基于UML的聲傳感器組網探測建模

龍勝各族自治縣龍勝中學 劉時濤

1.引言

聲傳感器組網探測是數據融合系統的一個重要組成部分，它的主要目的是通過聲傳感器網絡對低空/超低空飛行目標進行探測，以獲得目標方位及屬性信息[1,2]。通常情況下，單個聲傳感器不能準確探測目標的位置信息，通過多傳感器組網，即按照一定的陣列將多個傳感器布置在指定位置，這些傳感器在各自的探測范圍內共同探測低空/超低空目標在運動過程中產生的方位及特征信號，計算出該目標的方位角及俯仰角。同時，對接收到的聲音特征信號，聲傳感還能利用模式識別的方式判斷目標的屬性特征信息，目標方位和目標屬性特征信息作為目標定位的數據上報到數據融合中心。

2.傳感器布陣

由于能探測目標距離的聲強傳感器目前的成本還比較高，常用的傳感器只能對目標的方位角進行探測。為提高目標定位和跟蹤的精確度，提高被動聲傳感器網絡的抗打擊和抗摧毀能力，在傳感器網絡布陣時，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絡實際應用中廣泛采用的一種布陣方式，具有簡單，直觀的特點。十字形布陣方式及其有效覆蓋范圍如圖1所示，菱形框內為每個子陣的覆蓋區域，其中，顏色最深的部分有三個傳感器覆蓋，顏色次深部分有兩個傳感器覆蓋。在每個十字形子陣內，任意區域的目標都有兩或兩個以上的傳感器可以同時探測到，這將會提供目標定位和跟蹤的準確度和精度。網絡中任意一個傳感器被破壞，所有區域仍有兩個或以上的傳感器覆蓋，具有較強的抗打擊能力。

2.2 積木式蜂窩布陣

積木式蜂窩布陣是受蜂窩通訊啟發而引進的一種聲音傳感器網絡布陣方法。若探測單元數量和相同分布密度相同，積木式蜂窩布陣的覆蓋范圍最大。蜂窩網的積木式結構特征，使其可按任何幾何圖形組網，不受防御地形限制，極提高組網的靈活性[15]。探測單元需要安放在每個蜂窩的中心和頂點。如圖2所示，擁有四個探測單元覆蓋的是蜂窩中最黑的部分，擁有三個探測單元覆蓋的是蜂窩中較黑的部分，即至少有三個探測單元覆蓋蜂窩內，就算是其中任意兩個探測單元發生故障的情況下，蜂窩內的任何一點也可由至少有一個探測單元覆蓋，預警網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系統建模

3.1 UML語言

UML（Unified Modeling Language，統一建模語言）是一種定義良好、易于表達、功能強大且普遍適用的建模語言[3]。其融入軟件工程領域的新思想、新方法和新技術，其作用域也不限于支持面向對象的分析與設計，支持包括需求分析在內的軟件開發的全過程。

UML建模過程通常分為5個階段。

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

系統建模階段：通過對實現環境的考慮建模，將分析階段的模型擴展和轉化為可行的技術實現方案。

編程實現階段：進行編碼的同時，對已構造模型作相應修正。

模型配置階段：模型描述所開發系統軟硬件配置的情況。

測試運行階段：使用前幾個階段所構造的模型來指導和協助后面的測試工作。

使用UML在系統開發的不同階段為系統建模，可從不同的視角，不同的詳略程度建立不同模型進行描述系統。UML從不同應用層次和不同角度提供的九種視圖，有力支持系統分析、設計直到實現。不同階段對應建立不同模型，建模的目的自然也就各不相同。

3.2 系統動態行為建模

系統的動態行為模型由順序圖、合作圖和活動圖表達。

順序圖是用來描述對象之間動態交互的關系示意圖，對象間消息傳遞的時間順序是其重點體現之一。順序圖由參與者(Actor)、對象(Object)、消息(Message)、生命周期(Lifeline)和控制源(Focus of control)組成。

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

合作圖就是用來描述相互合作對象間的交互和鏈接關系。活動者(Actor)、對象(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象間的交互關系，但是其側重點各有不同。著重體現交互時間順序的是順序圖，著重體現交互對象間的靜態鏈接關系的則是合作圖。

合作圖不僅可以直接表現操作的實現，也可用來表示整個類的實現，它表示用來實現類的所有操作語境，從而使得對象在不同操作中可以擔當多種角色。合作圖通過描述對象所有操作的合作的聯合來構造[5]。圖3委用戶添加目標合作圖。

圖3 用戶添加目標合作圖

活動圖根據目標對象的狀態變化來捕獲目標活動之間的結果。起始狀態(Start state)、終止狀態(End state)、狀態轉移(State transition)、決策(Decision)、守護條件、同步棒(Synchronization bar)和泳道(Swim lane)共同組成活動圖[4]。

起始狀態用實心圓點表示活動圖上工作流程的開始，一個圖中只有一個起始狀態。終止狀態用實心圓點外加小圓圈來表示活動圖的最后和終結狀態，一個圖中可以有0個或多個終止狀態。動作用圓角四邊形表示，其內部的文本串用來說明采取的動作。動作間的轉移用帶有箭頭的實線來表示，守護條件、發送短句和動作表達式等標在箭頭上。守護條件用來約束轉移，只有當條件為真時，轉移才可以開始。決策點用菱形符號表示，進入轉移的決策符可以一個或者多個，發生轉移的是帶有兩個或兩個以上的守護條件。一個轉移可被分解為兩個或兩個以上的轉移，從而導致并發動作。在合并之前，所有的并行轉移必須被執行。同步棒用粗黑線表示，可表示將轉移分解為多個分支，同樣也可表示分支的合并。

在被動聲傳感器網絡模擬系統中，當需要進行傳感器布陣時系統首先必須加載電子地圖，在地圖層進行航跡創建和傳感器布陣，所有在視圖區域的圖形也具有與地圖同步縮放功能。

圖4 傳感器布陣的活動圖

4.結論

本文首先針對聲傳感器網絡相關理論和技術進行了研究和介紹，接著運用UML語言對聲傳感器組網探測系統進行系統分析，建立了動態行為模型。最后，按照UML語言對系統建模的分析和設計結果，對系統類圖中的類和順序圖進行了詳細實現，進而實現了聲傳感器探測組網的系統建模。

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

[2]劉志軍,金蓓弘．軟件體系結構設計技術及其應用[J]．計算機工程與設計,2002,23(6)∶45-49．

[3]安建偉．基于UML的軟件系統建模研究[D]．西南交通大學碩士學位論文,2002．

[4]王文豪．銷售管理系統的UML分析與設計[D]．淮陰工學院碩士學位論文,2005

[5]何佳洲,潘冠華,袁富宇．單平臺多傳感器數據融合系統的設計與實現[J]．火力與指揮控制,2002,27(2)．47-51．