基于UML的换热器CAD系统的分析与设计

　　众所周知，换热器广泛应用于石油、化工、动力、原子能等多种工业部门，现代工业的高速发展产生了对换热器的大量需求，对换热器的设计效率提出了较高的要求。以往的换热器CAD由于技术上的限制，在人机交互、零部件图、计算说明书、材料单及报价单方面，或者不够全面，或者人机交互困难，难以令人i两意。

　　因此，本文在VC++6.0环境下，采用UML统一建模语言结合面向对象的设计方法开发了换热器CAD系统一HECAD.本系统采用美国TEMA标准来进行换热器的设计与计算，可在Win9X及Win8T平台下运行，实现了换热器的结构设计、强度计算、材料单、材料报价单及中、英文设计说明书与设计图的自动生成。

　　2统一建模语言UML可视化的建模语言，它能让系统构造者用标准的、易于理解的方式建立起能够表达出他们想象力的系统蓝图，并且提供了便于不同的人之间有效地共享和交流设计结果的机制，因此它己经成为当今世界上面向对象系统开发领域中激动人心的工具之一。UML是GradyBooch、JamesRumbaugh和IvarJacobson智慧的结晶，他们以Booch方法、OMT方法、OOSE方法为基础，吸收了其它流派的长处，于1996年中旬推出了UML0.9.自此，UML便在软件工业界蓬勃发展起来。1997年11月，国际对象管理组织OMG'ObjectManagementGroup）批准把UML1.1作为基于面向对象技术的标准建模语言。

　　UML建模语言采用图形表示，定义了五类模型图。类行者。第二类是静态图，静态图有类图、对象图和包图三种图型符号。第三类是行为图，描述系统的动态模型，它包括状态图和活动图。第四类是交互图，描述对象间的交互关系，它包括顺序图和协作图。第五类是实现图，包括组件图和配置图。这些基本图示符号为系统的分析、设计建模提供了十分方便的可视化手段。

　　用UML建模首先描述系统需求，然后根据需求建立系统的静态模型，以构造系统结构，后描述系统行为，也就是描述所建立的模型是否可以执行或者执行时的时序状态和其交互关系，形成系统动态模型。

　　3换热器CAD系统的需求分析对于系统的需求分析，可以首先确定基本的功能图。本系统主要进行目前广泛使用得管壳式换热器设计，其结构设计一般包括零部件设计和换热器的整体设计。其中每一项又包含若干项，如零部件设计包括筒设计、封头设计、法兰设计、开孔补强设计等。通过对换热器结构的初步认识，得到换热器整体功能图，如所示。

　　其次，使用UML的用例模型确定目标系统的边界、主要功能和活动，以便准确、完整地识别系统的需求。本系统用户为化工设音设计人员，在化工设计完成的基础上进行换热器的结构设计、强度计算。在设计过程中，用户通过设计向导与计算机交互如输入数据、设计倍息提示等，系统在接受到数据后，进行数据处理，如需数据库数据，则查询工程数据库，产生计算结果。后根据用户的需要，调用Word2000产生说明书，调用AutoCAD2000产生设计图（包括零部件图和装配图）以及排管，并显示排管结果。此外，用户如果需要用到一些额外的辅肋工到；如果用户需要对系统的有关使用、操作、名词解释等提供帮助，则可以调用功能芫善的帮助系统。系统的用例模型如所示。

　　鉴于设备设计用例是笔者开发的HECAD系统中的主要功能模块之一，本文将以这个用例的设计为例，进行重点讨论。

　　4换热器CAD系统的分析4.1类模型的建立通过对用例模型的分析，从用例的描述中识别反映问题域本质的类和对象，并利用UML的类图、包图以及它们之间的关系揭示系统的结构和组成，即建立类模型。分析的过程应该是先产生问题域中的对象，再由对象抽象出类。类的识别方法较多，使用较多的是利用名词识别方法或动词识别方法。也就是从用例描述或系统需求陈述中确定名词或者动词的宾语作为候选类和候选对象，再经过筛选，去掉冗余和无关的事物，后确定系统中的类。在设备设计用例中进行类建模时，抽取了所有零部件共同具有的一些公共属性和服劳，泛化出了抽象零部件基类CGeneralPart.大部分零部件都是该类的子类，具有该类的属性和服劳；封头设计类和筒设计类又有许多公共属性，可以抽象出CPart类。这些类的继承关系类图如所示。

　　这些实体和抽象类具有一般和特殊关系，即继承关系，从而更好的利用了对象（或类）的可复用性。此外，换热器部件由零件组成，如*管箱由法兰、封头和管箱短节组成；后端结构由后端短节、封头和法兰组成，而换热器由上述部件和其它零部件组成，零部件类由各零部件组成，从而换热器类与各部件类和零部件类之间形成了聚集关系，如所示。通过建立各实体间的继承关系和聚集关系，对系统中的基本对象（类）进行了识别和划分，建立了设备设计用例的静态模型――类模型。

　　4.2动态模型的建立从系统模型的角度，静态模型定义了系统的结构和组成。

　　任何实际的系统都是活动的，都通过系统元素间的互动来实现系统。而动态建模正是用来描述系统的动态行为，显示对象在系统运行期间不同时刻的动态交互。在UML中通常用状态图、时序图、协作图和活动图来建立动态模型。本文采用了时序图来建立动态模型。在换热器设备设计这一用例中，零部件类封装了自己的设计向导类，设计向导类又封装了需要的工程数据库类，其主要存在的对象为系统框架对象、零部件对象、设计向导对象、数据库对象，设计过程是独立的，从而体现了封装性。

　　用户首先选择换热器某零部件设计（或换热器整体设计），则系统框架中的文档对象激活相应的零部件对象，零部件对象激活相应的设计向导对象引导用户能动的选择或输入计算所需数据，如需数据库数据，则零部件对象自动激活数据库对象进行数据查询工作，查询成功，返回所需数据库数据，否则报错，提示用户重新输入正确数据，完成设计计算，并将所得数据保存在零部件（换热器）对象中。在完成设计后，用户就可选择产生说明书、零部件图（装配图）。设音设计用例中各对象之间的时序图如所示。

　　；程序框架类t零部件类：设计向导类：工程数据库类零部件设计大一用户调用开始设计数据询〕据检数据的合法性报错/重新输W确数据/；显示结果设计数据设计计算存储零部件设计取序换热器CAD系统的设计bookmark11设计一般分为架构设计和洋细设计。这部分主要包括定义包、描述包间的相关性和基本的通倍机制，注意要减少相关的二义性以及与用户的接口设计设计中的典型活动是Publishing（1）将分析后得到的类进一步划分成功能包，并在不同的包之间建立通倍机制通过以上换热器CAD系统的分析，可以将本系统分成两个包：换热器设计计算包、自动生成设计文档包。其中后者包括自动生成设计说明书、材料报价单及装配图和零部件图的自动绘制三部分。这两个包的连接采用OLE自动化技术来实现，OLE自动化技术可以在一个应用程序中操纵其他应用程序对象或暴露一个应用程序的对象供其调用，通过OLE自动化的COM接口来实现换热器设计计算包与W/rd2000、Auto-CAD2000和AcceS72000的连接，从而借用Word的字处理功能、AutoCAD的绘图功能和Access制作关系表的功能生成设计说明书、设计图和材料报价单。系统中的OLE类封装了这些接口。

　　用户界面设计的目的是让终用户能够获得美感、提高工作效率、易于操作使用系统。它包括总体界面框架设计和设计向导对话框设计。换热器CAD系统的界面充分展示了其人性化、一致性、简易性等优点。它的总体界面设计采用多文档结构，实现了不依赖于操作系统的WindowsXP风掐界面，采用目录式窗口让用户选择各个零部件的设计。每个文档的视图包括两部分：采用树视图显示零部件类型和零部件名称，由CHECADView类来实现；采用列视图显示某零部件的具体设计数据，并且可以通过光标拾取对应起来，这由CDesignListView类来实现。

　　零部件的设计采用向导（Wizard）方式。根据设计人员的设计习惯，向导指示用户按照零部件的设计步骤一步一步地进行设计。这些由设计向导类来实现，由MFC中CPropertyPage类派生出来的属性页类和由MFC中CPropertySheet派生出来的属性页管理类组成。

　　数据管理部分是系统存储或检索数据的关键它建立在某种数据存贮管理系统之上，同时又不受数据存储管理模式的影响。

　　系统中的数据有：设计计算所用到的材料库和标准零部件库，零部件的结构参数和计算参数，参数化绘图所需数据等。材料库和标准零部件库采用AcceS22000进行组建，运用简单方便的DAO技术对其进行访问，并把对数据库的浏览、查询等操作封装在由CDaoRecoreset类派生出来的数据库类中，此外系统还可以通过自带的数据库管理程序管理这些数据。零部件的结构参数和计算参数直接存储在程序的存档文件中，由文档/视图框架来处理对它的读写操作。参数化绘图所需数据在设计完成时，自动生成并以！dat的文件形式存储在磁盘上，供绘图模块调用，这样在很大程度上发挥了其实现方便、使用效率高的优点。

　　换热器整体设计的逻辑推理过程是：用户请求换热器整体设计，即点击程序界面的换热器整体设计的按钮，则程序框架类对象发送消息OnDesignHe！）通知换热器类对象；换热器对象再发消息DesignHE！）通知具体的零部件对象；零部件对象再发消息Design！）激活相应的设计向导对象；设计向导类对象调用它的DoModal！）函数指示用户完成设计，其间如用到标准数据发消息Find！）给数据库类对象，得到标准数据查询成功，返回消息Success！）给设计向导类完成设计；后设计向导对像发消息OnWizardFinish！）将控制权返还给程序框架对象。给出了这一设计的协作图。

　　6结论本文采用统一建模语言UML结合面向对象技术开发了换热器CAD系统，实现了换热器的结构设计、强度计算功能，并采用OLE自动化技术和参数化绘图原理实现了设计文档的自动生成。建立了丰富的材料库、标准零部件库、标准参数库等，实现了设计结果的可视化和设计向导的及时反馈功能。设计并实现了美观、友好的WindowsXP风掐界面，系统还提供了方便快捷的帮肋系统。

　　UML是一种面向对象的建模语言，应用于系统的分析与设计，改变了软件的设计思想，降低了系统设计的盲目性。由于UML模型灵活的可扩充性、可移植性，使得系统建模更加规范、准确、高效。本文运用UML语言进行了面向对象的分析与设计，为今后化工设音CAD软件开发技术的进步奠定了基础。

　　（收稿曰期（2004年12月）