基于UML的水电厂监控系统培训仿真软件建模

蔡杰

基于UML的水电厂监控系统培训仿真软件建模

蔡杰

（南瑞集团公司（国网电力科学研究院），江苏 南京 210003）

随着自动化技术的不断发展，水电厂计算机监控系统业务日趋复杂并不断变化，这对培训仿真系统的建模工具通用性提出了更高的要求。针对这一要求，本文在现有建模工具的基础上，应用UML技术，形成通用性更强的基于UML的培训仿真软件建模工具。

水电厂；监控系统；培训仿真建模；UML

1　前言

随着水电控制理论与计算机技术的不断发展，水电站计算机监控系统业务日趋复杂。业务的复杂与多变对水电厂培训仿真系统的兼容性与扩展性提出了更高的要求。如何应对业务的不断变化，如何提高培训仿真系统建模效率，成为水电厂计算机监控系统培训仿真软件发展首先需要克服的困难。

2　统一建模语言（UML）

统一建模语言（UnifiedModelingLanguage, UML）是一种可视化建模语言，它能让系统构造者用标准的、易于理解的方式建立起能够表达他们想象力的系统蓝图，并且提供了便于不同人之间有效地共享和交流设计结果的机制，定义了一种抽象的用来描述软件系统结构和行为的语言，还定义了一种标准的用来建立模型元素的图形符号，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。UML中定义了两类图：

一类是静态图，包括：

类图——阐述系统的静态设计视图，包括包、类、接口、协作以及之间的关系。

对象图——从真实的实例或原型的角度，给出类图中实例的瞬态图。

组件图——阐述系统的静态实现视图，显示一组组件和他们之间的关系。组件代表的是模型中逻辑抽象的物理实施，例如类和他们的交互。

配置图——阐述一个系统中物理结点的链接。结点是为执行一个或多个组件提供物理操作环境的计算资源。

另一类是动态图，包括：

用例图——通过阐述一组用例和参与者之间的关系，为系统、子系统或类的行为建立模型。

序列图——通过介绍消息的时间顺序，阐述了对象间的相互关系。这些对象是类的典型实例，可以描述其他的分类者，如执行者、组件或节点。

状态图——描述一个状态机，包括状态、过渡、时间和活动。这些图最常用于对象顺序行为建模。

活动图——显示一个系统的活动，活动到活动连续流或分支流，以及执行这些活动或由这些活动产生的对象。

3　基于UML的水电厂监控系统培训仿真软件建模

针对培训仿真软件的实际情况，采用UML标准中满足培训仿真软件建模需要的建模方式实现软件建模，可以有效提高软件的易用性，使软件更加适应监控系统不断变化的业务环境。

3.1业务分析与模型分类

水电厂监控系统培训仿真软件的主要功能在于模拟水电厂现场设备的运行情况，因此建立的模型必须反应水电厂现场生产设备的物理逻辑与关系。主要模块包括：水轮机与调速系统模型、发电机模型、励磁系统模型、水循环系统模型、油循环系统模型、风系统模型、开关与刀闸模型、开关站潮流模型。这些模型需要通过建模工具描述的逻辑大致可以分为两类：

1）模型内部逻辑：激励与反馈，即根据某些输入信号，产生特定输出，如开关设备，当收到控制信号输入后，模型应根据设定判断条件是否满足，如果条件满足给出合闸信号或者分闸信号，如果条件不满足给予报警提示。

2）模型间的物理关系：描述模型对应实际设备间的物理关系，比如开关站潮流模型，需要配置开关站内机组、开关、刀闸间的连接信息。

根据培训仿真软件所需要描述的物理涵义特点，我们在UML标准中挑选配置图与活动图来实现软件建模功能。

3.2配置图建模

我们采用配置图来表达模型对应实际设备间的物理关系。部署图描述的是系统运行时的结构，展示了硬件的配置及其软件如何部署到网络结构中。部署图包含以下元素：

结点（Node）：结点是系统存在与运行时的代表，是实际资源的物理元素，以开关站潮流为例，结点可以代表开关、刀闸；

结点类型（NodeStereotypes）：结点的属性，如开关站潮流模型中，结点可能是开关、刀闸；

结点实例（NodeInstance）：结点类型实例化就形成一个具体的结点，结点类型与结点实例之间存在继承关系；

连接（Association）：结点之间的连线表示实际物理设备之间的路径，这个路径称为连接。

下面以开关站潮流模型为例，采用配置图建模组态工具，描述水电厂开关站内各个设备间的物理关系，如图1：

可以看出，配置图1中存在断路器、刀闸、地刀等类型（结点类型），用户可以在图形界面中将特定结点类型实例化（形成结点实例），然后通过线段（连接）将结点物理关系描述出来。在未使用UML建模工具前，用户需要自己将结点间物理关系形成关系矩阵，存放到文件中，作为后台程序的参数输入。一旦开关站设备进行改造，原有设备物理结构发生变化，关系矩阵的修改工作将非常复杂。在使用UML建模工具后，开关站设备间的物理关系可以方便直观的在配置图上进行修改，提高了建模工作效率，增强系统可维护性。

图1　开关站内各个设备间的物理关系

3.3活动图建模

活动图是UML用于对系统的动态行为建模的一种常用工具，它描述活动的顺序，展现从一个活动到另一个活动的控制流。活动图在本质上是一种流程图。活动图着重表现从一个活动到另一个活动的控制流，是内部处理驱动的流程。活动图包含如下元素：

活动状态：表示在工作流程中执行某个活动或步骤。

转移：表示各种活动状态的先后顺序。这种转移可称为完成转移。它不同于一般的转移，因为它不需要明显的触发器事件，而是通过完成活动（用活动状态表示）来触发。

同步：用于显示平行分支流。同步示意图使您能够显示业务用例的工作流程中的并行线程。

下面以开关设备为例，实现活动图组态工具，描述开关设备的操作逻辑，如图2所示：

图2　图形化组态界面

建模工具提供图形化组态界面，图形界面中每一个方块都是一个活动；不同逻辑下的活动放在平行的分支下，描述逻辑间的并行关系；通过活动间带箭头的连线（转移）来表达逻辑上的先后顺序。在没有提供UML建模工具前，用户需要手工修改代码以实现模型内部的逻辑，这种方式不直观，后期维护与修改非常麻烦。通过UML方式进行建模，能够清晰的表达设备内某个逻辑活动的顺序关系，提高用户易用性，降低维护成本。

3.4UML建模工具软件架构

采用基于UML的建模工具完成建模，软件结构不需要做大量的调整，只需增加相应的建模工具即可。其软件结构主要包含活动图和配置图两个模块，分别用于描述模型运行逻辑的不同方面，活动图模块包括活动管理、顺序管理和同步管理模块，分别管理UML活动图中活动所执行的操作、活动的分支与顺序关系、逻辑并行关系。配置图模块包括结点管理、连线管理，分别负责结点类型与实例化、结点间关系描述。同时提供保存、错误检查、树形索引、搜索与替换及权限等公共组件，最后制作好的UML图形可以通过统一的编译接口形成支撑平台可以加载的参数文件。支撑平台启动后，将会持续的按照参数文件中定义的活动图逻辑顺序以及配置图物理关系模拟水电厂实际设备运行情况。

4　结语

通过将UML技术应用于计算机监控系统培训仿真软件，可以显著增强系统的易用性、扩展性，使软件更加适应监控系统不断变化的业务环境，具有深远的实用价值。

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TP311

B

1672-5387（2016）08-0055-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.08.016

2016-06-29

蔡杰（1983-），男，电力工程师，主要研究方向：水电厂自动化。