基于抽象規則的溫室蔬菜UML 建模研究

王勇，姜懿芮，徐志穎，姜俊

（1.駐馬店市農業科學院，河南駐馬店 463000；2.鄭州大學信息工程學院，河南鄭州 450002；3.鄭州大學國際學院，河南鄭州 450002）

20 世紀90 年代以來，設施農業在我國發展迅速，特別是節能日光溫室蔬菜種植面積一直在擴大。隨著智能農業信息技術在溫室蔬菜生產中的應用，設施農業現代化步伐加快[1-2]。對日光溫室蔬菜生產系統進行智能化建模管理，建立統一建模語言（UML）模型，能夠實現對蔬菜從種到收的全程智能化控制，為智能化農業生產開辟新的路徑，推動精準設施農業的發展[3-6]。

溫室系統結構復雜，主要由蔬菜數據采集系統、溫室大棚視頻監控系統、溫室大棚遠程控制系統等組成[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智能化建模存在的問題，對模型進行檢測，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]，這對現代農業發展極為不利。鑒于此，本文研究了日光溫室蔬菜系統的模型檢測原理，利用抽象規則實現了溫室蔬菜系統的檢測，以期解決日光溫室蔬菜系統建模中出現的各類問題，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一建模語言（UML），在一個項目下的不同UML 圖中的相關信息應該是一致的。在模型驅動工程（MDE）中，需要檢測圖表以及圖與圖之間的一致性。對于給定的軟件項目提出要求，在日光溫室蔬菜系統模型中，設計出兩個不同溫室嵌入式系統的UML 用例圖（見圖1）和UML 活動圖（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，各種模塊系統出現的內容不一致，需要檢測這些不一致的內容，并且力爭減少這些不一致。如果一個系統是龐大而復雜的，圖表可能會非常大。模型轉換是MDE 的重要組成部分。UML 類圖的抽象規則是將低級類圖轉換為高級類圖。大多數現有模型抽象方法適用于用戶決定的幾個關鍵場景。根據對模型中實體重要性的理解，利用這些關鍵實體表示其他實體，然后通過關系抽象實現模型的抽象。

2 日光溫室蔬菜系統的抽象規則

在日光溫室蔬菜系統中，得到兩個環境參數數據之間的直接關系，需要通過抽象規則分析這兩組數據之間的路徑。日光溫室蔬菜系統UML 模型圖使用分類器抽象的方法，利用關系抽象規則抽象類圖中的關系，發現兩種關系之間的聯系，將兩種關系抽象為一種關系。關系抽象使用規則抽象類圖，將低層類圖抽象為高層類圖。

關系抽象和分類器抽象的語法。分類器抽象的語法如P1：[類×（關系）×類→類]。例如，如果在日光溫室蔬菜數據采集系統和溫室傳感器節點的數據處理系統中，根據語法的關系，可以將場景抽象為類（蔬菜數據A）。關系抽象的語法是P2：[（關系）×類×（關系）→關系]。根據溫室傳感器節點的數據處理系統，如果在情景中環境溫度數據和光照數據有關系，蔬菜大棚管理人員和種植戶有關系。描述蔬菜、溫室蔬菜和日光溫室蔬菜之間的關系，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，根據關系抽象規則：[（泛化）×類×（泛化）→泛化]，我們得到泛化關系。最后將可以得到描述人類和動物的抽象場景，根據關系抽象規則：[蔬菜×（泛化）×溫室蔬菜]，關系抽象意味著模型通過關系抽象規則而不是分類器抽象規則進行抽象。關系抽象用于獲得類圖的高級抽象，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分類器抽象P1 的語法：[類蔬菜溫度數據×（關聯）×類蔬菜光照數據→類]。圖中下半部分表示關系的輸入和輸出，與日光溫室蔬菜系統下部匹配關系抽象語法P2：[（關聯）×蔬菜溫度數據×（關聯）→關聯]，如果輸入[（關聯1）×類蔬菜溫度數據×（關聯2）]，輸出是關聯1 或關聯2。關系抽象輸出依賴于關系抽象規則。

3 日光溫室蔬菜系統的檢測

在日光溫室蔬菜系統中以迭代的方法應用規則，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，在允許的兩個規則后，有兩個執行命令。首先運行第一個規則或第二個規則，導致兩個不同的執行命令，不同的執行順序可能導致不同的結果，圖5中顯示了兩個執行命令，下半部分顯示了第一個執行順序，圖5 中的執行規則：[（關聯A）×溫室蔬菜數據×（關聯B）equals 關聯D1]，完成規則[（關聯D1）×溫室蔬菜數據×（關聯C）equals 關聯E1]，其次是類溫室蔬菜光照數據和類溫室蔬菜溫度數據的最終關系是關聯E1，關聯E1 的可靠性是FinalReliabilitya。圖的上半部分顯示了第二個執行順序，執行應用順序[（關聯B）×溫室蔬菜數據×（關聯C）equals 關聯D2]，應用規則是[（關聯A）×溫室蔬菜數據×（關聯D2）equals 關聯E2]。溫室溫度數據和光照數據之間的執行順序是關聯E2，可靠性是FinalReliabilityb，關聯E1 和E2 是不同的，如果關聯E1關聯E2，則路徑包含關系不一致，如果Final Reliability a≠Final Reliability b，則路徑包含可靠性不一致。

4 結論

日光溫室蔬菜系統智能化模型中，各種模塊系統出現內容不一致，需要檢測這些不一致的內容，并且需要減少不一致的存在。首先對模型抽象進行分析，然后構建抽象規則，對UML 靜態圖和動態圖進行實體一致性檢測。并利用關系抽象規則，實現關系的檢測。本文首先介紹模型檢測的原理，對UML 模型進行分類，分析模型抽象。針對UML 模型中出現的不一致問題，提出基于抽象規則的UML 模型一致性檢測的方法，定義了關系抽象的規則，發現UML 圖中的循環經常導致問題，循環問題包含關系不一致、完整性問題和關系冗余。研究了如何檢測關系不一致、關系完整性和關系冗余等問題以及如何解決這些問題。理論分析和驗證試驗表明，本文提出的基于抽象規則的UML 模型檢測的方法，能準確識別UML 模型中存在的不一致問題，具有較高的檢測效率。