江志煒

（中航工業(yè)綜合技術研究所，北京 100028）

五性綜?？梢暬D形框架開發(fā)與應用

江志煒

（中航工業(yè)綜合技術研究所，北京 100028）

基于五性綜保相關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，采用面向對象模式設計，實現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

隨著科學技術的進步，現代裝備變的越來越復雜，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）信息進行收集、分析和預測。

利用模型仿真方法，借助計算機技術，可以更加準確地得到五性綜保不同類型的指標分析數據，為裝備的設計、研發(fā)、使用提供正確的指導，比傳統(tǒng)的數學解析方法得到的數據更加精確有效，同時工作效率提高。

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：用戶需要具備語言編程的能力，在編程過程中大量的輸入，很容易導致語法出錯。而圖形化建模，利用計算機可視化技術，對工程中的設備進行抽象，轉化為屏幕上的圖形，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，有很多都實現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行對信號流建模，效能仿真平臺使用網絡圖的建模方式進行保障任務建模；安全性仿真與分析平臺基于圖形模塊化實現Altaric建模等等。

1 總體結構

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?？傮w劃分為3大塊，核心框架（GraphicEditor）、基于.Net4.0的圖形擴展（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，提供具有擴展功能的接口。作為一個獨立的基礎框架，通過高層編程抽象，使得開發(fā)人員在不同開發(fā)環(huán)境下都能進行快速開發(fā)。a

圖1 總體結構

1.2 圖形擴展

圖形框架，在.Net4.0的基礎上對圖形框架進行了常用擴展，實現了IPanelOwner類，豐富了多種圖元，及配套實現各個圖元的測量、繪畫、新增處理，提供基礎菜單剪切、復制、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、交互操作進行協(xié)調管理，同時通過開放接口，業(yè)務系統(tǒng)可以根據實際需求進行擴展。

1.5 圖元

作為畫布上可顯示元素，每個圖元都繼承自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、事件都是針對它來進行，同時VisualElement也是可操作的對象，如選擇、拖動、拉伸操作。

布局、繪畫、交互、事件、持久化和圖形擴展見本文后續(xù)內容。

2 核心框架分層

為了簡化和清晰圖形框架的實現邏輯，對圖形框架的內部邏輯進行歸類和劃分，圖形框架從設計上分為布局層、繪畫層、交互層，層次結構如圖2。

圖2 層次結構

2.1 布局層

在3層結構中，布局層處于最底層，當布局層接收到布局請求，通過對圖元進行測量、排列，生成布局信息，然后把布局信息通知到繪畫層進行繪制。

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

圖形框架不提供任何滾動支持，當觸發(fā)布局，畫布尺寸發(fā)生變化，通過事件通知外部，由外部來實現滾動。

2.2 繪畫層

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

繪畫層根據布局和樣式信息，將圖元繪畫到畫板上。繪畫層根據功能把繪畫劃分為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，負責協(xié)調和通知圖元繪制，具體的繪畫過程由外部應用程序根據自身采用的技術來實現，比如WPF可以通過DrawingContext或者Graphics進行繪畫。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種圖元進行了繪畫封裝（RectangleRender、EllipseRender、PolyLineRender），同時業(yè)務系統(tǒng)可以進一步對其進行擴展。

Render()方法針對圖元外觀進行繪畫，其中繪畫要素包括位置、尺寸、形狀、背景色、文本、邊框、邊框寬度等等。Render()方法的接收參數為IGraphicContext（繪圖上下文）、 VisualElement（繪畫圖元），從接收參數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只負責管理繪制及刷新。派生類圖元可以重寫Render()方法來實現個性化繪制。

RenderSelectedAdorner()方法在圖元被選中時調用，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效果，比Render()方法多了位置參數。

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，兩者響應的操作行為是不一樣的。選擇過程繪畫是按住鼠標，然后框選圖元的過程，當畫布接收到LeftMouseDown事件，記錄當前鼠標位置Point1，及鼠標Down狀態(tài)，接著鼠標移動，響應MouseMove事件，同時記錄鼠標移動的位置，DrawingPanel通過繪畫工廠（IRenderFactory）取到選擇繪畫器進行選擇過程效果繪畫。GraphicEditorExtension實現了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

對選中的一個或多個圖元進行拉伸，分3步進行繪制。首先遍歷所有被選中的圖元，并詢問它們的尺寸，計算選中區(qū)域的位置及尺寸，然后調用方法Render()繪制出帶有選中狀態(tài)修飾的矩形框；接著按照鼠標拖動的方向及距離，調用方法RenderSizing()來繪制選中區(qū)域的邊框；最后松開鼠標，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的實現類。

2.3 交互層

交互層負責對外部各類編輯操作進行封裝，同時維護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行撤銷、恢復。

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換為對Graphic模型的操作請求，這個過程中需要在各個層次進行邏輯轉換，以完成用戶的請求操作。

在交互層中需要處理兩個問題，一是與輸入設備的交互管理，二是編輯操作的封裝。

2.3.1 輸入設備的交互管理

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

在圖形框架中需要處理鍵盤和鼠標的輸入事件，在處理過程中，要求當前光標或者鼠標所在的圖元都能夠有機會處理該事件，如有些圖元要求右鍵鼠標，彈出菜單，列出屬性編輯項；雙擊鼠標，進入下一層子模型。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，對輸入事件進行封裝，分別為鼠標左鍵單擊操作、鼠標右鍵單擊操作、鼠標雙擊操作、鼠標移動操作進行封裝，如圖3所示。

圖3 鼠標交互接口

2.3.2 圖元增加處理

處理鼠標點擊畫布添加圖元的處理行為，包括MouseDown、MouseUp行為處理（業(yè)務應用系統(tǒng)可以在此進行個性化處理邏輯，如添加圖元的合法性校驗），通過CreateElement返回新建圖元。GraphicEditorExtension實現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、尺寸拉伸，并且支持多個圖元一并操作，同時還需要支持對操作的撤銷、恢復功能。

在業(yè)務系統(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）進行操作，同時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行封裝，形成統(tǒng)一對外接口。GraphicEditor提供的實現如圖4。

為保證對Graphic模型的編輯可進行撤銷、恢復，圖形框架引入Undo與Redo機制，建立編輯操作管理類OperationManager，其內部維護兩個操作堆棧，分別是Execute堆棧和UnExecute堆棧。編輯操作執(zhí)行時，調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，同時把編輯操作壓入到UnExecute堆棧中；同樣如用戶要恢復此操作時，則取出UnExecute堆棧中的棧頂操作并執(zhí)行Execute方法，同時把編輯操作壓入到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屬性設置，當Scale被設置之后，畫布上所有圖元都按比例進行布局調整并重繪。Scale初始值為1，如果設置為大于1，即放大，設置為小于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）并實現XML的持久化類。序列化過程通過遍歷子圖元，并調用圖元持久化器進行單點序列化；反序列逆過程，根據XML節(jié)點標簽找圖元持久化器進行反序列化。

4 圖形框架應用

圖形框架已經應用到我們的開發(fā)項目中，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的工作流實現。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，要求能夠對信號流進行可視化建模，同時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算機模擬技術進行裝備保障性綜合試驗，對裝備的戰(zhàn)備完好性及任務持續(xù)性進行分析，為保障方案評價及驗證提供技術手段，要求平臺具備對保障任務的可視化建模；事故動態(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現。下面介紹安全性仿真與分析平臺對圖形框架的應用。

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《高度集成或復雜飛機系統(tǒng)適航審定考慮》標準流程的安全性工作，開展需求分析與功能分解、安全性分析、評估與驗證工作等工作，將安全性工作與系統(tǒng)研制過程相結合，增加安全性工作結果的一致性和正確性，并提高安全性工作迭代的效率，及時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模型自動進行安全性和可靠性仿真分析。用戶通過模型設計功能來創(chuàng)建Altarica模型，模型設計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、模型復制和粘貼、創(chuàng)建模型層級、撤銷和恢復等功能。

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

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

4.2 Altarica模型設計功能實現

4.2.1 圖元擴展

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數據的載體，除了具備VisualElement行為之外，還持有相應的模型實體。

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 繪畫擴展

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

4.2.3 添加處理擴展

添加處理擴展更多體現在業(yè)務行為的處理上。添加模塊需要默認生成一系列的數據，比如端口、狀態(tài)、邏輯關系、事件轉移等等。連接兩個端口，需要進行合法性校驗。

4.2.4 鼠標輸入事件擴展

雙擊模塊、端口彈出屬性編輯界面。

5 結束語

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現模型構建的方案，基于創(chuàng)新技術實現的圖形框架，為五性綜保的建模軟件提供了基礎控件。

對圖形框架的設計實現，以及安全性仿真與分析平臺的應用介紹，總結得出圖形框架能簡便、快速地支持五性綜保業(yè)務系統(tǒng)的應用開發(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

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1003-6660（2016）06-0041-05

10.13237/j.cnki.asq.2016.06.010