Nghiên cứu, phát triển và ứng dụng kiến trúc hướng mô hình để thi hành các hệ thống điều khiển công nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------HOÀNG ĐỨC MẪN

NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG KIẾN TRÚC
HƯỚNG MÔ HÌNH ĐỂ THI HÀNH CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
CÔNG NGHIỆP

Chuyên ngành : KỸ THUẬT MÁY VÀ THIẾT BỊ THỦY KHÍ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS. NGÔ VĂN HIỀN

Hà Nội – 2010
1


LỜI CAM ĐOAN

Luận văn này là kết quả của sự tìm hiểu và nghiên cứu của bản thân dưới sự
hướng dẫn của Tiến sĩ Ngô Văn Hiền. Những tài liệu và kết quả nghiên cứu sử dụng
trong luận văn của các tác giả khác đều được trích dẫn nguồn gốc cụ thể theo quy
định.
Luận văn này cho đến nay chưa được bảo vệ tại bất kỳ một hội đồng bảo vệ
luận văn thạc sĩ nào và chưa được công bố trên bất kỳ một phương tiện thông tin
nào.
Tôi xin cam đoan những gì tôi trình bày ở trên là hoàn toàn chính xác, nếu sai
tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Hà nội, ngày 20 tháng 10 năm 2010

Tác giả luận văn

Hoàng Đức Mẫn

2


MỤC LỤC
PHỤ LỤC BÌA………………………………………………………………..….1
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .........................................5 
DANH MỤC CÁC BẢNG .....................................................................................6 
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ.................................................................7 
MỞ ĐẦU ................................................................................................................9 
Chương 1- CÁC NGUYÊN TẮC MÔ HÌNH HÓA TRỰC QUAN VÀ CÁC
ĐẶC TRƯNG TRONG CÔNG NGHỆ HƯỚNG ĐỐI TƯỢNG .............................11 
1.1  Tầm quan trọng của mô hình hóa ..................................................................11 
1.2  Các nguyên tắc mô hình hóa trực quan ..........................................................13 
1.3  Các đặc trưng trong công nghệ hướng đối tượng...........................................14 
Chương 2- GIỚI THIỆU VỀ KIẾN TRÚC HƯỚNG THEO MÔ HÌNH VÀ HỆ
THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÔNG NGHIỆP .................................................................17 
2.1  Kiến trúc hướng theo mô hình .......................................................................17 
2.1.1  Các mô hình trong MDA .......................................................................17 
2.1.2  Sự chuyển đổi mô hình trong MDA ......................................................22 
2.2  Tổng quan về hệ thống điều khiển công nghiệp ............................................27 
2.2.1  Phân loại các hệ thống điều khiển công nghiệp ....................................27 
2.2.2  Tổng quan về cấu trúc của HDS ............................................................28 
2.2.3. Hệ thống động lực lai điều khiển công nghiệp .......................................29 
2.2.4. Các điều kiện ràng buộc trong quá trình phát triển hệ thống điều khiển
công nghiệp.......................................................................................................30 
2.2.5. Đặc tả Automatlai để phát triển hệ thống điều khiển công nghiệp ........32 

Chương 3- QUY TRÌNH PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HDS CÔNG NGHIỆP
VỚI MDA .................................................................................................................34 
3.1  Phân tích kiến trúc hệ thống .........................................................................34 
3.1.1  Tổng quan về kiến trúc hệ thống ...........................................................34 
3.1.2  Xác định các tầng kiến trúc của hệ thống ..............................................35 
3.1.3  mô tả các cơ chế kiến trúc .....................................................................36 
3.1.4  Sự tham chiếu các tầng kiến trúc với MDA ..........................................37 

3


3.2  Đặc tả tổng quan MDA cho HDS công nghiệp. .............................................38 
3.3  Quy trình chi tiết MDA cho HDS công nghiệp .............................................39 
3.3.1  CIM của HDS công nghiệp. ..................................................................40 
3.3.2  PIM của HDS công nghiệp ....................................................................48 
3.3.3  PSM của HDS công nghiệp ...................................................................68 
Chương 4- ÁP DỤNG QUY TRÌNH MDA CHO HDS CÔNG NGHIỆP...........71 
4.1  Mô hình CIM ..................................................................................................72 
4.1.1  Các trường hợp sử dụng và các tác nhân ...............................................72 
4.1.2  Ứng xử động của các trường hợp sử dụng ............................................73 
4.1.3  Sơ đồ khối chức năng của SCCS ...........................................................77 
4.1.4  Automat lai của SCCS ...........................................................................79 
4.2  Mô hình PIM ..................................................................................................83 
4.2.1 Các lớp thực thể và lớp biên của SCCS ...................................................83 
4.2.2 Sơ đồ thực thi các cộng tác đối tượng ......................................................84 
4.2.3 Cấu trúc và ứng xử động của các trường hợp sử dụng chính ..................85 
4.3  Mô hình PSM .................................................................................................87 
4.3.1  Các luật chuyển đổi từ PIM sang Matlab-Simulink (PSM) ..................87 
4.3.2  Các kết quả mô phỏng của SCCS với Matlab-Simulink .......................88 
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..............................................................................92 

4


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu
viết tắt

Viết đầy đủ

Ý nghĩa

BUS

Business System

Hệ thống nghiệp vụ

BPM

Business Process Model

Mô hình quy trình nghiệp vụ

CIM

Computation Independent
Model

Mô hình độc lập với thao tác tính

toán

CSDL

Cơ sở dữ liệu

Cơ sở dữ liệu

DAO

Data Access Object

Đối tượng truy xuất dữ liệu

MDA

Model Driven Architecture

Kiến trúc hướng theo mô hình

MOF

Meta Object Facility

Khả năng siêu hướng đối tượng

J2EE

Java 2 Platform, Enterprise
Edition

Nền công nghệ java 2 phiên bản
đầy đủ chức năng

EBP

Elementary Business
Process

Quy trình nghiệp vụ cơ bản

HDS

Hybrid Dynamic System

Hệ thống động lực lai

IGCB

Instantaneous Global
Continuous Behavior

Ứng xử liên tục toàn cục tức thời

IEC61499

IEC - International
Electrotechnical
Commission - 61499

Ủy ban công nghệ điện tử quốc tế chuẩn 61499

OCL

Object Contrain Language

Ngôn ngữ ràng buộc hướng đối
tượng

OMG

Object Management Group Tổ chức quản trị đối tượng

OODBMS

Object-Oriented Database
Management System

Hệ quản trị cơ sở dữ liệu hướng
đối tượng

PIM

Platform Independent
Model

Mô hình độc lập với nền công
nghệ

PSM

Platform Specific Model

Mô hình theo nền công nghệ cụ thể

5


PLC

Programmable Logic
Control

Lập trình Logic

RDBMS

Relational Database
Management System

Hệ quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ

SCCS

Sweeping Cameras Control Hệ thống điều khiển bằng Camera
System
quay

UI

User Interface System

Hệ thống con giao diện người sử
dụng

UML

Unified Modeling
Language

Ngôn ngữ mô hình hoá hợp nhất

VOPC

View Of Participating
Classes

Khung nhìn về các lớp tham gia

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1. Luật chuyển đổi các phần tử phân tích thành các phần tử thiết kế trong
mô hình PIM .............................................................................................................62

6


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Tổng quan các đặc trưng trong công nghệ hướng đối tượng .....................15 
Hình 2.1 Sự phân loại các mô hình chính trong MDA .............................................18 
Hình 2.2 Một ví dụ về phát triển hướng theo mô hình với kiến trúc phần mềm. .....19 

Hình 2.3 Ví dụ về CIM .............................................................................................20 
Hình 2.4 Ví dụ về PIM - dựa theo Hình 2.3..............................................................20 
Hình 2.5 Ví dụ về PSM - dựa theo Hình 2.4 với công nghệ J2EE ...........................21 
Hình 2.6 Mô hình chuyển từ CIM sang PIM ............................................................22 
Hình 2.7 Chuyển đổi mô hình theo vết .....................................................................23 
Hình 2.8 Quá trình biến đổi siêu mô hình .................................................................24 
Hình 2.9 Quá trình biến đổi mô hình ........................................................................24 
Hình 2.10 Quá trình biến đổi theo ứng dụng mẫu ....................................................25 
Hình 2.11 Ví dụ tổng quát về quá trình biến đổi sử dụng tên mẫu ...........................26 
Hình 2.12 Ví dụ về quy trình MDA cho một hệ thống phức tạp ..............................27 
Hình 2.13 Sơ đồ khối tổng quan của HDS công nghiệp [9] .....................................30 
Hình 3.1. Các tầng kiến trúc hệ thống.......................................................................36 
Hình 3.2. Quy trình MDA thực thi hệ thống HDS công nghiệp. ..............................38 
Hình 3.3 Ví dụ về một sơ đồ chức năng mở rộng .....................................................40 
Hình 3.4. Ví dụ về các trừu tượng hóa chính. ...........................................................41 
Hình 3.5. Ví dụ về sơ đồ trường hợp sử dụng. ..........................................................42 
Hình 3.6. Sơ đồ diễn tiến của trường hợp sử dụng “Cấu hình hệ thống” tương với
Hình 3.5 ..................................................................................................................... 43 
Hình 3.7. Máy trạng thái của trường hợp sử dụng “Cấu hình hệ thống » .................44 
Hình 3.8. Cấu trúc tổng quan về CIM của HDS công nghiệp .................................47 
Hình 3.9. Sơ đồ lớp của cộng tác đối tượng phần rời rạc .........................................48 
Hình 3.10 Sơ đồ lớp của cộng tác đối tượng phần liên tục .......................................49 
Hình 3.11 Sơ đồ lớp của công tác đối tượng IGCB ..................................................50 
Hình 3.12 Sơ đồ lớp của cộng tác đối tượng giao diện bên trong.............................51 
Hình 3.13 Sơ đồ lớp của cộng tác đối tượng giao diện bên ngoài ............................52 
Hình 3.14 Sơ đồ kết nối thực thi của HDS................................................................52 
Hình 3.15. Ví dụ một lớp biên “CauHinhForm” ......................................................55 
Hình 3.16. Ví dụ một lớp điều khiển “CauHinhControl” .........................................56 
Hình 3.17. Ví dụ một lớp thực thể “PI” ....................................................................57 
Hình 3.18. Ví dụ việc mô tả thuộc tính của lớp thực thể “PI” ..................................58 

Hình 3.19. Ví dụ một Sơ đồ diễn tiến thể hiện mối quan hệ giữa các lớp phân tích
trong chức năng “Thay đổi cấu hình hệ thống” ........................................................60 

7


Hình 3.20. Sơ đồ các lớp phân tích tham gia trường hợp sử dụng “Cấu hình hệ
thống” ........................................................................................................................61 
Hình 3.21. Ví dụ sự chuyển đổi các lớp phân tích thành các lớp thiết kế ................63 
Hình 3.22. Ví dụ về các thành phần của một hệ thống con ......................................67 
Hình 3.23. Mô hình kiến trúc thiết kế ứng dụng với nền công nghệ hướng đối tượng
...................................................................................................................................69 
Hình 4.1 Mô hình giải pháp tổng quát chức năng hoạt động của SCCS ..................71 
Hình 4.2 Mô hình trường hợp sử dụng của SCCS ....................................................73 
Hình 4.3 Sơ đồ diễn tiến của trường hợp sử dụng “ Bảo trì” ....................................74 
Hình 4.4 Sơ đồ diễn tiến của trường hợp sử dụng “ Theo dõi” ................................74 
Hình 4.5 Máy trạng thái của trường hợp sử dụng “Theo dõi” ..................................75 
Hình 4.6 Sơ đồ diễn tiến của trường hợp sử dụng “ Bảo vệ”- IPS bị lỗi ..................75 
Hình 4.7 Sơ đồ diễn tiến của trường hợp sử dụng “ Bảo vệ” - SCCS bị lỗi .............76 
Hình 4.8 Máy trạng thái của trường hợp sử dụng “Bảo vệ” .....................................76 
Hình 4.9 Máy trạng thái tổng quát của SCCS ...........................................................77 
Hình 4.10 Sơ đồ khối chức năng của SCCS. ............................................................78 
Hình 4.11 Automat lai của SCCS với các sự kiện bên trong Eii ..............................82 
Hình 4.12 Automat lai của SCCS với các sự kiện bên trong Eii ..............................83 
Hình 4.13 Các lớp thực thể đối với các dòng liên tục ...............................................83 
Hình 4.14 Lớp giao diện bên trong. ..........................................................................84 
Hình 4.15 Lớp giao diện bên ngoài. ..........................................................................84 
Hình 4.16 Sơ đồ cấu trúc thực thi PIM của SCCS ....................................................85 
Hình 4.17 Sơ đồ diễn tiến thể hiện mối quan hệ tương tác giữa các lớp phân tích
trong “Chức năng theo dõi” của trường hợp sử dụng “Theo dõi”……………… 86

Hình 4.18 Sơ đồ tổng quan các lớp phân tích tham gia trường hợp sử dụng “Theo
dõi…………………………………………………………………………………..87
Hình 4.19 Sơ đồ kết nối tổng quan giữa các hệ thống con trong mô hình PSM của hệ
thống SCCS………………………………………………………………………...88
Hình 4.20 Mô hình các phần tử của phần liên tục trong hệ thống SCCS………….89
Hình 4.21 Vận tốc Camera 1 khi khởi động hoặc khởi động lại…………………...90
Hình 4.22 Vận tốc Camera 2 khi khởi động hoặc khởi động lại…………………...91

8


MỞ ĐẦU
Trong kỷ nguyên công nghệ và nền kinh tế đa chiều, việc phát triển các hệ
thống công nghiệp có một vai trò quan trọng trong quá trình công nghiệp hóa, hiện
đại hóa đất nước. Hệ thống điều khiển công nghiệp là một phần của lĩnh vực sản
xuất công nghiệp; nó ngày càng được nhiều doanh nghiệp sử dụng và phát triển để
góp phần tạo ra giá trị cạnh tranh.
Phương pháp tiếp cận kiến trúc hướng theo mô hình (MDA: Model-Driven
Architecture) do tổ chức quản trị đối tượng quốc tế (OMG: Object Management
Group) phát triển, để ứng dụng trong việc phát triển các hệ thống thông tin nói
chung và các hệ thống điều khiển công nghiệp nói riêng. MDA cho phép tách các
đặc tả chức năng của một hệ thống độc lập với các đặc tả thực thi chức năng trên
một nền công nghệ cụ thể. Do đó, các đặc tả chức năng hệ thống có thể được sử
dụng lại để thực thi trên các nền công nghệ khác nhau. MDA giúp chúng ta thực
hiện ba mục tiêu cơ bản là khả năng di động, tính xuyên chức năng và sự sử dụng
lại thông qua việc tách rời các mối liên quan. Do vậy, phương pháp tiếp cận kiến
trúc hướng theo mô hình cho phép đáp ứng các yêu cầu luôn luôn thay đổi và tính
phức tạp ngày càng tăng cao của hệ thống điều khiển công nghiệp.
Chính vì vậy tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu, phát triển và ứng dụng kiến trúc
hướng mô hình để thi hành các hệ thống điều khiển công nghiệp” để cập nhật, nâng

cao kiến thức khoa học trong lĩnh vực điều khiển nói chung và trong chuyên ngành
cơ khí động lực nói riêng.
Luận văn này được thực hiện nhằm mục đích nghiên cứu và áp dụng cách
tiếp cận kiến trúc hướng mô hình nhằm đưa ra mô hình kiến trúc, phân tích, thiết kế
và mô phỏng các hệ thống điều khiển công nghiệp phức tạp có sử dụng automate
lai.
Nội dung luận văn được trình bày bởi các phần chính sau:

9


Chương 1: Các nguyên tắc mô hình hoá trực quan và các đặc trưng trong công nghệ
hướng đối tượng.
Chương 2: Tổng quan về kiến trúc hướng theo mô hình và hệ thống điều khiển công
nghiệp.
Chương 3: Quy trình MDA với hệ thống điều khiển công nghiệp.
Chương 4: Áp dụng MDA cho việc phân tích hệ thống điều khiển cầu thang cuốn
theo dõi qua camera quay .
Để nghiên cứu đề tài này chúng tôi sử dụng phương pháp nghiên cứu lý
thuyết và minh họa việc áp dụng lý thuyết nghiên cứu vào việc phát triển hệ thống
thực tế. Các mô hình phân tích thiết kế được thể hiện trên ngôn ngữ mô hình hóa
hợp nhất UML và cách tiếp cận MDA. Chúng tôi phân tích thiết kế một số trường
hợp sử dụng quan trọng của hệ thống điều khiển cầu thang cuốn bằng camera quay
để minh họa cho phương pháp MDA được trình bày chi tiết trong chương 4 của
luận văn này.
Sau cùng, tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy, cô giáo của Viện Cơ khí Động
lực – Trường đại học Bách Khoa Hà Nội đã dạy dỗ, tạo điều kiện cho tôi trong thời
gian qua; ban giám hiệu Trường Cao đẳng nghề Hà Nam, những người thân trong
gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã luôn tạo điều kiện cho tôi về thời gian, vật chất và
tinh thần để tôi có thể hoàn thành chương trình học. Đặc biệt là TS.Ngô Văn Hiền,

là thầy giáo đã nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình làm luận
văn, thầy đã cung cấp cho tôi các tài liệu tham khảo quý giá, thiết thực cho quá trình
nghiên cứu đề tài luận văn.

10


Chương 1- CÁC NGUYÊN TẮC MÔ HÌNH HÓA TRỰC QUAN VÀ CÁC
ĐẶC TRƯNG TRONG CÔNG NGHỆ HƯỚNG ĐỐI TƯỢNG
1.1 Tầm quan trọng của mô hình hóa
Mô hình hóa [2], [3] là cách đặc tả một bài toán thông qua việc sử dụng các
mô hình. Mô hình dùng để hiểu rõ bài toán, trao đổi thông tin giữa những người
hoặc hệ thông liên quan như khách hàng, chuyên gia, người phân tích, người thiết
kế v.v... Mô hình giúp cho việc xác định các yêu cầu nghiệp vụ tốt hơn, thiết kế rõ
ràng hơn và khả năng bảo trì hệ thống cao hơn.
Mô hình là sự trừu tượng hóa, mô tả mặt bản chất của một vấn đề hoặc một
cấu trúc phức tạp bằng cách loại bỏ những chi tiết không quan trọng, khiến cho bài
toán trở nên dễ hiểu và dễ nắm bắt hơn. Trừu tượng hóa là một khả năng cơ bản của
con người trong việc giải quyết các vấn đề phức tạp. Các kỹ sư, kiến trúc sư, các
nghệ sĩ đã từng xây dựng những mô hình từ hàng nghìn năm nay để thử các thiết kế
của họ trước khi thực hiện chúng. Để xây dựng một hệ thống phức tạp, người phát
triển hệ thống phải trừu tượng hóa những khung nhìn (View) khác nhau của hệ
thống, xây dựng các mô hình bằng cách sử dụng các kí hiệu một cách rõ ràng, cẩn
thận, kiểm tra xem các mô hình đã thoả mãn các yêu cầu nghiệp vụ của hệ thống
chưa và dần dần thêm vào các chi tiết để có thể chuyển đổi từ mô hình sang một
công nghệ cụ thể.
Mô hình hoá trực quan là một phương thức tư duy về vấn đề sử dụng các mô
hình được tổ chức xoay quanh các hiện tượng trên thực tế. Mô hình giúp chúng ta
hiểu vấn đề, giao tiếp với con người hoặc các hệ thống có liên quan đến dự án phát
triển. Mô hình rất hữu dụng trong việc đặc tả, trực quan, lập tài liệu và thiết kế hệ

thống phát triển cũng như ngân hàng dữ liệu của nó. Mô hình cho phép quản lý các
yêu cầu nghiệp vụ của hệ thống tốt hơn, tạo các bản thiết kế rõ ràng hơn và xây
dựng triển khai hiệu quả nên các hệ thống dễ bảo trì hơn [4].

11


Chúng ta xây dựng mô hình của những hệ thống phức tạp bởi vì chúng ta
không thể nắm bắt cấu trúc tĩnh và động một cách đồng thời của toàn bộ hệ thống
đó [2]. Đặc biệt trong lĩnh vực điều khiển công nghiệp, hệ thống càng phức tạp thì
việc mô hình hóa càng quan trọng [9]. Xây dựng mô hình cho phép người thiết kế
thấy được bức tranh tổng quan của hệ thống, thấy được các thành phần của hệ thống
tương tác với nhau như thế nào hơn là việc sa lầy vào chi tiết bên trong của các
thành phần đó.
Mô hình hóa là phần trung tâm trong các hoạt động để dẫn tới xây dựng được
môt hệ thống điều khiển tốt. Chúng ta xây dựng mô hình để trao đổi, thảo luận về
cấu trúc và ứng xử (behavior) mong muốn của hệ thống nhằm có được chất lượng
điều khiển hợp lý và hiệu năng cao. Mô hình cũng cho phép kiểm soát kiến trúc và
ứng xử của hệ thống [1].
 Sau khi xây dựng mô hình, chúng ta sẽ đạt được 4 mục đích sau:
-

Mô hình giúp chúng ta trực quan hóa hệ thống như là nó vốn có hoặc theo ý

tưởng của chúng ta.
-

Mô hình cho phép chúng ta chỉ rõ cấu trúc và ứng xử của hệ thống.

-

Mô hình cho chúng ta một khuôn mẫu để hướng dẫn trong quá trình xây

dựng hệ thống.
-

Mô hình đưa ra các báo cáo bằng tài liệu về các tác tạo đưa ra trong quá trình

phân tích và thiết kế hệ thống.
Tùy thuộc vào đặc tả nghiệp vụ của hệ thống, mỗi mô hình có thể tập trung
vào những mặt khác nhau của hệ thống. Như hệ thống tập trung vào dữ liệu thì các
mô hình về phần thiết kế tĩnh của hệ thống sẽ được chú ý hơn. Trong hệ thống giao
diện với người dùng hoặc tương tác với các hệ thống liên quan, thì phần tĩnh và
động của nó là quan trọng. Trong hệ thống điều khiển công nghiệp như là: hệ thống
thời gian thực, hệ thống nhúng, hệ thống động lực lai, thì các mô hình tiến trình
động là quan trọng.

12


1.2 Các nguyên tắc mô hình hóa trực quan
Mô hình hoá trực quan là việc sử dụng các ngôn ngữ thiết kế có tính chất đồ
hoạ và các mô tả ngắn gọn để thể hiện các bản thiết kế hệ thống, ví dụ: ngôn ngữ
mô hình hoá hợp nhất (UML) [2], [3], [18]. Mô hình hóa trực quan cho phép trừu
tượng hoá các hệ thống ở mức cao hơn, trong khi đó vẫn duy trì được ngữ nghĩa và
cấu trúc căn bản của hệ thống, giúp cho người đọc bản phân tích và thiết kế dễ nắm
bắt cấu trúc tĩnh và ứng xử động của hệ thống. Mô hình hoá trực quan có bốn
nguyên tắc cơ bản [2], [20]như sau:
Nguyên tắc 1: Các mô hình được tạo ra chi phối sâu sắc đến cách tiếp cận
và định hướng giải quyết một vấn đề.

Trong phát triển hệ thống điều khiển, việc chọn các mô hình có thể ảnh hưởng
rất lớn đến thế giới quan của người làm hệ thống. Mỗi thế giới quan sẽ dẫn tới một
loại mô hình khác nhau với chi phí và lợi ích khác nhau. Nếu xây dựng hệ thống
theo con mắt của người thiết kế cơ sở dữ liệu, kết quả nhận được sẽ là mô hình quan
hệ thực thể nêu ra cách xử lý trong các thủ tục lưu trữ và các trigger. Nếu xây dựng
hệ thống thông qua con mắt của người phân tích thiết kế hướng đối tượng, kết quả
đầu ra sẽ là một hệ thống có kiến trúc xoay quanh nhiều lớp và mẫu tương tác với
nhau, điều khiển các lớp đó làm việc với nhau.
Các mô hình tối ưu sẽ làm chi tiết những bài toán phát triển hệ thống phức tạp,
giúp cho người phát triển hệ thống không bị sa lầy vào những vấn đề không cần
thiết. Một mô hình không tối ưu sẽ làm cho người phát triển dễ bị lạc hướng vì tập
trung vào những vấn đề không liên quan.
Nguyên tắc 2: Mỗi mô hình được thể hiện ở mức độ chi tiết khác nhau.
Mỗi mô hình được chọn ở các mức chi tiết khác nhau tùy thuộc vào việc ai là
người sử dụng mô hình và tại sao cần sử dụng mô hình.
Ví dụ: Người sử dụng sử dụng khung nhìn trường hợp sử dụng (Use Case
View) để biết hệ thống có đáp ứng được yêu cầu nghiệp vụ của nó không, người

13


phân tích thiết kế sử dụng khung nhìn logic (Logical View) trong quá trình phân tích
thiết kế hệ thống, người triển khai sử dụng khung nhìn triển khai (Deployment
View) để chuẩn bị môi trường cho việc triển khai v.v…
Nguyên tắc 3: Các mô hình chính xác nhất là các mô hình được liên hệ
trong thực tế.
Tất cả các mô hình đều là sự đơn giản hoá của thực tế. Một mô hình chính xác
sẽ phản ánh đầy đủ những đặc trưng không thể thiếu về cấu trúc tĩnh và động của hệ
thống và không che lấp đi bất kỳ một chi tiết quan trọng nào. Mô hình vật lý của
một hệ thống cũng có thể không được đáp ứng trên thực tế do bị hạn chế về nguồn

tài nguyên và kinh phí. Vì vậy, mỗi mô hình khi xây dựng cần được xem xét và đặt
trong cơ sở hạ tầng thực tế.
Nguyên tắc 4: Không có một mô hình đơn lẻ nào là đầy đủ. Một mô hình tối
ưu nhất phải được tiếp cận thông qua một tập các mô hình độc lập tương đối với
nhau.
“Độc lập tương đối” có nghĩa là các mô hình có thể được xây dựng và xem xét
độc lập nhau, nhưng chúng vẫn phải có mối quan hệ tương quan với nhau.
Ví dụ: Để hiểu cấu trúc của một hệ thống hướng đối tượng điều khiển, những
người phát triển hệ thống cần kết hợp xem xét trên một số khung nhìn: khung nhìn
trường hợp sử dụng, khung nhìn logic, khung nhìn xử lý (Process View), khung
nhìn thực thi (Implementation View), khung nhìn triển khai. Mỗi khung nhìn được
xây dựng từ những góc nhìn khác nhau để thể hiện cấu trúc và ứng xử của hệ thống.
Chúng cùng nhau tạo nên một bản thiết kế đầy đủ, chi tiết cho một hệ thống.
1.3 Các đặc trưng trong công nghệ hướng đối tượng
Công nghệ hướng đối tượng [2], [3] bao gồm một tập các nguyên tắc hướng
dẫn xây dựng phần mềm nói chung hay phần mềm điều khiển trong công nghiệp nói
riêng với các ngôn ngữ, các cơ sở dữ liệu và các công cụ hỗ trợ cho các nguyên tắc
đó. Có bốn đặc trưng cơ bản trong công nghệ hướng đối tượng (Hình 1.1) như sau:

14


Hình 1.1 Tổng quan các đặc trưng trong công nghệ hướng đối tượng
Đặc trưng 1: Tính trừu tượng hoá (Abstraction)
Tính trừu tượng hoá cho phép người phát triển ứng dụng giải quyết những bài
toán phức tạp bằng cách bỏ qua hay không chú ý đến một số khía cạnh chi tiết của
thông tin để tập trung vào các đặc trưng cốt yếu của một thực thể; các đặc trưng làm
thực thể đó nổi bật so với tất cả các thực thể khác. Trừu tượng hoá phụ thuộc vào
phạm vi và ngữ cảnh, những gì quan trọng trong ngữ cảnh này có thể không quan
trọng trong một ngữ cảnh khác.

Đặc trưng 2: Tính đóng gói (Encapsulation)
Tính đóng gói cho phép ẩn dấu phần thực thi của các tính năng (các thuộc tính
và các ứng xử) theo cơ chế hộp đen, thông qua giao diện dùng chung.
Tính chất này không cho phép người sử dụng hoặc hệ thống tương tác tới các
đối tượng thay đổi trạng thái nội tại của một đối tượng, mà chỉ có các phương thức
nội tại của đối tượng mới được phép thay đổi trạng thái của nó. Người sử dụng hoặc
hệ thống tương tác có thể sử dụng các thao tác, các thuộc tính mà không cần biết
bên trong đối tượng được thực thi như thế nào. Việc cho phép môi trường bên ngoài
tác động lên các dữ liệu nội tại của một đối tượng theo cách nào là hoàn toàn tùy
thuộc vào người phát triển hệ thống. Nếu phần giao diện của tính năng nào đó

15


không bị thay đổi, người phát triển có thể thay đổi phần thực thi mà không cần
thông tin lại cho người sử dụng hoặc hệ thống tương tác bên ngoài.
Đặc trưng 3: Tính mô đun hoá (Modularity)
Mô đun hoá là tính chất cho phép chia một mô đun lớn và phức tạp thành một
tập các mô đun con và đơn giản hơn để xử lý. Các bài toán này có thể được phân
tích, thiết kế, thực thi độc lập và sau đó được tích hợp với nhau thành một hệ thống
lớn thông qua các giao diện của các mô đun con, để xử lý toàn bộ vấn đề.
Mô đun hoá làm cho một hệ thống dễ dàng hơn trong việc thiết kế, thực thi,
bảo trì và nâng cấp sau này, cũng như thuận lợi hơn cho việc tái sử dụng các thành
phần đã phát triển. Các mô đun của một hệ thống có thể được thực thi, gỡ bỏ, kích
hoạt, vô hiệu hóa thông qua hệ thống quản lý mô đun.
Đặc trưng 4: Tính phân cấp (Hierarchy )
Cấu trúc chung của một hệ thống hướng đối tượng là sự phân cấp các thành
phần theo các mức độ trừu tượng hoá như phân cấp lớp, phân cấp thừa kế, phân cấp
đặc tả v.v... Các thành phần ở cùng một mức phân cấp thì nên tổ chức trong cùng
mức trừu tượng hoá.

Tóm lại, trong chương này chúng ta đã sơ lược về ý nghĩa và các nguyên tắc
của mô hình hóa trực quan và các đặc trưng cơ bản của công nghệ hướng đối
tượng. Nó được sử dụng xuyên suốt trong qui trình phân tích, thiết kế và thực thi
các hệ thống thông tin nói chung cũng như hệ thống điều khiển công nghiệp nói
riêng. Nhưng để phân tích và thiết các hệ thống điều khiển công nghiệp phức tạp,
chúng ta sẽ đề cập kiến trúc hướng theo mô hình và tổng quan về hệ thống điều
khiển công nghiệp trong phần tiếp theo.

16


Chương 2- GIỚI THIỆU VỀ KIẾN TRÚC HƯỚNG THEO MÔ HÌNH VÀ
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÔNG NGHIỆP
2.1 Kiến trúc hướng theo mô hình
2.1.1 Các mô hình trong MDA
Kiến trúc hướng mô hình (MDA: Model-Driven Architecture) [8], [15] là một
cách tiếp cận mô hình hoá trực quan trong suốt quá trình tìm hiểu, phân tích, thiết
kế, thực thi một hệ thống phần mềm nói chung, đặc biệt là trong điều khiển công
nghiệp. Một số ứng dụng quan trọng về MDA trong điều khiển công nghiệp về lĩnh
vực hàng không, tàu thủy đã được mô tả trong [16].
MDA phân chia các mô hình đặc tả về hệ thống từ mức độ trừu tượng hóa cao
cho đến mức chi tiết và cung cấp các luật chuyển đổi cho phép chuyển đổi giữa các
mô hình.
 Các mô hình chính của MDA bao gồm:
- Mô hình độc lập với thao tác tính toán (CIM: Computation Independent
Model) thể hiện hệ thống ở mức nghiệp vụ.
- Mô hình độc lập với nền công nghệ (PIM: Platform Independent Model) đặc
tả các chức năng hệ thống nhưng độc lập với các nền công nghệ thực thi hệ thống.
- Mô hình theo nền công nghệ cụ thể (PSM: Platform Specific Model) đặc tả
các chức năng hệ thống theo một nền công nghệ cụ thể được lựa chọn để thực thi hệ

thống.
Hình 2.1 mô tả một cách tổng quan về sự phân loại các mô hình chính của
MDA theo trật tự từ mức độ trừu tượng hóa đến cụ thể hoá.

17


Hình 2.1 Sự phân loại các mô hình chính trong MDA
MDA được xây dựng dựa trên nguyên tắc phát triển hướng theo mô hình. Các
mô hình này cho phép kiểm soát các hoạt động thiết kế và xây dựng của một ứng
dụng thông qua sự chuyển đổi mô hình và các mẫu cụ thể.
 MDA được xây dựng với ba mục đích chính: tính linh hoạt, khả năng xuyên
chức năng và sự sử dụng lại, cho phép tạo ra khả năng thích nghi với các phát triển
ứng dụng công nghiệp:
- Tính linh hoạt: cho phép cùng một kết quả được thực hiện trên nhiều nền
công nghệ khác nhau hoặc trên một nền công nghệ mới.
- Khả năng xuyên chức năng: dùng để tạo ra các hệ thống có thể tích hợp và
liên hệ một cách dễ dàng với các hệ thống khác; hơn nữa, các hệ thống đó có thể sử
dụng được những ứng dụng nguồn khác nhau.
- Tính sử dụng lại: cho phép sử dụng một cách có kế thừa trong rất nhiều ứng
dụng khác nhau trong những ngữ cảnh khác nhau.
Hình 2.2 trình bày ví dụ về một quá trình phát triển phần mềm điều khiển công
nghiệp theo kiến trúc hướng mô hình.

18


Hình 2.2 Một ví dụ về phát triển hướng theo mô hình với kiến trúc phần mềm.
2.1.1.1. Mô hình độc lập với thao tác tính toán (CIM)
CIM [8], [15] được xem như là mô hình nghiệp vụ hoặc lĩnh vực phát triển

liên quan mô tả hệ thống ở mức cao nhất về cấp độ trừu tượng. Mục tiêu cơ bản của
CIM là dùng để mô hình hóa toàn bộ vấn đề của hệ thống trong ngữ cảnh nghiệp vụ,
không đi vào giải pháp hoặc làm thế nào có thể thực thi được vấn đề đó.
Hình 2.3 sử dụng sơ đồ lớp của UML nhằm đưa ra một ví dụ cụ thể của CIM.
Trong mô hình này không có thông tin nào chỉ ra giải pháp dựa trên thao tác tính
toán.

19


Hình 2.3 Ví dụ về CIM
2.1.1.2. Mô hình độc lập với nền công nghệ (PIM)
PIM [8], [15] được các nhà thiết kế sử dụng để mô tả giải pháp ở mức độ trừu
tượng cao, độc lập với nền công nghệ dùng để triển khai giải pháp đó. Tiếp theo,
khái niệm về mức độ trừu tượng cao của giải pháp này có thể được chuyển sang các
mô hình cụ thể của các nền công nghệ khác nhau.
Hình 2.4 sử dụng sơ đồ lớp của UML nhằm giới thiệu ví dụ về PIM xuất phát
từ ví dụ về CIM được mô tả trên hình 2. 3. Mô hình này đã tiến gần tới việc thực
thi, nhưng nó không gắn chặt với một nền công nghệ nào cả. Ở đây, một nền công
nghệ đích đối với hệ thống phần mềm điều khiển có thể là một trong nhiều các yếu
tố sau: một hệ thống điều hành cụ thể, một vi xử lý tính toán cụ thể, một ngôn ngữ
lập trình cụ thể, hoặc là một thư viện mã cụ thể.

Hình 2.4 Ví dụ về PIM - dựa theo Hình 2.3

20


2.1.1.3. Mô hình theo nền công nghệ cụ thể (PSM)
PSM [8], [15] đặc tả sự kết hợp giữa các thông tin được xác định trong PIM

với một nền công nghệ cụ thể. Nó thể hiện làm thế nào để một giải pháp có thể
được thực thi trên một nền công nghệ mà chúng ta lựa chọn tối ưu nhất.
Hình 2.5 sử dụng sơ đồ lớp của UML nhằm chỉ ra ví dụ về PSM xuất phát từ
ví dụ về PIM được mô tả trên Hình 2.4.Trong mô hình này, PSM đã thể hiện PIM
của nó thông qua việc sử dụng các thuật ngữ và cấu trúc của một công nghệ cụ thể
đó là J2EE.

Hình 2.5 Ví dụ về PSM - dựa theo Hình 2.4 với công nghệ J2EE

21


2.1.2 Sự chuyển đổi mô hình trong MDA
Sự chuyển đổi mô hình trong MDA [15] là việc sử dụng một cơ chế nhất định
để biến đổi các mô hình ở mức trừu tượng hoá cao thành các mô hình ở mức cụ thể
và chi tiết hơn dựa trên sự định nghĩa các luật chuyển đổi. Đó là sự chuyển từ CIM
sang PIM, từ PIM sang PSM, và từ PSM có thể chuyển thành mã chương trình cụ
thể thực thi hệ thống. Việc chuyển đổi giữa các mô hình có thể được thực hiện qua
thao tác bằng tay, chuyển đổi tự động dựa vào các mẫu chuyển đổi khác nhau tuỳ
thuộc vào những công cụ chuyển đổi và nền công nghệ đích, hoặc kết hợp cả hai
phương thức. Hiện nay, các công cụ hỗ trợ việc chuyển đổi mô hình trong MDA tập
trung chủ yếu vào giai đoạn chuyển đổi từ PIM sang PSM, chỉ có một số ít cho phép
chuyển đổi từ CIM sang PIM .
2.1.2.1 Chuyển đổi từ CIM sang PIM
Mục đích của phần này chính là cách tiếp cận để chuyển đổi một CIM sang
một PIM trong MDA. Đầu tiên sử dụng sơ đồ hoạt động và diễn tiến trong UML2.x
[3], [18] để xử lý các tác vụ của người sử dụng hoặc hệ thống có liên quan. Sơ đồ
hoạt động và diễn tiến này chỉ rõ các yêu cầu nghiệp vụ của hệ thống phát triển. Các
thành phần hệ thống được suy luận từ mô hình yêu cầu nghiệp vụ. Cuối cùng, một
bộ các nguyên mẫu giúp các thành phần hệ thống tạo ra PIM. Mô hình chuyển đổi

tổng quan [3] từ CIM sang PIM được thể hiện trong Hình 2.6

Hình 2.6 Mô hình chuyển từ CIM sang PIM

22


2.1.2.2 Chuyển đổi từ PIM sang PSM
 Quá trình biến đổi theo vết mô hình
Hình 2.7 mở rộng mô hình MDA nhằm miêu tả chi tiết một trong những cách
mà một chuyển đổi theo vết có thể được thực hiện.

Hình 2.7 Chuyển đổi mô hình theo vết
Một nền công nghệ cụ thể được lựa chọn. Ánh xạ cho nền công nghệ này sẵn
có và được chuẩn bị. Ánh xạ này bao gồm một bộ thiết bị đánh dấu. Các dấu được
sử dụng nhằm đánh dấu các yếu tố mô hình để hướng dẫn cho quá trình biến đổi mô
hình. Việc sử dụng ánh xạ sẽ làm cho PIM đánh dấu được biến đổi xa hơn nhằm tạo
ra PSM [15].
 Quá trình biến đổi siêu mô hình (Metamodel)
Hình 2.8 mở rộng các mô hình MDA để diễn tả thêm chi tiết của một trong
những cách mà một chuyển đổi siêu mô hình có thể được thực hiện.

23


Hình 2.8 Quá trình biến đổi siêu mô hình
Mô hình được chuẩn bị bằng cách sử dụng một ngôn ngữ độc lập với nền công
nghệ được xác định bởi một siêu mô hình. Một nền công nghệ cụ thể được lựa chọn.
Đặc tả mô hình chuyển đổi nền tảng này hiện có sẵn hoặc được chuẩn bị. Sự chuyển
đổi đặc tả này dưới dạng ánh xạ giữa các siêu mô hình. Ánh xạ chỉ dẫn sự chuyển

đổi của PIM tạo ra PSM [15].
 Quá trình biến đổi mô hình
Hình 2.9 mô tả tổng quan quá trình chuyển đổi một mô hình.

Hình 2.9 Quá trình biến đổi mô hình

24


Mô hình được chuẩn bị bằng cách sử dụng các kiểu độc lập nền công nghệ
trong mô hình. Các kiểu có thể là phần của một khung phần mềm cụ thể. Các yếu tố
trong PIM là các kiểu phụ của dạng độc lập nền công nghệ. Một nền công nghệ cụ
thể được lựa chọn. Dạng biến đổi đặc tả nền công nghệ này sẵn có hoặc được chuẩn
bị sẵn. Sự biến đổi này là ánh xạ giữa các kiểu độc lập nền tảng và các kiểu phụ
thuộc nền tảng. Các yếu tố trong PSM là kiểu phụ của các kiểu đặc tả nền tảng [15].
Cách tiếp cận này khắc hẳn với ánh xạ siêu mô hình chủ yếu được thực hiện
bằng các kiểu đặc tả trong một mô hình mà được sử dụng cho ánh xạ, thay thế cho
các khái niệm đặc tả bởi siêu mô hình.
 Quá trình biến đổi theo ứng dụng mẫu
Quá trình biến đổi theo ứng dụng mẫu là sự mở rộng các phương pháp tiếp cận
ánh xạ siêu mô hình và mô hình [15] bao gồm các mẫu cùng với các kiểu hay các
khái niệm ngôn ngữ mô hình kèm theo.
Hình 2.10 đặc tả tổng quan của quá trình biến đổi theo ứng dụng mẫu.

Hình 2.10 Quá trình biến đổi theo ứng dụng mẫu
Ngoài các kiểu độc lập nền tảng, mô hình chung có thể cung cấp các mẫu. Cả
hai kiểu và mẫu này có thể được ánh xạ tới các mẫu và các kiểu đặc tả nền tảng.

25