基于UML的聲傳感器組網(wǎng)探測建模

龍勝各族自治縣龍勝中學(xué) 劉時(shí)濤

1.引言

聲傳感器組網(wǎng)探測是數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，它的主要目的是通過聲傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)低空/超低空飛行目標(biāo)進(jìn)行探測，以獲得目標(biāo)方位及屬性信息[1,2]。通常情況下，單個(gè)聲傳感器不能準(zhǔn)確探測目標(biāo)的位置信息，通過多傳感器組網(wǎng)，即按照一定的陣列將多個(gè)傳感器布置在指定位置，這些傳感器在各自的探測范圍內(nèi)共同探測低空/超低空目標(biāo)在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的方位及特征信號(hào)，計(jì)算出該目標(biāo)的方位角及俯仰角。同時(shí)，對(duì)接收到的聲音特征信號(hào)，聲傳感還能利用模式識(shí)別的方式判斷目標(biāo)的屬性特征信息，目標(biāo)方位和目標(biāo)屬性特征信息作為目標(biāo)定位的數(shù)據(jù)上報(bào)到數(shù)據(jù)融合中心。

2.傳感器布陣

由于能探測目標(biāo)距離的聲強(qiáng)傳感器目前的成本還比較高，常用的傳感器只能對(duì)目標(biāo)的方位角進(jìn)行探測。為提高目標(biāo)定位和跟蹤的精確度，提高被動(dòng)聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的抗打擊和抗摧毀能力，在傳感器網(wǎng)絡(luò)布陣時(shí)，需要考慮一定的冗余度。本文采用的聲傳感器布陣有十字布陣和蜂窩積木式布陣兩種。

2.1 十字形布陣

十字形布陣是聲傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)際應(yīng)用中廣泛采用的一種布陣方式，具有簡單，直觀的特點(diǎn)。十字形布陣方式及其有效覆蓋范圍如圖1所示，菱形框內(nèi)為每個(gè)子陣的覆蓋區(qū)域，其中，顏色最深的部分有三個(gè)傳感器覆蓋，顏色次深部分有兩個(gè)傳感器覆蓋。在每個(gè)十字形子陣內(nèi)，任意區(qū)域的目標(biāo)都有兩或兩個(gè)以上的傳感器可以同時(shí)探測到，這將會(huì)提供目標(biāo)定位和跟蹤的準(zhǔn)確度和精度。網(wǎng)絡(luò)中任意一個(gè)傳感器被破壞，所有區(qū)域仍有兩個(gè)或以上的傳感器覆蓋，具有較強(qiáng)的抗打擊能力。

2.2 積木式蜂窩布陣

積木式蜂窩布陣是受蜂窩通訊啟發(fā)而引進(jìn)的一種聲音傳感器網(wǎng)絡(luò)布陣方法。若探測單元數(shù)量和相同分布密度相同，積木式蜂窩布陣的覆蓋范圍最大。蜂窩網(wǎng)的積木式結(jié)構(gòu)特征，使其可按任何幾何圖形組網(wǎng)，不受防御地形限制，極提高組網(wǎng)的靈活性[15]。探測單元需要安放在每個(gè)蜂窩的中心和頂點(diǎn)。如圖2所示，擁有四個(gè)探測單元覆蓋的是蜂窩中最黑的部分，擁有三個(gè)探測單元覆蓋的是蜂窩中較黑的部分，即至少有三個(gè)探測單元覆蓋蜂窩內(nèi)，就算是其中任意兩個(gè)探測單元發(fā)生故障的情況下，蜂窩內(nèi)的任何一點(diǎn)也可由至少有一個(gè)探測單元覆蓋，預(yù)警網(wǎng)的冗余度和融合精度得到了極大地提高。

圖1 十字形布陣及有效覆蓋范圍

圖2 積木式蜂窩布陣及有效覆蓋范圍

3.UML系統(tǒng)建模

3.1 UML語言

UML（Unified Modeling Language，統(tǒng)一建模語言）是一種定義良好、易于表達(dá)、功能強(qiáng)大且普遍適用的建模語言[3]。其融入軟件工程領(lǐng)域的新思想、新方法和新技術(shù)，其作用域也不限于支持面向?qū)ο蟮姆治雠c設(shè)計(jì)，支持包括需求分析在內(nèi)的軟件開發(fā)的全過程。

UML建模過程通常分為5個(gè)階段。

需求分析階段：捕捉系統(tǒng)功能要求是建模的目的，分析、提取開發(fā)系統(tǒng)“客觀世界”領(lǐng)域的類以，描述其合作特性。

系統(tǒng)建模階段：通過對(duì)實(shí)現(xiàn)環(huán)境的考慮建模，將分析階段的模型擴(kuò)展和轉(zhuǎn)化為可行的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案。

編程實(shí)現(xiàn)階段：進(jìn)行編碼的同時(shí)，對(duì)已構(gòu)造模型作相應(yīng)修正。

模型配置階段：模型描述所開發(fā)系統(tǒng)軟硬件配置的情況。

測試運(yùn)行階段：使用前幾個(gè)階段所構(gòu)造的模型來指導(dǎo)和協(xié)助后面的測試工作。

使用UML在系統(tǒng)開發(fā)的不同階段為系統(tǒng)建模，可從不同的視角，不同的詳略程度建立不同模型進(jìn)行描述系統(tǒng)。UML從不同應(yīng)用層次和不同角度提供的九種視圖，有力支持系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)直到實(shí)現(xiàn)。不同階段對(duì)應(yīng)建立不同模型，建模的目的自然也就各不相同。

3.2 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為建模

系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為模型由順序圖、合作圖和活動(dòng)圖表達(dá)。

順序圖是用來描述對(duì)象之間動(dòng)態(tài)交互的關(guān)系示意圖，對(duì)象間消息傳遞的時(shí)間順序是其重點(diǎn)體現(xiàn)之一。順序圖由參與者(Actor)、對(duì)象(Object)、消息(Message)、生命周期(Lifeline)和控制源(Focus of control)組成。

順序圖具有兩個(gè)軸：水平軸表示不同對(duì)象，垂直軸表示時(shí)間。帶有垂直虛線的矩形框表示對(duì)象，標(biāo)有對(duì)象名和類名。垂直虛線是對(duì)象的生命線，表示在某段時(shí)間內(nèi)對(duì)象的存在。通過在對(duì)象的生命線間畫消息來表示對(duì)象間的通信。消息的類型由消息的箭頭來指明。收到消息后，接收對(duì)象立即執(zhí)行活動(dòng)，也就是對(duì)象被激活[4]。

合作圖就是用來描述相互合作對(duì)象間的交互和鏈接關(guān)系?；顒?dòng)者(Actor)、對(duì)象(Object)、連接(Link)和消息(Message)共同組成合作圖。順序圖和合作圖都被用來描述對(duì)象間的交互關(guān)系，但是其側(cè)重點(diǎn)各有不同。著重體現(xiàn)交互時(shí)間順序的是順序圖，著重體現(xiàn)交互對(duì)象間的靜態(tài)鏈接關(guān)系的則是合作圖。

合作圖不僅可以直接表現(xiàn)操作的實(shí)現(xiàn)，也可用來表示整個(gè)類的實(shí)現(xiàn)，它表示用來實(shí)現(xiàn)類的所有操作語境，從而使得對(duì)象在不同操作中可以擔(dān)當(dāng)多種角色。合作圖通過描述對(duì)象所有操作的合作的聯(lián)合來構(gòu)造[5]。圖3委用戶添加目標(biāo)合作圖。

圖3 用戶添加目標(biāo)合作圖

活動(dòng)圖根據(jù)目標(biāo)對(duì)象的狀態(tài)變化來捕獲目標(biāo)活動(dòng)之間的結(jié)果。起始狀態(tài)(Start state)、終止?fàn)顟B(tài)(End state)、狀態(tài)轉(zhuǎn)移(State transition)、決策(Decision)、守護(hù)條件、同步棒(Synchronization bar)和泳道(Swim lane)共同組成活動(dòng)圖[4]。

起始狀態(tài)用實(shí)心圓點(diǎn)表示活動(dòng)圖上工作流程的開始，一個(gè)圖中只有一個(gè)起始狀態(tài)。終止?fàn)顟B(tài)用實(shí)心圓點(diǎn)外加小圓圈來表示活動(dòng)圖的最后和終結(jié)狀態(tài)，一個(gè)圖中可以有0個(gè)或多個(gè)終止?fàn)顟B(tài)。動(dòng)作用圓角四邊形表示，其內(nèi)部的文本串用來說明采取的動(dòng)作。動(dòng)作間的轉(zhuǎn)移用帶有箭頭的實(shí)線來表示，守護(hù)條件、發(fā)送短句和動(dòng)作表達(dá)式等標(biāo)在箭頭上。守護(hù)條件用來約束轉(zhuǎn)移，只有當(dāng)條件為真時(shí)，轉(zhuǎn)移才可以開始。決策點(diǎn)用菱形符號(hào)表示，進(jìn)入轉(zhuǎn)移的決策符可以一個(gè)或者多個(gè)，發(fā)生轉(zhuǎn)移的是帶有兩個(gè)或兩個(gè)以上的守護(hù)條件。一個(gè)轉(zhuǎn)移可被分解為兩個(gè)或兩個(gè)以上的轉(zhuǎn)移，從而導(dǎo)致并發(fā)動(dòng)作。在合并之前，所有的并行轉(zhuǎn)移必須被執(zhí)行。同步棒用粗黑線表示，可表示將轉(zhuǎn)移分解為多個(gè)分支，同樣也可表示分支的合并。

在被動(dòng)聲傳感器網(wǎng)絡(luò)模擬系統(tǒng)中，當(dāng)需要進(jìn)行傳感器布陣時(shí)系統(tǒng)首先必須加載電子地圖，在地圖層進(jìn)行航跡創(chuàng)建和傳感器布陣，所有在視圖區(qū)域的圖形也具有與地圖同步縮放功能。

圖4 傳感器布陣的活動(dòng)圖

4.結(jié)論

本文首先針對(duì)聲傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)理論和技術(shù)進(jìn)行了研究和介紹，接著運(yùn)用UML語言對(duì)聲傳感器組網(wǎng)探測系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)分析，建立了動(dòng)態(tài)行為模型。最后，按照UML語言對(duì)系統(tǒng)建模的分析和設(shè)計(jì)結(jié)果，對(duì)系統(tǒng)類圖中的類和順序圖進(jìn)行了詳細(xì)實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了聲傳感器探測組網(wǎng)的系統(tǒng)建模。

[1]王耀南,李樹濤．多傳感器信息融合及其應(yīng)用綜述[J]．控制與決策,2001,16(5)∶518-522．

[2]劉志軍,金蓓弘．軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)及其應(yīng)用[J]．計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2002,23(6)∶45-49．

[3]安建偉．基于UML的軟件系統(tǒng)建模研究[D]．西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文,2002．

[4]王文豪．銷售管理系統(tǒng)的UML分析與設(shè)計(jì)[D]．淮陰工學(xué)院碩士學(xué)位論文,2005

[5]何佳洲,潘冠華,袁富宇．單平臺(tái)多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．火力與指揮控制,2002,27(2)．47-51．