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用u m l 分析和设计民航雷达管制席子系统 计算机应用技术专业 研究生钟家敏指导教师游志胜 近年来我国民用航空运输业高速发展，仅仅依靠进口国外昂贵的民航空中 交通管制系统已经不能满足我国民用航空发展的多方面需要：另一方面，出于 安全性考虑，在应对突发事件而需要紧急启用另一套独立空管系统时，需要有 相应的空管应急系统。因此开发其有自主产权的民航空管系统已迫在眉睫。面 临着空管系统软件规模的不断增大，复杂性的不断提高，软硬件平台的不断更 新换代的情况下，传统的结构化软件设计方法和模式已经不能适应当前空管系 统软件开发的需要。因而使用面向对象的方法来解决这些问题是值得研究的课 题。 本文基于民航空中交通管制系统的研发工作，讨论了使用统一建模语言 ( u m l ) 对雷达管制席子系统进行分析与设计。本文的主要内容分为以下几部分： 第一、系统研制的背景、目的、意义和系统构成特点等。 第二、分析整个机场管制中心系统的总体设计原则。在此基础上，提出 了不改变空管系统物理布局的情况下，对功能相对独立的各子系统使用面向对 象方法进行分析设计的设计原则。确保能充分利用遗留系统的软硬件设施，封 装并重用成熟的、经过实践检验的空管系统的核心算法。 第三、确定分析设计过程中使用的面向对象方法和标记语言。在分析和比 较了几种典型的面向对象分析设计方法的基础上，确定使用综合了各种面向对 象先进思想的统一过程方法，并确定用与统一过程方法相配套同时被业界广泛 认可的统一建模语言( u m l ) 来实现分析与设计。 箱四、确定雷达管制席子系统的软件体系结构。在分析了雷达管制席子系 统的基本功能和典型用例后，确定了雷达管制席子系统的基于对象行为型模式 的软件体系结构，从而为雷达管制席子系统的详细分析设计确定了总体框架， 也保证了雷达管制席子系统的可扩展性。 第五、详细介绍了在统一过程方法的指导下，用u m l 来实现雷达管制席子 系统几个重要模块的分析设计过程。通过用例模型、分析模型、设计模型从三 个不同的抽象层次和视角体现了整个分析设计过程，保证了整个过程良好的可 跟踪性。在分析设计过程中，充分考虑到了对可重用的类和包的提取，同时采 用o b s e r v e r ( 观察者) 模式，使数据显示和人机接口与数据处理分离，保证了 软件的可重用性和可移植性。 第六、雷达管制席子系统数据显示通用界面的设计。考虑到可移植性和 开发成本，我们采用了o s f ( o p e ns o f t w a r ef o u n d a t i o n ) 的m o t i f 作为图形界面 的开发工具。用c + + 语言对m o t i f 提供的最基本的对象元进行封装，然后继承 或组合出实用的类，构造出了通用的空管系统人机接口界面。 以上各部分的工作被实践证明了是面向对象方法在空管系统开发中应用的 一次成功，确保了空管系统的可重用性、可扩展性及可移植性。 关键词：空中交通管制，地理信息，封装，设计模式，统一建模语言 a n a l y z e a n d d e s i g n c i v i lr a d a rc o n t r o lw o r k s t a t i o n s u b s y s t e m w i t hu m l m a j o r ：a p p l i e dc o m p u t e r g r a d u a t e ：z h o n g j i a m i na d v i s o r ：y o u z h i s h e n g i nr e c e n ty e a r s ，t 1 1t h ei n c r e a s i n go fa i rt r a f f i c ，i td o e s f f tm e e tt h er e q u i r e m e n t o fc i v i la i r t r a n s p o r to n l yb yi m p o r t i n gf o r e i g nc i v i la t c ( a i rt 】r 娟cc o n t r 0 1 ) p r o d u c t sa n ym o r e o nt h eo t h e rw a y , w en e e dt ou s eai n d e p e n d e n ta t cs y s t e m s f o rd e a l i n gw i t l le m e r g e n c ye v e n t s c o n s i d e r i n gs a f e t y s oae m e r g e n c yc i v i la t c s y s t e m sw i t hh i 曲f u n c t i o n a l i t ya n dr e l i a b i l i t ya r ei m m i n e n t l yr e q u i r e d b u tt h es i z e a n dc o m p l e x i t yo fa t c s y s t e m sa r ei n c r e a s i n gc o n s t a n t l y , t h et r a d i t i o n a lm e t h o d s ， s u c ha ss t r u c t u r em e t h o d ，a r ea t ) l o n g e rf i tf o rt h es o f t w a r e d e v e l o p m e n tp r o c e s s i n t h i st h e s i s ，w ei n t r o d u c e dt h ea p p l i c a t i o nr e s e a r c ho f o n e c t o r i e n t e dm e t h o di na i r t r a f f i cc o n t r o ls y s t e mt os o l v et h ea b o v e p r o b l e m s m s p a p e r s ，w h i c h i sb a s e do nr e s e a r c ho f t h ec i v i la t c s y s t e m ，d i s c u s sh o w t o u s et h eu m l ( u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ) t oa n a l y s ea n dd e s i g nt h er a d a r c o n t r o lw o r k s t a t i o n s u b s y s t e m w er e l a t e di ti nt h ef o l l o w i n g6p o i n t s ： f i r s t l y , t oi n t r o d u c et h eb a c k g r o u n d ，i n t e n t i o n ，m e a n i n go f r e s e a r c hs y s t e m ，a n d t h es t r u c t u r eo f s y s t e m s e c o n d l y , w e d e f i n eg u i d e l i n e so ft h ew h o l ed e s i g np r o c e s s a tf i r s tt h ea t c s y s t e mi sd i v i d e di n t os e v e r a ls u b s t e m sa f t e ra n a l y z i n gt h es y s t e ms t r u c t u r ea n d f u n c t i o ns t r u c t u r eo ft h en e w g e n e r a t i o na t cs y s t e m t h e nw eu s et h eo o a a n d o o dm e t h o d a m o n g t h es u b s y s t e m s t h eg u i d e l i n e sc a l ll e tu sm a k eb e s tu s eo ft h e s o f t w a r ea n dh a r d w a r ee s t a b l i s h m e n to ft h el e g a c ys y s t e m sa n dr e u s et h er e l i a b l e a n ds t e a d yc o r e a l g o r i t h m so f a t c s y s t e m s t h i r d l y , w em a k et h ec h o i c eo fw h i c ho b j e c to r i e n t e dm e t h o dt ob eu s e d a f t e rc o m p a r i n gs e v e r a lt y p i c a lo b j e c to r i e n t e dm e t h o d s ，w ed e c i d e dt ou s et h e i j u n i f l e dp r o c e s sm e t h o dt h a th a sa b s o r b e dm o s to ft h ea d v a n c e di d e ao ft h ec l a s s i c a l o b j e c to r i e n t e dm e t h o d s f i n a l l yw ea l s oi n t r o d u c e dh o w t o a p p l yt h ei p m li n u n i f i e dp r o c e s sm e t h o d f o u r t h l y , w ed i s c u s s e dh o w t od e f i n et h es o f t w a r ea r c h i t e c t u r eb a s e do nt h e s t m c t u r ea n df u n c t i o no fr a d a rc o n t r o lw o r k s t a t i o n s u b s y s t e m t h e s o f t w a r e a r c h i t e c t u r ed e f m e st h ef r a m e w o r ko ft h ed e s i g na n da n a l y s i sp r o c e s s n i eu s eo f o b j e c tb e h a v i o r a lp a t t e r n sm a k e st h er a d a rc o n t r o l w o r k s t a t i o ns u b s y s t e mh i 曲 e x t e n d i b i l i t y f i r l f l y , w ef t l r t h e rd e s c r i b e d t h ep r o c e s so f h o wt oa n a l y z ea n dd e s i g nt h er a d a r c o n t r o lw o r k s t a t i o ns u b s y s t e mi nt h r e es t e p s ：u s ec a s em o d e l ，a n a l y s i sm o d e la n d d e s i g nm o d e l t h e s e t h r e es t e p sm a k et h ew h o l ep r o c e s sg o o dt r a c e a b i l i t y a l s ow e m a k ef u l lc o n s i d e r i n go fh o wt oa b s t r a c tr e u s a b l ec l a s s e sa n d p a c k a g e s ，a n dk e e p d a t ad i s p l a y i n ga n du s e ri n t e r f a c ef r o md a t ap r o c e s s i n gb yu s i n go b s e r v e rp a t t e r n s ow ec a nm a k es u r et h es o f t w a r eh a s g o o dr e u s a b i l i t y a n d t r a n s l a t a b i l i t y s i x t h l y , w ef u r t h e rd e s c r i b e dt h ep r o c e s so fh o w t oa n a l y z ea n dd e s i g nt h e o u i ( g m p h i c su s e ri n t e r f a c e ) o fr a d a rc o n t r o lw o r k s t a t i o ns u b s y s t e m c o n s i d e r i n g t r a n s l a t a b i l i t ya n dc o s t ，w eu s eo s f m o t i f ( o p e ns o f t w a r ef o u n d a t i o n ) a sg u i t o o l k i t b ye n c a p s u l a t i n g ，i n h e r i t i n ga n dc o m p o s i n g t h ec o r ew i d g e t so fm o t i f , w e c o n s t r u c tt h eg e n e r a lu s e ri n t e r f a c eo fa t cs y s t e mw i t ht h e d e s i g np a t t e r n so f i n h e r i t a n c ea n dc o m p o s i t e a l lt h ea b o v er e s e a r c hr e s u l t sh a v eb e e np r o v e dt ob eas u c c e s st r i a lo f o b j e c t o r i e n t e dm e t h o di nt h ea t c f i e l d ，w h i c hg r e a t l yi m p r o v e t h e r e u s a b i l i t y , e x t e n d i b i l i t ya n dt r a n s l a t a b i l i t yo f t h e a t c s y s t e m s k e yw o r d s ：a i rt r a f f i cc o n t r o l ( a t c l ，g e o g r a p h yi n f o r m a t i o n ，e n c a p s u l a t i o n ， d e s i g np a t t e r n s ，u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ( u m l ) 四j l l 大学硕士论文 1 绪言 1 1 系统研制的背景、目的、意义 国外的空中交通管制系统发展较早，目前的技术已相当成熟，自动化程度 也非常高。在发达国家，二次航管雷达早已普及，雷达管制的技术也很成熟。 比较大的区域管制中心如法兰克福、伦敦等空管中心，可以覆盖很大范围，有 数十甚至上百的席位。国际上比较著名的空管自动化系统开发商有美国的 r a y t h e o n 公司、法国的t h o m s o n - c s f 公司( 现在的t h a l e s 公司) ，我国的三大 管制中心( 北京、上海、广州) 大多使用上述几家的产品。一些国家提出采用 新的全数字雷达管制系统，依靠可靠的网络数据传输功能可以实现多台雷达源 和飞行数据自动处理系统联网，从过去的陆基导航和地面雷达管制方式走向基 于g p s 定位导航和自动相关监视( a d s ) 的c n s a t m 管制，实现全方位、立 体化空中监视网络，使飞行数据接收、处理、管理和显示高度自动化，最终实 现自由飞行。国内的三大管制中心的空管自动化系统大多从国外进口，价格十 分昂贵。在国内虽然一次和二次航管雷达早已安装，但真正意义上的雷达管制 是在1 9 9 8 年后才开始的，并且普及率也不是很高。 随着中国经济的快速发展，全国民航的飞行流量也在高速增长，这对中国 民航的空管系统带来不小的压力。在未来几年里，保持空管系统与航运协调同 步发展，保证飞行安全和航班正常，使空管系统的综合保障能力进一步提高， 将是民航空管系统战略发展耍达到的主要目标。 因此国内不少空管单位都需要更新或改造已不能适应时代发展的空管系 统。安全是民航飞行的永恒主题。同时基于安全性的考虑，一套使命重大的实 时软件系统，都应有一套相应的应急系统，以便在发生突发性事件主系统无法 正常运行或使用时，则可启用一套独立的应急备用空管系统，从而有充足的时 间来恢复主用系统并重新投入使用。 近年来，我国已陆续从欧美引进了一些新一代空中交通管制设备( 如：成 都双流机场的欧洲猫2 0 0 0 空管系统、贵阳西屋空管系统等) ，但远远不能满足 当今和今后空中交通管制的需求，且扩容和建立应急备用系统价格昂贵；并且 粤型查堂堡主丝苎 这些系统来此不同的国家( 欧洲猫来自法国的t h o m s o n - c s f 公司，而贵阳西屋 空管系统来自美国的w e s t i n g h o u s e ) ，因而整套系统在系统构成、功能、硬件 配曼上都有很大差别，不易于设备的维护和系统的扩容升级。因此迫切需要通 过对空管系统关键技术的研制，建立具有我国自主知识产权的适合时代发展需 要的民航空管系统，从而打破国外的技术封锁。民航空中交通管制系统的研制， 特别是具有自主知识产权的管制系统更是具有很大的社会效益和战略意义。 m r d 2 k 系统是四川大学图形图像研究所独立开发的新一代空中交通管制 系统，具有独立自主知识产权，它在1 9 9 9 年1 1 月通过了中国民用航空总局的 鉴定，目前已在重庆江北机场作为主用系统投入管制工作。该系统是由雷达管 制席位、飞行数据显示控制席位、雷达数据处理机前端和飞行数据处理前端等 部分组成，并通过局域网相连成统一的分布式处理系统。它能够完成雷达数据 处理、飞行计划处理和雷达数据显示等空中交通管制必须的功能。系统的设计 充分借鉴了当时国内正在使用的国外空管系统的特点并吸收了它们的优点，同 时广泛听取了空管人员对现有管制设备的意见，设计了有自己特色的空管系统。 成都双流、贵阳西屋民航备用空管系统是由四川川大智胜公司独立开发的 空中交通管制系统，这两套系统都借鉴了m r d 2 k 系统的基本构架，并根据用 户的需要改善和优化了该系统。通过与用户的多次交流，针对现行民航管制作 业流程的特点，改善和提供了很多符合管制工作习惯、减少工作量的功能和方 案。在多雷达数据融合、飞行情报管理、电子进程单管理和打印等方面，都有 自己的特点。 1 2 民航空中交通管制系统的特点及构成 民航空中交通管制系统( a t c ) 的目的是为了维持空中交通飞行的秩序、 安全和提高航线的利用率。民航空管系统属于“专用( s p e c i a lp u r p o s e ) 、实时 ( r e a l t i m e ) 、使命重大( m i s s i o nc r i t i c a l ) ”型的系统。因此对整个系统的软硬 件的实时性、可靠性、稳定性、安全性的要求都较高。 空中交通管制系统一般通过雷达前端处理系统获得在本区域内飞行的航迹 数据，并维护着本区域的飞行计划数据库系统，通过各类通讯设备与其他的空 管区域进行飞行数据或者飞行计划数据的交互。因此，空中交通管制系统一般 2 婴业查堂堡主丝苎 有如下几个主要模块组成： ( 1 ) 雷达前端处理模块：包括飞行器的飞行高度，经纬度位置，飞行速度 等实际飞行特征的飞行数据收集。 ( 2 ) 雷达数据处理：通过对飞行计划的处理，把飞行数据与系统航迹相联 系，并对飞机航迹进行识别；如果系统引入了多个地区的雷达数据，还需要去 除两部雷达覆盖面相交处产生的冗余雷达数据( 管制人员称此为“假目标”) 。 ( 3 ) 飞行计划处理：包括管理飞行计划和编辑飞行情报等。 ( 4 ) 人机接口模块：它是空中交通管制人员与空中交通管制系统的交互接 口。人机接口部分应提供方便、直观、高效、友好的操作界面。 整个中交通管制系统的处理过程为：雷达获取空域内的实际飞行器数据， 原始雷达数据经过雷达前端机处理进行后传给空管软件系统；空管软件系统把 它与飞行计划数据进行比较，对本区域的飞行数据进行系统航迹追踪和确认， 并把数据发送到人机接口部分。通过人机接口，空管人员能监视本区域内的飞 行活动情况，并通过通讯系统与空中飞行人员进行交互，从而实现对飞行活动 的监控。 1 3 空中交通管制系统分析和设计的方法 计算机软件产业的发展经历了几十年，空管系统软件的分析设计方法的发 展与整个软件产业的软件开发方法的发展进步是密切相关的。传统的自上丽下 的结构化的软件开发方法出现于20 世纪70 年代，在80 年代被广泛采用， 但是这种传统的方法已经无法适应当前的空中交通管制系统迅速发展的需要， 制约空管系统快速发展的因素已不单单是一个或两个难以解决的算法。主要表 现在以下几个方面：第一，架构空管系统的软硬件平台不断更新换代；第二， 民航用户对空管系统自动化程度的要求越来越高，需要在原有系统上集成更多 功能；第三，用户界面需要能被个性化设置，而且要不断被修改；第四，软件 开发周期要求越来越短。成都双流、贵阳西屋民航备用空管系统恰恰体现以上 几个特点。 因此我们迫切需要引入面向对象的分析设计方法来解决这些问题，从而使 空管系统软件具有优良的高可重用性、可移植性、可扩展性、可维护性。在开 发完成都双流和贵阳西屋民航备用空管系统并提交用户使用后，又根据需要修 3 婴型查堂堡主篓兰 改了少数几个关于人机接口的部分，便分别将上述两系统安装nt 其它机场管 制中心( 如：昆明、海口和西安，其中在西安的咸阳机场作为对其原空管系统 的扩展升级) 。 1 4 作者参与的工作 本文作者于2 0 0 2 年8 月至2 0 0 4 年4 月将近2 1 个月中先后参加贵阳西屋和 成都双流民航备用空管系统的设计、研发和后期软件产品维护工作。其间主要 完成了以下的工作： ( 1 ) 雷达数据显示控制部分：设计实现了地图显示模块、气象云图显示模 块等 ( 2 ) 飞行计划数据显示：对飞行计划状态的干预、编报等 ( 3 ) 人机接口部分：以0 s f m o t i f 提供的元件为基础，为构造图形用户界 面进行类的封装。 在整个项目中，开发了c + + 源代码3 万余行，其中与o s f m o t i f 开发工具 相关的约l 万行，另外用c a s e 工具自动生成的框架代码两千多行( 封装和设 计了四十多个类) 。 四川大学硕士论文 2 民航空中交通管制中心系统概述 如前所述，民航机场应急备用系统采用分布式结构，通过高速局域n ( 1 0 0 m b p s ) 将各个设备和席位连接起来，协同工作。系统主要由雷达数据显控制席位、 飞行数据显示操作席位、前端雷达数据处理机、网络监控管理席位、前端飞行 数据处理机、地理信息、数据库管理系统、网络系统等构成。 但是，由于客户的需要，在此系统中将飞行数据显示操作席位和电子进程 单管理整合到雷达管制席位中，以便管制员能快捷和高效地工作。此外，网络 监控席位的功能简化，重在监视和控制雷达管制席位( s d d ) 、飞行数据处理 机( f d p ) 、雷达数据处理机( r d p 、m r d p ) 的运行状态。 四川大学硕士论文 r or ，艮r 1 雷达数据 弓她弓i i l 前端雷达接口机 ii 重i 计主 电报接口 模奢 划、 时台 弋夕 一l 的 雷达数据处理机 航空 ( r d p ) 电报 敷据 嚣 1 rr 7 l 。 多雷达数据处理机 l 晰槲鳓 ( m r d p ) l 系统 i 飞行 航连 i 计划 l 数据 弋，7 、- i 鬻船船 雷达数据显示 i 飞行数据显示 i 网络监控 控制席位控制席位管理席位 ( s d d )( f d d )( c m d ) 图2 1 系统结构图 图2 - 1 描述系统的结构图，接下来本章将从机场管制中心系统的总体架构 的角度和总体设计原则开始，讨论系统软硬件平台的选择，子系统的划分，子 系统内部的分析设计方法，最后给出了各个子系统需要完成的功能的详细说明。 6 四川大学硕士论文 2 1 系统总体设计原则 本系统是在重用m r d 2 k 系统基本构架的基础上进行分析设计的。总体设 计原则就是维持整体框架不变的情况下，把原有系统的核心算法封装到对象中。 这样做有两点好处，第一基本保持原有的硬件物理节点不变，物理接1 3 不变， 充分保护遗留投资：第二原有的核心算法( 如航迹关联算法) 都是成熟的经过 实践考证的，能很好的保证它们的稳定性和可靠性。而这两点对空中交通管制 系统来说是必须的。 在系统最顶层整个系统主要被划分为以下几个处理子系统，外部通讯接口 子系统、雷达数据处理子系统、网络监控管理子系统、飞行情报处理子系统。 而在每个处理子系统内部采用了可复用的面向对象的分析设计方法，抽象出内 部需要解决的核心对象，逐步建立静态结构模型、动态结构模型”】，在这些模 型的基础上进行功能设计和细分，从而使整个系统具有良好的可重用性、可扩 展性及可维护性。同时用面向对象的方法来设计实现通用的用户界面样式，首 先就是界面与数据处理和显示完全分离，数据处理与界面的交互通过传递消息 来实现，其次从构造图形界面的底层元件开始，在充分利用了类的继承性及组 合设计模式的基础上，最终形成空管系统中特有的图形显示对象l i ”。 2 2 系统软硬件平台 软件平台首先是操作系统( o s ) 的选择。如前所述，本系统属s r m ( s p e c i a l p u r p o s e ，r e a lt i m e ，m i s s i o nc r i t i c a l ) 类型，即所谓“专用、实时、使命重大”型， 对操作系统的要求非常严格。因此，要求操作具有：支持多任务并发：实时或 准实时：具有任务优先级设置和抢占机制：具有成熟、开放的体系结构；具有 远期支持。从目前看来，基本符合上述要求，且在工作站和微机上都能运行的 操作系统有u n i x 和w i n d o w s2 0 0 0 。u n i x 早已形成工业标准，有大量的s r m 系统在u n i x 上开发成功并长期可靠运行：而后者虽然成长显著，但在成熟性、 稳定性和开放性方面较u n i x 仍弱。基于以上考虑，系统在处理关键任务时采 用u n i x 以及基于xw i n d o w 的用户界面，在其它地方采用w i n d o w s2 0 0 0 以及 基于w i n d o w s 的用户界面。在编程语言上，采用在u n i x 与w i n d o w s 上都可 以使用的c c + + 语言。c c + + 语言不仅编程灵活，也便于在各版本u n i x 与 7 堕纠查堂堡圭堡苎 w i n d o w s 之间移植。 民航空中交通管制系统是一个规模宏大的系统工程，需要大量使用各种类 型的计算机。从成熟性、升级扩充能力、软件实现等方面考虑，在雷达管制席 ( s d d ) 、飞行数据处理和雷达数据处理子系统，系统采用i b m 工作站：地理 信息编辑采用微机，安装w i n d o e w s2 0 0 0 系统。 2 3 雷达数据处理前端 雷达数据处理前端包括雷达接口设备和后处理设备。雷达接口接收、预处 理及分发从本地雷达以及外地雷达站传送来的雷达数据。雷达数据后处理机采 用分布式多传感器信息融合系统结构模型，在对各单台雷达采用k a l m a n 等滤波 法做航迹跟踪处理的基础上，进行航迹关联和融合，形成连续稳定、不分裂的 系统航迹，实现雷达实时质量控制、自动预警和告警，航迹与飞行计划自动和 人工相关，对雷达气象数据进行接收、处理、显示和云图综合。通过网络系统 向雷达数据显控席位、飞行数据处理系统发送系统航迹信息及经处理的气象信 息。雷达接口可根据实际需要选择接收l 8 路雷达信号，它可以支持多种数据 通讯协议，具有多种雷达数据接口：t o s h i b a ，a l e n i a ，r a y t h e o n 、w e s t i n g h o u s e 等。 2 4 飞行数据显示操作席位 飞行数据显示操作席位为辅助管制员和飞行情报处理席位，它作为飞行数 据处理的前台，提供对飞行计划和动态数据的动态显示、修改和控制，进行与 飞行动态有关的电报查询、编发，以及进程单的打印等，为主管制员提供各种 相关信息服务和提示。 通过飞行情报网( f i n ) 接收和发送飞行情报，并可与其他管制中心交换飞 行数据。对飞行情报进行收发报管理、报文译报和组报、分发、飞行情报阶段 管理，对飞行计划进行编辑、存储、变更、状态管理，重复性飞行计划处理， 飞行空域、航线、航路处理，计划轨迹估算，s s r 代码管理，进行飞行计划与 四川大学硕士论文 实时航迹的相关，并进行飞行一致性监视( 偏航告警) ，对飞行计划冲突进行探 测并实现飞行计划预先调配，对空中交通流量的监视和统计管理，对飞行计划 航路的通报地址自动生成( 大大提高了空管的自动化程度) 等。 2 5 雷达管制席位 雷达管制席位用于监控整个管制区域内实时空中交通状况，处理管制员与 空中交通管制系统间的所有交互操作和控制，以达到安全、快速的空中交通管 理。 雷达管制席子系统的主要工作是根据雷达管制人员的需要和要求，对接收 的数据进行局部存储、分析处理和格式化显示，并进行显示控制。此外，系统 提供了多种操作和控制功能，满足管制员工作需要，这些操作和控制功能包括： 系统工作模式的选择，雷达源的选择，快速定位面板，用户方案编辑，设 置雷达视屏显示范围和中心，区域开窗显示和雷达屏上各窗口位置的调整，背 景地图分层控制和颜色显示，字体大小改变，气象图显示选择，测距，飞机预 测线时间和距离选择和显示标牌自动和手动避让，选择标牌显示内容，快看 非管制飞机标牌，目标尾迹点和飞行轨迹，设置请求高度，动态修正飞行数据， 雷达图上某些对象的图标、颜色和亮度改变，飞行计划显示、查询和修改，飞 行状态表显示，告警显示，手动，自动联系s s r 码，场压高度校正，扇区管理， 高度层管理，临时背景编辑，临时空域编辑，区域激活，快速查找目标，取消 虚假目标，系统参数设置，菜单控制和命令行提示，系统状态和参数、系统时 钟、h o l d 表、飞行计划列表等。 在空中交通管制系统中，雷达管制席位直观地反应了各种来源的数据，它 负责显示和提供接口对空中交通实施管理，所以从通信的角度来看，雷达管制 席处理和显示了系统中绝大部分数据，为了方便起见，在项目研发过程中我们 称雷达管制席子系统为s d d ( s y s t e m d a t ad i s p l a y ) 。 塑业查兰堡圭堡苎 2 6 网络监控管理子系统 系统可监视雷达、通信和管制中心各设备的工作状态，应用软件工作模式 等内容，系统设备工作方式的转换，自动或手工向系统技术监控网发送和接收 状态信息和维护信息。系统监控管理负责各席位的登录管理。系统监控需实时 侦听、监视局域网( l a n ) 的数据流状况，如负荷比重、拥挤程度、冲突调剂 频度、个别节点或整条网络出错或发生故障情况等，并且对局域网内关键节点 的任何出错或故障征兆尽快做出反应。 2 7 外部通信接口子系统 雷达数据接口：机场管制中心系统可接收二次航管雷达、一次引导雷达、 气象雷达和雷达气象通道数据。 飞行数据传输接口：飞行数据传输接口是管制中心与其他单位和设施间交 换飞行计划报文、飞行动态报文、航行通告、航空气象报文、等各类飞行情报 的数据通信接口。 2 8 地理信息和数据库子系统 地理信息和数据库子系统提供全系统所需的地理信息数据。它完成对数据 文件的输入、修改、编辑、存储、删除等功能，这些数据通过磁盘或网络系统 传送到其它各席位使用；同时该系统通过对数据字典管理还提供空管数据库的 地理信息和非地理数据管理，这些数据包括：飞机性能参数、机场参数、地图 数据、地形数据、机场导航台、航路信息、飞行计划、系统参数等2 0 余种：以 数据库的形式存储和管理本管制区范围相关的机场资料、航路航线资料、空域 资料、飞机性能，地理信息、通信导航、雷达参数等航行有关资料和管制规章、 人员业务管理资料；实现数据库的录入、查询、修改、打印等功能；通过航行 情报网可实现自动或人工交互的航行资料发布和变更。系统可利用数据库资料 自动或人工交互设置系统运行的相关参数，背景图，参与雷达数据和飞行数据 的处理。 0 四川大学硕士论文 2 9 系统全局用例图分析 如下图2 2 机场管制中心系统全局用例图，它描述了机场管制中心系统的 主要用例以及它们与外部参与者之间的关系。整个图体现了机场管制中心系统 向外界提供的主要功能，同时也反映了各个功能子系统的划分。各用例包括： 外部数据通信、网络监控管理、雷达数据处理、飞行情报处理，分别对应了外 部通讯接口子系统、网络监控管理子系统、雷达数据处理子系统、飞行情报处 理子系统。 o 外部数飞行情 据通信报通信 图2 2 机场管制中心系统全局用例图 飞行情 报接口 2 1 0 小结 空管自动化系统的设计是一个系统工程，实现单雷达数据、多雷达数据、 电报数据、飞行计划数据等多源数据的实时处理和融合是它的重要任务。为达 到这个目的，系统必须具有强有力的实时处理能力；同时，空管自动化系统是 一个具有“关键使命”的系统，系统的稳定性与可靠性至关重要。 为达到实时处理的目的，系统需要配备功能强大的硬件设备，使其具备强 有力的多处理能力，以及强大的网络传输能力：同时许多算法都需要针对实时 l l 四川大学硕士论文 处理的特点进行优化或简化。 建立一个世界先进水平的、高度集成化、高度可靠实用、自动化的空管系 统，不仅需要从我国的国情出发，研制出成本低、稳定性好、可维护性好的系 统，还需要着眼世界科技发展的前沿，在一个高起点上开展研究和开发工作。 四川大学硕士论文 3 面向对象分析设计与u m l 近年来，面向对象语言以及可视化的编程工具都有了很大的发展，但是好 的编程语言以及优秀的编程工具并不能解决当前软件开发过程中出现的种种问 题，这是由于实际软件开发过程中的大多数问题都是缺乏好的分析和设计造成 的。因此面向对象的技术不应当只针对编程阶段，面向对象方法真正的意义在 于它适合于解决分析与设计期间的复杂性并实现分析与设计的复用。而且进一 步的照l m n o r t h r o p 的说法，面向对象方法必须应该运用于软件生命周期的整 个过程【2 】，如图3 1 所示。下面我们将分三步来谈一下面向对象的分析与设计， 第一步介绍面向对象的基本概念，第二步分析比较几种面向对象分析设计的典 型方法，第三步介绍如何用u m l 来实现分析设计过程。 图3 1 面向对象与软件生命周期 3 1 面向对象的基本概念 3 1 1 面向对象的概念 面向对象表明了存在于现实世界中的事物和计算机程序块，或对象之间的 某种联系。c o a d 和y o u r d o n 给出了一个定义：“面向对象= 对象+ 类+ 继承+ 通信”。 因此下面我们分别对对象、类、继承和消息这四个概念加以解释。 对象： 对象是面向对象开发模式的基本成份。每个对象可用它本身的一组属性 和它可以执行的一组操作来定义。属性一般只能通过执行对象的操作来改 变。操作又称为方法或服务，它描述了对象执行的功能，若通过消息传递， 还可以为其它对象使用。 类： l 竖型查堂堡主丝塞 类是一组具有相同数据结构和相同操作的对象的集合。类的定义包括一 组数据属性和在数据上的一组合法操作。类定义可以视为一个具有类似特 性与共同行为的对象的模板，可用来产生对象。 继承： 继承是使用已存在的定义为基础建立新定义类的技术。新类的定义可以 是继承类所声明的数据和新类所增加的声明的组合。 消息： 消息是一个对象与另一个对象的通信单元，是要求某个对象执行类中定 义的某个操作的规格说明。发送给一个对象的消息定义了一个方法名和一 个参数表，并指定某一个对象。一个对象接收的消息则调用消息中指定的 方法，并将形式参数与参数表中相应的值结合起来。 3 1 2 面向对象分析模型 分析模型是用于捕捉那些本质的或“逻辑的”系统需求，而不考虑基于实 现的或“物理的”系统需求。它主要是描述系统将要做什么，完全不考虑具体 的实现方法和技术细节。分析模型通常是那些具有广泛的应用论域知识的人们 构造的；它可以充当消费者、用户和开发者之间通信的桥梁。总的来说它实现 了以下三部分的功能： ( 1 ) 描述了表示某个特定应用论域中的对象，以及各种各样的结构关系和通 信关系。 ( 2 ) 用来形式化现实世界的“视图”。它建立起各种对象，分别表示软件系统 主要的组织结构以及现实世界强加给软件系统的各种规则和约束条件。 ( 3 ) 规定了它们如何协同才能完成软件系统所指定的工作。这种协同在模型 中是以表明对象之间通信方式的一组消息连接来表示的。 3 1 3 面向对象的设计模型 设计模型则是描述在某个给定的实现环境下如何去创建一个特定的软件系 统。设计模型则应该是那些具有广泛的实现环境知识的人构造的：它可以充当 开发者、实现者和测试者之间通信的桥梁。一般来说分为以下四个部分： 四川大学硕士论文 ( 1 ) 问题论域部分：指定那些执行基本应用功能的对象。 ( 2 ) 任务管理部分：指定了那些创建系统时必须建立的操作系统部分。 ( 3 ) 数据管理部分：定义了那些与所用数据库技术接口的对象。 ( 4 ) 人机交互部分：指定了用于系统的某个特定实现的界面技术。 3 2 面向对象分析设计的方法一统一过程方法 在面向对象技术的发展过程中出现了很多种分析设计的方法，最常见的有 以下几种：w i r f s b l o c k 的责任驱动的设计方法、对象模型技术( o m t ) 、b o o c h 方法以等，以及综合了以上几种分析设计方法先进思想而形成的统一过程方法。 下面将逐一对这几种方法进行介绍。 ( 1 ) 责任驱动的设计方法 责任驱动设计法通过简单的继承图，用类所承担的责任来描述系统，其关 键技术是隐藏数据结构，用责任把封装的概念带到分析与设计活动中去。它的 分析设计过程是反复的、增量式的，同时它被分为探索阶段和改进阶段 ( 2 ) 对象模型技术( o m t ) o m t 方法从三个视角描述系统，相应地提供了三种模型，对象模型，动态 模型和功能模型。 ( 3 ) b o o c h 方法 b o o c h 方法是对系统的逻辑和物理视图不断细化的迭代和递增的开发过 程，它的整个过程包括了以下四个步骤：一是在给定的抽象层次上识别类和对 象，二是识别这些对象和类的语义，三是识别这些类和对象之间的关系，四是 实现类和对象。 ( 4 ) 统一过程方法 由于统一过程总结了以上几种方法的优点，并吸取了各种先进的面向对象 思想，因此“统一过程”不仅仅是一个过程，它已是一个通用过程框架，可以 应付种类广泛的软件系统、不同的应用领域、不同的组织类型、不同的性能水 婴型查堂堡主笙奎 平和不同的项目规模。“统一过程”是基于组件的，这意味着利用它开发的软件 系统是由组件构成的，组件之间通过定义良好的接口相互联系。在准备软件系 统的所有蓝图的时候，“统一过程”使用的是“统一建模语言( u n i f i e dm o d e l i n g l a n g u a g e ) ”。事实上，u m l 是“统一过程”的有机组成部分一它们是被同 步开发的【3 0 1 。“统一过程”总的来说可以有以下三个特点来概括： 用例驱动的 一个用例就是系统中向用户提供一个有价值的结果的某项功能，用例捕 捉的是功能性需求。所有用例结合起来就构成了“用例模型”，该模型描述 系统的全部功能。这个模型取代了系统的传统的功能规范说明。它们迫使 我们从用户的利益角度出发进行考虑，而不仅仅是考虑系统应当具有哪些 良好功能。然而用例并不仅仅是定义一个系统的需求的一个工具。它们还 驱动系统的设计、实现和测试。也就是说，它们驱动整个开发过程。基于 用例模型，软件开发人员创建一系列的设计和实现模型来实现各种用例。 开发人员可以审查每个后续模型，以确保它们符合用例模型。测试人员将 测试软件系统的实现，以确保实现模型中的组件正确实现了用例。这样， 用例不仅启动了开发过程，而且与开发过程结合在一起。 以基本架构为中心的 软件架构的作用在本质上与基本架构在建筑物结构中所起的作用是一 样的。同样地，软件系统的基本架构也被描述成要创建的系统的各种不同 视图。用例和基本架构之间是功能和形式的有机统一，仅仅只有其中之一， 都是不完整的。一方面，我们实现的用例必须与基本架构相适应。而另一 方面，基本架构必须留有实现现在和未来需要的所有用例的空间。在实践 中，基本架构和用例必须平行开发。因此，架构设计师将软件系统构筑在 一个形式当中。正是这个形式即基本架构必须被设计成让系统不仅在初始 开发期间，而且在未来的版本进化过程中都能不断发展。下面是基本架构设 计过程的简单描述： a 架构设计师首先从不与特定的用例相关的部分( 比如平台) 着手来 创建基本架构的大致轮廓。 b 其次，设计人员应当从已经确