论软件架构建模技术与应用
摘要：2010年，我参加了湖南辰州矿业的污水监控平台的开发，在这个项目中，我担任系统设计和开发的工作。这个系统主要是对辰州矿业的排污进行数据采集，实时监控，超标报警，数据统计和管理。本文结合作者的实践，以辰州矿业监控平台弟弟系统架构建模为例，论述了4+1视图模型在工作中的运用。本论文先介绍4+1模型，然后结合我参与项目的实际情况，详细说明在这次项目中所涉及的软件架构，最后是分析该项目取得实践效果。
正文
软件架构用来处理软件高层次结构的设计与实施，它以精心选择的形式将若干结构元素进行装配，从而满足系统的主要功能和性能需求。软件架构设计的首要问题是如何表示系统架构，即如何对软件架构建模。根据建模的侧重点不同，可以将软件架构模型分为结构模型，框架模型，动态模型，过程模型和功能模型。Kruchten于1995年提出了4+1视图模型，将这5种模型有机的结合了一起。
4+1视图模型分为为：逻辑视图，物理视图，场景，进程视图和开发视图。逻辑视图，主要是支持系统的功能需求，即体现了系统提供一个什么样的服务。在逻辑视图中，系统分解成一系列的功能抽象，这些抽象主要来自于功能域.在OO技术中主要是通过类的继承，封装和抽象，用类图来描述逻辑视图。物理视图，即软件如何映射到硬件上，它通常考虑的是系统的拓扑结构，系统安装和通信等问题。场景，将4种视图有机的联系起来，在UML中一般用用例图来表示。进程视图，体现了系统在运行中表现出来的特性，如分布性，并发性和容错能力，系统集成性。它定义了逻辑视图的各个类操作具体是在哪一个线程中执行的。开发视图，主要描述系统的组织，与逻辑视图精密相关，在UML中对应的是实现图。其中用户对应的是逻辑视图，开发人员对应的是开发视图，系统工程师对应的是物理视图，系统集成工程师对应的是进程视图。
辰州矿业监控平台是一个对矿业排污进行数据采集，根据集团领导的需求：公司的监测人员能够随时监测排污的数据，当污染数据超标时能够即时通知相关的负责人员，能够查询历史的排污数据记录，管理员能够通过工控机操作并管理各个数据采集仪。经过我们的分析，结合需求，我们做了如下设计：系统由B/S和C/S两部分组成。其中B/S主要的功能包括：实时污染数据的监测和显示，数据统计和管理，超标报警等，由矿业的PC客户端浏览器和应用服务器，数据库服务器组成。C/S的主要功能包括：控制数据采集仪器，进行数据采集，将采集的污染数据持久化，实时污染数据的显示等，由工控机，数据采集仪，和数据库服务器组成。
在这次系统架构建模的工作中，我们用到的建模工具是Microsoft Visio,用到的架构描述语言是UML,结合项目的实际情况，用4+1视图模型进行建模：
1.对情景进行建模：经过我们的分析，结合客户的需求，在这个系统中有两类角色，一类是矿业集团办公室的负责排污监测的各位工作人员，即用户类，他们一般会进行排污的数据查询工作，另外当排污超标时，系统会进行报警并通知。另外一类是矿业监控室的管理人员，他们一般在现场值班，负责对数据采集仪和工控机进行管理，监测各项排污数据，和进行排污数据的维护工作。所以系统的主要用例有如下几个：数据查询，超标报警，数据实时显示，数据采集，数据维护。用例图如下所示：
2.对逻辑视图进行建模：在这个系统中，我们用UML的包图来描述逻辑视图，经过我们的分析，在C/S部分，工控机和数据采集仪之间进行如下职责划分：
* 应用层负责设备状态的显示，并提供模拟控制台供用户发送调试命令。
* 应用层使用通讯层和嵌入层进行交互，但应用层不知道通讯的细节。
* 通讯层负责在SOCKETC协议之上实现一套专用的"应用协议"。
* 当应用层发送来包含调试指令的协议包，由通讯层负责按SOCKET协议将之传递给嵌入层。
* 当嵌入层发送来原始数据，由通讯层将之解释成应用协议包发送给应用层。
* 嵌入层负责对调试设备的具体控制，以及高频度地从数据采集器读取设备状态数据。
* 设备控制指令的物理规格被封装在嵌入层内部，读取数采器的具体细节也被封装在嵌入层内部。
在B/S部分，客户端PC和应用服务器进行如下职责划分：表现层，逻辑业务层和数据访问层。
3.对物理视图进行建模：我们用UML的部署图来描述进程视图，对系统的拓扑结构和通信进行描述。整个系统分为B/S和C/S两部分，B/S中的客户PC端和应用服务器，应用服务器和数据库服务器都通过局域网进行连接。C/S中工控机和数据库服务器通过局域网进行连接，工控机和采集仪通过数据专线进行连接，工控机和采集仪之间采用串口SOCKET通信，工控机和数据库采集仪之间通过TCP/IP进行通信，客户PC端和应用服务器通过HTTP进行通信。部署图如下图所示：
4.对进程视图进行建模：在C/S部分，表示层分为三类线程：数据持久化线程，数据显示线程和采集控制线程，分别用来对数据进行持久化，图形的显示，以及对采集仪进行控制，进行数据的采集。对应的UML建模图如下所以：
通过对4+1视图的情景，逻辑视图和物理视图建模，分别从系统提供的服务和功能，系统的网络拓扑结构和通信进行了建模，对系统进行了详细的分析，为系统的设计和接下来的项目开发提供了有力的支持。