江志煒

（中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028）

五性綜?？梢暬D形框架開發(fā)與應(yīng)用

江志煒

（中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028）

基于五性綜保相關(guān)的仿真建模軟件需求，參考了國外一些著名的建模軟件，借鑒了WPF（Windows Presentation Foundation，用戶界面框架）的圖形化技術(shù)，采用面向?qū)ο竽Ｊ皆O(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了支持仿真平臺圖像化建模的圖形框架。

五性綜保；可視化；仿真；圖形框架；畫布；圖元

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代裝備變的越來越復(fù)雜，如何提高裝備的戰(zhàn)備完好性（或者可用性），需要對裝備的全壽命周期內(nèi)的可靠性、維修性、測試性、安全性、保障性（簡稱五性綜保）信息進(jìn)行收集、分析和預(yù)測。

利用模型仿真方法，借助計(jì)算機(jī)技術(shù)，可以更加準(zhǔn)確地得到五性綜保不同類型的指標(biāo)分析數(shù)據(jù)，為裝備的設(shè)計(jì)、研發(fā)、使用提供正確的指導(dǎo)，比傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)解析方法得到的數(shù)據(jù)更加精確有效，同時(shí)工作效率提高。

國外有很多基于語言建模的仿真工具，如使用Modelica、Altarica語言編寫代碼生成模型。它們的缺點(diǎn)：用戶需要具備語言編程的能力，在編程過程中大量的輸入，很容易導(dǎo)致語法出錯(cuò)。而圖形化建模，利用計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)，對工程中的設(shè)備進(jìn)行抽象，轉(zhuǎn)化為屏幕上的圖形，使得用戶建模更加簡單、直觀、高效。

我們參與開發(fā)的五性綜保仿真工具，有很多都實(shí)現(xiàn)了具有可視化建模的能力，例如測試性建模與分析工具通過圖形化進(jìn)行對信號流建模，效能仿真平臺使用網(wǎng)絡(luò)圖的建模方式進(jìn)行保障任務(wù)建模；安全性仿真與分析平臺基于圖形模塊化實(shí)現(xiàn)Altaric建模等等。

1 總體結(jié)構(gòu)

圖形框架以高效、快速、穩(wěn)定，并且能夠支持不同開發(fā)環(huán)境為開發(fā)目標(biāo)。總體劃分為3大塊，核心框架（GraphicEditor）、基于.Net4.0的圖形擴(kuò)展（GraphicEditorExtension）以及圖形持久化（Serializer）。如圖1所示。

1.1 核心框架

圖形框架的核心，包含畫布、圖元，封裝了圖形框架最常用的功能，提供具有擴(kuò)展功能的接口。作為一個(gè)獨(dú)立的基礎(chǔ)框架，通過高層編程抽象，使得開發(fā)人員在不同開發(fā)環(huán)境下都能進(jìn)行快速開發(fā)。a

圖1 總體結(jié)構(gòu)

1.2 圖形擴(kuò)展

圖形框架，在.Net4.0的基礎(chǔ)上對圖形框架進(jìn)行了常用擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)了IPanelOwner類，豐富了多種圖元，及配套實(shí)現(xiàn)各個(gè)圖元的測量、繪畫、新增處理，提供基礎(chǔ)菜單剪切、復(fù)制、粘貼菜單，刪除功能。

1.3 圖形持久化

定義了圖和圖元的持久化接口。

1.4 畫布

畫布（DrawingPanel）作為圖形框架最重要的組成，對布局、繪畫、交互操作進(jìn)行協(xié)調(diào)管理，同時(shí)通過開放接口，業(yè)務(wù)系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行擴(kuò)展。

1.5 圖元

作為畫布上可顯示元素，每個(gè)圖元都繼承自VisualElement（可操作圖元抽象類），VisualElement作為繪圖對象，所有的布局、繪畫、焦點(diǎn)、事件都是針對它來進(jìn)行，同時(shí)VisualElement也是可操作的對象，如選擇、拖動(dòng)、拉伸操作。

布局、繪畫、交互、事件、持久化和圖形擴(kuò)展見本文后續(xù)內(nèi)容。

2 核心框架分層

為了簡化和清晰圖形框架的實(shí)現(xiàn)邏輯，對圖形框架的內(nèi)部邏輯進(jìn)行歸類和劃分，圖形框架從設(shè)計(jì)上分為布局層、繪畫層、交互層，層次結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 層次結(jié)構(gòu)

2.1 布局層

在3層結(jié)構(gòu)中，布局層處于最底層，當(dāng)布局層接收到布局請求，通過對圖元進(jìn)行測量、排列，生成布局信息，然后把布局信息通知到繪畫層進(jìn)行繪制。

這一層的布局計(jì)算由布局引擎（GraphicLayout Engine）來實(shí)現(xiàn)，布局引擎在測量圖元的過程中通過測量工廠獲取相應(yīng)的圖元測量器（IMeasure），然后根據(jù)測量器來計(jì)算圖元的尺寸，最終決定畫布的尺寸范圍。布局引擎是框架內(nèi)部類，不對外公開。

圖形框架不提供任何滾動(dòng)支持，當(dāng)觸發(fā)布局，畫布尺寸發(fā)生變化，通過事件通知外部，由外部來實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)。

2.2 繪畫層

加載Graphic模型文件或外部操作導(dǎo)致Graphic模型的布局發(fā)生變化，框架通知繪畫層進(jìn)行重新繪制。

繪畫層根據(jù)布局和樣式信息，將圖元繪畫到畫板上。繪畫層根據(jù)功能把繪畫劃分為3類，圖元繪畫（IRender）、選擇過程繪畫（ISelectingRender）、改變尺寸繪畫（ISizeElementRender）。

2.2.1 圖元繪畫

圖形框架定義了IRender接口，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和通知圖元繪制，具體的繪畫過程由外部應(yīng)用程序根據(jù)自身采用的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，比如WPF可以通過DrawingContext或者Graphics進(jìn)行繪畫。圖形化建模大部分情況下都使用到矩形、橢圓、直線，在GraphicEditorExtension層中對上述3種圖元進(jìn)行了繪畫封裝（RectangleRender、EllipseRender、PolyLineRender），同時(shí)業(yè)務(wù)系統(tǒng)可以進(jìn)一步對其進(jìn)行擴(kuò)展。

Render()方法針對圖元外觀進(jìn)行繪畫，其中繪畫要素包括位置、尺寸、形狀、背景色、文本、邊框、邊框?qū)挾鹊鹊?。Render()方法的接收參數(shù)為IGraphicContext（繪圖上下文）、 VisualElement（繪畫圖元），從接收參數(shù)可見圖元并非直接繪制到DrawingPanel上，而是繪制到IGraphicContext對象中。

IGraphicContext由IPanelOwner統(tǒng)一創(chuàng)建，DrawingPanel只負(fù)責(zé)管理繪制及刷新。派生類圖元可以重寫Render()方法來實(shí)現(xiàn)個(gè)性化繪制。

RenderSelectedAdorner()方法在圖元被選中時(shí)調(diào)用，用于繪制帶裝飾器的外觀，繪制原理與Render()方法一致。

RenderForDraging()方法用于繪制圖元拖動(dòng)效果，比Render()方法多了位置參數(shù)。

2.2.2 選擇過程繪畫

選擇過程繪畫是對畫布效果的一種繪畫，而圖元選中狀態(tài)繪畫是針對圖元，兩者響應(yīng)的操作行為是不一樣的。選擇過程繪畫是按住鼠標(biāo)，然后框選圖元的過程，當(dāng)畫布接收到LeftMouseDown事件，記錄當(dāng)前鼠標(biāo)位置Point1，及鼠標(biāo)Down狀態(tài)，接著鼠標(biāo)移動(dòng)，響應(yīng)MouseMove事件，同時(shí)記錄鼠標(biāo)移動(dòng)的位置，DrawingPanel通過繪畫工廠（IRenderFactory）取到選擇繪畫器進(jìn)行選擇過程效果繪畫。GraphicEditorExtension實(shí)現(xiàn)了ISelectingRender類，通過繪制矩形的方式把選中的圖元“框”選起來。

2.2.3 改變圖繪畫

對選中的一個(gè)或多個(gè)圖元進(jìn)行拉伸，分3步進(jìn)行繪制。首先遍歷所有被選中的圖元，并詢問它們的尺寸，計(jì)算選中區(qū)域的位置及尺寸，然后調(diào)用方法Render()繪制出帶有選中狀態(tài)修飾的矩形框；接著按照鼠標(biāo)拖動(dòng)的方向及距離，調(diào)用方法RenderSizing()來繪制選中區(qū)域的邊框；最后松開鼠標(biāo)，按選中區(qū)域的縮放比例，使用RenderSizingPointElement()方法同步所有被“框”圖元的尺寸及位置。GraphicEditorExtension提供了ISizeElementRender的實(shí)現(xiàn)類。

2.3 交互層

交互層負(fù)責(zé)對外部各類編輯操作進(jìn)行封裝，同時(shí)維護(hù)了已處理的編輯操作列表，保證所有編輯操作處理都可以進(jìn)行撤銷、恢復(fù)。

在用戶與圖形框架的交互過程中，框架把用戶界面的請求轉(zhuǎn)換為對Graphic模型的操作請求，這個(gè)過程中需要在各個(gè)層次進(jìn)行邏輯轉(zhuǎn)換，以完成用戶的請求操作。

在交互層中需要處理兩個(gè)問題，一是與輸入設(shè)備的交互管理，二是編輯操作的封裝。

2.3.1 輸入設(shè)備的交互管理

圖形框架允許外部模塊對框架的交互行為進(jìn)行擴(kuò)展，因此對于輸入設(shè)備的交互管理也必須提供必要的擴(kuò)展性支持。

在圖形框架中需要處理鍵盤和鼠標(biāo)的輸入事件，在處理過程中，要求當(dāng)前光標(biāo)或者鼠標(biāo)所在的圖元都能夠有機(jī)會處理該事件，如有些圖元要求右鍵鼠標(biāo)，彈出菜單，列出屬性編輯項(xiàng)；雙擊鼠標(biāo)，進(jìn)入下一層子模型。同樣，鍵盤事件在處理不同的圖元也可能有不同的要求。

基于上述要求，對輸入事件進(jìn)行封裝，分別為鼠標(biāo)左鍵單擊操作、鼠標(biāo)右鍵單擊操作、鼠標(biāo)雙擊操作、鼠標(biāo)移動(dòng)操作進(jìn)行封裝，如圖3所示。

圖3 鼠標(biāo)交互接口

2.3.2 圖元增加處理

處理鼠標(biāo)點(diǎn)擊畫布添加圖元的處理行為，包括MouseDown、MouseUp行為處理（業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)可以在此進(jìn)行個(gè)性化處理邏輯，如添加圖元的合法性校驗(yàn)），通過CreateElement返回新建圖元。GraphicEditorExtension實(shí)現(xiàn)部分常用圖元添加處理。

2.3.3 編輯操作的封裝

作為可視化建模的圖形控件，必須具備基本的圖形編輯操作功能，包括添加、刪除、位置移動(dòng)、尺寸拉伸，并且支持多個(gè)圖元一并操作，同時(shí)還需要支持對操作的撤銷、恢復(fù)功能。

在業(yè)務(wù)系統(tǒng)的開發(fā)過程中，不提倡開發(fā)人員直接對Graphic模型（Children子圖元）進(jìn)行操作，同時(shí)圖形框架本身也需要操作Graphic模型完成界面編輯功能，兩者的要求和操作方法是一致的，因此可對編輯操作進(jìn)行封裝，形成統(tǒng)一對外接口。GraphicEditor提供的實(shí)現(xiàn)如圖4。

為保證對Graphic模型的編輯可進(jìn)行撤銷、恢復(fù)，圖形框架引入U(xiǎn)ndo與Redo機(jī)制，建立編輯操作管理類OperationManager，其內(nèi)部維護(hù)兩個(gè)操作堆棧，分別是Execute堆棧和UnExecute堆棧。編輯操作執(zhí)行時(shí)，調(diào)用操作管理類的方法ExecuteOperation()將編輯操作壓入到Execute堆棧中，并執(zhí)行Redo方法；如果用戶需要撤銷這次操作，則從Execute堆棧中彈出棧頂元素（編輯操作）并執(zhí)行Undo方法，同時(shí)把編輯操作壓入到UnExecute堆棧中；同樣如用戶要恢復(fù)此操作時(shí)，則取出UnExecute堆棧中的棧頂操作并執(zhí)行Execute方法，同時(shí)把編輯操作壓入到Execute堆棧中。

圖4 操作類的類圖

3 其它功能

3.1 縮放

縮放用于縮小和放大顯示，DrawingPanel提供Scale屬性設(shè)置，當(dāng)Scale被設(shè)置之后，畫布上所有圖元都按比例進(jìn)行布局調(diào)整并重繪。Scale初始值為1，如果設(shè)置為大于1，即放大，設(shè)置為小于1，即縮小，如Scale=1.2，即放大1.2倍。

3.2 持久化

Graphic Designer定義圖的持久化器（IGraphic Serializer）并實(shí)現(xiàn)XML的持久化類。序列化過程通過遍歷子圖元，并調(diào)用圖元持久化器進(jìn)行單點(diǎn)序列化；反序列逆過程，根據(jù)XML節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽找圖元持久化器進(jìn)行反序列化。

4 圖形框架應(yīng)用

圖形框架已經(jīng)應(yīng)用到我們的開發(fā)項(xiàng)目中，比如測試性建模與分析工具、效能仿真平臺、安全性仿真與分析平臺、IETM的工作流實(shí)現(xiàn)。其中，測試性建模與分析工具是一款基于信號流建模，通過利用模塊化推理方法，為用戶提供測試性、診斷性的解決方案，要求能夠?qū)π盘柫鬟M(jìn)行可視化建模，同時(shí)要求通過可視化方式提供測試性、診斷性的解決方案；效能仿真平臺借助計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)進(jìn)行裝備保障性綜合試驗(yàn)，對裝備的戰(zhàn)備完好性及任務(wù)持續(xù)性進(jìn)行分析，為保障方案評價(jià)及驗(yàn)證提供技術(shù)手段，要求平臺具備對保障任務(wù)的可視化建模；事故動(dòng)態(tài)推演仿真平臺基于功能的系統(tǒng)安全性分析，要求把Altarica建模方法通過簡便易用的圖形化建模方式來實(shí)現(xiàn)。下面介紹安全性仿真與分析平臺對圖形框架的應(yīng)用。

4.1 安全性仿真與分析平臺需求

安全性仿真與分析平臺主要用于輔助SAE ARP4754《高度集成或復(fù)雜飛機(jī)系統(tǒng)適航審定考慮》標(biāo)準(zhǔn)流程的安全性工作，開展需求分析與功能分解、安全性分析、評估與驗(yàn)證工作等工作，將安全性工作與系統(tǒng)研制過程相結(jié)合，增加安全性工作結(jié)果的一致性和正確性，并提高安全性工作迭代的效率，及時(shí)為研制過程提供反饋。

安全性仿真與分析平臺以Altarica模型為核心，基于Altarica模型自動(dòng)進(jìn)行安全性和可靠性仿真分析。用戶通過模型設(shè)計(jì)功能來創(chuàng)建Altarica模型，模型設(shè)計(jì)模塊包含增加模型元素、編輯模塊屬性、刪除模型元素、連接模型元素、模型復(fù)制和粘貼、創(chuàng)建模型層級、撤銷和恢復(fù)等功能。

以反應(yīng)堆泵水系統(tǒng)為例進(jìn)行介紹，用Altarica語言進(jìn)行模型描述如圖5。

泵水系統(tǒng)由蓄水池、水泵和反應(yīng)堆組成，腳本描述的功能很簡單，蓄水池有水，水泵就能正常工作，把水抽到反應(yīng)堆。在圖形建模中，蓄水池、水泵、反應(yīng)堆等實(shí)體對象使用模塊來表達(dá)，實(shí)體間的傳遞關(guān)系通過連接線來體現(xiàn)，如圖6。

4.2 Altarica模型設(shè)計(jì)功能實(shí)現(xiàn)

4.2.1 圖元擴(kuò)展

Altarica的模型元素相對來說比較簡單，包括模塊（Brick Element）、端口（Connector Element）以及連接鏈（Connection Element）3種，分別繼承矩形（Rectangle Element）、橢圓（Ellipse Element）、直線（DirectionConnectionElement）。這些圖元不單只是可視化元素，而且還是Altarica數(shù)據(jù)的載體，除了具備VisualElement行為之外，還持有相應(yīng)的模型實(shí)體。

圖5 泵水系統(tǒng)的Altarica描述

圖6 泵水系統(tǒng)的圖形建模

4.2.2 繪畫擴(kuò)展

在業(yè)務(wù)處理中，模塊被抽象為具有數(shù)據(jù)傳遞行為的塊狀元素，在繪畫的時(shí)候，需要把輸入輸出端繪制出來。而端口分輸入、輸出，以便在展現(xiàn)上能更好區(qū)分，需要用不同背景顏色進(jìn)行繪制。連接線與一把直線差異不大，簡單擴(kuò)展即可。

4.2.3 添加處理擴(kuò)展

添加處理擴(kuò)展更多體現(xiàn)在業(yè)務(wù)行為的處理上。添加模塊需要默認(rèn)生成一系列的數(shù)據(jù)，比如端口、狀態(tài)、邏輯關(guān)系、事件轉(zhuǎn)移等等。連接兩個(gè)端口，需要進(jìn)行合法性校驗(yàn)。

4.2.4 鼠標(biāo)輸入事件擴(kuò)展

雙擊模塊、端口彈出屬性編輯界面。

5 結(jié)束語

本文從五性綜保的一些建模軟件需求出發(fā)，提出了使用可視化方式來實(shí)現(xiàn)模型構(gòu)建的方案，基于創(chuàng)新技術(shù)實(shí)現(xiàn)的圖形框架，為五性綜保的建模軟件提供了基礎(chǔ)控件。

對圖形框架的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，以及安全性仿真與分析平臺的應(yīng)用介紹，總結(jié)得出圖形框架能簡便、快速地支持五性綜保業(yè)務(wù)系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)。

圖形框架支持WinForm、WPF、Silverlight等.Net開發(fā)環(huán)境，對于Java平臺目前不能直接使用，需要轉(zhuǎn)義框架代碼，將在今后繼續(xù)完善。

[1]Antoine B.Rauzy.AltaRica Data-Flow Language Specifcation -Version 2.1[R].Ecole Polytechnique，2013.

[2]MacDonald，Matthew.Pro WPF in C# 2010：Windows Presentation Foundation in .NET 4[M].3rd ed.Apress.2010.

（編輯：勞邊）

V240.2

C

1003-6660（2016）06-0041-05

10.13237/j.cnki.asq.2016.06.010