軟件體系結(jié)構(gòu)建模方法應(yīng)用(以武鋼高爐開(kāi)料計(jì)算為例)

1、軟件體系結(jié)構(gòu)建模方法的實(shí)例與應(yīng)用學(xué)號(hào)： 姓名： 專業(yè)： 摘要：軟件體系結(jié)構(gòu)建模已經(jīng)成為軟件工程領(lǐng)域的一個(gè)新的研究方向，對(duì)軟件開(kāi)發(fā)效率的提高具有非常重要的意義。本文簡(jiǎn)述了軟件體系結(jié)構(gòu)的定義及其建模方法，并結(jié)合以UML建模語(yǔ)言為載體的武鋼6號(hào)高爐開(kāi)爐裝料最優(yōu)計(jì)算的應(yīng)用實(shí)例，對(duì)現(xiàn)今軟件體系結(jié)構(gòu)的軟件開(kāi)發(fā)模型進(jìn)行了舉例說(shuō)明。關(guān)鍵字：軟件體系結(jié)構(gòu)；建模；UML1 軟件體系結(jié)構(gòu)的定義軟件體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)在軟件工程領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，許多專家學(xué)者從不同角度和不同側(cè)面對(duì)軟件體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了刻畫(huà)，綜合各種定義，軟件體系結(jié)構(gòu)的定義包括以下四個(gè)部分：（1）組件：可計(jì)算性的元素，它們共同構(gòu)成了軟件的體系結(jié)構(gòu)。通常軟件體系

2、結(jié)構(gòu)可分解為子系統(tǒng)，子系統(tǒng)又可進(jìn)一步地分解(如子子系統(tǒng)、模塊等)。大粒度的體系結(jié)構(gòu)組件包括客戶端、服務(wù)器和持久存儲(chǔ)等。（2）接口：一種特殊的體系結(jié)構(gòu)元素，它定義了一組組件間的交互點(diǎn)。定義良好的接口可以保證組件之間本質(zhì)的關(guān)系。在某些體系結(jié)構(gòu)定義中。接口是隱含定義的，并不明確出現(xiàn)。（3）關(guān)系(連接器)：體系結(jié)構(gòu)組件間的邏輯連接。關(guān)系模擬了組件間的交互以及控制這些交互的規(guī)則。（4）約束(規(guī)則) ：組件與其關(guān)系之間所必須滿足的條件和限制.約束把體系結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)需求聯(lián)系起來(lái)。2 軟件體系結(jié)構(gòu)的建模研究研究軟件體系結(jié)構(gòu)的首要問(wèn)題是如何表示軟件體系結(jié)構(gòu)，即如何對(duì)軟件體系結(jié)構(gòu)建模。根據(jù)建模的側(cè)重點(diǎn)的不同，可以將

3、軟件體系結(jié)構(gòu)的模型分為五種：結(jié)構(gòu)模型、框架模型、動(dòng)態(tài)模型、過(guò)程模型和功能模型。2.1 結(jié)構(gòu)模型這是一個(gè)最直觀、最普遍的建模方法。這種方法以體系結(jié)構(gòu)的構(gòu)件、連接件和其他概念來(lái)刻畫(huà)結(jié)構(gòu)，并力圖通過(guò)結(jié)構(gòu)來(lái)反映系統(tǒng)的重要語(yǔ)義內(nèi)容，包括系統(tǒng)的配置、約束、隱含的假設(shè)條件、風(fēng)格、性質(zhì)，研究結(jié)構(gòu)模型的核心是體系結(jié)構(gòu)描述語(yǔ)言。2.2 框架模型框架模型與結(jié)構(gòu)模型類似，但它不太側(cè)重描述結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)而更側(cè)重于整體的結(jié)構(gòu)?？蚣苣Ｐ椭饕砸恍┨厥獾膯?wèn)題為目標(biāo)建立只針對(duì)和適應(yīng)該問(wèn)題的結(jié)構(gòu)。2.3 動(dòng)態(tài)模型動(dòng)態(tài)模型是對(duì)結(jié)構(gòu)或框架模型的補(bǔ)充，研究系統(tǒng)的“大顆?！钡男袨樾再|(zhì)。例如，描述系統(tǒng)的重新配置或演化。動(dòng)態(tài)可能指系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的

4、配置、建立或拆除通信通道或計(jì)算的過(guò)程。這類系統(tǒng)常是激勵(lì)型的，目前應(yīng)用較普遍。2.4 過(guò)程模型過(guò)程模型研究構(gòu)造系統(tǒng)的步驟和過(guò)程。因而結(jié)構(gòu)是遵循某些過(guò)程腳本的結(jié)果。2.5 功能模型該模型認(rèn)為體系結(jié)構(gòu)是由一組功能構(gòu)件按層次組成，下層向上層提供服務(wù)，它也可以看作是一種特殊的框架模型。這五種模型各有所長(zhǎng)，將五種模型有機(jī)地統(tǒng)一在一起，形成一個(gè)完整的模型來(lái)刻畫(huà)軟件體系結(jié)構(gòu)更合適。例如，Kruchten 在1995 年提出了一個(gè)“4+1”的視角模型?！?+1”模型從五個(gè)不同的視角包括邏輯視角、過(guò)程視角、物理視角、開(kāi)發(fā)視角和場(chǎng)景視角來(lái)描述軟件體系結(jié)構(gòu)。每一個(gè)視角只關(guān)心系統(tǒng)的一個(gè)側(cè)面，五個(gè)視角結(jié)合在一起才能夠反映

5、系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)的全部?jī)?nèi)容（如圖2-1所示）。最終用戶：功能需求 編輯人員：軟件管理開(kāi)發(fā)視角邏輯視角場(chǎng)景視角過(guò)程視角物理視角系統(tǒng)工程人員：系統(tǒng)托補(bǔ)、安裝、通信等系統(tǒng)集成員：性能可擴(kuò)充性、吞吐量等 圖2-1 “4+1”模型示意圖3 建模實(shí)例3.1 UML建模語(yǔ)言UML是一種通用的對(duì)象建模語(yǔ)言，已被工業(yè)界廣泛接受。UML融合了許多面向開(kāi)發(fā)方法的基本概念和優(yōu)點(diǎn)。它具有一致的圖形表示法和語(yǔ)義，因此出現(xiàn)了許多UML工具，能夠很好地支持軟件開(kāi)發(fā)。由于UML是一種通用的建模語(yǔ)言，在用于軟件體系結(jié)構(gòu)建模時(shí)，卻缺少分析體系結(jié)構(gòu)所需的語(yǔ)義。但UML內(nèi)建了擴(kuò)展機(jī)制，具有較強(qiáng)的擴(kuò)展能力。UML的模型由多種模型組成，

6、每種模型從不同角度和觀點(diǎn)來(lái)描述系統(tǒng)。 UML模型可用用例圖、類圖、對(duì)象圖、包圖、活動(dòng)圖、合作圖、順序圖、狀態(tài)圖、組件圖和配置圖來(lái)表示。UML是一種功能強(qiáng)大的、面向?qū)ο蟮目梢暬ＵZ(yǔ)言,它采用了一整套成熟的建模技術(shù)，廣泛地適用于各種應(yīng)用領(lǐng)域。但由于UML的標(biāo)準(zhǔn)表示法不能完全滿足軟件體系結(jié)構(gòu)建模的需要，因此有必要用UML的擴(kuò)展機(jī)制對(duì)其表示法進(jìn)行擴(kuò)充，為具有體系結(jié)構(gòu)意義的模型元素添加新的語(yǔ)義，構(gòu)造出新模型元素，用以說(shuō)明軟件體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。3.2 UML在武鋼6號(hào)高爐進(jìn)行開(kāi)爐裝料計(jì)算的應(yīng)用3.2.1 用例建模在UML中，一個(gè)用例模型由若干個(gè)用例圖描述，用例圖的主要元素是用例和執(zhí)行者。在用例建模階段，先

7、要確定執(zhí)行者和用例，從而確定系統(tǒng)的邊界；然后，再依據(jù)系統(tǒng)功能確定高爐開(kāi)爐裝料系統(tǒng)的用例模型，建立用例圖。首先確定高爐開(kāi)爐裝料系統(tǒng)的執(zhí)行者。根據(jù)高爐開(kāi)爐工作的實(shí)際需要, 使用高爐開(kāi)爐裝料系統(tǒng)的人員分為三類：第一類是系統(tǒng)維護(hù)人員，該類人員需要使用系統(tǒng)增加、修改、刪除操作人員的相關(guān)信息和備份，恢復(fù)有關(guān)數(shù)據(jù)；第二類是高爐技術(shù)人員，該類人員需要使用系統(tǒng)進(jìn)行以下操作：輸入、修改、刪除、查詢高爐本體信息和開(kāi)爐裝料的各種參數(shù)，獲取、查詢開(kāi)爐方案，打印開(kāi)爐裝料情況文檔及報(bào)表；第三類是生產(chǎn)管理人員，該類人員需要使用系統(tǒng)查詢相關(guān)開(kāi)爐方案、打印開(kāi)爐裝料情況文檔及報(bào)表。因此，可以確定系統(tǒng)的執(zhí)行者為系統(tǒng)維護(hù)人員、高爐技術(shù)

8、人員和生產(chǎn)管理人員三類。接著識(shí)別用例。通過(guò)對(duì)上述三類執(zhí)行者的實(shí)際操作需要，可以歸納、識(shí)別出本系統(tǒng)有系統(tǒng)登錄、維護(hù)高爐本體信息、設(shè)置開(kāi)爐參數(shù)、授權(quán)登記、維護(hù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)、獲取開(kāi)爐方案、查詢開(kāi)爐方案、打印開(kāi)爐裝料方案及報(bào)表等用例。其頂層用例圖如圖3-1所示。圖3-1 高爐開(kāi)爐裝料系統(tǒng)用例圖3.2.2 靜態(tài)建模用例建模主要關(guān)注系統(tǒng)的外在需求，而靜態(tài)建模則主要考慮系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部協(xié)作。靜態(tài)模型主要由類及類之間的相互關(guān)系組成，靜態(tài)模型由邏輯視圖描述。在靜態(tài)建模階段，首先根據(jù)用例，識(shí)別出高爐開(kāi)爐裝料系統(tǒng)的實(shí)體類和窗體類，建立系統(tǒng)的粗略框架，再逐步細(xì)化實(shí)體類和窗體類的內(nèi)部功能需求，定義出各類的屬性和操作，從

9、而構(gòu)造出系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)，建立邏輯視圖。在對(duì)用例進(jìn)行分析后可以識(shí)別出本系統(tǒng)中主要有操作員(Operator)、高爐本體(BlastFurnace)、開(kāi)爐方案(Scheme)、開(kāi)爐參數(shù)(Parameter)等對(duì)象，故系統(tǒng)主要包含5 個(gè)實(shí)體類，即Operator 、BlastFurnace 、Scheme 、Parameter 及Persistent，分別定義各類的屬性和操作。再定義用戶窗體類。系統(tǒng)維護(hù)人員、高爐技術(shù)人員和生產(chǎn)管理人員等系統(tǒng)執(zhí)行者都是通過(guò)操作窗體來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的。通過(guò)對(duì)本系統(tǒng)的不斷分析和細(xì)化，可識(shí)別出系統(tǒng)主要包括下述窗體類：主窗體(MainWindow)、高爐本體參數(shù)窗體(BFDia

10、log)、高爐開(kāi)爐參數(shù)窗體(ParameterDialog )、查詢窗體(SearchDialog)、登錄窗體(LoginDialog)、授權(quán)登記窗體(MaintainDialo g)、維護(hù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)窗體(SystemDialog)、打印開(kāi)爐裝料方案及報(bào)表窗體(PrintDialog)等。3.2.3 動(dòng)態(tài)建模在動(dòng)態(tài)建模階段，分析高爐開(kāi)爐裝料系統(tǒng)內(nèi)部各種行為發(fā)生的相互關(guān)系和時(shí)間順序，描述系統(tǒng)內(nèi)部對(duì)象之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為模型由時(shí)序圖、協(xié)作圖、狀態(tài)圖或活動(dòng)圖來(lái)描述，通常只選取其中一到兩種來(lái)說(shuō)明問(wèn)題，本系統(tǒng)采用時(shí)序圖進(jìn)行系統(tǒng)動(dòng)態(tài)建模。時(shí)序圖(Sequence Diag rams)描述了消息的時(shí)

11、間順序，顯示了交互的實(shí)體和它們共享的信息。時(shí)序圖存在兩個(gè)軸，水平軸表示不同的對(duì)象，垂直軸表示時(shí)間。時(shí)序圖以時(shí)間來(lái)安排順序，越往底部的步驟在時(shí)間上越晚。圖3-2以“設(shè)置開(kāi)爐參數(shù)”時(shí)序圖為例，說(shuō)明了高爐開(kāi)爐裝料系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為模型，該圖清楚地表示了在實(shí)現(xiàn)“設(shè)置開(kāi)爐參數(shù)”用例的過(guò)程中各子系統(tǒng)之間的調(diào)用關(guān)系。圖3-2 “設(shè)計(jì)開(kāi)爐方案”時(shí)序圖3.2.4 確定方案在UML建模的基礎(chǔ)上，應(yīng)用該軟件，對(duì)武鋼6號(hào)高爐開(kāi)爐裝料進(jìn)行了分析和計(jì)算：（1）根據(jù)爐缸填充方式確定主要參數(shù)，并選定相關(guān)數(shù)據(jù)。根據(jù)武鋼歷次開(kāi)爐經(jīng)驗(yàn)，選定空料、正常料的比例，以及料線的高度，開(kāi)爐料的成分等其它數(shù)據(jù)。（2）輸入開(kāi)爐料的原燃料分析的數(shù)據(jù)。

12、（3）開(kāi)爐裝料計(jì)算。根據(jù)所輸入的數(shù)據(jù)，通過(guò)開(kāi)爐裝料計(jì)算軟件計(jì)算出燒結(jié)礦和錳礦批重、每批正常料和空料的石灰石用量以及每批凈焦、正常料和空料的體積、正常料和空料各自的批數(shù)等數(shù)據(jù)，運(yùn)用該軟件自動(dòng)生成開(kāi)爐方案報(bào)表。（4）調(diào)整有關(guān)參數(shù)，設(shè)計(jì)多種開(kāi)爐方案供選擇。用戶可以自行設(shè)定高爐的各種基本參數(shù)、選擇高爐中石灰石和白云石的比例、爐身至爐喉四段的比例，計(jì)算出多套開(kāi)爐方案供選擇。（5） 確定方案。根據(jù)6 號(hào)高爐現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和開(kāi)爐要求，從不同的方案中，選擇一種最合適的方案。4 參考文獻(xiàn)1崔廣林. 軟件體系結(jié)構(gòu)建模方法的研究與應(yīng)用D.山東師范大學(xué),2007.2李寶民. 軟件體系結(jié)構(gòu)建模研究與應(yīng)用D.大連海事大學(xué),2005.3周瑩新,艾波. 軟件體系結(jié)構(gòu)建模研究J. 軟件學(xué)報(bào),1998,11:67-73.4馬于濤,陳建勛. 基于UML的軟件體系結(jié)構(gòu)建模技術(shù)的研究J. 武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2003,03:308-311.5馬重明,胡湘云. 基于UML的軟件體系結(jié)構(gòu)建模方法研究J. 計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化,2005,02:94-96.