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汽车尾气扩散模拟系统研制 硕士研究生：江泓 导师：傅大放教授 学校：东南大学 摘要 根据中华人民共和国环境影响评价法精神，需要更多的人参与到环境影 响评价的工作当中，由于环境影响评价的计算过程过于复杂，现有的计算软件都 具有相当程度的专业性，不利于进一步推广，因此，系统在系统的易操作性及计 算精度上具有可比性。 汽车尾气扩散模拟系统借鉴三层结构的设计理念，将系统分成操作层、计算 层和数据层三个部分方便设计和编程。系统的数据层使用当前疆流行的 m i c r o s o f ts q ls e r v e r 进行管理：计算层基于m a t l a b 二次开发技术的基本原理、 步骤和方法，利用v i s u a lb a s i c 的a c t i v e xa u t o m a t i o n 技术进行开发：操作层则 应用o f f i c e 应用软件最流行的操作界面，使用v i s u a lb a s i c 6 0 进行开发。 汽车尾气扩散模拟系统操作界面采用类似w o r d 的m d i 模式，在用户输入预 测路段相关属性、敏感点及自然环境相关属性等数据后，系统可以根据这些原始 数据计算出环评过程所需要的源强及扩散浓度数据结果，并对扩散过程进行模 拟，并可绘出三维图形。 汽车尾气扩散模拟系统由数据输入、数据修改、计算结果、结果查询、帮助 等功能模块组成，可以在一台计算机上使用，也可以在局域网络的 c s ( c l i e n t s e r v e r ) 模式下运行。具有良好的系统可扩展性。 汽车尾气扩散模拟系统软件采用v i s u a lb a s i c6 0 和s q ls e r 、，e r 进行设计和开 发。 关键词：环境工程；交通工程；汽车尾气；大气扩散；计算机辅助设计 s t u d yo nd i f f u s i o ns i m u l a t es y s t e mo f v e h i c l ee x h a u s t b yj i a n gh o n g a d v i s o r ：p r o f f ud a f a n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h es p i r i to fs p e c i f i c a t i o n sf o re n v i r o n m e n ti m p a c t a s s e s s m e n t o fh i g h w a y , i tn e e d sm o r ep e o p l et ob ei n v o l v e di nt h e e n v i r o n m e n ti m p a c ta s s e s s m e n t t h ep r o c e s so fc o m p u t a t i o ni st o o c o m p l e xt ob ep o p u l a r i z e da n dt h es o f t w a r ei so f t e nt o op r o f e s s i o n a lt ob e u s e db yp e o p l e t h i ss y s t e mh a se a s ym a n e u v e r a b i l i t ya n dc o m p u t a t i o n a l a c c u r a c y t h ed i f m s i o ns i m u l a t es y s t e mo fv e h i c l ee x h a u s ti sd e s i g n e du s i n g c o n c e p to ft h r e e - l a y e rc o n s t r u c t i o n , w h i c hc o n s i s to p e r a t i o nl a y e r , c o m p u t a t i o nl a y e ra n dd a t al a y e r t h ed a t al a y e ri sa d m i n i s t r a t e db y p o p u l a ra n dp r o f e s s i o n a ls o f t w a r e m i c r o s o f ts q ls e r v e r t h e c o m p u t a t i o nl a y e ri sd e v e l o p e db yt h ea c t i v e xa u t o m a t i o nt e c h n o l o g y o fv i s u a lb a s i c6o nt h eb a s i cp r i n c i p l e s a p p r o a c h e sa n dm e t h o d so f m a t l a b 6 5s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t t h eo p e r a t i o nl a y e ri sd e v e l o p e db y v i s u mb a s i c6u s i n gi n t e r f a c eo f o f f i c ea p p l i c a t i o n ss o f t w a r e k e yw o r d s ：e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g ；t r a f f i ce n g i n e e r i n g ；v e h i c l e e x h a u s t ；d i f f u s i o n ；c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 东南大学学健论文独创性声明 本人声明所量交的学位论文是我个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，除了文中特别加嚏拆注和致溅的地方外，论文中不包含 其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书面使用过的材料。与我面工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：亡塑 日 期：龟竺型君t 俏 0 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国辩学技术信崽研究所、鞠家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以袋用影印、缩印或其她复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被套阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全韶或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南丈学研究生院办理。 研究生签名：f 三翌!导师签名；! i 。毽期：m 忙p r 第一章总论 1 1 引言 随着我国改革开放与经济建设的脚步不断前进，公路交通事业的不断发展，公路作为基 本的基础交通设施已伸展到国家的各个角落，汽车作为主要的交通方式连接着国家的每个部 分。随着汽车数量的不断增加，汽车排出的尾气逐渐成为空气污染的重要形式之一，尾气中 的c o x 、n o 。、碳氢化合物、有害的重金属离子及其他各种有害物质给人们的生活和身心健 康带来极大影响。随着国家对环境保护的重视，在公路建设项目中，环境空气影响评价也已 经有着越来越重要的地位。 目前我国主要应用中华人民共和国行业标准公路建设项目环境影响评价规范( 试行) j t j 0 0 5 9 6 对汽车专用公路及其他有特殊意义公路的新建、改建项目的环境影响进行评价， 目前影响评价的范围主要包括社会环境影响评述、生态环境影响评价、环境空气影响评价、 环境噪声影响评价等四个部分。 环境空气影响评价主要是依据建设规模、污染特征、环境条件、保护对象的环境功能要 求以及当地环境质量现状等因素对一氧化碳( c 0 ) 、二氧化氮( n 0 2 ) 、总烃o n q c ) 和总悬浮颗 粒( t s p ) 等评价因子按照环境空气质量标准( g b 3 0 9 5 1 9 9 6 ) 进行评价，按照预测交通量和 设计车速对污染物源强、车辆排放污染物扩散浓度进行计算。计算过程比较复杂和繁琐，适 宜通过计算机进行模拟计算。 2 0 0 2 年1 0 月2 8 日第9 届全国人民代表大会常务委员会第3 0 次会议通过的中华人民 共和国环境影响评价法第五条中明确鼓励有关单位、专家和公众以适当方式参与环境影响 评价当中。而在本项目中通过交互性强的计算机模拟计算，我们可以大大降低环境空气影 响评价的计算强度。并通过将专业的计算过程黑匣子化降低计算的专业程度，这不但可以提 高工作效率，还可以让非专业人士很容易地参与到环境影响评价工作当中，提高环境影响评 价的公众参与程度，而这正是环境影响评价工作急需努力的方向。 中华人民共和国环境影响评价法提出，在“对规划和建设项目实施后可能造成的环 境影响进行分析、预测和评估”，还必须能够进行“跟踪监测”，而数据记录和历史追溯功能 也正是现有的计算功能软件所欠缺的，而如采用交互式数据库软件实现环境影响评价的计算 过程，对于以上的问题都可以很容易的解决，而且也能极大降低计算强度和操作的专业程度。 中华人民共和国环境影响评价法中还规定“国务院保护行政主管部门应当会同国务 院有关部门，组织建立和完善环境影响评价的基础数据库和评价指标体系”。设计开发本数 据库软件系统也能够成为建立公路交通影响评价基础数据库的数据来源。 1 2 课题概况 由于环境影响评价中对空气影响评价部分的计算过于复杂和繁琐，国内相关机构在进行 公路建设项目环境影响评价活动中大多将其进行弱化处理或者甚至将其忽略，但由于具有计 算机化的可行性，目前国内有儿家研究所进行了这方面的尝试工作，并能够进行公路交通汽 车尾气扩散污染物扩散浓度的计算工作，例如上海船舶运输科学研究所、北京公路科学研究 所、南京大学等都具有自己的计算软件对汽车尾气扩散浓度进行计算，但这些软件大部分都 需要由专业人士进行操作和计算。专业性比较强，不具有推广性。而且目前的计算还仅局限 于具有特殊风向角角度( 如9 0 0 和0 。) 的路段，不具有普适性。另外计算系统的功能仅限于数 据运算，并没有一个标准的数据库格式对相关数据进行存储，这也导致日后的工作效率降低 及数据的可追溯性比较差。这都不能满足环评法的要求。 汽车尾气扩散过程的计算公式十分复杂，通过手工计算强度过大，且不能保证计算结果 的准确性与可用性，而由于当前大多数针对汽车尾气扩散浓度计算的软件自身的毛病，目前 许多环境影响评价工作对于汽车尾气扩散浓度方面的计算即有关大气影响的数据大多采取 类比法得出，即借鉴地理环境类似、车流量状况和车种组成比较相近的已建成公路作为参照 物使用已营运的高速公路实地监测数据作为公路环境影响评价的预测结果，这种方法得出 的数据具有一定可借鉴性，而且方便快捷，但由于不同的公路所处环境不可能完全一样，而 且在许多的关键数据上两条公路也不可能达成一致，这样，势必要对实测数据进行一定修正， 而如何对两条公路的相关数据进行修正及处理，目前还没有一个合适的方法能够处理，完全 凭借经验，随之而来的问题就是数据将如何能够取信，这也将成为这种方法的关键问题所在， 这在一定程度上影响了预测数据的有效性及可说服性，因此，使用类比法也不能达到令入满 意的准确预测的效果。 在公路建设项目环境影响评价规范( 试行) j t j 0 0 5 9 6 中推荐的高斯扩散模式公式经 过长期的实践证明是具有一定可行性和准确性的公式因此如果要得到能够被认可和让人满 意的有说服力的数据，还是要使用规范推荐的公式进行计算得出结果。 1 3 汽车尾气扩散模拟系统开发目的及意义 综上所述，由于高速公路环境影响评价工作的必要性和计算工作的重要性，我们需要有 合适的计算软件应用到实际工作当中，但目前使用中的计算软件系统具有这样或者那样的问 题，因此有必要开发出一套新的计算软件满足当前的需求并能够很方便地推广使用，使 更多的非专业人士能够更方便地投入到环境评价工作当中。 2 目前使用中的软件系统的局限及软件应具有的性能要求列表如下 项目现有的软件新软件 易用性由专业人士操作。非专业人士需要进行专具有w i n d o w s 软件操作基础的非专业 业方面和使用方面的培训才能够操作 人士应该能够很容易上手操作 兼容性应能够兼容目前比较流行的操作系统。并对硬件要求不高。 追溯性局限于计算，没有强大的关系型数据库系 需要既能保证正确的数据计算功能，也 统对数据进行存储及管理要能对计算过程中的数据和计算结果 进行保存 准确性使用各种公式，数据的准确性没有标准使用公路建设项目环境影响评价规范 ( 试行) 推荐的高斯扩散公式 求。 因此，鉴于以上要求，我们需要开发出一套新的有数据库支持的计算软件来满足这些要 1 4 本课题的主要内容 本次设计内容主要就是针对在高速公路环境评价项目中，根据公路建设项目环境影响 评价规范( 试行) 中推荐的高斯扩散模式公式来对汽车对高速公路环境造成的大气污染进行 计算，利用计算机强大的计算功能建立相应计算模型和模拟过程进行运算和处理，以减轻在 高速公路环境评价过程中这一部分计算的工作量，可增加效率并降低工作强度。 主要包括软件系统的设计、各个部分的编程和程序的调试运行三个方面。设计方面的内 容包括数据库设计、使用界面设计和中间计算功能设计三个部分，按照系统功能的需求从这 三个方面分别进行设计，并兼顾三个部分的要求，整合起来完成整个系统的功能。文章内容 包括软件的用例、行动、数据流、数据库对象之间的关系图、系统计算流程图和公式等系统 设计文档，并例以一部分数据库源程序。编程方面主要是提供软件的使用界面及说明，调试 运行就举例了已经具有实测数据的宁沪高速公路南京段来检验程序的准确性，并使用无锡环 太湖公路工程硕放互通新安互通段和南泉互通五里湖互通段的敏感点的相关数据对软件 的模拟功能进行测试，确保软件计算数据的正确性和易用性。 本软件主要可以完成对污染物源强和污染物扩散浓度的计算，其他相应的功能有：建立 可存储高速公路路段状况、敏感点状况数据的数据库结构，对高速公路汽车尾气的扩散浓度 可进行计算和模拟绘图等工作。在储存公路路段预测流量等有关数据及当地敏感点的自然状 况数据之后，本汽车尾气扩散模拟系统可以方便、迅速地对汽车尾气在环境中扩散而造成的 c o 、碳氢化合物、n 0 2 等污染物浓度进行计算，得出比较精确的数据并可根据此计算数据 做出被计算路段的三维扩散模拟图。 第二章系统软件开发工具选择 系统在建立之初需要确定建立系统所使用的工具和系统方法，选择一个好的工具对于一 个系统的建立是十分重要的，而设计软件的系统方法的确立对于系统软件的编程、调试运行、 后期维护和升级等则是事半功倍的工作和根本。 本章主要是确定系统的设计方法和设计开发过程中所使用到的工具。 2 1 软件设计方法的确立 对于一个大型应用软件，应按系统工程的观点、思想、方法进行设计，通过分析，将一 个大型的系统分解成若干个子系统，每个子系统划分若干个模块，系统、子系统、每个模块 均精确说明其功能及上下左右之间的接口关系，然后通过编程、调试、运行与校验等步骤完 成整个应用软件系统的设计工作下面是应用软件设计的一般方法： 2 1 1 自顶向下的系统结构 这种方式是将复杂系统进行分解；由高度抽象到逐步具体的方法，形成树形结构，每一 层都设计成为独立的模块，这一模块调用它下一层的模块，是逐层分解的方式，也称为层次 结构或线性结构。每个层次的项目都是它上一层的子项目。这种结构简单明了，各层次间联 络少，可靠性强，便于修改。 2 1 2 逐步细化设计方法 这种方法是将人物分成若干个子任务，每个任务对应一个程序，一个子程序又可递归地 使用上述过程。这样，只要保证最小子程序是正确的，则逐级装配起来以后也能正确。 逐步细化设计方法划分模块通常应遵循下面的原则： ( 1 ) 每一子程序功能单一，相对独立。每一子程序可以独立地被理解、编写、测试、调 试和修改。这样使得研制工作简化，有利于子程序的相对独立性，也能有效防止错误在子 程序之间扩散蔓延，提高系统的可靠性。 ( 2 ) 子程序间联系小，子程序内联系大。通常子程序之间的联系有三个方面，一是子 程序间联系方式有数据的之间联系方式，也有一个子程序调用另个子程序的方式；二是子 程序间公用的是什么信息；三是子程序间共用信息的数量，共用信息的数量越多，则相互联 系越大。 4 逐步细化设计中，越靠近底层的软件，它的功能就越单一，通用性也就越好，而越靠近 顶层的软件部分，它的功能就越复杂通用性也就越差。 2 1 3 模块化设计方法 模块化的设计方法在大型软件的编制中所起的作用，甚至比逐步化设计思想更重要，更 有效，也越来越受到青睐。在编制系统软件过程中，深深体会到其重要性。 ( 1 ) 模块概念 模块是指数据以及作用于数据的子程序的集合，这些子程序间往往有公共数据。如c 语言中的一个源文件就是一个模块。模块的内部结构如图2 1 所示。 图2 1模块内部结构图 ( 2 ) 模块化设计目标 模块化设计的目标是使每个模块都称为黑匣子，你只要知道进入黑匣子和从黑匣子里出 来的是什么，而不用知道黑匣子内部的结构。它的接口非常简单，功能十分明确，对任何一 个特定的输入，你都可以精确地预测它的输出结果，但使用单独的一个子程序往往很难达到 这一目的。这就是引入模块的原因。一组子程序常常要使用一套公用的数据，在这种情况下， 它们的接口也相对复杂，但是。作为一个整体，这组子程序则完全有可能为程序的其他部分 提供一个简单的接口，也完全有可能达到高度模块化这一目标，它提供一整套组合而不是单 独的一个功能。 ( 3 ) 模块内聚性 模块内聚性准则十分简单，一个模块应提供一组相互联系的服务，模块中的每个子程序 都是为提供这组功能而服务的，也都是围绕着这一组功能来组织的，尽管从模块外可能根 本看不出它的存在，比如一个进行驾驶控制模拟的模块，其中含有描述汽车目前的控制设置 和目前速度的数据，它提供像设定速度、刹车等功能，在其内部可能还有附加的子程序和数 据来支持这些功能，但是模块外的程序则不需要对它们有深入地了解。 ( 4 ) 模块耦合 模块应被设计成可以提供整套功能，以便它的调用者可以各取所需，程序的其他部分 与它的相互作用完全是通过规定的公用接口进行的，如果模块所提供的功能是不完善的，模 块外的其他部分可能被迫对模块内部数据进行读写操作，这就打开了黑匣子的盖，而实际破 坏了模块化。 ( 5 ) 信息隐蔽 信息隐蔽的思想贯穿了软件设计的每一个层次，往往在模块这一层次得到最充分的实 现，每一个模块的最大特点就是通过设计和实现，是它对其他模块保密，这个秘密或许是“可 能被改动的区域”、“某个文件的格式”、“一个数据结构的实现方式”，或者是“一个需要与 模块外其他部分隔离开来以便其中的错误产生的危害最小的区域”。模块的作用是将自己 的信息隐蔽起来以保卫自己的隐私权。在设计模块时，一项重要的任务是决定哪些特性应该 对模块外部公开，哪些应作为秘密隐藏起来，一个模块中可能使用9 个子程序，而只暴露出 其中的1 个。其余8 个都只在内部使用。 ( 6 ) 模块数据 从模块数据是被几个予程序公用这一角度来说，它与全局数据类似，但是从可以使用它 的子程序数量有限且可清楚地知道哪些子程序使用它这一角度来说，模块化数据与全局数据 又是不同的，因此，使用模块数据不会有全局数据的危险。 因此，鉴于模块化设计方法的种种优点，本系统在设计中借鉴模块化设计方法的理念， 将对数据库的连接、查询、更新、删除等操作及对于数据的计算过程模块化开发，并借鉴三 层结构的思想进行系统的设计和开发过程。 三层结构是目前比较先进的程序设计方法，它的基本思想是将用户界面、程序逻辑和数 据层分开，把系统按照功能分层，分别放在相同或者不同的硬件平台上。因此，具有如下优 点： 用户界面的改变同企业逻辑的改变相互隔离，互不影响，便于系统的修改与维护大 大增强了系统的灵活性，这对软件开发者以及用户都有好处。 系统可以把关键性的逻辑放在服务器上进行集中管理，而不需要放在每台客户机上。 对企业敏感数据的访问也可通过应用服务器来进行，而不是由客户机直接进行存取。这就增 加了系统的安全性。 客户机可共享应用服务器提供的数据和功能等技术资源，有利于提高系统的性能和开 发效率。 三层结构实际上也是目前w e b 应用采用的体系结构，它允许把全部的企业逻辑和业 务处理放在应用服务器上，可以方便地向w e b 应用等方向拓展。 6 2 2 数据库管理系统的比较和选择 汽车尾气扩散模拟系统投入运行后，将会有大量而复杂的计算过程数据和现实数据需要 存储到数据库中，因此，选择和建立好合适的数据库系统十分重要。 数据库系统( d g c as y s t e m ) 由数据库( d a t a b a s e ) 和数据库管理系统( d a 诅b a s em a n a g e m e n t s y s t e m ，简称d b m s ) 组成。 数据库系统类型介绍 数据库可分为多种类型，就数据库中数据的存储结构来看，较常见的有结构型，网络型， 关系型，以及面向对象型等四种。 ( 1 ) 结构型数据库( h i e r a r c h i c a ld a t a b a s e ) 结构型数据库采用树状结构，将数据分门别类存储在不同的层次之下。此类型的优点是 数据结构类似于金字塔，不同屡次间的数据关联性直接且简单，缺点则是因为数据为缀向发 展，横向关联难以建立，所以数据可能会重复出现，造成管理维护上的不便。 ( 2 ) 网络型数据库( n e t w o r kd a t a b a s e ) 网络型数据库是将每条记录当成一个节点，节点与节点之间可以建立关联( 也就是建立 记录与记录之间的关联，形成一个复杂的网状架构) 。优点是避免了数据的重复，缺点是数 据的关联性比较复杂，尤其是当数据库的内容愈来愈多的时候，关联性的维护将会变得非常 麻烦。 ( 3 ) 关系型数据库( r e l a t i o n a ld a t a b a s e ) 关系型数据库是将数据分类存储在多个二维表格中，这些表格统称为数据表( t a b l e ) ，然 后再利用数据表与数据表之间的关联来查询相关的数据，其优点是每个数据表可以单独运 作，进行数据的增加、修改和删除，而不会影响到其他的数据表；查询时。亦可根据各数据 表之间的关联性，从多个数据表中取出相关信息。 ( 4 ) 面向对象型数据库( o b j e c t o r i e n t e dd a t a b a s e ) 面向对象型数据库是比较新的一种数据库架构，它是以面向对象的方式来设计数据库， 其中包含了对象的属性、方法、类别和继承等特性。 几种关系型数据库的介绍 数据库管理系统是管理数据库的软件系统，负责数据库的建立、数据存取、权限设定、 数据备份、操作的监督和记录等等。关系型数据库管理系统自七十年代美国e e c o d d 的关 系模型发展成应用广泛的数据库管理系统。八十年代d b a s e 等适合p c 机运行的关系型数据 库管理系统的推出，很快在计算机系统中j 。泛应用：八十年代后期、九十年代初，d b a s e 关 系型数据库管理系统随着p c 计算机内存的扩大而有很大发展，在d b a s e l v ( d b a s e i l lp l u s1 系统增加使用权限登陆、保密系统、记录锁定、解锁等多用户操作命令。九十年代以来， f o x b a s e 和f o x b a s e p l u s 以运行速度快的优点得到广泛应用。以后又纷纷出现了d b 2 、o r a c l e 和s q ls e r v e r 等目前的主流关系型数据库，下面对这些目前的主流数据库进行介绍。 d b 2 是i b m 公司的数据库管理系统，它支持从p c 到u n i x ，从小型机到大型机，从 i b m 到非i b m 平台的多种机型，它既可以在主机上以主从方式独立运行，也可咀在客户 服务器环境中运行。它具有以下特色： ( 1 ) 具有业务管理、数据完整性校验、数据恢复、系统保安等功能； ( 2 ) 支持面向对象编程，利用数据库的函数库来进行灵活的功能扩展； ( 3 ) 支持多媒体应用程序，其中= 进制对象可用来存储多媒体对象： “) 支持存储过程、触发器： ( 5 ) 支持递归查询、异构分布式数据库访问、数据各份。 o r a c l e 是一个具有分布处理功能的大型关系型数据库系统，它具有以f 特性： ( 1 ) 兼用性 兼用性涉及数据库语言的标准化与对其他d b m s 的数据访问能力。采用国际标准s q l 。 并且经过美国国家标准技术所测试，与i b ms q l i ) s ，d b 2 ，i n g r e s 。i d m s r 等d b m s 兼容。所以用户开发的应用软件可以在基于其他的数据库上运行。 ( 2 ) 可移植性 具有很宽范围的硬件与操作系统平台。它可以安装在7 0 种以上不同机型的大、中、小 型机、工作站与微机上。可在v m s ，d o s ，u n i x ，w i n d o w s 等多种操作系统上运行。 ( 3 ) 可联结性 由于在各种机型上使用相同的软件，使得联网更加容易。能与多种通信网络接口，支持 各种标准网络协议t c p i p d e c n e t ，l u 6 2 ，x 2 5 等。提供在多种应用软件和数据库中进 行分布处理的能力：并能通过某些o r a c l e 工具上建立的o r a c l e 应用连接到非o r a c l ed b m s l o s q ls e r v e r 是微软公司推出的主力中型关系型数据库，它的特点有： ( 1 ) 能进行大规模联机事务处理( o l t p ) ，并可作为数据仓库和电子商务应用程序的数据 平台： ( 2 ) 增强了数据引擎。降低了检索开销，增加对x m l 、h 1 v r p 的支持，以及对w e b 应用、 电子商务数据仓库应用的优化： ( 3 ) 作为中端数据库系统，及m i c r o s o f t 家族软件，具有与操作系统整合照好，性价比较 高的优良特性。 综合以上内容，由于本系统数据库需要存储大量的敏感点环境、路段属性数据及各种计 算过程和计算结果数据。并出于系统设计和开发的要求及方便性，我们这次系统使用的数据 库及管理工具为m s s q ls e r v e r 关系型数据库，虽然关系型数据库中的o r a c l e 和d b 2 作为 8 大型数据库在功能和要求上也能满足本次设计的需要，但它们作为高端数据库，对于设备、 平台、维护人员的要求都比较高，使用复杂，价格往往也比较昂贵，相比之下，走中端路线 的s q ls e r v e r 具有良好的性价比，因此本项目采用s q ls e r v e r 数据库作为底层数据库管理 系统。 2 3 系统设计标准建模语言的选择 计算机学科软件工程面向对象的分析与设计( o o a & d ) 方法的发展在8 0 年代末至9 0 年 代中出现了一个高潮，u m l 是这个高潮的产物。它不仅统一了b o o c h 、r u m b a u g h 和j a c o b s o n 的表示方法，而且对其作了进一步的发展。并最终统一为大众所接受的标准建模语言。 2 3 1 标准建模语言u m l 的出现 公认的面向对象建模语言出现于7 0 年代中期。从1 9 8 9 年到1 9 9 4 年，其数量从不到十种 增加到了五十多神。在众多的建模语言中，语言的创造者努力推崇自己的产品，并在实践中不 断完善。但是，o o 方法的用户并不了解不同建模语言的优缺点及相互之间的差异，因而很难 根据应用特点选择合适的建模语言，于是爆发了一场”方法大战”。9 0 年代中，一批新方法出现 了，其中最引人注目的是b o o c h l 9 9 3 、o o s e 和o m t - 2 等。 b o o c h 是面向对象方法最早的倡导者之一，他提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 的工作扩展到整个面向对象设计领域。b o o t h1 9 9 3 比较适合于系统的设 计和构造。r u m b a u g h 等人提出了面向对象的建模技术( o m t ) 方法，采用了面向对象的概念， 并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， 共同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、设计和实现的全 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 特别适用于 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 ) ，并在用例的描述中引入了外部角色的概念。用例的概念是精确描述需求 的重要武器，但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 比较适合支持商 业工程和需求分析。此外，还有c o a d y o u r d o n 方法，即著名的o o a o o 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、易学活合于面向对象技术的初学者使用，但由于该方 法在处理能力方面的局限，目前己很少使用。 概括起来，首先，面对众多的建模语言，用户由于没有能力区别不同语言之间的差别，因此 很难找到一种比较适合其应用特点的语言其次，众多的建模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差别，极大地妨碍了用户之间的交流。因此在 客观上，极有必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，根据应用需求，取其精华，去其糟粕，求同存异，统一建模语言。 1 9 9 4 年l o 月，g r a d ) , b e o c h 和j i mr u m b a u g h 开始致力于这一工作。他们首先将b o o c h 9 3 和o m t - 2 统一起来，并于1 9 9 5 年l o 月发布了第一个公开版本，称之为统一方法u mo 8 0 j n 9 公 众 反 馈 i t i e dm e t h o d ) 。1 9 9 5 年秋，o o s e 的创始人i v a rj a c o b s o n 加盟到这工作。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，于1 9 9 6 年6 月和l o 月分别发布了两个新的版本，即 u m l 0 9 和u m l o 9 1 ，并将u v l 重新命名为u m l ( u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ) 。1 9 9 6 年，一些 机构将u m l 作为其商业策略已日趋明显。u m l 的开发者得到了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 c o r p 、i b m 、i c o n c o m p u t i n g 、m c i s y s t e m h o u s e 、m i c r o s 馥、o r a c l e 、r a t i o n a l s o f t w a r e 、t i 以及u n i s y s 。这一机构对u m l1 0 ( 1 9 9 7 年1 月) 及u m l1 1 ( 1 9 9 7 年1 1 月1 7 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、易于表达、功能强大且普遍适用的建模语言。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。 9 7 1 1 1 7u m l i 1 被o m g 接纳为标准 9 7 9 公布 9 7 1 公布 7 u m l l 0 7 9 6 6 和9 6 1 0 u m l 0 ，9 & 0 9 1合作伙伴意见 o o 其他方法b o o c h 9 1o m t - 1o o s e 图2 2 u m l 的发展历程 面向对象技术和u m l 的发展过程可用图2 2u m l 的发展历程来表示。标准建模语言的 出现是其重要成果。在美国，截止1 9 9 6 年1 0 月，u m l 获得了工业界、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 年底，u m l 已稳占面向对象 技术市场的8 5 ，成为可视化建模语言事实上的工业标准。1 9 9 7 年1 1 月1 7 日，o m g 采纳u m l 1 1 作为基r 面向对象技术的标准建模语言。u m l 代表了面向对象方法的软件开发技术的发 1 0 展方向，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 3 2 标准建模语言u m l 的内容 首先，u m l 融合了b o o c h 、o m t 和o o s e 方法中的基本概念，而且这些基本概念与其他 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他方法的使用者 乐于采用的一种简单一致的建模语言；其次，u m l 不仅仅是上述方法的简单汇合，而是在这些 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 扩展了现有方法的应用范 围；第三，u m l 是标准的建模语言，而不是标准的开发过程。尽管u m l 的应用必然以系统的开 发过程为背景，但由于不同的组织和不同的应用领域，需要采取不同的开发过程。 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。 ( a ) 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 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。 伯) u m l 表示法定义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。 标准建模语言u m l 的重要内容可以由下列五类图( 共9 种图形) 来定义： 第一类是用例图，从用户角度描述系统功能，并指出各功能的操作者。 第二类是静态i 虱( s t a t i cd i a g r a m ) ，包括类图、对象图和包图。其中类图描述系统中类的静 态结构。不仅定义系统中的类，表示类之间的联系如关联、依赖、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，在系统的整个生命周期都是有效的。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显示类的多个 对象实例，而不是实际的类。一个对象图是类图的一个实例。由于对象存在生命周期，因此对 象图只能在系统某一时间段存在。包由包或类组成，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 ) ，描述系统的动态模型和组成对象问的交互关系。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件。通常，状态图是对 类图的补充。在实用上并不需要为所有的类画状态图，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。而活动图描述满足用例要求所要进行的活动以及活动 间的约束关系，有利于识别并行活动。 第四类是交互图( i n t e r a c t i v e d i a g r a m ) ，描述对象间的交互关系。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，同时显示对象之间的交互；合作图描述对 象间的协作关系，合作图跟顺序图相似，显示对象间的动态合作关系。除显示信息交换外，合作 图还显示对象以及它们之间的关系。如果强调时间和顺序，则使用顺序圈；如果强调上下级关 系，则选择合作图。这两种图合称为交互图。 第五类是实现图( 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的物理结构及各 部件之间的依赖关系。一个部件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。部件图有助于分析和理解部件之间的相互影响程度。 配蓬图定义系统中软硬件的物理体系结构。它可以显示实际的计算机和设备( 用节点表 示) 以及它们之间的连接关系，也可显示连接的类型及部件之间的依赖性。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的，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1 i ，的静态建模机制。其中第三步中所建立的模型或者可以执行，或者表示 执行时的时序状态或交互关系。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 的动态建模机制。因此，标准建模语言u m l 的主要内容也可以归纳为静态 建模机制和动态建模机制两大类。 2 3 3 标准建模语言u 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： 陋) 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。 ( b ) 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 的开发者们芨明的，而是开发者们依据最优秀的0 0 方法和丰富的计算机科学 实践经验综合提炼而成的。 ( c ) 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( s t e r e o t y p e s ) 、 职责( r e s p o n s i b i l i t i e s ) 、扩展机制( e x t e n s i b i l i t ym 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 ) 、 分布式( d i s t r i b u t i o n ) 、并发( 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 yd i a g r a m ) 等新概念，并清晰地区分类型( t y p e ) 、类( c l a s s ) 和实例( i n s t a n c e ) 、细化 ( r e f i n e m e n t ) 、接u ( 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，l v i l 是一种先进实用的标准建模语言，但其中某些概念尚待实践来验 证，u m l 也必然存在一个进化过程。 因此，在本次系统设计的过程中，使用到了u i v l l 语言建立系统相应的模型，具体内容 将在第3 章中详述。、 2 4 汽车尾气扩散模拟系统的技术路线 公路汽车尾气扩散模拟系统程序主体程序在w i n d o w s x p 操作系统上使用m i c r o s o f t v i s u a l b a s i c 6 0 开发工具开发的，数据库平台采用m i c r o s o f ts q ls e r v e r 系统进行管理，系统 的结构借鉴三层结构的思想进行设计，因此引入中间计算层的概念，并利用m a t l a b 6 5 的计 算功能和与v b 的编程接口进行开发工作。 本系统从结构上分成三个部分，应用层、计算层和数据层。首先，系统的赘体设计通过 使用u m l 语言对系统进行建模工作，建立用例n ( u s ec a s ed i a g r a m ) 、行为 ( a c t i v i t y d i a g r a m ) ，对整个系统的用户对象和功能进行定义，根据目前高速公路环评工作的流程( 图 2 3 ) 确定系统的需求，再根据确定的系统需求对数据进行定义，建立数据字典，根据数据字 典对系统数据的定义进行数据库的设计和开发工作并建立数据库表格对象及其关系图。数 据库的设计完成以后，分别对计算层进行设计和编程调试工作，同时进行系统使用界面和前 台的设计和开发工作，在整个系统的设计和开发过程中，对系统中使用到的功能进行抽象化， 照顾到系统的通用型。 w i n d o w s x p 是一个多任务操作系统，在同一时间段内，c p u 可以执行多个进程。由系 统本身及用户操作产生的信息驱动c p u 给每一个进程分配占用时间。而进程又是由操作 系统运行的最小单位线程组成。一个进程可以拥有一个或多个线程，对于一个具体的进程 来说，若只采用一个线程，则如果既需要处理用户的操作信息，又要不间断地处理其他事物， 就将不可避免地产生冲突。本系统在对扩散过程进行模拟的过程中利用了系统的这一特性。 基于以上的选择和考虑，我们这次系统开发选用的软硬件环境为： 硬件：赛扬8 0 0 ，2 5 6 m 内存 软件：w i n x p , m sv b 6 0 m ss q ls e r v e r 2 0 0 0 图2 3高速公路环评工作流程 4 第三章系统的设计过程和设计理念 公路汽车尾气扩散模拟系统是一个多功能、多模块集成的信