基于UML的声传感器组网探测建模

龙胜各族自治县龙胜中学 刘时涛

1.引言

声传感器组网探测是数据融合系统的一个重要组成部分，它的主要目的是通过声传感器网络对低空/超低空飞行目标进行探测，以获得目标方位及属性信息[1,2]。通常情况下，单个声传感器不能准确探测目标的位置信息，通过多传感器组网，即按照一定的阵列将多个传感器布置在指定位置，这些传感器在各自的探测范围内共同探测低空/超低空目标在运动过程中产生的方位及特征信号，计算出该目标的方位角及俯仰角。同时，对接收到的声音特征信号，声传感还能利用模式识别的方式判断目标的属性特征信息，目标方位和目标属性特征信息作为目标定位的数据上报到数据融合中心。

2.传感器布阵

由于能探测目标距离的声强传感器目前的成本还比较高，常用的传感器只能对目标的方位角进行探测。为提高目标定位和跟踪的精确度，提高被动声传感器网络的抗打击和抗摧毁能力，在传感器网络布阵时，需要考虑一定的冗余度。本文采用的声传感器布阵有十字布阵和蜂窝积木式布阵两种。

2.1 十字形布阵

十字形布阵是声传感器网络实际应用中广泛采用的一种布阵方式，具有简单，直观的特点。十字形布阵方式及其有效覆盖范围如图1所示，菱形框内为每个子阵的覆盖区域，其中，颜色最深的部分有三个传感器覆盖，颜色次深部分有两个传感器覆盖。在每个十字形子阵内，任意区域的目标都有两或两个以上的传感器可以同时探测到，这将会提供目标定位和跟踪的准确度和精度。网络中任意一个传感器被破坏，所有区域仍有两个或以上的传感器覆盖，具有较强的抗打击能力。

2.2 积木式蜂窝布阵

积木式蜂窝布阵是受蜂窝通讯启发而引进的一种声音传感器网络布阵方法。若探测单元数量和相同分布密度相同，积木式蜂窝布阵的覆盖范围最大。蜂窝网的积木式结构特征，使其可按任何几何图形组网，不受防御地形限制，极提高组网的灵活性[15]。探测单元需要安放在每个蜂窝的中心和顶点。如图2所示，拥有四个探测单元覆盖的是蜂窝中最黑的部分，拥有三个探测单元覆盖的是蜂窝中较黑的部分，即至少有三个探测单元覆盖蜂窝内，就算是其中任意两个探测单元发生故障的情况下，蜂窝内的任何一点也可由至少有一个探测单元覆盖，预警网的冗余度和融合精度得到了极大地提高。

图1 十字形布阵及有效覆盖范围

图2 积木式蜂窝布阵及有效覆盖范围

3.UML系统建模

3.1 UML语言

UML（Unified Modeling Language，统一建模语言）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[3]。其融入软件工程领域的新思想、新方法和新技术，其作用域也不限于支持面向对象的分析与设计，支持包括需求分析在内的软件开发的全过程。

UML建模过程通常分为5个阶段。

需求分析阶段：捕捉系统功能要求是建模的目的，分析、提取开发系统“客观世界”领域的类以，描述其合作特性。

系统建模阶段：通过对实现环境的考虑建模，将分析阶段的模型扩展和转化为可行的技术实现方案。

编程实现阶段：进行编码的同时，对已构造模型作相应修正。

模型配置阶段：模型描述所开发系统软硬件配置的情况。

测试运行阶段：使用前几个阶段所构造的模型来指导和协助后面的测试工作。

使用UML在系统开发的不同阶段为系统建模，可从不同的视角，不同的详略程度建立不同模型进行描述系统。UML从不同应用层次和不同角度提供的九种视图，有力支持系统分析、设计直到实现。不同阶段对应建立不同模型，建模的目的自然也就各不相同。

3.2 系统动态行为建模

系统的动态行为模型由顺序图、合作图和活动图表达。

顺序图是用来描述对象之间动态交互的关系示意图，对象间消息传递的时间顺序是其重点体现之一。顺序图由参与者(Actor)、对象(Object)、消息(Message)、生命周期(Lifeline)和控制源(Focus of control)组成。

顺序图具有两个轴：水平轴表示不同对象，垂直轴表示时间。带有垂直虚线的矩形框表示对象，标有对象名和类名。垂直虚线是对象的生命线，表示在某段时间内对象的存在。通过在对象的生命线间画消息来表示对象间的通信。消息的类型由消息的箭头来指明。收到消息后，接收对象立即执行活动，也就是对象被激活[4]。

合作图就是用来描述相互合作对象间的交互和链接关系。活动者(Actor)、对象(Object)、连接(Link)和消息(Message)共同组成合作图。顺序图和合作图都被用来描述对象间的交互关系，但是其侧重点各有不同。着重体现交互时间顺序的是顺序图，着重体现交互对象间的静态链接关系的则是合作图。

合作图不仅可以直接表现操作的实现，也可用来表示整个类的实现，它表示用来实现类的所有操作语境，从而使得对象在不同操作中可以担当多种角色。合作图通过描述对象所有操作的合作的联合来构造[5]。图3委用户添加目标合作图。

图3 用户添加目标合作图

活动图根据目标对象的状态变化来捕获目标活动之间的结果。起始状态(Start state)、终止状态(End state)、状态转移(State transition)、决策(Decision)、守护条件、同步棒(Synchronization bar)和泳道(Swim lane)共同组成活动图[4]。

起始状态用实心圆点表示活动图上工作流程的开始，一个图中只有一个起始状态。终止状态用实心圆点外加小圆圈来表示活动图的最后和终结状态，一个图中可以有0个或多个终止状态。动作用圆角四边形表示，其内部的文本串用来说明采取的动作。动作间的转移用带有箭头的实线来表示，守护条件、发送短句和动作表达式等标在箭头上。守护条件用来约束转移，只有当条件为真时，转移才可以开始。决策点用菱形符号表示，进入转移的决策符可以一个或者多个，发生转移的是带有两个或两个以上的守护条件。一个转移可被分解为两个或两个以上的转移，从而导致并发动作。在合并之前，所有的并行转移必须被执行。同步棒用粗黑线表示，可表示将转移分解为多个分支，同样也可表示分支的合并。

在被动声传感器网络模拟系统中，当需要进行传感器布阵时系统首先必须加载电子地图，在地图层进行航迹创建和传感器布阵，所有在视图区域的图形也具有与地图同步缩放功能。

图4 传感器布阵的活动图

4.结论

本文首先针对声传感器网络相关理论和技术进行了研究和介绍，接着运用UML语言对声传感器组网探测系统进行系统分析，建立了动态行为模型。最后，按照UML语言对系统建模的分析和设计结果，对系统类图中的类和顺序图进行了详细实现，进而实现了声传感器探测组网的系统建模。

[1]王耀南,李树涛．多传感器信息融合及其应用综述[J]．控制与决策,2001,16(5)∶518-522．

[2]刘志军,金蓓弘．软件体系结构设计技术及其应用[J]．计算机工程与设计,2002,23(6)∶45-49．

[3]安建伟．基于UML的软件系统建模研究[D]．西南交通大学硕士学位论文,2002．

[4]王文豪．销售管理系统的UML分析与设计[D]．淮阴工学院硕士学位论文,2005

[5]何佳洲,潘冠华,袁富宇．单平台多传感器数据融合系统的设计与实现[J]．火力与指挥控制,2002,27(2)．47-51．