p a r t i c u l a r l y k e y w o r d s ：e n t e r p r i s e si n f o r m a t i o ns y s t e m ；m i n i n gs a f e t yp r o d u c t i o n ； i n f o r m a t i o ns y s t e m ；g i s 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：垒整凼 日期：；旃二月 。日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 煤炭生产作为我国能源生产的一个支柱产业，在国民经济中占有 十分重要的地位。它对国家工业化建设与发展和国计民生都有很大的 影响。煤炭生产行业，特别是井下开采作业，又是一个风险很大的行 业。煤矿的安全生产问题是制约煤矿发展、危及人身安全及社会稳定 的大事。在去年年初国务院机构改革方案中，将国家经贸委管理的国 家安全生产监督管理局改为国务院直属机构，由此可见国家在安全生 产方面给予了极高的重视。尽管国家在技术上、物资上都做了很大的 投入，但是矿业安全生产仍是一个突出问题。黑龙江省是我国煤炭生 产大省，而煤矿安全生产问题也很突出，为此，黑龙江省科技厅专门 列重大科技攻关项目，出资资助开展煤矿矿井瓦斯爆炸事故综合预防 及关键技术研究。 井下安全信息系统是矿井瓦斯爆炸事故综合预防及关键技术研究 项目的主要课题之一。围绕煤炭生产中井下作业的安全与井下事故的 救援工作，充分利用企业的信息资源，开发一个“平战结合”的“井 下安全信息系统”是抓住了煤矿信息化工程建设的一个主要和关键问 题，它所产生的经济效益和社会效益将是十分显著的。 煤炭生产大多是以井下生产为主要过程的开采作业方式，井下作 业与作业现场、作业机械、运输系统、作业人员、通风排水、水文地 质等诸因素相关的复杂生产方式。在生产过程中也产生了大量的生产 作业信息，主要的生产作业信息有： ( 1 ) 井下生产作业人员信息( 作业类型、工种、人员卡片) ； ( 2 ) 井下生产作业类型信息( 采煤、掘进、维护) ： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 3 ) 井下作业区地质信息； ( 4 ) 井下作业区通风、排水信息； ( 5 ) 井下作业区瓦斯浓度检测与报警信息； ( 6 ) 井下作业区作业机械与设备信息； ( 7 ) 井下作业区供电与照明系统信息； ( 8 ) 井下运输与提升系统信息； ( 9 ) 井下环境信息( 井口、紧急出口、备用巷道等) ； 0 0 ) 巷道布局信息； o d 井下作业人员考勤信息： 其它相关信息。 上述各类信息都从不同的视点反映了井下的环境状况、生产状况、 人员状况和设备状况等。对各类信息的收集、处理就可以得到有关生 产安全的信息。充分地利用这些信息资源，在平时可以适时掌握井下 生产情况及安全状况，在遇到生产意外时，就可以为救援工作提供详 实有效的决策数据，为有效组织与指挥救援工作提供支持。 围绕煤炭生产中井下作业的安全与井下事故的救援工作，充分利 用企业的信息资源，开发一个“平战结合”的“井下安全信息系统” 是抓住了煤矿信息化工程建设的一个主要和关键问题，它所产生的经 济效益和社会效益将是十分显著的。 准确、及时的井下救援信息为救援方案的确定，为救援物资的准 备，为救援队伍的组织，为救援行动的实施提供了科学的依据。它必 将为加速救援进程，节省人力与物资的投入，做好善后安抚工作等发 挥显著的作用。 煤矿企业的井下生产作业是一项高风险性的生产作业方式，井下 生产的生产环境受到多方面因素制约。地质构造、地质力学、地下水 位、防水措施、瓦斯浓度、通风排水设施的运行情况，井下的生产管 理及安全控制水平、井下生产人员的素质及安全意识、供电照明等都 与井下的生产安全有关。 企业信息化的主要目的是通过信息化来整合提升企业，提高企业 的经营管理水平，提高企业的生产能力，提高产量，提高质量，从而 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 提高企业效益。在企业追求t ( 上市快) 、q ( 质量好) 、c ( 成本低) 、s ( 服 务好) 的过程中，安全生产是企业正常经营活动的重要一环，它是企业 生产的基础和前提，尤其对矿业的井下生产，这个高风险度的生产方 式，安全问题尤为突出，生产安全不仅关系到生产的有效性和连续性， 而且关系到企业的经营效益和社会的安定，是一个十分突出又值得特 别注意的大问题。 本课题从2 0 0 2 年开始预研，于2 0 0 4 年正式立项，成为黑龙江省 重大科技攻关课题。 1 2 目的与意义 研究开发井下安全信息系统有着重要的作用和意义。 ( 1 ) 井下安全与救援信息系统适应国家对企业安全生产和企业信 息化的需求； ( 2 ) 该系统可适用于所有类型矿业生产的井下作业环境的信息管 理： ( 3 ) 该系统具有平战结合的特点，平时作为安全生产管理的信息 库：应急状态下，作为救援行动的信息库和决策支持工具； ( 4 ) 该信息系统成了井下安全生产所需的各类相关信息，具有信息 资源丰富，集成度高和使用方便灵活的特点： ( 5 ) 该系统具有商业化，系统化前景，有较广阔的市场和较长的市 场寿命； ( 6 ) 该系统的开发还将为省内软件产业的发展，软件系列化和软件 商品化提供有益的经验； ( 7 ) 黑龙江省作为能源大省，煤炭工业的发展将为该省的振兴与腾 飞起重要作用，井下安全与救援信息系统的应用与推广，将为全省煤 炭工业信息化和自动化作出贡献： ( 8 ) 该系统应用，能带来显著的经济效益和社会效益。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 国内外现状和技术发展趋势 工业发达国家的煤矿井下生产环境与生产设备及自动化水平较 高，从整体技术水平和生产条件与国内煤矿不具备可比性。二十世纪 末期以来，在新技术革命的带动下，煤矿开采和加工利用技术迅速发 展。先进采煤国家积极应用机电一体化和自动化技术，研制开发了大 功率、高性能的开采技术装备，广泛应用计算机技术实现了矿井生产 过程自动化，实现了矿井的高产高效和集约化生产。 美、澳、英、德等国家研制开发了机电一体化、自动化新型采掘、 运输、提升等生产设备。这些设备采用微机监测监控、自动化控制、 机电一体化设计等先进技术，在增加传动功率、提高生产能力的同时， 设备功能内涵发生重大突破，并在计算机控制技术支持下实现了煤矿 生产过程的自动化控制。综采成套设备的生产能力已经达到3 0 0 0 t h 以上，在适宜的煤层条件下，采煤工作面可实现年产5 1 0 m t ，出现 了“一矿一面、一个采区、一条生产线”的高效集约化生产模式。发 达采煤国家已经实现了从普通综采机械化生产向高产高效集约化生产 的过渡。 国内煤矿信息化起步较晚，仅以我省为例，据不完全统计半数国 有重点煤矿通风系统及配套设施不完善，致使矿井通风能力不足需进 行技术改造；突出矿井和高瓦斯矿井中，约3 0 的突出矿井和4 0 的高 瓦斯矿井没有装备安全监测系统，己装备的安全监测系统部分为8 0 年代末9 0 年代初的产品，技术性能已不能满足要求；大部分矿井只装 备了监测系统，没有监控系统。约2 0 的矿井正常使用的瓦斯传感器 不到1 0 个。只有山西的少数几个合资新矿的现代化管理水平与井下装 备水平较高，但仍然没有实现企业的信息化，更没有井下安全生产和 救援的信息系统面世。该项目的完成属于国内首创。 井下信息系统的创立将地理信息、资源信息和生产作业管理信息 等优化集成，并提供了决策支持服务，是一个集成优化的应用系统， 实现了井下安全生产数字化。它的向上延伸将实现整个企业的数字化， 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 向下延伸将促进生产设备的数字化，进而提高整个企业的数字化水平。 系统将向全面数字化、智能化方面发展，进一步提高决策支持的科学、 准确性。 1 4 主要的工作内容 采用c i m 哲理和软件工程的有关设计规范，以数据集成为中心， 完成系统的建模、设计与开发工作。深入调查研究，与使用部门紧密 合作，从实际需求出发，设计并开发了一个科学、实用、可靠的系统。 该系统是以煤矿安全生产管理和救援信息系统的创建为主要对象，以 全面提高安全生产管理水平和紧急状况下的快速反应与救援能力为目 的，研究一个基于g i s 的集成优化的煤矿井下信息系统。 在对用户实地调查的基础上，确定了用户对新系统的综合要求， 分析了新系统的数据要求，继而确定系统的开发计划之后，接下来的 工作就是系统建模和具体的设计并实现已定义好的系统。根据需求分 析结果进行总体设计，此阶段工作确定了系统的目标、规模、基本功 能要求等。 总体设计结束后进入详细设计，此阶段的工作内容包括数据库设 计、用户界面设计、程序结构设计。此阶段完成了系统各部分功能的 划分、信息流程、数据库的选型、用户界面的详细内容确定等工作。 总体设计和详细设计结束后，就要进行代码的编写。在编码之前 运用a u t o c a d 绘制了井下巷道分布地图、作业面生产管理地图等一 系列地图。代码编写阶段的工作内容是把详细设计的结果“翻译”成 程序设计语言书写的程序。系统采用在m a p x 基础上，用v i s u a l b a s i c n e t 二次开发的方式，实现了对地图的相关操作及各数据库的 集成优化。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 1gls 的定义 第2 章地理信息系统 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) 是一项 以计算机为基础的新兴技术，围绕着这项技术的研究、开发和应用形 成了一门交叉性、边缘性的学科，是管理和研究空间数据的技术系统， 在计算机软硬件支持下，它可以对空间数据按地理坐标或空间位置进 行各种处理、对数据的有效管理、研究各种空间实体及相互关系“。 而要给出g i s 的准确定义是困难的，因为g i s 涉及的面太广，站在不 同的角度，给出的定义就不同”，。通常可以从4 种不同的途径来定义 g i s 。 ( 1 ) 面向功能的定义。g i s 是采集、存储、检查、操作、分析和显 示地理数据的系统。 ( 2 ) 面向应用的定义。这种方式根据g i s 应用领域的不同，将g i s 分为各类应用系统，例如土地信息系统、城市信息系统、规划信息系 统、空间决策支持系统等。 ( 3 ) 工具箱定义方式。g i s 是一组用来采集、存储、查询、变换和 显示空间数据的工具的集合。这种定义强调g i s 提供的用于处理地理 数据的工具。 ( 4 ) 基于数据库的定义。g i s 是这样一类数据库系统，它的数据有 空间次序，并且提供一个对数据进行操作的操作集合，用来回答对数 据库中空间实体的查询n ，。 虽然g i s 是一门多学科综合的边缘学科，但其核心是计算机科学， 基本技术是数据库、地图可视化及空间分析。因此，可以这样定义： g i s 是处理地理数据的输入、输出、管理、查询、分析和辅助决策的 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 计算机系统”，。 虽然g i s 使用了地图、可视化、数据库等技术，但与c a d 系统、 计算机地图系统、数据库系统等均有很大的区别。c a d 系统提供交互 式的图形处理功能，以辅助像建筑、v l s i 等人造对象的设计，其主要 特点是设计者与计算机模型的交互。目前许多c a d 开始支持对象的 非图形性质，而g i s 处理的数据大多来自现实世界，较之c a d 的人 造对象更为复杂，数据量更大。另外，c a d 中的拓扑关系较为简单， 更重要的是，g i s 强调对空间数据的分析，c a d 这方面的功能要弱很 多。 计算机地图系统侧重于数据查询、分类及自动符号化，具有辅助 设计地图和产生高质量矢量形式的输出机制”，。它强调数据显示而不 是数据分析，地理数据往往缺少拓扑关系。另外，它与数据库的联系 通常是一些简单的查询。 数据库系统是各种类型信息系统的核心。通用数据库侧重非图形 数据的优化存储与查询，其图形查询与显示功能极为有限，其数据分 析功能也很有限。然而，数据库的一些基本技术，如数据模型、数据 存储、数据检索等，都在g i s 中广泛采用，成为g i s 的核心技术m 。 由此可见，g i s 已经形成了一个独立的、具有鲜明特色的研究领 域。 2 2 地理信息系统的应用 8 0 年代中后期微机在中国的推广使用，对地理信息系统广泛应用 奠定了基础，在此之后，在国家攻关或部门任务以及中国国家自然科学 基金支持( 以下简称自然科学基金) 下，我国一些行业和领域开始进行地 理信息系统应用，如在地理信息系统基础上建立的重大自然灾害监测 与评估系统、三北防护林系统、重点产粮区主要农作物估产系统等一 批全国、省市和区域级的大型应用系统。通过应用研究，提高了大型 g i s 应用工程的管理水平，积累了较为丰富的g i s 应用经验，并在原有 的g i s 软件的基础上进行了广泛的二次开发。g i s 在我国的应用大致 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 g i s 在资源调查、评价、管理和监测中的应用。例如：2 0 世纪8 0 年代初刘岳在北京十三陵地区开展了土地信息系统应用研究；海南省 建立的海南国土资源信息系统；应用微机地理信息系统进行土地质量 评价的尝试；微机土地资源评价信息系统的建立及其应用研究等。 g i s 在城市管理、城市规划和市政工程中的应用。如太原市规划 局建立的基础地理信息系统；微机城市总体规划信息系统设计与研究； 以南京为例的城市地籍信息系统的建立与应用；城市信息系统中 h b d s 研究等。 g i s 在行政管理与空间决策分析中的应用。如国务院综合国情地 理信息系统( 简称9 2 0 2 工程) ；张善余等以大中小三个城市的研究为例， 开展了基于g i s 的城市人口地理空间分析等。 灾害评估与预测。如地理信息系统技术及其在煤矿水灾预测中的 应用：长白山火山灾害险情预测与灾情对策信息系统研究：基于g i s 的洪旱灾害遥感信息模型研究；地理信息系统支持下的暴雨滑坡灾害 动态风险评价等。 g i s 在水文与水利中的应用。如黄土高原三川河流域区域治理和 开发信息系统研究；黄土高原( 重点产沙区) 信息系统研究；黄土高原 小流域动态监测信息系统研究；黄土高原区域治理和开发信息系统研 究；黄河三角洲洪水灾情分析信息系统研究等。 此外，g i s 还被用在交通、农业、环境保护、气象气候、地质、 水土保持、生态管理、考古、林业、社会治安、石油、商业与市场分 析、金融与保险、邮递和电信等多个领域。在这些领域中应用的地理 信息系统尽管名称不同，但它们实质上都是与具体部门相结合的地理 信息系统软件。 2 3 空间数据库的组织结构 地理信息系统能否按照要求，实现快速、高效、有序地运转，取 决于其内在的数据运作机制是否健全完善。系统内部数据按与地理信 息的关系可分为两类，即空间数据和属性数据。前者指的是各图元的 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 键属性，如某单位的名称、类型、标志号、经纬度坐标等；后者指的 是各图元的具体属性，如人员信息、统计信息、设备信息、检修情况 等。 对于与地理信息有关的数据，可用m a p x 提供的图形文件储存， 这样便于地理信息与地图对象紧密地结合起来。对于与地理信息无关 的数据，采用关系型数据库s q ls e r v e r 来储存，这样便于数据的共享 使用和维护。此时，两者之间可用数据库中各表的主键字段建立连接。 在对空间数据的实际管理中，数据库储存和管理图层信息，地图信息 在数据库中是不存在的，并且组成地图的各个图层的信息可能分别处 于不同的数据表中。比如，对于浙江省水系数据，实际存在的数据表 可分为河道数据表、水库数据表、港口数据表等。这些数据表分别存 储和管理各自领域的信息数据，而像交通、水系这样的地图数据，在 任何一个数据表中是找不到的，它们是由组成这些地图的不同图层对 应的数据表组合而成的。 综上所述，系统对数据的管理采用混合管理模式，即由文件系统 来管理空间数据，所以在系统运行过程中，不得不借助于临时图层( 即 由坐标生成的项目图层) 来临时储存相应的空间信息，以备交互图层操 作之用。虽然这种处理方式存在数据冗余、检索能力差等缺点，但其 优势也是极明显的： ( 1 ) 空间信息储存在数据库中，如果图层不存在，系统可随时自动 从数据库中读取相应空间信息加以重建； ( 2 ) 这种管理模式也有利于远程数据的传送和访问，有效地保证各 地区之间的信息交换： ( 3 ) 其结构简单，表达能力强大，可以很方便地表示复杂结构，适 用于小型的空间数据库； ( 4 ) 这种混合管理模式对空间信息的存储是透明的，具有平台无关 性，只要选定的平台能提供创建点、线、面对象的功能和相关的图形 操作功能，通过一定的二次开发，就能操作其图形信息。因此有利于 地理信息系统的开发。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章简单介绍了地理信息系统的定义和应用，分析了系统空间信 息数据库的组织结构，确定了各类信息的储存方式。在此基础上，讨 论了系统采用的数据混合管理模式的优缺点。 哈尔滨工程人学硕士学位论文 3 1 引言 第3 章统一建模语言 统一建模语言( u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ，简称u m l ) 是一种 建模语言，是第三代用来为面向对象开发系统的产品进行说明、可视 化和编制文档的方法。它得到了工业界的广泛支持，由o m g 组织 ( o b j e c tm a n a g e m e n tg r o u p ) 采纳作为业界标准。 3 2u m l 的产生和成长 从二十世纪八十年代初期开始，众多的方法学家都在尝试用不同 的方法进行面向对象的分析与设计。有少数几种方法丌始在一些关键 性项目中发挥作用，包括b o o c h 、o m t 、s h l a e r m e l l o r 、o d e l l m a r t i n 、 r d d 和0 b j e c t o r y 。到了二十世纪九十年代中期，出现了第二代面向对 象方法，著名的有b o o c h 9 4 、o m t 的延续以及f u s i o n 等。此时，面向 对象方法已经成为软件分析和设计方法的主流。 由于b o o c h 和0 m t 方法都已经独自成功地发展为世界上主要的面 向对象方法，因此j i mr u m b a u g h 和g r a d yb o o c h 在1 9 9 4 年1 0 月，共 同合作把他们的工作统一起来，到1 9 9 5 年成为“统一方法”版本0 8 。 随后，i v a rj a c o b s o n 加入，并采用他的用例思想，到1 9 9 6 年，成为“统 一建模语言”版本0 9 。1 9 9 7 年1 月，u m l 版本1 0 被提交给o m g 组织，作为软件建模语言标准化的候选。于1 9 9 7 年1 1 月7 日正式被 o m g 采纳作为业界标准。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 ya 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 s o ) 进行国际标准化“1 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 3u m l 的定义与内容 u m l 是一种标准的图形化建模语言，它是面向对象分析与设计的 一种标准表示。它不是一种可视化的程序设计语言，而是一种可视化 的建模语言；不是工具或知识库的规格说明，而是一种建模语言规格 说明，是一种表示的标准；不是过程，也不是方法，但允许任何一种 过程和方法使用它。 3 3 1 u m l 的架构 u m l 是由图和元模型组成的。图是u m l 的语法，而元模型则给 出图的意思，是u m l 的语义。u m l 的语义是定义在一个四层( 或四 个抽象级) 建模概念框架中的，这四层分别是： ( 1 ) 元元模型层，组成u m l 最基本的元素“事物”，代表要定义 的所有事物。 ( 2 ) 元模型层，组成了u m l 的基本元素，包括面向对象和面向组 件的概念。这一层的每个概念都是元元模型中“事物”概念的实例。 ( 3 ) 模型层，组成了u m l 的模型，这一层中的每个概念都是元模 型层中概念的一个实例，这一层的模型通常叫做类模型或类型模型。 ( 4 ) 用户模型层，这层中的所有元素都是u m l 模型的例子，这一 层中的每个概念都是模型层的一个实例，也是元模型层的一个实例。 这一层的模型通常叫做对象模型或实例模型。 3 3 2u m l 的模型、视图、图与系统架构建模 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的架构建模，形成 系统的不同视图，包括： ( 1 ) 用例视图，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图或想定视图。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 2 ) 逻辑视图，展现系统的静态或结构组成及特征，也称为结构模 型视图或静态视图。 ( 3 ) 并发视图，体现了系统的动态或行为特征，也成为行为模型视 图、过程视图、协作视图或动态视图。 ( 4 ) 组件视图，体现了系统实现的结构和行为特征，也称为实现模 型视图或开发视图。 ( 5 ) 展开视图，体现了系统实现环境的结构和行为特征，也成为环 境模型视图或物理视图一，。 在必要的时候，还可以定义其它架构视图。 每一种u m l 的视图都是由一个或多个图组成的，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，可以分成两大类，一 类是静态图，包括用例图、类图、对象图、组件图、配置图；另一类 是动态图，包括序列图、协作图、状态图和活动图。 3 4u m l 与面向对象的软件分析与设计 u m l 是一种建模语言，是一种标准的表示，而不是一种方法。方 法是一种把人的思考和行动结构化的明确方式，方法需要定义软件开 发的步骤，告诉人们做什么，如何做，以及为什么要这么做。而u m l 只定义了一些图以及它们的意义，它的思想是与方法无关。因此，可 以用各种方法来使用u m l ，而无论方法如何变化，它们的基础是u m l 的图，这就是u m l 的最终用途一一为不同领域的用户提供统一的交 流标准n “。 u m l 尽可能地结合了世界范围内面向对象项目的成功经验，因而 它的价值在于它体现了世界上面向对象方法实践的最好经验，并以建 模语言的形式把它们打包，以适应开发大型复杂系统的要求。 在众多成功的软件设计与实现的经验中，最突出的两条，一是注 重系统架构的开发，一是注重过程的迭代和递增性。尽管u m l 本身 没有对过程有任何定义，但u m l 对任何使用它的方法( 或过程) 提 l3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 出的要求是：支持用例驱动、以架构为中心以及递增和迭代地开发。 3 5u m l 的主要特点 标准建模语言u m l 的主要特点可以归结为三点： ( 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 m l 还吸取了面向对象技术领域中其他流派的长处，其中也 包括非o o 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的、多余的和极少使用的符号，也添加了一些 新符号。因此，在u m l 中汇入了面向对象领域中很多人的思想。这 些思想并不是u m l 的开发者们发明的，而是开发者们依据最优秀的 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 在演变过程中还提出了一些新的概念。在u m l 标准中 新加了模板、职责、扩展机制、线程、过程、分布式、并发、模式、 合作、活动图等新概念，并清晰地区分类型、类和实例、细化、接口 和组件等概念。 3 6u m l 在软件开发中的应用 u m l 被用来为系统建模，它可应用的范围非常广泛，可以描述许 多类型的系统。它也可以用在系统开发的不同阶段，从需求规格说明 到对已完成系统的测试。u m l 的应用贯穿在系统开发的五个阶段： ( 1 ) 需求分析。u m l 的用例视图可以表示客户的需求。通过用例 建模，可以对外部的角色以及它们所需要的系统功能建模。角色和用 例是用它们之间的关系、通信建模的，每个用例都指定了客户的需求。 ( 2 ) 分析。分析阶段主要考虑所要解决的问题，可用u m l 的逻辑 视图和动态视图来描述：类图描述系统的静态结构，协作图、状态图、 序列图、活动图和状态图描述系统的动态特征。在分析阶段，只为问 题领域的类建模一一不定义软件系统的解决方案的细节。 ( 3 ) 设计。在设计阶段，把分析阶段的结果扩展成技术解决方案。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 加入新的类来提供技术基础结构一一用户接口，数据库操作等。设计 阶段的结果是构造阶段的详细的规格说明。 ( 4 ) 构造。在构造( 或程序设计阶段) ，把设计阶段的类转换成面 向对象程序设计语言的代码。 ( 5 ) 测试。对系统的测试通常分为单元测试、集成测试、系统测试 和接受测试几个不同级别。不同的测试使用不同的u m l 图作为工作 的基础：单元测试使用类图和类的规格说明，集成测试典型地使用组 件图和协作图，而系统测试使用用例图来确认系统的行为符合这些图 中的定义。 3 7 本章小结 u m l 是一种标准的图形化建模语言，它是面向对象分析与设计的 一种标准表示。它是一种可视化的建模语言，可应用的范围非常广泛。 它可以描述许多类型的系统，也可以用在系统开发的不同阶段。 本章介绍了u m l 的产生与发展，阐述了它的内容和特点，说明 了它在软件开发中的应用。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第4 章煤矿井下安全信息系统的建模方案 4 1 设计目标 井下作业信息繁多，还有一部分是空问信息。由于井下作业的特 殊性，用户要求系统除了具备管理信息系统应有的功能外，还应具备 对地图的各种操作功能。 ( 1 ) 要求系统提供信息管理功能，包括： 人员信息管理； 作业信息管理； 设备信息管理； 瓦斯浓度检测与监控。 ( 2 ) 要求系统提供图形操作功能，包括： 图形绘制； 图形编辑； 图形显示与操作。 在上述功能都实现的基础上，还要求两者能联系起来，在图形的 基础上显示必要的管理信息，在紧急情况发生时，提供救援决策支持 功能。 4 2 系统分析与设计 分析就是描述系统的需求，它的根本目的是在开发者和提出需求 的人( 用户) 之间建立一种理解和沟通的机制。分析的第一步是定义 用例，即描述系统的功能。本文采用u m l 来对系统进行建模。 系统的用户为煤矿的调度人员和各部门主管领导，而井下的工人 哈尔滨工程大学硕士学位论文 和设备等则作为系统的管理对象。 根据用户需求，系统除了具备管理信息系统应有的功能外，还应 具备对地图的各种操作功能。因此，系统由信息管理和图形操作两个 子系统组成，如图4 1 所示。本文也将对两个子系统分别进行建模。 图4 1 煤矿井下安全信息系统包图 图4 1 说明了系统是由两个子系统组成。其中，信息管理子系统 提供井下各类信息的管理功能，包括人员信息、设备信息、作业信息、 瓦斯监测等；图形操作子系统则提供地图的显示、编辑、定位等操作 功能。 系统的总体框架如图4 2 所示，它是由系统管理、生产信息、基 于g i s 的集成平台、外部接口、安全生产管理和救援决策支持等六大 模块组成。其中，生产信息指的是与井下生产作业相关的信息，包括 图形信息、设备信息、作业信息、人员信息及瓦斯检测与监控等。系 统将属性数据和地图数据绑定，从而实现空间数据库和属性数据库的 连接，构成了一个基于g i s 的集成平台。该平台通过对上述生产信息 的采集与处理，可以在平时提供安全生产管理功能，在发生意外时提 供救援决策支持。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图4 2 系统总体框架图 系统的软件结构设计如图4 3 所示。 地图操作子程序 系统主程序，7 系统开发组件库 一一7 f 地图数据 i 绑定于地图 r 1 1 系统属性数据 图4 3 系统软件结构组件图 在图4 3 中，系统软件结构主要由系统主程序、地图操作子程序、 1 8 i 一萱 口 哈尔滨工程大学硕士学位论文 数据查询子程序、地图数据库、系统属性数据库和m a p x 组件库组成。 其中，系统主程序可以调用m a p x 组件库，它包含了地图操作子程序 和数据查询子程序，前者与地图数据库，后者与系统属性数据库相连， 而且两个数据库中的数据还进行了绑定。相应的数据库及数据接口设 计的总体方案如图4 4 所示。 攥铲并下安全与救援地理信息系统 i 意赢i 馘骢睡1 、，、 图形数据管理于系统 _ _ 一1 一i 厂一i -， 围j ；圈：l 匿 i 圈 1 圈 ：图，田，：系 形i形：l 形 l 形 j 形 形! 形j 统 ? 输l编 l 操- l 转 f 杏 提：输；维 入；辑!作1 换l i 询 取 出护 王 型 季霉 属忖_ 数据管理于系统 图4 4 系统的数据库设计及数据接口设计的总体方案 在图4 4 中，系统建立了两个数据库一一空间数据库和属性数据 库。其中，空间数掘库存储图形数据，通过m a p x 组件为图形操作子 系统提供数据接口；属性数据库存储属性数据，通过a d o 或o d b c 为信息管理子系统提供数据接口。 f 表格输出 属性查询统计 数据库操作 属性数据输入 哈尔滨工程大学硕士学位论文 4 3 信息管理子系统的建模方案 本节将从用例的抽取、类的设计和活动的描述三个方面来对信息 管理子系统进行建模。 4 3 1 用例图 根据系统的功能模型，抽取信息管理子系统的用例如图4 5 所示。 ( 、一，) ”一一，j 是。一一綦三谲翼乏型芋理 一 、 作业信息管理? 。惴p 。、一 用户、。i n c i 毒 作业面夏磊线规划 r 一、r 一一 作业面设备分布 设备信息管理、- 、一一、 ，上一、 、 、， 瓦斯浓度检测与监控 设备备件管理 设备随机工具管理 图4 5 信息管理子系统的用例图 在图4 5 中，信息管理子系统主要向用户提供如下功能： ( 1 ) 人员信息管理，包括部门管理和班组管理，具备相应的添加、 2 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 查询、删除、修改等功能； ( 2 ) 作业信息管理，包括作业面开采状态管理、作业面避灾路线规 划和作业面设备分布，具备相关信息采集、避灾路线显示和作业面设 备分布管理功能； ( 3 ) 设备信息管理，包括作业面设备分布、设备备件管理和设备随 机工具管理； ( 4 ) 瓦斯浓度检测与监控功能。 4 3 2 类图 根据用例图中的功能模块，抽取其共同的属性和操作，设计数据 基类如图4 6 所示，各个功能模块中的类均从数据基类继承。 】d a t a f o r m | q l - c o m p o n e n t s ：i c o n t a i n e r | 一b l c a p t i o r l ：l a b e l | p i c t u r e b o x l ：p i c t u r e b o x i - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一j i n e w 0 l l d i s p o s e 0 d o l n i t i a l i z e c o m p o n e n t 0 4 p , o n p a i n t 0 l - s e t c a p t i o n 0 图4 6 数据基类 在图4 6 中，i c o n t a i n e r 类型的属性c o m p o n e n t s 的作用是管理类 中的各个控件；l a b e l 类型的属性l b l c a p t i o n 的作用是显示类的名称： p i c t u r e b o x 类型的属性p i c t u r e b o x l 的作用是显示类的图标；n e w 是类 的构造函数：d i s p o s e 是类的析构函数；操作i n i t i a l i z e c o m p o n e n t 的作 用是初始化属性c o m p o n e n t s ；操作o n p a i n t 的作用是绘制窗体；操作 s e t c a p t i o n 的作用是设置属性l b l c a p t i o n 。 从数据基类继承的各个功能模块的类图如下： ( 1 ) 部门管理类图 部门管理类图如图4 7 所示。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 d a 协f o r m c o m 邮n k ：i o m t a i r _ r i h c a 删：l a 叫 p i c l u 限b 似1 ：p i c t u r e b o x n e 岫 j d i p 明e o d t 咖p 。i m l 0 o n p a j n t o s e t c a 叫0卜 7 j j j 一，f 、i d e d 删d f o m 勺e p t f i n d f o r r n 、 0 4 c o m p o n e n t s ：i c o n t a i n e r t k o m p o m n 协：i c o n t a j n e r $ t x t o e p t n a m et e x t b 似$ t x t d e p t n a m e ：t e x t b o x s t x t d e p t n o ：t e x t b o x$ 4 x t d e p t n o t e x t b o x s t x t d e p t p h o n e t x i b o x o t x t d e p t p h o n e ：t 戡t b o x 艄l e w 0 l b n e 帅 d i s m s e o o l s p o s e ( ) 啊m e e c 。m p o l l e m oi n i t i d i z e c o m p o n e n t 0 l e p t a d d f o m ll o a d 0 4 脚t f i n d f c r m _ l o a d o a c m d a d do i c k o i l p c m d f l r i d _ c l l c k 0 i p c m d c a n c e l q i c k o i p c m d c a n c e l _ c l i c k 0 ，1 。一 d e p t u p d a t e f o _ = e p t d a t ad e p a r t n t b i z 如o r n p o n e n t si c o n t a i n e r 4 d x t d e p t n a m et e x t b o x s t x t d e p t n o ：t e x t b o x 4 d x t d e p t p h o n e ：t e x t b o x 图4 7 部门管理类图 在图4 7 中，类d e p t m a i n f o r m 、d e p t a d d f