基于抽象規(guī)則的溫室蔬菜UML 建模研究

王勇，姜懿芮，徐志穎，姜俊

（1.駐馬店市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，河南駐馬店 463000；2.鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院，河南鄭州 450002；3.鄭州大學(xué)國際學(xué)院，河南鄭州 450002）

20 世紀(jì)90 年代以來，設(shè)施農(nóng)業(yè)在我國發(fā)展迅速，特別是節(jié)能日光溫室蔬菜種植面積一直在擴(kuò)大。隨著智能農(nóng)業(yè)信息技術(shù)在溫室蔬菜生產(chǎn)中的應(yīng)用，設(shè)施農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化步伐加快[1-2]。對(duì)日光溫室蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行智能化建模管理，建立統(tǒng)一建模語言（UML）模型，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)蔬菜從種到收的全程智能化控制，為智能化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)開辟新的路徑，推動(dòng)精準(zhǔn)設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展[3-6]。

溫室系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要由蔬菜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、溫室大棚視頻監(jiān)控系統(tǒng)、溫室大棚遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)等組成[7-8]，且在智能化建模過程中，不同的子模塊中存在不一致的問題，因此探究溫室蔬菜系統(tǒng)智能化建模存在的問題，對(duì)模型進(jìn)行檢測，處理模型中的一致性問題顯得尤為重要，目前這方面的研究較少[10-12]，這對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展極為不利。鑒于此，本文研究了日光溫室蔬菜系統(tǒng)的模型檢測原理，利用抽象規(guī)則實(shí)現(xiàn)了溫室蔬菜系統(tǒng)的檢測，以期解決日光溫室蔬菜系統(tǒng)建模中出現(xiàn)的各類問題，使得模型建立更加高效、便捷。

1 檢測原理與方法

模型檢測研究基于統(tǒng)一建模語言（UML），在一個(gè)項(xiàng)目下的不同UML 圖中的相關(guān)信息應(yīng)該是一致的。在模型驅(qū)動(dòng)工程（MDE）中，需要檢測圖表以及圖與圖之間的一致性。對(duì)于給定的軟件項(xiàng)目提出要求，在日光溫室蔬菜系統(tǒng)模型中，設(shè)計(jì)出兩個(gè)不同溫室嵌入式系統(tǒng)的UML 用例圖（見圖1）和UML 活動(dòng)圖（見圖2）。在溫室用例圖1 中，用于描述蔬菜R 的信息（INFO1）；在溫室活動(dòng)圖2 中，控制模塊（CMod）用于描述R 的信息傳遞（INFO1）。

智能化的模型中，各種模塊系統(tǒng)出現(xiàn)的內(nèi)容不一致，需要檢測這些不一致的內(nèi)容，并且力爭減少這些不一致。如果一個(gè)系統(tǒng)是龐大而復(fù)雜的，圖表可能會(huì)非常大。模型轉(zhuǎn)換是MDE 的重要組成部分。UML 類圖的抽象規(guī)則是將低級(jí)類圖轉(zhuǎn)換為高級(jí)類圖。大多數(shù)現(xiàn)有模型抽象方法適用于用戶決定的幾個(gè)關(guān)鍵場景。根據(jù)對(duì)模型中實(shí)體重要性的理解，利用這些關(guān)鍵實(shí)體表示其他實(shí)體，然后通過關(guān)系抽象實(shí)現(xiàn)模型的抽象。

2 日光溫室蔬菜系統(tǒng)的抽象規(guī)則

在日光溫室蔬菜系統(tǒng)中，得到兩個(gè)環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)之間的直接關(guān)系，需要通過抽象規(guī)則分析這兩組數(shù)據(jù)之間的路徑。日光溫室蔬菜系統(tǒng)UML 模型圖使用分類器抽象的方法，利用關(guān)系抽象規(guī)則抽象類圖中的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)兩種關(guān)系之間的聯(lián)系，將兩種關(guān)系抽象為一種關(guān)系。關(guān)系抽象使用規(guī)則抽象類圖，將低層類圖抽象為高層類圖。

關(guān)系抽象和分類器抽象的語法。分類器抽象的語法如P1：[類×（關(guān)系）×類→類]。例如，如果在日光溫室蔬菜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和溫室傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，根據(jù)語法的關(guān)系，可以將場景抽象為類（蔬菜數(shù)據(jù)A）。關(guān)系抽象的語法是P2：[（關(guān)系）×類×（關(guān)系）→關(guān)系]。根據(jù)溫室傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，如果在情景中環(huán)境溫度數(shù)據(jù)和光照數(shù)據(jù)有關(guān)系，蔬菜大棚管理人員和種植戶有關(guān)系。描述蔬菜、溫室蔬菜和日光溫室蔬菜之間的關(guān)系，日光溫室蔬菜是一種溫室蔬菜，溫室蔬菜是一種蔬菜。日光溫室蔬菜系統(tǒng)的場景描述為S1：[蔬菜×（泛化）×溫室蔬菜×（泛化）×日光溫室蔬菜]。在圖3 中，通過使用分類器語法：[日光溫室蔬菜×（泛化）×溫室蔬菜→蔬菜]，抽象了日光溫室蔬菜系統(tǒng)的場景S1，得到了描述日光溫室蔬菜和溫室蔬菜的抽象場景，根據(jù)關(guān)系抽象規(guī)則：[（泛化）×類×（泛化）→泛化]，我們得到泛化關(guān)系。最后將可以得到描述人類和動(dòng)物的抽象場景，根據(jù)關(guān)系抽象規(guī)則：[蔬菜×（泛化）×溫室蔬菜]，關(guān)系抽象意味著模型通過關(guān)系抽象規(guī)則而不是分類器抽象規(guī)則進(jìn)行抽象。關(guān)系抽象用于獲得類圖的高級(jí)抽象，而分類器抽象用于抽象路徑。

圖4 中的上半部分表示了日光溫室蔬菜系統(tǒng)分類器抽象的輸入和輸出。圖4 中上部匹配了日光溫室蔬菜系統(tǒng)分類器抽象P1 的語法：[類蔬菜溫度數(shù)據(jù)×（關(guān)聯(lián)）×類蔬菜光照數(shù)據(jù)→類]。圖中下半部分表示關(guān)系的輸入和輸出，與日光溫室蔬菜系統(tǒng)下部匹配關(guān)系抽象語法P2：[（關(guān)聯(lián)）×蔬菜溫度數(shù)據(jù)×（關(guān)聯(lián)）→關(guān)聯(lián)]，如果輸入[（關(guān)聯(lián)1）×類蔬菜溫度數(shù)據(jù)×（關(guān)聯(lián)2）]，輸出是關(guān)聯(lián)1 或關(guān)聯(lián)2。關(guān)系抽象輸出依賴于關(guān)系抽象規(guī)則。

3 日光溫室蔬菜系統(tǒng)的檢測

在日光溫室蔬菜系統(tǒng)中以迭代的方法應(yīng)用規(guī)則，得到最終的可能性不是最大的，因此需要找出新的允許順序獲得最大的可靠性，在允許的兩個(gè)規(guī)則后，有兩個(gè)執(zhí)行命令。首先運(yùn)行第一個(gè)規(guī)則或第二個(gè)規(guī)則，導(dǎo)致兩個(gè)不同的執(zhí)行命令，不同的執(zhí)行順序可能導(dǎo)致不同的結(jié)果，圖5中顯示了兩個(gè)執(zhí)行命令，下半部分顯示了第一個(gè)執(zhí)行順序，圖5 中的執(zhí)行規(guī)則：[（關(guān)聯(lián)A）×溫室蔬菜數(shù)據(jù)×（關(guān)聯(lián)B）equals 關(guān)聯(lián)D1]，完成規(guī)則[（關(guān)聯(lián)D1）×溫室蔬菜數(shù)據(jù)×（關(guān)聯(lián)C）equals 關(guān)聯(lián)E1]，其次是類溫室蔬菜光照數(shù)據(jù)和類溫室蔬菜溫度數(shù)據(jù)的最終關(guān)系是關(guān)聯(lián)E1，關(guān)聯(lián)E1 的可靠性是FinalReliabilitya。圖的上半部分顯示了第二個(gè)執(zhí)行順序，執(zhí)行應(yīng)用順序[（關(guān)聯(lián)B）×溫室蔬菜數(shù)據(jù)×（關(guān)聯(lián)C）equals 關(guān)聯(lián)D2]，應(yīng)用規(guī)則是[（關(guān)聯(lián)A）×溫室蔬菜數(shù)據(jù)×（關(guān)聯(lián)D2）equals 關(guān)聯(lián)E2]。溫室溫度數(shù)據(jù)和光照數(shù)據(jù)之間的執(zhí)行順序是關(guān)聯(lián)E2，可靠性是FinalReliabilityb，關(guān)聯(lián)E1 和E2 是不同的，如果關(guān)聯(lián)E1關(guān)聯(lián)E2，則路徑包含關(guān)系不一致，如果Final Reliability a≠Final Reliability b，則路徑包含可靠性不一致。

4 結(jié)論

日光溫室蔬菜系統(tǒng)智能化模型中，各種模塊系統(tǒng)出現(xiàn)內(nèi)容不一致，需要檢測這些不一致的內(nèi)容，并且需要減少不一致的存在。首先對(duì)模型抽象進(jìn)行分析，然后構(gòu)建抽象規(guī)則，對(duì)UML 靜態(tài)圖和動(dòng)態(tài)圖進(jìn)行實(shí)體一致性檢測。并利用關(guān)系抽象規(guī)則，實(shí)現(xiàn)關(guān)系的檢測。本文首先介紹模型檢測的原理，對(duì)UML 模型進(jìn)行分類，分析模型抽象。針對(duì)UML 模型中出現(xiàn)的不一致問題，提出基于抽象規(guī)則的UML 模型一致性檢測的方法，定義了關(guān)系抽象的規(guī)則，發(fā)現(xiàn)UML 圖中的循環(huán)經(jīng)常導(dǎo)致問題，循環(huán)問題包含關(guān)系不一致、完整性問題和關(guān)系冗余。研究了如何檢測關(guān)系不一致、關(guān)系完整性和關(guān)系冗余等問題以及如何解決這些問題。理論分析和驗(yàn)證試驗(yàn)表明，本文提出的基于抽象規(guī)則的UML 模型檢測的方法，能準(zhǔn)確識(shí)別UML 模型中存在的不一致問題，具有較高的檢測效率。