蔡杰

基于UML的水電廠監(jiān)控系統(tǒng)培訓(xùn)仿真軟件建模

蔡杰

（南瑞集團(tuán)公司（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院），江蘇 南京 210003）

隨著自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，水電廠計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)業(yè)務(wù)日趨復(fù)雜并不斷變化，這對培訓(xùn)仿真系統(tǒng)的建模工具通用性提出了更高的要求。針對這一要求，本文在現(xiàn)有建模工具的基礎(chǔ)上，應(yīng)用UML技術(shù)，形成通用性更強的基于UML的培訓(xùn)仿真軟件建模工具。

水電廠；監(jiān)控系統(tǒng)；培訓(xùn)仿真建模；UML

1　前言

隨著水電控制理論與計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，水電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)業(yè)務(wù)日趨復(fù)雜。業(yè)務(wù)的復(fù)雜與多變對水電廠培訓(xùn)仿真系統(tǒng)的兼容性與擴(kuò)展性提出了更高的要求。如何應(yīng)對業(yè)務(wù)的不斷變化，如何提高培訓(xùn)仿真系統(tǒng)建模效率，成為水電廠計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)培訓(xùn)仿真軟件發(fā)展首先需要克服的困難。

2　統(tǒng)一建模語言（UML）

統(tǒng)一建模語言（UnifiedModelingLanguage, UML）是一種可視化建模語言，它能讓系統(tǒng)構(gòu)造者用標(biāo)準(zhǔn)的、易于理解的方式建立起能夠表達(dá)他們想象力的系統(tǒng)藍(lán)圖，并且提供了便于不同人之間有效地共享和交流設(shè)計結(jié)果的機(jī)制，定義了一種抽象的用來描述軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和行為的語言，還定義了一種標(biāo)準(zhǔn)的用來建立模型元素的圖形符號，是一種定義良好、易于表達(dá)、功能強大且普遍適用的建模語言。UML中定義了兩類圖：

一類是靜態(tài)圖，包括：

類圖——闡述系統(tǒng)的靜態(tài)設(shè)計視圖，包括包、類、接口、協(xié)作以及之間的關(guān)系。

對象圖——從真實的實例或原型的角度，給出類圖中實例的瞬態(tài)圖。

組件圖——闡述系統(tǒng)的靜態(tài)實現(xiàn)視圖，顯示一組組件和他們之間的關(guān)系。組件代表的是模型中邏輯抽象的物理實施，例如類和他們的交互。

配置圖——闡述一個系統(tǒng)中物理結(jié)點的鏈接。結(jié)點是為執(zhí)行一個或多個組件提供物理操作環(huán)境的計算資源。

另一類是動態(tài)圖，包括：

用例圖——通過闡述一組用例和參與者之間的關(guān)系，為系統(tǒng)、子系統(tǒng)或類的行為建立模型。

序列圖——通過介紹消息的時間順序，闡述了對象間的相互關(guān)系。這些對象是類的典型實例，可以描述其他的分類者，如執(zhí)行者、組件或節(jié)點。

狀態(tài)圖——描述一個狀態(tài)機(jī)，包括狀態(tài)、過渡、時間和活動。這些圖最常用于對象順序行為建模。

活動圖——顯示一個系統(tǒng)的活動，活動到活動連續(xù)流或分支流，以及執(zhí)行這些活動或由這些活動產(chǎn)生的對象。

3　基于UML的水電廠監(jiān)控系統(tǒng)培訓(xùn)仿真軟件建模

針對培訓(xùn)仿真軟件的實際情況，采用UML標(biāo)準(zhǔn)中滿足培訓(xùn)仿真軟件建模需要的建模方式實現(xiàn)軟件建模，可以有效提高軟件的易用性，使軟件更加適應(yīng)監(jiān)控系統(tǒng)不斷變化的業(yè)務(wù)環(huán)境。

3.1業(yè)務(wù)分析與模型分類

水電廠監(jiān)控系統(tǒng)培訓(xùn)仿真軟件的主要功能在于模擬水電廠現(xiàn)場設(shè)備的運行情況，因此建立的模型必須反應(yīng)水電廠現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備的物理邏輯與關(guān)系。主要模塊包括：水輪機(jī)與調(diào)速系統(tǒng)模型、發(fā)電機(jī)模型、勵磁系統(tǒng)模型、水循環(huán)系統(tǒng)模型、油循環(huán)系統(tǒng)模型、風(fēng)系統(tǒng)模型、開關(guān)與刀閘模型、開關(guān)站潮流模型。這些模型需要通過建模工具描述的邏輯大致可以分為兩類：

1）模型內(nèi)部邏輯：激勵與反饋，即根據(jù)某些輸入信號，產(chǎn)生特定輸出，如開關(guān)設(shè)備，當(dāng)收到控制信號輸入后，模型應(yīng)根據(jù)設(shè)定判斷條件是否滿足，如果條件滿足給出合閘信號或者分閘信號，如果條件不滿足給予報警提示。

2）模型間的物理關(guān)系：描述模型對應(yīng)實際設(shè)備間的物理關(guān)系，比如開關(guān)站潮流模型，需要配置開關(guān)站內(nèi)機(jī)組、開關(guān)、刀閘間的連接信息。

根據(jù)培訓(xùn)仿真軟件所需要描述的物理涵義特點，我們在UML標(biāo)準(zhǔn)中挑選配置圖與活動圖來實現(xiàn)軟件建模功能。

3.2配置圖建模

我們采用配置圖來表達(dá)模型對應(yīng)實際設(shè)備間的物理關(guān)系。部署圖描述的是系統(tǒng)運行時的結(jié)構(gòu)，展示了硬件的配置及其軟件如何部署到網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中。部署圖包含以下元素：

結(jié)點（Node）：結(jié)點是系統(tǒng)存在與運行時的代表，是實際資源的物理元素，以開關(guān)站潮流為例，結(jié)點可以代表開關(guān)、刀閘；

結(jié)點類型（NodeStereotypes）：結(jié)點的屬性，如開關(guān)站潮流模型中，結(jié)點可能是開關(guān)、刀閘；

結(jié)點實例（NodeInstance）：結(jié)點類型實例化就形成一個具體的結(jié)點，結(jié)點類型與結(jié)點實例之間存在繼承關(guān)系；

連接（Association）：結(jié)點之間的連線表示實際物理設(shè)備之間的路徑，這個路徑稱為連接。

下面以開關(guān)站潮流模型為例，采用配置圖建模組態(tài)工具，描述水電廠開關(guān)站內(nèi)各個設(shè)備間的物理關(guān)系，如圖1：

可以看出，配置圖1中存在斷路器、刀閘、地刀等類型（結(jié)點類型），用戶可以在圖形界面中將特定結(jié)點類型實例化（形成結(jié)點實例），然后通過線段（連接）將結(jié)點物理關(guān)系描述出來。在未使用UML建模工具前，用戶需要自己將結(jié)點間物理關(guān)系形成關(guān)系矩陣，存放到文件中，作為后臺程序的參數(shù)輸入。一旦開關(guān)站設(shè)備進(jìn)行改造，原有設(shè)備物理結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，關(guān)系矩陣的修改工作將非常復(fù)雜。在使用UML建模工具后，開關(guān)站設(shè)備間的物理關(guān)系可以方便直觀的在配置圖上進(jìn)行修改，提高了建模工作效率，增強系統(tǒng)可維護(hù)性。

圖1　開關(guān)站內(nèi)各個設(shè)備間的物理關(guān)系

3.3活動圖建模

活動圖是UML用于對系統(tǒng)的動態(tài)行為建模的一種常用工具，它描述活動的順序，展現(xiàn)從一個活動到另一個活動的控制流。活動圖在本質(zhì)上是一種流程圖?；顒訄D著重表現(xiàn)從一個活動到另一個活動的控制流，是內(nèi)部處理驅(qū)動的流程?；顒訄D包含如下元素：

活動狀態(tài)：表示在工作流程中執(zhí)行某個活動或步驟。

轉(zhuǎn)移：表示各種活動狀態(tài)的先后順序。這種轉(zhuǎn)移可稱為完成轉(zhuǎn)移。它不同于一般的轉(zhuǎn)移，因為它不需要明顯的觸發(fā)器事件，而是通過完成活動（用活動狀態(tài)表示）來觸發(fā)。

同步：用于顯示平行分支流。同步示意圖使您能夠顯示業(yè)務(wù)用例的工作流程中的并行線程。

下面以開關(guān)設(shè)備為例，實現(xiàn)活動圖組態(tài)工具，描述開關(guān)設(shè)備的操作邏輯，如圖2所示：

圖2　圖形化組態(tài)界面

建模工具提供圖形化組態(tài)界面，圖形界面中每一個方塊都是一個活動；不同邏輯下的活動放在平行的分支下，描述邏輯間的并行關(guān)系；通過活動間帶箭頭的連線（轉(zhuǎn)移）來表達(dá)邏輯上的先后順序。在沒有提供UML建模工具前，用戶需要手工修改代碼以實現(xiàn)模型內(nèi)部的邏輯，這種方式不直觀，后期維護(hù)與修改非常麻煩。通過UML方式進(jìn)行建模，能夠清晰的表達(dá)設(shè)備內(nèi)某個邏輯活動的順序關(guān)系，提高用戶易用性，降低維護(hù)成本。

3.4UML建模工具軟件架構(gòu)

采用基于UML的建模工具完成建模，軟件結(jié)構(gòu)不需要做大量的調(diào)整，只需增加相應(yīng)的建模工具即可。其軟件結(jié)構(gòu)主要包含活動圖和配置圖兩個模塊，分別用于描述模型運行邏輯的不同方面，活動圖模塊包括活動管理、順序管理和同步管理模塊，分別管理UML活動圖中活動所執(zhí)行的操作、活動的分支與順序關(guān)系、邏輯并行關(guān)系。配置圖模塊包括結(jié)點管理、連線管理，分別負(fù)責(zé)結(jié)點類型與實例化、結(jié)點間關(guān)系描述。同時提供保存、錯誤檢查、樹形索引、搜索與替換及權(quán)限等公共組件，最后制作好的UML圖形可以通過統(tǒng)一的編譯接口形成支撐平臺可以加載的參數(shù)文件。支撐平臺啟動后，將會持續(xù)的按照參數(shù)文件中定義的活動圖邏輯順序以及配置圖物理關(guān)系模擬水電廠實際設(shè)備運行情況。

4　結(jié)語

通過將UML技術(shù)應(yīng)用于計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)培訓(xùn)仿真軟件，可以顯著增強系統(tǒng)的易用性、擴(kuò)展性，使軟件更加適應(yīng)監(jiān)控系統(tǒng)不斷變化的業(yè)務(wù)環(huán)境，具有深遠(yuǎn)的實用價值。

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TP311

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1672-5387（2016）08-0055-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.08.016

2016-06-29

蔡杰（1983-），男，電力工程師，主要研究方向：水電廠自動化。