传统建模方法汇总十篇

序论：好文章的创作是一个不断探索和完善的过程，我们为您推荐十篇传统建模方法范例，希望它们能助您一臂之力，提升您的阅读品质，带来更深刻的阅读感受。

篇（1）

中图分类号：S423；S127；TP751.1；P208 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）09-2097-05

四川地处青藏高原至长江中下游平原的过渡地带，容易受大气环流季节转换的影响。近50年来，四川干旱频繁发生，干旱灾情严重，分布范围广，发生时间长，造成严重的经济损失[1，2]。因此，对干旱进行实时、客观的监测和评估并且掌握干旱的发展变化趋势，能够快速地了解四川干旱灾情的发展，并及时采取防治措施，预防灾害的扩大，减少经济损失。

人们历来重视干旱遥感监测，并研究出了各种干旱监测方法，这些算法具有不同的优缺点[3-5]。针对四川省干旱的特点，研究不同的监测方法，并进行比较，找出适合四川省的干旱监测算法，对于四川省干旱的预测和预防具有十分重要的意义[6，7]。

1 研究方法

本研究利用中分辨率成像光谱仪（MODIS）数据进行四川省干旱遥感监测不同方法的比较研究，通过对数据进行预处理，获取指数信息和地表温度信息，然后利用获取的信息来分析与计算各种方法，将计算得到的各种方法的值与实测数据作线性相关分析，得到最适合的干旱监测方法。具体包括以下3个方面：

1）研究遥感干旱监测的各种方法，选出其中的3种方法进行比较研究。

2）利用从MODIS数据中获得的植被指数数据和地表温度数据，分析与计算得到各种方法的数据，然后与实测数据作线性相关分析。

3）3种方法分别与实测数据作线性相关，分析其相关性关系，找出相关性最好的方法，这个方法即为最适合四川干旱监测的方法。

2 干旱监测数据源选择与数据预处理

2.1 数据源选择

数据下载自地理空间数据云的MODIS产品数据集中的MOD11A2、MOD13Q1数据，为2006年1月下旬和7月下旬的地温和植被指数产品，MOD11A2为8 d合成1 km分辨率的L3地温数据产品，通过合成时间内晴空天气的陆地表面温度计算平均值得到，然后利用连续两期8 d合成的地温数据合成出16 d地温产品。MOD13Q1为16 d合成250 m分辨率的L3植被数据产品。实测数据来自四川省各个气象站点。

2.2 数据预处理

数据预处理是为了使用统一标准去处理数据，使产生的数据具有相同的质量，从而保证一段时间合成的数据具有可比性。数据预处理包括：图幅拼接、投影转换、重采样、裁剪和栅格计算。裁剪后得到的图像，归一化植被指数（NDVI）不在-1～1范围内，所得到的温度也不是开氏度。因此将裁剪后的图像进行栅格计算时，NDVI应除以10 000，温度应乘以0.02。

3 干旱监测不同方法的比较研究

3.1 主要的干旱监测算法

干旱的定义没有唯一的标准，但是无论使用什么方法定义，其目的都是和水分、植被有关。土壤水分和植被生长状况就是干旱监测的一种。对于裸地来说，土壤含水量的监测就是干旱遥感监测；对于植被覆盖区域来说，干旱遥感主要监测的是植被指数和地表温度的变化。

干旱遥感监测方法有很多，常用的有热惯量法、蒸散法、植被指数法等。其中，植被指数法包括距平植被指数法、条件植被指数法、植被指数差异法等[8]。同时考虑到温度对干旱的影响，还发展了温度与植被指数相结合的干旱监测方法，主要有温度植旱指数法、植被供水指数法、温差植旱指数法等。

3.2 干旱监测方法的研究

3.2.1 温度植旱指数法 温度植旱指数法（TVDI）是建立在水分对植物蒸腾作用的影响上，水分的多寡限制了蒸腾作用的强度，而蒸腾作用的强度直接影响到植被冠层温度，土壤水分越缺乏，相应地植被冠层温度越高。

研究发现陆地表面温度与植被指数呈负相关关系[9]。Carlson等[10]发现在研究区域内，如果土壤水分和植被覆盖度变化很大时，使用遥感资料得到的温度和植被指数构成的散点图呈三角形。还有人发现散点图呈梯形，这就是NDVI-Ts空间。干湿边的提取就是通过建立NDVI-Ts空间获得的。干湿边方程为：

Tsmin=a1+b1・NDVI （1）

Tsmax=a2+b2・NDVI （2）

式中，Tsmin为在相应NDVI下的最小温度值，Tsmax为最大温度值，b1、b2和a1、a2为线性关系的回归系数。即为Tsmin和Tsmax分别和NDVI构成线性关系的斜率和截距。

再通过干湿边方程建立温度植被指数：

TVDI=■（3）

1）干湿边的提取：

干湿边的提取需要建立NDVI-Ts空间。NDVI-Ts空间的建立，需要使NDVI与Ts一一对应。由于NDVI是一个连续的区间，可以采用等间距方法在一定精度范围内获取不同NDVI取值条件下的Ts对应值，对于NDVI的每一个取值区间，采用区间的中心值作为NDVI值，统计该区间范围内Ts的均值作为对应值。

利用GIS空间分析的分区统计功能，将NDVI分成100类，分类方式为等间距方式，分区统计的统计方法为求取均值，得到与NDVI相对应的Tsmin和Tsmax，在Excel中建立干湿边方程。

2006年1月：

干边拟合方程

Tsmax=-9.73x+311.82，R2=0.575 （4）

湿边拟合方程

Tsmin=12.854x+262.75，R2=0.685 6 （5）

2006年7月：

干边拟合方程

Tsmax=-11.269x+314.991，R2=0.529 4 （6）

湿边拟合方程

Tsmin=18.801x+268.14，R2=0.709 （7）

2）计算结果：

利用拟合得到的干湿边获取即可得到干湿边拟合方程的系数a1、b1、a2、b2。将a1、b1、a2、b2带入到TVDI计算公式之中，即可求得TVDI。结果见图1和图2。

3.2.2 植被供水指数法 植被供水指数法（VSWI）的依据是当作物供水正常时，植被在一定的生长期内，植被指数和温度会在一定的范围内，而当供水不足时，植被指数会下降，而温度反而会升高[7]。而当温度升高时，植被没有足够的水分蒸发，就会关闭一定量的气孔，这样又会造成温度的升高。因此，干旱越严重，温度就会越高，而植被供水指数反而会越低。植被供水指数越低，说明干旱就越严重。其公式为：

VSWI=NDVI/Ts （8）

其中植被供水指数法中地温数据为1 km分辨率的8 d合成L3产品，采用合成期内晴空天气的陆地表面温度的平均值计算得到，植被指数为250 m分辨率的16 d合成产品重采样为1 km分辨率的植被数据。结果见图3和图4。

3.2.3 温差植旱指数法 温差植旱指数法（DTVDI）的依据是当水分一定时，植被覆盖度增加，白天的温度缓慢地升高，晚上的温度缓慢地下降，昼夜温差比较小；而当植被覆盖度一定时，水分增加，白天蒸腾得比较快，温度升高得比较缓慢，晚上植被基本上停止了蒸腾作用，温度缓慢地降低，昼夜温差也比较小。因此当覆盖度一定时，水分减少，昼夜温差就会变大，干旱情况也会变严重，昼夜温差越大，干旱越严重。由昼夜温差Ts代替Ts建立NDVI-ΔTs空间。由NDVI-ΔTs空间提取的干湿边方程为：

ΔTsmin=a1+b1・NDVI （9）

ΔTsmax=a2+b2・NDVI （10）

式中ΔTsmin为在相应NDVI下的最小昼夜温差，ΔTsmax为最大昼夜温差，b1、b2和a1、a2为回归系数，即ΔTsmin、ΔTsmax分别和NDVI构成线性关系的斜率和截距。

由此计算的温差植旱指数

DTVDI=■ （11）

2006年1月：

干边拟合方程

ΔTsmax=-16.172x+33.483，R2=0.475 6 （12）

湿边拟合方程

ΔTsmin=3.199 7x+1.05，R2=0.267 5 （13）

2006年7月：

干边拟合方程

ΔTsmax=-34.335x+274.43，R2=0.665 2（14）

湿边拟合方程

ΔTsmin=19.702x+125.44，R2=0.626 2 （15）

利用拟合得到的干湿边获取即可得到干湿边拟合方程的系数a1、b1、a2、b2，将a1、b1、a2、b2代入到DTVDI计算公式之中，即可求得DTVDI。结果如图5和图6所示。

3.3 干旱监测不同方法的比较

分别将这三个干旱指标与实测土壤含水量进行线性相关分析。三个干旱指标与实测土壤含水量线性相关的结果见图7和图8。

结果表明，由NDVI-Ts空间计算的TVDI与实测土壤含水量的相关性最好，干旱指标的评价最合理；由NDVI-ΔTs空间计算的DTVDI和VSWI与土壤含水量的相关性次之，在干旱监测方面具有一定的价值。造成这种结果的原因可能是四川地形复杂，陆地表面接收辐射的强度不一样，还有可能是研究区范围的大小、气象因素等共同影响的结果。不同地区接收辐射量的不同，夜晚散射的不同，造成昼夜温差大，进而影响了干旱的监测和评估。而植被供水指数法由于其本身的局限性，造成其评估结果不准确。如果研究区域的地形不复杂，气候条件变化也不大，则DTVDI和VSWI可能也可以用于干旱评价。

4 小结与讨论

利用下载的MODIS数据计算植被供水指数、温差植旱指数和温度植旱指数，并利用2006年实测土壤含水量对3种方法的干旱指标进行监测和评价。主要得到下面的结论：

1）由NDVI-Ts和NDVI-ΔTs空间的干湿边提取发现，当NDVI达到某个值后，Ts和ΔTs的最小值开始增加，最大值开始减小。最大值与最小值之间的差值越来越小。

2）植被供水指数法在夏季与土壤湿度的相关性较冬季好，主要原因是植被供水指数法适用于植被蒸腾作用较强的季节。

（3）由NDVI-Ts空间计算的TVDI与实测土壤含水量的相关性最好，干旱指标的评价最合理，由NDVI-ΔTs空间计算的DTVDI与土壤含水量的相关性次之，在干旱监测方面也具有一定的价值。

（4）由植被供水指数法计算得到的VSWI与实测含水量的相关性最差，但是其对于干旱监测还是具有某些价值的。

本研究只选择了3种方法，其他方法还待研究验证。研究的局限性还有以下几个方面：局限于2个季节和3种方法，数据量不够完整，研究范围不够大。因此，在后续工作中需要进行深入的研究。

参考文献：

[1] 张顺谦，卿清涛，侯美亭，等.基于温度植旱指数的四川伏旱遥感监测与影响评估[J].农业工程学报，2007，23（9）：141-146.

[2] 全鼎余，赵坤荣，杨大勇，等.环境监测信息共享与时空表达研究[J].计算机测量与控制，2011，19（3）：539-542.

[3] 卢 远，华 璀，韦燕飞.利用MODIS数据进行旱情动态监测研究[J]. 地理与地理信息科学，2007，23（3）：55-58.

[4] 齐述华，李贵才，王长耀，等.利用MODIS数据产品进行全国干旱监测的研究[J].水科学进展，2005，16（1）：56-61.

[5] 张 芳.基于MODIS的陕西省干旱遥感监测研究[D].西安：陕西师范大学，2008.

[6] 刘良明.基于EOSMODIS数据的遥感干旱预警模型研究[D].武汉：武汉大学，2004.

[7] 董小曼. 基于MODIS数据的章丘市土壤含水量遥感反演研究[D].济南：山东师范大学，2011.

篇（2）

中图分类号：P613 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）29-0126-03

1 概述

随着矿山工程建设的发展，地质建模技术也在不断革新，各种建模软件和建模方法相继涌现在工程应用实践中。其中效果好、应用广的矿山三维地质建模成了目前的主流趋势，我们通过了解3DMine软件建立地质模型方法的特点，将其与传统建模方法结合在一起进行探讨，对于矿山工程建设发展将有着重要的意义。

2 传统建模方法

矿山设计常常都会面临项目完成和投标时间都比较紧促的难题，项目完成时间一般限制在1～2个月内，投标时间则更短。沉积型矿床钻孔数目密集、面积大、矿体广布分层，面对这又一重大挑战，确定一种合适的建模方法就变得尤为

重要。

传统的建模方法主要是通过利用地质剖面线或钻孔数据库连接矿体，然后利用生成矿体顶底板面生产矿体。矿体顶底板面是通过对顶底板点进行插值加密法生成，插值方法有距离幂反比法和克里格法两种。

3 3DMine建模

3.1 软件介绍

3DMine是一套主要应用于矿山测量、地质勘探、采矿设计、生产管理的三维矿业软件。它将多种优秀矿业软件的优点和前瞻的设计理念有机结合，具备快速响应和技术全面的特点。3DMine还是一种可用来建立数字型矿山，具有典型特征的矿山地质信息系统软件。

3.2 基本原理和方法

用3DMine软件建模，第一步要做的是矿体模型的建立，要将矿体形态以较为精确的形状和趋势模拟出来，这和岩石模型的建立一样。矿体模型实质上是一个密实的实体，实体是由一系列线上的点和一系列相邻的三角面相互连接包裹而成的密实三

角网。

3DMine基本具备了上述传统建模的方法，并有着自己的特点。按传统方法的步骤，先把钻孔数据库建好，然后直接用3DMine软件提取矿体顶底板点，再对这些点进行插值法加密生成顶底板面。建立矿体的方法：第一步直用3DMine加载各水平的矿体剖面线。在相邻剖面线条之间连接三角网，选择其中两个闭合线，依次连接多段，连续点击，三角网连接完成，完整的矿体模型就形成了。

3.3 特有的优势

在露天开采设计中，要进行露天开采计划和境界圈定的编制，必须先建立岩石模型。沉积型矿床的赋存面积大，很多甚至在20多平方公里以上，矿体厚度也常在1～2m之间，而次级模块尺寸小是保证矿体储量准确性的基本要求，所以确保大范围的岩石模型的建立非常困难。但是如果利用3DMine软件，在没有约束的地方，它的模型尺寸很大，而在边缘的约束部位附近，模块尺寸最小即为次级模块尺寸，这样就可以达到减小模型大小的目的，成功解决了大范围建立岩石模型困难的

局面。

4 建模方法的比选

通过对前面几种建模方法优劣势的比较分析，可以帮助我们找到一种最佳的方法。

4.1 钻孔数据法

钻孔数据法就是直接利用钻孔数据，提取顶底板点来生成顶底板面。这种方法的优点是快速便捷，比较符合沉积型矿床的建模的需求。缺点是在层状模型中，由于矿体的整体倾向倾角较大，导致多层矿层现象的存在，另外矿层间还有相互交错的矿脉。针对这种情况，如果直接用这种方法，在矿区的边缘，建立出来的模型将与地质勘探报告区别很大。而且这种方法是依靠增多虚拟孔来对矿体形态进行控制的，如果矿层较多，对矿体形态的控制将变得很有难度。

4.2 剖面线法

这种方法是利用矿体剖面线上的顶底板线来生产顶底板面。针对沉积性矿床的特点，我们可以直接利用剖面线上的顶板线生成顶板面文件，从而达到约束生成体文件的目的。这样不仅使手工连接的工作量减少了，而且建立出来的模型也会比较吻合地质勘探报告。因为剖面线和顶底板线包含了对矿体专业详细的分析，特别是在处理矿层边缘和交叉相错的问题上，这方面的信息丰富而全面，使矿体建模有依据，符合矿体建模原则。

另外我们还可以利用3DMine软件对矿体顶底板线、剖面线、地形线转换成三维坐标系统来建立矿体模型。这样还可以利用3DMine与其他软件的兼容性使工作效率得到提高。矿体顶底板线和地形的高程赋值的计算比较繁琐，但是把它放在3DMine中进行将会很便捷。而且使用这种方法控制矿体形态和储量将变得简单得多，不再需要增多虚拟孔就能达到控制效果，相比第一种方法而言，使矿体建模得到很大程度上的改善。

4.3 综合法

综合法即综合利用底板等高线、矿体剖面线和钻孔的顶底板点等信息来生产矿体。通过分析，我们看到第二种方法有着很好的建模效果，但是仍然存在着一些不足。剖面线法没能直接利用不在剖面上钻孔和顶底板高线等方式来达到剖面间矿体形态的目的。针对沉积型矿床流线形态的特点，我们可以综合利用钻孔顶底板点、矿体剖面线和顶底板高线等信息分别生成矿层的顶底板面，这将会是一个更好的方法。

我们可以通过采用上述方法建立沉积型矿体模型来验证其可行性，实践结果表明，利用这种方法建立的矿体模型，矿体总储量误差在5%以内，和地质储量勘察报告的吻合度好，且完全符合生产和设计的标准，满足复杂地质的建模要求。在矿体的赋存和形态方面，顶底板面也满足沉积型矿床的赋存需求，流畅平滑，和地质赋存勘察报告的吻合度也好，完全能够用来作为地质建模施工图的

设计。

5 结语

通过对各种地质建模方法的探讨，我们发现了综合利用顶底板点、底板等高线和剖面线进行沉积型矿床地质建模是比较好的方法，解决了针对沉积型矿床特点的一些工程难题，同时也说明了工程软件的应用对于矿山地质建模的重要性。科学技术的发展，可以在很大程度上推动工程建设的发展，我们要好好利用这项宝贵资源。探讨创新的精神在任何时候都是需要的，它才是社会发展的源

动力。

参考文献

[1] Joon K I，Ho L J，Ro L S，et al.Probabilistic analysis for regional mineral potential mapping with GIS for sedimentary ore deposits in the Kangwondo Area[J].Korea，2005.

篇（3）

2基于历史建模（HistoryMode）到独立于历史建模的技术转换

从基于参数化历史建模（HistoryMode）到独立于历史建模（History-FreeMode）：模型参数被剥夺，如特征支持同步模式,它被转换成一个同步特征，这些特征包括边倒圆，倒角，孔和螺纹特征，它们的表达式也被转换。产品设计中的某个特征是在基于历史模式中建立和存贮的特征。一个同步特征能对某个特征进行修改，不需要对产品构建的过程特征数进行实时的更新和回放。某些同步建模特征也被转换到同步特征，这个包括线性尺寸，角度尺寸，和径向尺寸特征，它们的表达式也被转换。也可以从部件导航器或通过在图形窗口中双击它们去编辑同步特征。草图曲线的约束在草图中被维护起来，但在草图内没有任何目标与草图外的对象是关联的。不呈现非同步特征的特征.从独立于历史建模（History-FreeMode）到基于参数化历史建模（HistoryMode），模型参数再次被剥夺。在模型中大部分同步特征被移去，草图和基准被保留为可编辑的特征，可以利用草图去建立新特征。如图3所示。

篇（4）

（The Academy of Equipment Command & Technology，Beijing 102206，China）

摘要： 针对装备试验这一复杂大系统中的风险识别问题，引入等级全息建模的分析方法。分析等级全息建模的思想和原则；确定风险的定义与装备试验风险源；建立装备试验风险概念模型；设计装备试验HHM框架并分析其在装备试验风险识别中的应用。

Abstract: Hierarchical holographic modeling as an analytic way is introduced to research the risk identification in complex system of equipment testing. Hierarchical holographic modeling ideas and principles are analyzed. Risk definition and risk source in equipment testing are defined. The concept of risk models in equipment testing is established. HHM framework of equipment testing is designed and its applications in risk identification of equipment testing are analyzed.

关键词： 等级全息建模 装备试验 风险 风险识别

Key words: HHM；equipment testing；risk；risk identification

中图分类号：E139文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）26-0309-02

0引言

装备试验时间、空间跨度大，参与部门和人员众多，风险源构成复杂，装备试验风险识别属于复杂大系统建模与分析[1]。传统的数学建模是对实际系统做出简化假设，从某个单一方面出发进行研究。但简化假设会直接影响模型的可信度，另外，单一方面研究难以研究多变量、多目标决策问题，这导致传统的数学建模在复杂大系统建模与分析方面存在困难。

相对于传统数学建模，等级全息建模（hierarchical holographic modeling，HHM）是一种全面的思想和方法论，其目的在于通过众多方面、视角、观点、维度和层次来研究一个系统内在的本质和外在的特征。HHM同传统的数学建模技术的差异在于：数学建模只能刻画真实系统的少量因素，而HHM通过全方位的视角去研究整个系统。在分析装备试验风险识别这类大规模系统时应采用HHM全面的思想和方法论。

1等级全息建模

近三十年来，在系统工程领域对复杂大系统建模方法的研究取得了很多进展。例如，从单目标建模到多目标建模和优化（MOP）、分级重叠协调（HOC）、分级多目标优化（HMO）、等级全息建模（HHM）和多目标风险评价（MRA）等[2]。

1.1 等级全息建模思想美国学者Haimes认为，一个精确的模型只能是它所描绘的真实系统的某个方面和有限的反映。一个系统不仅包含多元素、多目标和多约束，而且还包括各种各样社会人文方面因素（职能、时间、地理、经济、政治、法律、环境、部门、制度等），因此用单模型分析和阐明整个系统是困难的。为解决这个问题，Haimes提出一种分级全息建模策略。在分级全息建模策略中，系统的不同方面由不同模型来表达，每个模型都是一个全息子模型。基于以上观点，Haimes提出了HHM，发展了传统的分级多目标优化HMO（Hierarchical multi-objective optimization）。

HMO主要解决问题分解，而HHM通过共享设计变量和设计指标来完成对子系统的协调，不同领域活动之间的协调是通过调整协调参数对目标函数的敏感度来实现的。HHM的分析方法已经广泛应用于大系统的建模、控制、分析等各个方面。

1.2 等级全息建模原则HHM建立在大规模系统和复杂系统哲学基础之上，是大系统理论的一部分。HHM把系统用一种以上的分解方法来进行分析研究，可以把一个大系统分解成只有一级的子系统，HHM能够确定大部分风险和不确定性。HHM的层次分析过程是内在分级的，并实现了自组织。

不同研究者对同一个系统的研究可能采用不同的模型。为了理解和分析大规模系统，Blauberg从理论的角度上定义了HHM全体（描述系统整体）和分级（描述系统的内在结构）的基本原则：为了获得对一个系统的充分认识，必须把系统描述分成确定的分级，每一个分级只能包括系统的某个方面和层次。事实上，这个原则来源于对系统描绘的基本相关性。为了得到系统的所需要的合适的信息，可以将系统从多个不同的角度、不同方面进行分类。

考虑到分级全息建模方法的多面性，HHM方法适合于复杂问题的解决。Thomas提出了将HHM应用到系统整体规划中的策略：按照层次结构，最上一层为主标题，下一层为副标题，依次向下规划。

2装备试验风险

2.1 风险的定义Kaplan和Garrick（1981）建立了风险定义的三组集，风险R可表示为：R={}

其中，Si表示第i个风险情景，Li表示这种风险情景发生的可能，Xi表示损害向量或引起的结果。关于如何量化Li、Xi以及其含义，早期的成果已经解决了这些问题（Kaplan 1993，1996）。

Kaplan（1991，1993）在三组集的定义基础上对风险R进行了新的定义：R={}c下标c表示风险情景集{Si}是完备的，包含所有可能的情景，或至少是所有重要的情景。

Kaplan（1991，1993）描述了“成功”或“按计划进行”由S0表示，风险情景Si通过S0变化而来。Kaplan指出，不同领域使用的不同风险分析方法开始融合，这种融合思想可以作为对Si确定和分类的系统方法。

2.2 装备试验风险源装备试验存在诸多风险源，不考虑试验品自身的隐含风险，即假定试验品是合格、安全的，在此假定前提下，重要的风险源主要有：①试验计划风险。试验计划的制定存在疏忽和漏洞，导致装备试验计划风险。②试验管理风险。试验管理者由于管理程序不规范、信息沟通不及时等原因导致试验不能达到预期目标，产生试验管理风险。③试验技术风险。试验方案与技术途径精选评估不够、试验技术指标制定不合理等原因则产生试验技术风险。④试验保障风险。在试验过程中，因组织领导保障、试验技术保障、试验物资器材保障、试验安全保障、试验外协保障及试验勤务保障组织不力，则会产生试验保障风险。⑤试验环境风险。试验环境风险是指装备试验因气象、地理等自然环境因素导致试验不能达到预期目标[3]。

2.3 装备试验风险概念模型装备试验风险的概念模型如图1所示，其要素包括三个方面：风险源、系统弱点、安全措施。装备试验风险概念模型可简单表述为：装备试验系统中存在诸多系统弱点，针对系统弱点，装备试验设置了诸多风险干预措施。试验技术风险、试验管理风险、试验技术风险、试验保障风险、试验环境风险等风险源经过风险干预后，仍有可能作用于系统弱点，形成风险。

3HHM在装备试验风险识别中的应用

HHM是一种全面的思想和方法论，它目的在于从多个方面、视角和维度展现一个系统的内在特征和本质。HHM方法的核心是一个特殊的图表框架。

3.1 装备试验风险识别装备试验风险辨识，也称为装备试验风险的识别，即对存在于装备试验中的各种风险根源或是不确定性因素按其产生的背景原因、表现特点和预期后果进行定义、识别，对所有的风险因素进行科学的分类。采取不同的分析方法进行评估，并依此制定出对应的风险管理计划方案和措施，付诸实施。

风险识别是风险分析的第一步，被广泛认为是整个风险管理过程中最难完成的一项任务。只有准确地掌握风险的类别、成因及影响，才能对风险评估和风险控制等管理行为确定方向，才能制定出经济有效的管理方案。装备试验风险识别就是运用各种方法，系统地认识装备试验所面临的各种风险种类以及分析引发风险的各种潜在因素，并进行定义，分析风险的状态及对装备试验造成的威胁和影响，对风险进行科学的分类，为风险的进一步管理与防范提供依据。识别的主要步骤如下[4]：

①收集和分析历史数据。对装备试验风险进行识别前，首先应收集与装备试验活动有关的业务资料，如已有的试验报告、已有的风险时间表等，为风险的辨识提供依据。②通过研讨会、专家调查等方法进行风险的全面了解，建立HHM框架。分析装备试验计划中的风险点，识别潜在的风险因素。③风险识别分析。采用HMM理论和模型，基于HHM框架进行风险识别分析。④结合有关专家评审和分析会，确定可能面临的风险以及形成这些风险的因素，描述风险症状，为下一步的风险分析及防范奠定基础。

3.2 装备试验HHM框架的设计装备试验风险识别涉及管理、技术、环境、人员多方面因素，规模庞大，结构复杂，多层次互相关联，带有随机性和不确定性，因而装备试验风险识别是复杂大系统建模与分析。本文提出的HHM框架从计划、管理、技术、保障、环境五个不同的方面来刻画装备试验风险分析。其中，每一个主体代表了一类风险场景，并且可向下细分构成树状结构，以便于更加精确、详细的描述系统[5]。图2是装备试验系统的HHM框架。

计划风险从计划这个角度描述装备试验的风险，计划风险来自三个方面：计划制定、计划审查、计划执行。在计划制定中存在两类风险，人为疏忽导致的风险和概率出错产生的风险，其中概率出错是最难以排查的风险；管理风险主要来自三个方面：协调出错、管理疏忽、管理水平；技术风险包括方案错误和采取了不适宜的技术途径，例如，多个技术途径之间不匹配，技术途径超越现实条件，实现起来不切实际；保障风险来自三个方面：人员保障、设备保障、资金保障；环境风险指气象、地理等因素产生的风险，例如地理条件、强风、降水、沙尘暴、空间天气等。

3.3 HHM框架在风险识别中的应用HHM框架采用一个反复迭代的方法来确定所有系统风险的结构，如果HHM当前框架不能确定一个风险来源，可以增加新的视角，用一个新的分解来扩展该框架。迭代是一个持续的过程，每一次迭代都进一步完善HHM框架的合理性，最终HHM框架能捕获所有的风险场景[6]。

装备试验系统中的风险大部分为多因素交互产生，为了识别多因素交互产生的风险，可以将HHM框架分解为图3所示的HHM子模型。假设计划风险主要有三类风险：计划制定、计划审查、计划执行，现在要识别计划审查风险与“技术风险”、“环境风险”的关系。“技术风险”和“环境风险”的不同组合有10种情形，在每一种情形下计划审查存在不同的风险场景。比如，在强风的气象条件下，技术途径存在不匹配的问题，这就加大了计划审查出错的风险。识别风险时可采用许多如图3所示的HHM子模型，将各种情形都要考虑在内，保证风险识别质量。

4结论

装备试验风险识别属于复杂系统建模与分析，利用传统数学建模方法进行装备试验风险识别存在不足。HHM建立在大规模系统和复杂系统哲学基础之上，实现了复杂大系统的完全分解。HHM为装备试验复杂大系统中的风险识别提供了整体、全面的分析方法，克服了传统数学建模的不足。

参考文献：

[1]刘汉荣.王保顺等.国防科研试验项目管理[M].北京:国防工业出版社，2009:165-167.

[2]宋晖.分级全息建模思想在网络资源管理中的应用[J].微计算机信息，2007，23，（9）:16.

[3]刘汉荣，秦红燕，丁向丽.国防科研试验项目风险管理[J].装备指挥技术学院学报，2008，19，（4）:5.

篇（5）

一、引言

在全球经济一体化建立和资本流动加速的背景下，国内外竞争日益加剧，经营的潜在风险趋向多元化。尤其在全球经济复苏缓慢且不稳定，欧洲债务危机的阴霾仍然未消除的形势下，这些风险带来的不确定性对企业的内部控制和风险管理提出了更高的要求。事实证明，只有建立和实施科学的内部控制系统，才能提升企业风险防范能力，实现企业可持续发展战略。

内部控制系统实施过程中的核心工作之一是对企业正在运行的控制流程和控制点进行建模。所谓建模就是为了理解事物而对事物做出的一种抽象，是对事物的一种无歧义的书面描述。在手工环境下，面向流程建模方法是企业内控实施人员或内审人员最常用的建模方法之一。通过对企业内部控制流程建模，梳理内控风险点和控制缺陷，提出企业内控整改策略。

在信息技术高速发展的今天，充分利用信息技术实施内部控制系统已经成为一种趋势。在信息化环境下内部控制系统并未发生本质的变化，它是以信息资源和信息技术为主要工具，由董事会、管理层和其他人员共同实施的，基于企业的风险管理与内部控制运动，由人、信息设备和控制制度组成的人机一体化监控系统。在信息化环境下内部控制系统建模的重点是要充分考虑企业已有的制度系统和信息系统，划分人工控制和自动控制界面，甄别人工控制点和自动控制点。所建立的模型中要能够表达诸如控制流程中哪些控制点可以信息化、哪些控制点不能信息化、企业现有信息系统已经嵌入了哪些控制点、哪些控制流程需要人工控制与自动控制协同等此类问题。因此仅仅应用面向流程方法是远远不够的，还需要运用更优的建模方法进行相关的分析与建模。

本文拟采用面向服务方法学（SOAD，Service-Oriented Analysis and Design）对内部控制系统进行建模，试图摸索在信息化环境下内部控制系统建模的方法和思路，并以A上市公司实施内部控制系统为例进行分析与总结，以期能够为希望借助信息技术实施内部控制系统的企业提供一些经验和借鉴。

二、面向服务方法学（SOAD）的主要内容及思想内核

面向服务方法学（SOAD）起源于面向服务架构（SOA）的广泛应用。面向服务架构（SOA）最早是从软件体系结构的角度提出的一种架构风格，区别于DCOM、CORBA等分布式计算架构。进入21世纪以来，随着Internet技术高速发展，Web service、XML等技术广泛应用，在微软、IBM等厂商不遗余力的推崇下，面向服务架构（SOA）已经成为企业应用的核心概念之一。面向服务架构（SOA）逐步发展成包含运行环境、编程模型、架构风格和相关方法论等在内的一整套新的分布式软件系统构造方法和环境，涵盖服务的整个生命周期，包括建模、开发、整合、部署、运行和管理。

（一）服务（Service）的定义和特征分析

服务（Service）的一般解释是向消费者提供旨在满足对方特定需求的一种活动。《辞海》给出的解释为：履行职务，为大家做事。因此，从广义上讲，服务是提供者为消费者完成工作的活动或过程。在面向服务架构（SOA）方法论里，服务是面向服务分析和设计的最小单位，它可以是一个活动或一个流程。

综合理论界和实务界的研究与探讨，关于面向服务方法学中对服务的定义有很多种，其中典型的归纳如下：W3C将服务定义为服务提供者完成一组工作，为服务使用者交付所需的最终成果，最终结果通常会使使用者的状态发生变化，但也可能使提供者的状态改变，或者双方发生变化（Nicolai，2008）。叶钰等（2005）认为服务是一个粗粒度、可发现的软件实体，它以一个单独的实例存在，并通过一组松散的耦合和基于消息的模型与其他的应用或服务交互。Endrei等（2004）认为服务是一个逻辑实体，由一个或多个已的接口定义的契约组成。邢少敏等（2008）认为服务包含一个合约、一个或多个接口和一个实现。

（二）面向服务建模（SOM）

面向服务建模（SOM）是指通过业务领域和现有系统分析识别全局业务模型下可能存在的服务，确定合理的服务粒度。面向服务建模（SOM）的结构是以一个服务列表作为服务候选者，展示了当前业务领域下业务模型的所有合理业务拆分。主要采用自上而下、自下而上和中间对齐的步骤和方法得到服务候选者列表。

1.自上而下（领域分解）

自上而下是指从业务着手进行分析，将业务进行领域分解和流程分解，将业务流程分解成子流程或者业务活动，逐级进行，直到每个业务活动都是具备业务含义的最小单元。流程分解得到的业务活动树上的每一个节点，都是可能的服务抽取点，所有节点构成了服务候选者列表。服务候选者列表经过划分，最终形成层次化的服务目录。

2.自下而上（已有资产分析）

自下而上是指利用已有资产来发现和识别服务，已有资产包括：已有系统、套装或定制应用、行业规范或业务模型等。对已有资产的业务功能、技术平台、架构及实现方式的分析，除了能够验证服务候选者或者发现新的服务候选者，还能够通过分析已有系统、套装或定制应用的技术局限性，尽早验证服务实现决策的可行性，为服务实现决策提供重要的依据。

3.中间对齐（业务目标建模）

中间对齐是帮助发现与业务对齐的服务，并确保关键的服务在流程分解和已有资产分析的过程中没有被遗漏。业务目标建模将业务目标分解成子目标，然后分析哪些服务是用来实现这些子目标的。在这个过程中，为了可以度量这些服务的执行情况并进而评估业务目标，我们会发现关键业务指标、度量值和相关的业务事件。

通过以上三个步骤，可以发现服务候选者列表，并按照业务范围划分为服务目录。图1展示了面向服务建模的过程。

面向服务建模（SOM）还要考虑的一个因素是服务的粒度。服务粒度设计的太小会影响服务的松耦合性，不符合服务的粗粒度特征；服务粒度设计的太大也不利于服务的组合和增值，不符合服务的可复用性和可组合性特征。目前对于服务粒度的设计并没有一个统一的标准，需要根据具体的需求和场景来确定。

（三）面向服务方法学的思想内核

面向服务方法学的出发点和基本目标是以面向服务的思想对业务流程和功能在传统方法学基础上进行更高层次的抽象和建模，使得业务与技术之间的距离更加接近，以业务驱动服务和服务驱动技术，更好的为企业实现业务整合和资源整合的信息系统。其基本思想是：首先对企业的业务领域和业务功能领域进行划分，按照自上而下的方式进行领域分解，勾勒目标企业的业务结构，再逐步分解到业务流程直至业务活动，发现主要的服务候选者；其次是对现有系统按照自下而上的方式进行已有资产分析，验证服务候选者和发现新的服务候选者；最后对业务目标进行建模，通过中间对齐的方式帮助发现与业务对齐的服务，并确保关键的服务在流程分解和已有资产分析的过程中没有被遗漏。

面向服务方法学是一种来源于面向服务架构的全新方法学，相对于面向对象方法学、结构化设计等传统方法学具有更高层次的抽象性，使得业务与技术之间的鸿沟更小。随着互联网的不断发展，开放和标准的网络协议被普遍支持，服务作为一个自包含的功能，通过明确定义的接口（契约）来与另一个服务交互。服务的概念伴随着网络和分布式计算环境的发展而产生，现在服务要改变人们认识客观世界的认知方法，对现有的业务、流程按照面向服务建模以更好的帮助客观需求在信息化环境中更好地实现，同时推动新的分布式应用的发展。

三、面向服务方法学应用于内部控制系统建模优势分析

将面向服务思想应用于内部控制系统建模，通过将内部控制服务化和系统化来开发和实施内部控制系统具有一定的可行性和可操作性，其具体应用优势如下：

（一）两者具有一定的内在融合性和一致性

首先，内部控制管理是目标为导向的，内部控制最终要实现企业经营有效性、财务报表可靠性、经营合法合规性和资产安全性等目标；其次，内部控制的要求和规范是紧紧围绕着以上目标按照自上而下的顺序逐步构建，涉及到企业各个层次包括会计、财务、销售、采购、研发、生产、人力资源等；再次，在实践中企业一般都已建立了一定的管理制度和管理系统，内部控制系统的实施并不是要企业现有的管理体系，而是要融入到企业现有的管理体系中，实施过程是按照自下而上的顺序逐步完成。面向服务方法学试图通过建立服务的概念实现企业目前已存在的管理系统统一和融合，其所包含的自上而下、自下而上、业务对齐的建模思想与内部控制管理的思想不谋而合。从系统论的角度，内部控制系统的构成要素由一系列的控制点、控制线、控制面和控制体组成，根据具体情况将控制点、控制线、控制面分别作为服务来建模和实现，通过服务之间标准的通信和互动实现服务之间的集成达到控制体的整体效果。

从上述分析来看，将面向服务方法学应用于内部控制管理不存在理论上的冲突和技术上的障碍，两者具体有一定的内在融合性和一致性。将内部控制系统的控制点、控制线和控制面作为一种服务，通过服务之间的标准调用实现控制集成，共同服务于内部控制目标的实现。面向服务具有规划、标准、整合等思想的业务应用集成理念，内部控制的实施正是需要这样的思想，实现企业管理上的整合和集成。因此面向服务方法为内部控制系统建模提供了可行的实践路径。

（二）面向服务的契约性可以实现内部控制系统的集成管理

利用面向服务的契约性，将内部控制的控制规则和标准暴露成为一个服务，将服务交互和调用所需要公开和约定的相关信息作为契约予以确定，这样内部控制相关各业务之间可以实现集成。内部控制系统要实现集成控制需要跨越多个系统的障碍，例如预算系统、资金系统、账务系统、采购系统及销售系统等等。在各企业中以上系统的构建和信息化程度完全不一样，即使在同一个企业中各业务系统由于建设的时期不同所采用的技术也不尽相同，因此要想实现异构系统之间的通信和交互，面向服务方法是目前业界最合适的解决思路。

例如要实现“按照预算某部门12月份材料采购额不能大于10万元，超过10万元需要财务总监审批”的控制规则，传统的实现方式是在采购系统中采用硬编码的方式内置“某部门12月份材料采购额不能大于10万元”的规则和逻辑。如果12月份的采购额没有超过10万元，采购系统还能够实现控制；如果12月份的采购额确实需要超过10万元，采购系统是不允许执行的，即使财务总监已经审批，但是由于采购系统无法识别财务总监审批的结果，因此在系统中无法操作，只能通过非正常手段调整系统。涉及到采购后续的资金支付、账务核算都会出现类似问题。如果将某部门材料采购的合规性作为预算系统的一项服务暴露出来，由采购系统、资金系统、账务系统共享和调用则能解决此问题。采购系统在执行采购操作的时候调用预算系统的采购合规性审核服务，即可获得采购审批的结果，如果12月份低于10万元则可直接采购，如果12月份超过10万元则需要获得财务总监的审批结果，同时资金系统和账务系统在资金控制和账务控制上也可以直接获得审批结果，以完成资金支付操作和账务处理操作。

（三）面向服务的粗粒度性能够简化内部控制系统设计的复杂性

从服务的定义来看，服务是一个粗粒度的逻辑实体。面向服务的粗粒度性源于软件工程理论的“关注点分离”的思想，即将一个大的、复杂的软件问题分解为一系列单个关注点，每个关注点所需要解决的问题是更小的相关片断的集合，每一段逻辑只处理一个特定的关注点。这个思想在结构化分析与设计、面向对象分析与设计等不同的软件开发方法学中都得到了一定的体现。只不过相对于它们来说，面向服务方法学不是以细粒度的对象和基于私有接口协议的组件为基础的，而是以粗粒度、基于开放标准协议的服务为基础的。例如我们可以将预算执行控制作为一个服务进行公开，采购、研发、资金、核算等系统在实现预算相关的内部控制时候都可以统一的调用和访问预算执行控制服务，判断是否可以执行相关业务，这样大大降低了预算执行控制在采购、研发、资金、核算等系统中实现的复杂度，也提高了内部控制的集成和共享。

四、A上市公司内部控制系统建模过程

A上市公司是证监会2011年上市公司内控规范试点单位之一，笔者作为内控实施项目的成员，深度参与了其内部控制系统的建设过程。从项目伊始，A上市公司决定充分利用信息技术实施内部控制系统。由于A上市公司已上线运行多套信息系统，如何充分利用现有信息系统，确定哪些控制点可以信息化、哪些控制点通过人工完成等是内部控制系统建模的重点内容。

（一）A上市公司信息化环境分析

A上市公司经过多年发展，在各业务板块下的分子公司逐步开发和应用了财务系统、ERP系统等各类信息系统，形成了以分子公司信息化为主的信息系统生态环境。但是目前由于各分子公司的通信和网络相互割裂，不能互联，母公司无法实时掌握各分子公司的运营数据。A上市公司目前已上线运行的信息系统如表1所示。

A上市公司信息化环境主要存在以下几个方面的问题：

1.信息化建设缺乏统筹管理

从我们调研的情况来看，母公司未成立信息化部门，也未设立首席信息官职位，因此集团内部对信息化缺乏统一规划和管理，集团信息化缺乏战略，信息化人才匮乏。信息系统建设缺乏统筹管理，资金投入分散，整体性不强，综合效能展现不足。

2.信息资源分散，存在信息孤岛

由于母公司缺乏信息化战略和整体规划，分子公司信息化各自为政，互不相通。信息资源的统一管理机制缺乏，信息资源开发利用程度不高，尚未在决策支持、业务规范、流程优化、综合管理等方面得到深化应用。

3.信息安全风险较高

虽然各分子公司已经使用了用友、金蝶等财务软件和ERP系统等软件，但是软件系统内的用户权限未进行不相容设置，大部分用户都具备所有操作权限，数据被篡改风险较高。同时各分子公司均未建立合理的数据备份机制，一旦出现服务器崩溃等异常情况，容易造成数据丢失。

（二）A上市公司内部控制系统建模

A上市公司属于多元化投资企业，在以纺织服装为主营业务的基础上，逐步向房地产开发、产业投资等领域扩张。因此其内部控制系统面临对多行业的战略控制问题，即如何将企业发展战略分解并灌输到各个业务板块中，保证各业务板块在风险可控的条件下运行。针对A上市公司内部控制系统的规划和梳理，形成了货币资金管理、投资活动、筹资活动、采购业务、存货管理、固定资产管理、销售业务、工程项目、业务外包、财务报告、预算管理、合同管理和关联交易等核心控制流程。

限于篇幅，以下对A公司采购控制业务进行建模，阐述内部控制系统建模的过程。按照面向服务建模方法，以上述梳理的采购业务控制流程为基础，分为3个步骤进行建模。

1.自顶向下领域分解

按照层次分析法，对实现内部控制目标的相关领域进行层层分解。综合内部控制规范及配套指引和A公司采购业务控制流程，A公司采购业务控制流程建模图如图2所示。从图2可以看出，采购控制流程一共分解为三层，第二层流程包括采购计划、供应商选择、采购定价、订立合同、质量检验、付款等控制环节，其中供应商选择环节又分解为供应商资格、风险评估、资质授信等业务活动，订立合同控制环节分解为合同订立、合同审核、合同签订等业务活动，付款控制环节分解为取得发票、付款结算和资金支付等业务活动。由此我们可以初步得到一个控制服务的候选服务列表，如表2所示。

2.自底向上分析

自底向上分析是根据A公司目前已有的管理制度、信息系统、业务规范等来抽象、识别和发现服务。以纺织分公司为例，公司已经使用金蝶K3系统和环思ERP系统。因此根据自底向上分析的方法和步骤，采购控制服务流程自底向上建模如图3所示。

从图3中可以看出，在第一步自顶向下分析中得出的候选服务中，大部分服务可以通过现有ERP系统和财务系统获得，质量检验控制服务需要通过人工控制实现。具体分析如表3所示。

通过自顶向下的分析进行领域和流程建模，再经过自底向上的已有资产分析，我们基本可确定供应商识别、风险评估、资质授信、采购定价、合同审核、合同签订、付款申请和资金支付可通过信息系统实现自动控制服务，采购计划、合同订立、合同签订、质量检验、取得发票作为人工控制服务。

3.中间对齐分析

中间对齐通过对内部控制目标进行建模，将内部控制目标进行分解并与以上识别和发现的服务进行对比，帮助发现在第一步和第二步建模的过程中是否有遗漏的服务。对采购流程内部控制目标建模如图4所示。

将采购流程内部控制目标与采购流程候选服务列表进行中间对齐后，如表4所示。

通过表4我们可以发现，在经过中间对齐步骤后，将采购流程内部控制目标与采购流程内部控制候选服务的对比，我们发现在采购实现战略目标和提高经营效率效果目标方面，还需要增加一个采购数据实时监控服务，以保证企业管理当局实时掌握各类采购数据。在会计核算真实完整目标方面，也需要增加支付核算控制服务和应付账款控制服务，以保证财务报告真实完整性目标的实现。

通过对A公司采购控制流程的建模，我们可以初步捋清A公司采购控制的控制点和控制线，而且明确出哪些控制点嵌入到信息系统中、哪些控制点由人工控制，以及人工控制和自动控制之间的关系和流程衔接。综合上述分析，A公司采购控制系统的整体控制过程如图5所示。从图5我们可以看出，A公司采购控制系统由监督平台、人工控制、环思ERP、合同控制、金蝶K3等人工系统和信息系统共同组成，基本达到在信息化环境下充分利用信息系统实现内部控制系统的目标。

四、总结

面向服务方法（SOAD）是在信息化环境下比较适合内部控制系统建设的一种逻辑建模方法。其主要优点是能够基于企业现有的管理系统、制度系统和信息系统，以服务的粒度对控制流程和控制点建模，甄别人工控制点和自动控制点，清晰划分人工控制和自动控制界面，实现人工控制与自动控制的融合和协同。

篇（6）

一、引言

UML是一种面向对象的建模语言，主要帮助开发人员对软件系统从需求分析直到最终实现的全部开发过程进行面向对象的描述和建模。火车站售票系统实现查票、订票、退票和换票功能，主要用于火车站售票大厅及点售票使用。为了提高系统开发的效率，达到系统的设计目标，满足用户的要求，在对系统需求分析的基础上，采用UML对系统进行建模。

二、系统需求分析

需求分析是指理解用户需求，就软件功能与客户达成一致，估计软件风险和评估项目代价，最终形成开发计划的一个复杂过程。订购火车票系统是一款复杂的软件控制硬件的系统，它的系统功能需求主要包括：①用户管理模块；②系统参数设置模块；③票务信息模块；④订票管理模块；⑤实时信息管理模块；⑥数据库管理模块。

三、系统建模

（1）用例模型。UML中的用例图描述了一组用例、参与者以及它们之间的关系。用例是对系统的用户需求（主要是功能需求）的描述，表达了系统的功能和所提供的服务。参与者是系统外部的一个实体（可以是任何的事物或人），它以某种方式参与了用例的执行过程。

根据系统的需求分析可以确定系统的角色主要有两个：旅客和售票员。同时可以确定系统的用例有：查票、订票、退票、换票、停止售票和缴纳手续费。在确定好系统的角色和用例的基础上，得出用例图如下图1所示：

图1 系统用例图

（2）静态模型。静态模型显示了系统的静态结构，特别是存在事物的种类的内部结构以及相互之间的关系。静态模型最主要的工作是构造类图。它是在分析阶段用例建模以后，设计阶段开始类图建模，主要实现用例图中的用例，描述系统提供给最终用户的服务。它主要包括类、接口、协作以及它们之间的关系。类图中类之间的关系有：依赖、泛化、关联、聚合、实现和组合。

实现该系统功能的类图如下图2所示，它包含8个类（旅客、售票员、用户、打印机、电脑、工作设备、数据库和火车票）和4种关系（依赖、实现、泛化和聚合）。

图2 系统类图

（3）动态模型。动态模型描述了系统随时间变化的行为，这些行为是用从静态模型中抽取的系统的瞬间值的变化来描述的。它主要建立系统的交互图和行为图。交互图包括时序图和协作图；行为图包括状态图和活动图。

当客户查询车次时候，系统由等待状态转换成工作状态；若是列车正常运行并且有余票，客户可以预定车票，若是预定成功，系统将进行自身转换，修改车票信息。

（4）实现模型。火车站售票系统的物理方面建模是实现模型，建模时要用到两种图：组件图和配置图。组件图描述软件组件以及组件之间的关系，组件本身是代码的物理模块，组件图则显示代码的结构。配置图显示了运行软件系统的物理硬件，以及如何将软件部署到硬件上。它描述了运行系统的硬件拓扑。由于篇幅所限，系统配置图如图3所示，该图共有六个节点（数据库服务器、应用服务器、工作站1、工作站2、打印机1和打印机2），节点之间是关联关系，其中应用服务器节点包括查询程序和预定程序两个组件。

图3 系统配置图

四、总结

篇（7）

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2011)31-0000-00

Model-Based Systems Engineering And Systems Modeling Language

SUN Yu, MA Li

(91872th Unit, Beijing 102442, China)

Abstract: As the system size and complexity continues to increase, the traditional document-based systems engineering will produce more and more sorts of different documents, find information, understanding and change is hard. Model places it is intuitive, unambiguous, modular, reusable etc. rapid coverage of software, electronics and other engineering fields. In order to support model-based systems engineering MBSE, and INCOSE International Systems Engineering in the Object Management Group OMG Unified Modeling Language (UML) software engineering for reuse and expansion, based on the introduction of a standard system modeling language SysML, eliminating the different models language expressions and the different terminology, standardized symbols and semantics. SysML will improve a wide range of applications between systems engineering and other disciplines as well as effective communication system will greatly promote the development of engineering theory and practice. In this paper, systems engineering methods, model based system engineering and systems modeling language SysML provides a brief analyses.

Key words: SysML; systems modeling language; systems engineering; MBSE

所谓系统，是指由相互关联、相互制约、相互作用的一些部分所组成的具有某种功能的有机整体。系统工程是以系统理论为依据，以整个系统为研究对象，从全局统一考虑，运用运筹学、概率学与统计学、控制论、信息论、管理学、经济学及计算机科学等科学理论与方法去权衡解决问题，实现系统整体性价比最优的一门学科[1]。

在系统工程初期阶段，系统产生的信息均是以文档的形式来描述和记录。但是随着系统的规模和复杂程度的不断提高，这种基于文档的系统工程面临的困难越来越突出，如信息表示不准确，容易产生歧义、难以从海量文档中查找所需信息、无法与其他工程领域的设计相衔接(如软件、机械、电子等)。为了解决这些问题，基于模型的系统工程MBSE (Model Based Systems Engineering) [2]便产生了，这也正是未来系统工程发展的必然趋势。

为了支持基于模型的系统工程MBSE，国际系统工程学会INCOSE以及对象管理组织OMG在对统一模型语言UML进行重用和扩展的基础上，推出一种标准的系统建模语言SysML（Systems Modeling Language），消除了不同模型语言在表达法及术语上的不同，规范了符号和语义。同统一模型语言(unified modeling language，UML)主导了软件工程设计一样，SysML也将是统一系统工程的建模语言。

1 系统工程概述

《方法论》(Discours de la méthode)是法国著名哲学家、科学家和数学家勒内・笛卡儿在1637年出版的著名论著。笛卡儿在方法论中提出了一套研究问题的方法，其中最典型的观点就是把要研究的复杂问题，分解成比较简单的小问题，再把小问题从简单到复杂排列，先解决容易的问题。如果每一个小问题都解决好了，再组合起来的大问题自然就解决好了。

笛卡儿的理论和观点对西方人的思维方式，行为模式以及科学研究方法产生了极大的影响。在十九世纪六十年代以前，西方科学研究的方法，基本都是按照笛卡儿的方法论进行的。《方法论》对西方近代科学文化的飞速发展，起了极大的促进作用。一直到美国阿波罗号登月工程的出现，科学家们才发现，有的复杂问题根本无法分解，即使分解了，各个小问题之间也有关联和冲突，必须以复杂的、整体的方法来解决，因此系统工程方法出现了，方法论的方法才被综合性的系统工程方法所取代。

简单地讲，系统工程就是开发解决问题的系统的思想方法，按照这样的方法和步骤就可以帮助人们了解一个系统，对于复杂的系统就不会使人感到无从下手。

2 基于模型的系统工程

基于模型的系统工程MBSE(Model-Based Systems Engineering)就是采用模型的表达方法来描述系统的整个生命周期过程中需求、设计、分析、验证和确认等活动。

随着系统的规模和复杂程度的提高，传统的基于文档的系统工程将产生大量的各种不同的文档，它面临的困难越来越明显：

1）信息的完整性和一致性以及信息之间的关系难于评估和确定，因为它们散布于各种不同的数量巨大的文档中。

2）难于描述各种活动。活动是动态的，有交互的，仅用文字描述对于相对简单，参与方不多的活动还能胜任，但对于复杂活动就很难描述清楚了。

3）更改的难度很大。由于文档的数量巨大，要确保所有需要更改的内容都得到更改，将是个很难很大的工程。

基于模型的系统工程MBSE的出现就是为了解决基于文档的系统工程方法的困难，相对于基于文档的系统工程方法，它主要在以下几个方面有所改进：

1）知识表示的无二义性。文字的描述经常会因为个人理解的差异而产生不同的解释，而模型是一种高度图形化的表示方法，具有直观、无歧义、模块化、可重用等优点，建立系统模型可以准确统一地描述系统的各个方面，如功能、详细规范与设计等，对整个系统内部的各个细节形成统一的理解，尤其是可以提高设计人员和开发人员之间的理解的一致性。

2）沟通交流的效率提高。随着系统的规模和复杂程度的提高，各种文档越来越多，相对于厚厚的技术文档，阅读图形化的模型显然更加便利直观、无歧义，使得不同人对同一模型具有统一一致的理解，有利于提高系统内各个需要协调工作部门之间的沟通与交流的效率，如顾客、管理人员、系统工程师、软硬件开发人员、测试人员等。

3）系统设计的一体化。由于系统模型的建立是涵盖系统的整个生命周期过程的，包括系统的需求、设计、分析、验证和确认等活动，是一个统一整体的过程，可以提供一个完整的、一致的并可追溯的系统设计，从而可以保证系统设计的一体化，避免各组成部分间的设计冲突，降低风险。

4）系统内容的可重用性。系统设计最基本的要求就是满足系统的需求并且把需求分配到各个组成部分，因此建立系统的设计模型必然会对系统的各个功能进行分析并分解到各个模块去实现，从而对于功能类型相同的模块就不必重复开发了。

5）增强知识的获取和再利用。系统生命周期中包含着许多信息的传递和转换过程，如设计人员需要提取需求分析人员产生的需求信息进行系统的设计。由于模型具有的模块化特点，使得信息的获取、转换以及再利用都更加方便和有效。

6）可以通过模型多角度的分析系统，分析更改的影响，并支持在早期进行系统的验证和确认，从而可以降低风险，降低设计更改的周期时间和费用。

同其他工程学科（软件、电子等）一样，系统工程正在进行进化：从基于文档的方法到基于模型的方法，而这也正是系统工程发展的必然趋势。如图1所示。

图1系统工程表示方法的转变

3 系统建模语言SysML

在SysML推出以前，系统工程使用的建模语言工具和种类很多，如IDEF0、行为图、N2图等。这些建模语言使用的符号和语义各不相同，各自为政，彼此之间互不支持，无法互操作和重用。系统工程缺乏一种强大的“标准的”建模语言，严重限制了系统工程和其他学科之间的有效沟通，影响了系统工程的质量和效率。

为了支持基于模型的系统工程MBSE，是国际系统工程学会(International Couneil of Systems Systems Engineering，INCOSE)和对象管理组织(Object Management Group，OMG)联合提出的一种通用的针对系统工程应用的“标准系统建模语言”SysML (Systems Modeling Language)[3]，它可以支持系统工程应用的多领域系统包含硬件、软件、信息等系统的需求分析、系统设计、功能描述、系统验证等。

系统工程经过多年的发展，逐渐在各个层次的理论研究和工程实践中提出了许多标准，如图2所示为系统工程的标准框架。一般从方法学上来讲，系统工程的实施可以分为5个层次，从顶层设计到具体实施分别是过程标准、体系结构框架、建模方法、建模与仿真标准、数据交换标准，以及最底层的数据库。SysML正是建模与仿真层的“标准建模仿真语言”。

图2 系统工程的标准框架

SysML作为系统工程领域一种新的系统建模语言，主要是以软件工程领域事实上的标准--统一模型语言UML (unified modeling language) 为基础，集成了面向对象和面向过程的可视化设计语言的优势，修改扩充了活动图及需求图，并将配置图集成到装配图中，是系统工程领域推广的标准系统建模语言。

SysML的设计目的是要解决系统工程中面临的建模问题，为系统设计师提供一种简单易学、功能强大的建模语言。SysML对于系统设计分析中系统的需求分析、结构分析、行为描述、参数分配和属性约束等描述特别有效，它支持结构化和面向对象的多种方法和多种过程。SysML在重用UML2．1的基础上，对其进行了特定的扩充和修改。SysML与UML的关系图如图3所示。重叠部分表示SysML重用UML的部分，可见SysML在UML的基础上还有特定的扩充和修改， UML中还有很多要素是不为SysML所用的要素。

图3 SysML与UML关系图

如图4所示是SysML图形分类，SysML一共定义了三类共9种图形来描述模型的各个方面特征。分别是需求图、结构图和行为图。结构图包括方框图、内部块图、包图和参数图，其中参数图是SysML新增的图形，方框图、内部块图是在UML的基础上扩展和修改的，包图是重用UML的图形；行为图包括活动图、顺序图、状态机图和用例图，其中只有活动图是在UML的基础上扩展和修改的，其它都是重用UML的图形。为了加强需求的分析设计，需求图也是SysML新增的图形。

图4 SysML图形分类

4 SysML在系统建模中的应用

限于篇幅，本文仅以汽车的刹车系统ABS系统为例，运用SysML系统模型语言简单描述一下该系统的结构、活动、参数和需求等。

第一步，描述需求。为了加强对系统需求的分析设计，SysML新增了需求图。需求是指系统必须满足的能力或条件，一个需求能够分解成多个子需求。需求图能够描述系统的详细需求以及分系统的需求、各需求之间以及需求和其他建模元素之间的关系。SysML用requirements说明需求，需求图有点类似于类图，有两个属性：text和id。text是需求的文本描述，id是需求的标识符。如图5所示为刹车系统的需求，详细的需求描述又分为两项，一项为制动距离，具体为在干燥平整的了路面上车辆应在150英尺范围内完成从60公里/小时到停止的制动。另一项是反锁死行为的需求描述，具体即在所有的刹车条件下，刹车系统都应该阻止轮胎锁死。

图5 刹车需求图

第二步，描述系统的结构。如图6所示是用SysML的包图描述ABS系统的结构。ABS系统主要是由电子设备中心处理器、反锁死控制器、电子液压阀门、牵引力探测器和刹车调节器组成。牵引力探测器和刹车调节器是反锁死控制器的组成部分，代号为d1和m1，同时可以看出牵引力探测器有信息传给电子设备中心处理器，刹车调节器控制电子液压阀门。通过这个图，可以看出ABS系统的组成结构以及各部分相互之间的关联。

图6 ABS系统结构图

如图7所示是用SysML的内部块图描述反锁死控制器的内部关系。可见反锁死控制器有两个子单元，即牵引力探测器和刹车调节器。牵引力探测器输出一个控制信号c2到刹车调节器的输入端。

图7 反锁死控制器内部块图

第三步，描述系统的行为，即活动。SysML的行为图有四个图形：顺序图、活动图、状态机图和用例图。由于这个系统较小，行为比较简单，我们只用活动图就可以描述清楚系统的行为。如图8所示是用SysML的活动图描述反锁死控制的活动行为。可见反锁死控制活动相关的有两个子单元（两个泳道），即牵引力探测器和刹车调节器。当牵引力探测器发现牵引力丢失后就发送控制信号c2给刹车调节器控制刹车的力度。

图8 反锁死控制活动图

第四步，通过参数图分析各系统参数之间的关系。参数图也是SysML新增的图形，参数关系没有方向，只是说明了一个属性值的变化对其他的属性值有影响。参数约束关系可以描述系统的各属性之间的相互关系，可以是基本的数学操作符，也可以是相互关系的数学表达式。如图9所示为直线行车的动力参数图，其中e1是刹车力度等式；e2是加速度等式；e3是速度等式；e4是距离等式。分别可见f=(tf*bf)*(1-tl)；f=m*a；a=dv/dt；v=dx/dt。

图9 直线行车的动力参数图

系统中经常重复利用的各种参数、变量或者某个模块都应该在包图中定义出来，图9中的各个变量（tf、bf、m、a、t、v、tl等）就应在包图中定义，如图10所示。

图10 直线行车的动力分析包图

限于篇幅，本文举的这个例子是对简单小系统的描述过程，建模和分析过程比较简单。对于复杂大系统通常也是这个过程，即从系统的需求分析开始，只不过系统需要逐级分解描述各个分系统的需求、结构、行为以及各个分系统之间的关系。需要说明的是，SysML是标准建模语言，而不是标准过程或方法。不同的系统工程应用领域要求不同的过程，SysML独立于任何一种系统工程过程和方法，但支持任何过程和方法。

5 结论

本文简要介绍了基于模型的系统工程和SysML模型语言并以汽车的ABS系统为例建立了基于SysML的系统模型。限于篇幅SysML的其他图形以及图形的混合用法没有介绍。

SysML是是国际系统工程学会(International Couneil of Systems Systems Engineering，INCOSE)和对象管理组织(Object Management Group，OMG)联合提出的一种通用的针对系统工程应用的“标准系统建模语言”，能对系统工程的各种问题建模。消除了不同模型语言在表达法及术语上的不同，规范了符号和语义。目前系统工程领域的各工具开发商都在致力于SysML建模与仿真环境的开发，市场上也已经有不少相关产品，相信同统一模型语言(unified modeling language，UML)主导了软件工程设计一样，SysML也将统一系统工程的建模语言。SysML的广泛应用必将提高系统工程之间以及和其他学科之间的有效沟通，将有力地推动系统工程理论和实践的发展。

参考文献：

[1] Jakob Axelsson.Model Based Systems Engineering Using a Continuous-time Extension of the United Modeling Language (UML)[J].Systems Engineering (S1098-1241).2002,5(3):165-179.

[2] Terry Bahill,Jesse Daniels.Using Objected-Oriented and UML Tools for Hardware Design: A Case Study[J].Systems Engineering,(S1098-1241),2003,6(1):28-48.

[3] Alan Moore,Rick Steiner OMG Systems Modeling Language (OMG SysMLTM),2008,

[4] Conrad Bock.UML 2 Activity Model Support for Systems Engineering Functional Flow Diagrams[J].Systems Engineering,(S1098-1241).2003,6(4):249-265.

[5] OMG. Systems Engineering Domain Special Interest Group (SEDSIG).UML for systems engineering RFP[EB/OL].(2003-03-01),[2005-04-18]./cgi-bin/doc?ad/03-03-41,2003.

[6] OMG.SysML-v0.9-PDF-050110.pdf[EB/OL].(2005-01-10),[2005-04-18].,2005.

篇（8）

中图分类号：C37 文献标识码：A 文章编号：

快速绘图与建模是近年来计算机技术研究的重点内容之一。目前绘图和建模基本采用参数化技术、变量化技术和面向对象技术。普通用户短时间内难以掌握上述方法。本文笔者根据自己多年的工作经验，探讨了绘图与数据处理。

一、数据处理

AutoCAD是绘图软件，Excel是办公软件，两者的数据格式并不相同，直接利用Excel文档中的测量数据实现快速绘图首先要做的工作是数据处理，即如何把文档中的测量数据转换成AutoCAD绘图的矢量数据。本文利用Excel的数据处理能力把Excel中得测绘数据转换成矢量数据并按一定的方式保存在Excel中，以便于AutoCAD直接读取这些数据进行绘图。

1、数据解析

测绘数据在文档采用图表方式描述，数据表中数据元素关系属于树型集合结构，即表中的数据元素是“属于同一个集合”(这些数据属于同一建筑)。从结构上看，该结构的数据元素之间存在着一对多的关系，其中的根节点表示建筑物的边长，子节点表示室(户)的边长，叶子节点表示房间的边长。这种存储结构可以方便的将数据按建筑的几何特性进行有效组织，并将其转换为能够方便的进行编辑和移动的节点的形式；而且这种树状结构非常适合系统进行各种遍历操作。由于文档中的测量数据在格式、组织等方面与CAD完全不同，因此要实现快速绘图必须把文档中的数据格式转换成CAD的格式，进而驱动CAD自动绘图。数据格式的转换正是数据解析所要做的工作。数据解析首先对读入内存的文件进行遍历，读取所需要的数据元素，将其转换成树形层次结构，其中树的根节点表示整个建筑物的尺寸信息，第二层表示房间之间的分界线，叶子节点表示各房间的墙线信息；然后把根节点和子节点的数据值赋给对应的数组，每一个数组表示对应节点的坐标。解析就是把每一节点值转换成CAD中对应点的坐标格式。

2、Excel概述

Microsoft Excel是美国微软公司开发的Windows环境下的电子表格系统，它是目前应用最为广泛的办公室表格处理软件之一。Excel软件的强大的数据处理功能和操作的简易性逐渐走入了一个新的境界，整个系统的智能化程度也不断提高。Excel具有强有力的数据库管理功能、丰富的宏命令和函数、强有力的决策支持工具，它具有以下主要特点：分析能力、操作简便、图表能力、数据库管理能力五、宏语言功能、样式功能、对象连接和嵌入功能。

3、数据格式转换

数据格式转换的任务是把Excel中的测量数据转换成矢量数据并按一定顺序保存在Excel中。其工作工作机理：数据格式转换实质是把Excel工作簿(Workbooks)中工作表(worksheet))中数据，按预设的转换公式转换成矢量数据再保存到另一张工作表(worksheet2)中。

二、基于文档快速绘图

（一）快速绘制二维平面图

1、图形的分解

建筑物图形的分解是按照文档中的数据关系和拓扑关系来进行。测量数据在文档中采用图表方式描述，数据表中数据关系属于树型集合结构，即表中的数据是“属于同一个集合”(这些数据属于同一建筑)。从结构上看，该结构的数据元素之间存在着一对多的关系，即多个数据对应一个建筑结构。根节点表示建筑物的边长，子节点表示室的边长，叶子节点表示房间的边长。

2、定义基本图元对象

根据图形的分解结果，把基本图形定义为图元对象并设置参数控制其的大小和形状，用转换后的矢量数据对参数赋值。图元参数表示基本图形的端点坐标。这种绘图方法即能绘制形状不同的图形(克服了参数化绘图只能绘制形状相同的图形)，又避免控制参数的人工输入，把人机交互式输入参数改为程序自动读取数据。

利用VB中对象定义语句创建轮廓线图元对象，把轮廓线图元定义为AcadLWPolyline的对象，设置一组参数变量作为参数，参数值用来表示建筑物轮廓的各点坐标，用Linewithds和Linecolor等变量用来定义线宽线型颜色等。

3、绘制基本图形

绘制轮廓线：把轮廓线图元对象定义完成后，即可对参数赋值。数据处理中转换的矢量数据保存在Excel中，打开Excel读出单元格中的矢量数据对图元参数赋值，再用绘图语句调用图元对象参数进行绘图。

4、基本图形的组合

整个建筑的轮廓线、室线、房间线绘制完成后，不同墙线相交时可能会有多余的交叉，此时需要把这些多余的墙线删除。根据数据处理中的拓扑关系判断哪些线段是多余线段。如当分户线与房间线相交时，房间以外的线段即为多余线段。选择多余的墙线，再调用修剪命令(Trim)删去多余的墙线；或者定义一个集合把所有多余墙线放入其中，再把该集合置空。即可得到建筑平面图。

5、绘图示例

下面是某办公楼的快速绘图过程。

调用绘图模块，选择绘制轮廓线，系统从文档中读取测量数据，并进行数据矢童化，对轮廓线数据结构中的参数赋值，驱动CAD绘制办公楼的外部轮廓线。再分别选择绘制分户线、绘制房间线，完成办公楼的分户线、房间线的绘制，最后用修剪语句((Trim)删除草图中的多余线段，即可得到办公楼的平面图。绘图过程如图.

绘图过程示例

（二）快速绘制三维线框图

建筑物一般由大量基本构件组成，如房屋中的房顶、墙体，凉亭的柱等，这些基本构件可视为可再分的结构。建筑实体中绝大部分构件的几何形态都是标准的，其建模方法有规则可循，可以通过少量的特征参数来表达。改变特征参数的值可以控制构件的大小和形状。本文通过特征参数对构件对象建模，构件模型通过布尔运算组成建筑模型。这种建模方法的优点一方面是降低建模难度。传统建模方法是对整个建筑建模，本文是对构件建模。对构件建模比对整个建筑建模简单得多，对构件建模更易于实现。另一方面利用计算机自动建模技术提高建模速度。在传统建模中数据的输入和建模过程都靠人工完成，这是造成传统建模速度较慢的主要原因。快速建模把数据输入和建模过程全部交给计算机完成，因而大大提高建模速度。

结束语

以上就是笔者在工作中的一些工作体会，当然还有待继续研究完善，比如：进一步完善绘图和建模方法，归纳齐全规则对象和不规则对象结构特点；进一步完善系统功能，使之不仅能够绘图、建模，还能对建立的对象进行材料、载荷等性能进行分析研究等。

【参考文献】

篇（9）

一、传统建模方法存在的问题及研究现状

目前，城市设计传统建模方法存在的问题有：

一是三维可视化不强。现有城市设计主要基于平面二维设计的方法，完成方案之后，再开展三维建模。由于可视化不强，在对方案进行评价时，无法观察到很多方案细节。此外，在设计方案时，设计师往往只能凭借经验，无法在一个虚拟的环境下感受建筑的尺度、比例、色彩对比等。

二是建模过程复杂。通常来说，城市设计要对一定区域内所有建筑进行三维建模，数量巨大任务繁重。传统建模对单栋建筑可以做到很精细的程度，对于大量建筑群就显得力不从心。同时，由于还要考虑到城市建筑风格、建筑色彩等问题，需要花费大量精力在建筑外表面上进行设计，无疑加大了建模的工作量。

三是群众参与性不高。传统城市设计是自上而下的方式，由设计方设计并交甲方（政府）评审，根据甲方意见修改设计，广大群众无法有效参与到设计之中。

目前国内对城市三维建模及可视化有一定的研究。刘增良、杨军、张保钢（2009）探讨了目前主流的三维建模技术方法，并且在实际的三维规划中对各类三维建模技术进行了综合应用[1]；阎凤霞、张明灯（2009）提出三维数字城市构建和实现方法[2]；冉磊、高磊、张宇琳、杨艳峰（2010）又进一步论述了三维数字城市建立的路线、技术流程及数据处理过程，最后探讨了数据更新和维护及三维数字城市技术在城市规划中的应用[3]；王法（2011）以奉化市为例，对城市三维仿真建模的基本技术路线和方法进行探讨和研究，为三维地形、模型、参加的优化在城市规划中的应用提供了方法[4]。

在三维建模方法，应用最多的是基于3DGIS系统。单楠（2009）采用SketchUp和ArcGIS相结合的方法进行了三维GIS的开发，并在小区三维可视化管理系统中得到了应用[5]；吴学强、孙建刚、李想（2013）将ESRI CityEngine用于大庆石油储库的场景建模中，提出基于规则的建模平台，使得使用者只需要改变模型的参数就可以创造出更多的模型或者不同的设计方案[6]。

从目前国内的研究现状上分析可以发现以下两个问题：

一是研究中涉及到三维建模与城市设计的很少。大多数研究是基于三维建模的城市，以及数字城市的发展。对于如何让参数化三维建模在城市设计中起到作用，如何通过三维建模在区域场景中直接开展规划设计，并且能够实现可视化等问题的研究，涉及度以及深度都远远不足。

二是城市规划领域三维建模对新技术研究不足。目前城市规划领域的研究大多是基于SketchUp、ArcGIS及其拓展程序，而这些软件在使用过程中都有一定的局限性。对于当前城市设计中面临的种种问题，亟需引入新的技术方法，来打破传统设计理念的桎梏。然而，国内对新技术的研究却还没有大的突破。

二、基于城市引擎CityEngine的三维城市设计方法

（一）基本原理

参数化建模（Parametric Modeling）是用专业知识和规则来确定几何参数和约束的一套建模方法，通过简单地改变模型中的参数值就能建立和分析新的模型。本文的研究是将参数化建模建立在CityEngine这一软件平台上。

CityEngine是基于规则进行建模的软件，它的建模速度快，规则模型可重用性强，基于工作流场景画面显示流畅，并能实时、动态、有效地优化城市设计场景模型。

将CityEngine与ArcGIS相结合，协调建模。首先在ArcGIS中将建模所需的二维数据处理好，通过Geodatabase文件导入模型基底到CityEngine中；然后将已经整理好的规则应用于基底，这时初步的模型就建立起来。这里的规则是指预先对模型进行的各项定义，如建筑风格、建筑层数、道路宽度、绿化布置等，这是CityEngine的核心部分，存储在规则文件.Cga中；接着就要在CityEngine中通过修改参数来修改模型，并在这个过程中反复修改方案。在CityEngine中，一组参数对应一个规则，每个规则所建立的模型也不同，因此我们通过应用不同的规则来直观地观察不同方案的合理性；同时CityEngine也为使用者提供了大量科学的分析，如日照分析、视域分析、天际线分析等，通过这些分析来调整方案，达到建模与方案设计同步进行，并使二者产生积极的互动，最终通过参数化及可视化的方式，完成整个城市设计。

（二）方法应用

1.准备工作

（1） 二维数据

将CityEngine与ArcGIS相结合，实现二维数据到三维数据的转换，在建模之前要构建模型基底（图1），主要在ArcGIS中进行，以AutoCAD辅助。

（2） 规则

应用CityEngine为城市设计建立模型，其高效性来源于规则的使用，在真正建立模型前，要建立相应的规则库。城市引擎CityEngine建立的模型可以实现共享，因此规则的来源之一就是采用其他设计者已经建立好的规则；另外也可以预先按照设计要求自己设定规则，例如要建立一个高12米、层高为3米的建筑，就可采用以下语句：

Attr height=12

Lot——>extrude （height） Mass

Mass——>aplit（y） （～3：Floor）*

城市设计建模所包含的要素十分丰富，建筑、道路、绿化等都需要准备相应规则，而且规则不能过于单一，要建立多个规则以供修改方案使用。

2.模型建立

将ArcGIS中的二维数据通过GeoDatabase文件导入到CityEngine场景中，拖入规则到指定地块，快速建立模型（图2、图3）。

3.模型优化

为了达到三维建模辅助城市设计的目的，要开始在CityEngine中调整模型，以到达最优设计。

调整模型的方法有三种：一是在检阅视图（Inspector）中修改。当我们想要调整某栋建筑的高度时，可以选中该建筑，再在同步弹出的Inspector工具栏中调整高度参数，或者重新输入新的高度数值。二是在规则的定义中修改语句。先将规则文件进行调整，然后重新加载进CityEngine的场景中。如：修改建筑的规则高度改变最初所设定的高度，修改语句attr height=18，在规则中将原来建筑的高度由12m改为18m。三是在规则交互视图（Model Hierarchy）中修改规则参数。CityEngine中规则文件的可视管理使我们可以很方便地改写视图参数，调整规则视图的组块结构就可以高效直观地增减或删改规则。

4.模型分析

CityEngine中提供了多种专业分析，来辅助城市设计，进行方案的修改。如参照阴影分析（Shadow Analysis）可以调整建筑高度、建筑密度等参数；通过天际线分析（Skyline Analysis）可以改变建筑布局、建筑高度等，由此进一步完善城市设计方案，使最终的方案更加科学，这是在普通的建模软件中无法实现的操作。

5.成果输出，完成城市设计

方案的设计和修改与模型的建立实现良性互动，当方案最终确立后，最终的效果图也同步完成。

三、结论与展望

将CityEngine、ArcGIS等先进数字技术应用于城市设计，可以弥补传统城市设计中的不足之处：

第一，参数化建模大大提高城市设计效率。Esri CityEngine可以利用二维数据快速创建三维场景，而且对ArcGIS的完美支持，使很多已有的基础GIS数据不需要转换即可快速实现三维建模，减少了系统再投资的成本，也缩短了三维GIS系统的建设周期。

第二，规则的应用使城市设计走向可视化、科学化。CityEngine最关键、最强大的功能之一，是通过提供可视化的、交互的对象属性参数修改面板来调整规则参数值，比如房屋高度、屋顶类型、贴图风格等，可以立刻看到调整后的效果。

第三，使用CityEngine进行建模实现城市模型共享。CityEngine基于WebGL技术，大多数的浏览器都无需安装插件便可直接使用。此外该软件与当前主流的GIS平台ArcGIS紧密集成，让使用者可以在工作中轻松使用海量的3D城市模型。

CityEngine开启了全新技术应用领域，新技术的出现使得规则化大规模快速城市建模成为了可能，这将大大提高城市设计的建模高效化、分析科学化、三维可视化，并对于提高公众参与度具有重大意义，使城市设计在新技术应用的领域上升到更高水平。

参考文献：

[1]刘增良，杨军，张保钢.面向城市规划的三维建模技术探讨与应用[J]. 北京测绘，2009（2）：1—3.

[2]阎凤霞，张明灯.三维数字城市构建技术[J]. 测绘学刊，2009，32（2）：93—96.

[3]冉磊，高磊，张宇琳，杨艳峰.三维数字城市技术在城市规划中的应用[J]. 城市勘测，2010（2）：99—101.

篇（10）

中图分类号： TP311.52 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2012）03-0000-00

1、引言

随着现代软件工程的复杂程度不断提高，而软件项目也产生了越来越多的问题，像软件项目的花费以及维护费用越来越高，以及软件开发的周期也越来越长等，而一个优秀的模型系统的建立成为必要。UML已经成为通用建模语言的工业标准，而工业在竞争激烈的市场中生存发展，则就需要基于UML的适用于需求分析、概要设计和结构优化的软件开发支持环境。而与传统的软件开发环境不同的是，它能广泛覆盖软件开发的各方面，同时其支持环境提供了全面的软件建模支持以及良好的体系结构，从而为软件开发者提供最好的服务。

2、基于UML的软件开发方法

在对基于UML的软件开发方法探索时，则传统的软件开发方法必然有其不足之处。其一，很难准确的理解以及表达系统需求。毕竟准确、透彻的理解系统需求是软件开发的首要任务。其二，很难处理系统需求的变化。当前，软件系统更新较快，这就要求研发的周期要尽可能的短，同时在开发过程中要调整需求。其三，风险大以及软件复用率低。传统的开发方法，开发中大多是一段程序或者是模块的复用，软件复用的利用率和效果都不是很好。其四，软件的可维护性较差。这是由于传统的软件开发方法中，需求分析、设计和编码以及测试之间存在着鸿沟所造成的。

由于传统的软件开发方法存在着诸多的弊端，而无法适应当今复杂并具有人性化的软件系统。则在众多开发中基于UML的软件开发方法成为首选。UML是一种建模语言，并不是一种面向对象的建模方法。当前也有RUP、OPEN以及OOSP等较为流行的开发过程，但通过比较RUP最为完善，与UML形成了最好的结合，是UML推荐使用的软件开发过程。

首先，RUP建模框架模型。从软件工程过程的角度看，RUP是一个软件开发过程，是一个将用户需求转化成软件系统的一组有序的步骤。RUP是一种二维结构的软件开发过程。在RUP的二维开发模型中，则包括阶段与迭代内容。阶段是软件开发过程随着时间的动态组织。RUP把一个开发周期分成四个连续的阶段，有初始阶段、细化阶段、构造阶段和移交阶段。而迭代是一个完整的开发循环，它的结果是可执行产品的一个版本，是正在开发的最终产品的一个子集。当然，在上述的内容中可见，RUP建模框架模型中也存在这不足。则基于领域分析的RUP改进模型框架出现，它是一种三维模型，包括领域维、生命周期维和阶段维。基于领域分析的RUP改进模型动态建模技术主要有两个部分组成，领域建模方法和基于领域分析的RUP改进模型的动态建模方法。开发系统的最终目的是建立一个可执行的系统，在软件开发过程中，RUP为需求、分析、设计、实现以及测试提供了很好的指导。

3、基于UML的软件开发支撑环境

基于UML的软件开发支撑环境方面，国际上已经进行了一些研究和实际开发工作。特别是Rational公司的Rational Rose是目前国际上应用最广泛以及功能最强大的UML支撑环境。而国内对于UML支撑环境的研制开发工作尚处于起步阶段，而比较典型的有UML_Designer。而其按照功能划分包括建模和模型管理子系统，模型检查和代码生成子系统以及逆向变换和构件支持子系统以及工程管理和支持子系统。其中Rational Rose提供了UML的所有建模元素的可视化编辑环境，基于组件的开发以及对软件开发全过程的支持，其中, Rational Rose目前在面向对象分析、建模以及设计工具市场上都起着主导作用。

基于UML的软件开发支撑环境主要包括UML建模环境、UML模拟环境以及自动代码生成环境和逆向变换环境等。而这些环境均是基于UML的语法规则和语义定义。在UML建模环境中主要实施的是对UML各种图形的可视化支持，除了完成最基本的图形编辑功能外，还要能进行语法检查和一致性检查，从而保证系统模型的完整性。其结构体系主要包括对象管理系统、图形支持库以及结构化图形编辑器生成工具等。自动代码生成，就是把为系统建立的各级分析以及设计模型转换成特定语言的代码，自动代码生成是以信息中心库为基础的。当用户对生成的代码进行修改后，逆向变换机制将用户的修改转换到模型上，保证模型和代码的一致性。代码的生成主要是通过五个步骤后生成，有检查系统模型，生成组件并将类赋予组件，设置代码生成属性，选择生成对象，生成代码。UML模拟环境支持UML的动态模型的模拟以及系统功能和用户界面的模拟和系统性能的模拟。作为一个良好的建模和开发支持工具，以支持对系统体系结构的建模，即在不同系统配置和功能分配的情况下，对系统性能进行模拟。

4、结语

建模是开发优秀软件的所有活动中的关键部分，其目的是为了更好的理解、分析以及设计和实现所构造的系统。而统一建模语言UML的出现是软件工程领域的重大突破，在对基于UML的软件开发方法以及软件支撑环境的研究中，虽然开发设计的探讨中，对全局性的框架部分有着理论以及相关实践的支持，特别是国内开发的UML_Designer开发支持环境，虽然并不是很完善，但也有着更大的发展前景。诸多不完善的地方主要有以下方面，对于UML的应用仍需要更多的实践对其进行评价，同时基于UML的动态建模技术和基于构件的开发技术还需要进一步结合等。对于这些方面的不足，有的需要进一步探讨研究，有的需要更多的实践应用及反复测试得到更多的数据作为依据。

参考文献

[1]潘家志.基于UML的面向对象开发模型UBDM的研究[D],重庆:西南农业大学,2005.

[2]徐宝存.基于UML的动态建模和过程模式在企业信息系统中的应用[D].江苏南京：南京理工大学,2006.