Identyfikacja i modelowanie struktur i procesów biologicznych

Identyfikacja i modelowanie struktur i procesów
biologicznych
Laboratorium 2: Wprowadzenie do UML-a.
mgr inż. Urszula Smyczyńska
AGH Akademia Górniczo-Hutnicza
1. Cel zajęć
Celem zajęć jest zapoznanie z podstawami modelowania systemów w języku UML,
ze szczególnym uwzględnieniem jego zastosowań związanych z medycyną i inżynierią
biomedyczną.
2. Wstęp
UML (ang. Unified Modelling Language), zunifikowany język modelowania, służy do graficznego
modelowania różnorodnych systemów i procesów. UML został zaprojektowany około połowy lat
90. XX wieku jako narzędzie do modelowania systemów informatycznych. Pierwotnie miał służyć
przede wszystkim do usprawnienia komunikacji w zespołach zajmujących się projektowaniem
i produkcją oprogramowania. Było to wówczas istotne, ponieważ systemy (najczęściej budowane
w oparciu o techniki programowania obiektowego) stawały się bardzo złożone, a ich twórcy
posługiwali się bardzo różnymi metodami opisu, co w praktyce często uniemożliwiało sprawny
przepływ informacji. Istnienie jednolitej notacji, znanej niemal wszystkim osobom zaangażowanym
w produkcję systemów informatycznych, miało ułatwić m.in. uzyskanie porozumienia między
klientem a dostawcą oprogramowania, przepływ informacji między członkami zespołu twórców
oprogramowania (np. kierownikiem projektu, analitykami i programistami) oraz szybkie
wprowadzenie nowych członków zespołu w pracę nad projektem.
Modelowanie systemu w UML-u polega na graficznym przedstawieniu jego funkcjonalności,
stawianych mu wymagań i działania w określonych okolicznościach. Proces ten jest praktycznie
niezależny od technologii informatycznej, w jakiej system będzie później realizowany. Dzięki temu
okazało się, że UML może być z powodzeniem stosowany nie tylko w modelowaniu systemów
informatycznych i programów komputerowych, ale też innych procesów i struktur, np. działania
systemów biznesowych czy przedsiębiorstw, baz danych, a nawet procedur medycznych. Mimo,
że nauki biomedyczne nie są najbardziej typowym obszarem zastosowania modelowania w UML-u,
to istnieją przykłady jego skutecznego użycia również w tych dziedzinach.
1
3. Diagramy UML
Notacja UML zakłada, że opis systemu będzie składał się z szeregu powiązanych diagramów,
budowanych w oparciu o zunifikowaną notację. Diagramy dostępne w UML-u zwykle dzieli się na
2 kategorie: diagramy zachowań (dynamiczne), prezentujące działanie systemu oraz diagramy
struktur (statyczne), odwzorowujące budowę systemu.
Do diagramów zachowań zalicza się w UML 2.4.1 (najczęściej używane zaznaczone na
czerwono):
1. Diagram przypadków użycia (ang. use case diagram)
2. Diagram aktywności, czynności (ang. activity diagram)
3. Diagram maszyny stanów (ang. state machine diagram)
4. Diagramy interakcji (ang. interaction diagram):
• Diagram komunikacji (ang. communication diagram)
• Diagram sekwencji (ang. sequence diagram)
• Diagram czasowy (ang. timing diagram)
• Diagram przeglądu interakcji (ang. interaction overview diagram)
Do diagramów struktur w UML 2.4.1 zaliczmy:
1. Diagram klas (ang. class diagram)
2. Diagram obiektów (ang. object diagram)
3. Diagram komponentów (ang. component diagram)
4. Diagram wdrożenia (ang. deployment diagram)
5. Diagram struktur złożonych (ang. composite structure diagram)
6. Diagram pakietów (ang. package diagram)
7. Diagram profili (ang. profile diagram)
Klasyfikacja diagramów może być również zaprezentowana graficznie, co jest widoczne na
poniższym rysunku, będącym jednocześnie pierwszym przykładem użycia notacji UML,
a konkretnie diagramu klas.
Diagram
Diagram zachowań
Diagram przypadków użycia
Diagram aktywności
Diagram interakcji
Diagram sekwencji
Diagram struktur
Diagram maszyny stanów
Diagram klas
Diagram obiektów
Diagram komponentów
Diagram pakietów
Diagram struktur złożonych
Diagram czasowy
Diagram komunikacji
Diagram przeglądu interakcji
Typy diagramów UML; przetłumaczony schemat z [5]
2
Diagram profili
Diagram wdrożenia
3.1.
Diagram aktywności (czynności)
Diagramy aktywności służą do prezentowania sekwencji czynności składających się na
modelowany proces. Szczególnie ważna jest tu kolejność wykonywania czynności.
W diagramach aktywności wykorzystujemy m.in. następujące elementy:
•
Stan początkowy – początek opisywanego procesu.
•
Stan końcowy – koniec procesu.
•
Stany akcji – kolejne wykonywane czynności.
•
Węzeł decyzyjny – możliwość wyboru jednej z kilku alternatywnych sekwencji zdarzeń.
•
Punkty synchronizacji – rozdzielanie i łączenie równoległych przepływów czynności.
3
Przykład 3.1: Organizacja konsultacji chirurgicznej
Diagram aktywności dla konsultacji chirurgicznej pacjenta, źródło: [4]
4
3.2.
Diagram przypadków użycia
Diagram przypadków użycia służy do zobrazowania działania modelowanego systemu,
a w szczególności sytuacji, w których może on być stosowany.
Elementami diagramów przypadków użycia są m.in.:
•
Aktorzy – osoby (aktor osobowy), urządzenia lub programy (aktorzy nieosobowi), które
wchodzą w interakcję z modelowanym systemem oraz inicjują jego działanie.
•
Przypadki użycia – sytuacje, w których używany jest system. Przy konstruowaniu
przypadków użycia stosujemy zasadę, że opisane ma być „co się dzieje?”, a nie „jak ma się
to stać?”.
•
Związki – powiązania między elementami modelu:
◦ Asocjacja – połączenie aktora z przypadkiem użycia, z którego może korzystać.
◦ Zawieranie – związek oznaczający, że jeden przypadek zawiera inny. Poniższy diagram
„czytamy” zgodnie z kierunkiem strzałki, czyli „Przypadek użycia 1 zawiera Przypadek
użycia 2”.
◦ Rozszerzanie – związek, służący do opisania opcjonalnych działań, które mogą, ale nie
muszą być elementem konkretnego przypadku użycia. Również „czytamy” zgodnie
z kierunkiem strzałki, czyli poniżej mamy „Przypadek użycia 2 rozszerza Przypadek
użycia 1”.
5
Przykład 3.2: system do zdalnego wykonywania badań USG
Diagram przypadków użycia dla robotycznego systemu badań USG, z [3]
6
3.3.
Diagram klas
Diagramy klas są używane do opisywania elementów składowych systemu, w szczególności klas
w programowaniu obiektowym.
Podstawowymi elementami diagramu klas są:
•
Klasy – elementy systemu. Opis klasy składa się z nazwy, atrybutów (cech) i metod
(funkcji), przy czym dwa ostatnie elementy mogą zostać pominięte.
•
Związki – powiązania między klasami:
◦ Generalizacja (dziedziczenie) – związek oznaczający, że klasa pochodna posiada
wszystkie cechy i funkcje klasy bazowej oraz inne dodatkowe. Strzałki na diagramach
skierowane są od klasy pochodnej do bazowej, czyli na poniższym rysunku „Klasa 2
dziedziczy po Klasie 1”.
◦ Agregacja – opisuje relacje typu część-całość, przy czym poszczególne części mogą
funkcjonować również niezależnie, bez łączenia w całość.
◦ Kompozycja – relacja podobna do agregacji, z tym, że części składowe nie są
niezależne. Poniżej: „Klasa 1 składa się z Klasy 2 i Klasy 3”.
7
◦ Zależność – powiązanie oznaczające, że zmiana jednej z jego stron powoduje zmianę
w drugiej.
◦ Asocjacja – dowolne, inne, trwałe powiązanie. Może być skierowanie – linia ze strzałką
lub nie.
Przykład 3.3: Schemat organizacyjny szpitala
Struktura organizacyjna szpitala w formie diagramu klas, źródło: [1]
8
3.4.
Diagram sekwencji
Diagramy sekwencji używane są do modelowania komunikacji między poszczególnymi elementami
systemu i jego otoczenia. Na tym diagramie czynności przedstawia się zawsze w kolejności
chronologicznej – z początkiem procesu u góry.
Podstawowymi częściami diagramu sekwencji są:
•
Linie życia obiektów (uczestników) – służą do zaznaczania, jakie obiekty biorą udział w
procesie, kiedy wykonują działania i jak się ze sobą komunikują. U góry linii w prostokącie
wpisuje są nazwę obiektu. W dół od prostokąta biegnie przerywana oś czasu, której
pogrubione fragmenty oznaczają okresy, gdy obiekt jest aktywny.
•
Komunikat – wysłanie komunikatu oznacza się strzałką, skierowaną od obiektu
wysyłającego do adresata; nad strzałką dodaje się opis komunikatu.
•
Odpowiedź na komunikat – oznaczana strzałką przerywaną.
9
Przykład 3.4: Wyszukiwanie danych pacjenta w systemie informatycznym
Diagram sekwencji dla wyszukiwania informacji o pacjencie w bazie danych, źródło: [2]
10
3.5.
Diagram maszyny stanów
Diagram maszyny stanów budujemy z następujących elementów:
•
stan początkowy – początek modelowanego procesu.
•
stan końcowy – koniec modelowano procesu. Może być kilka stanów końcowych.
•
stan – dowolny pośredni stan systemu, złożony z pewnych czynności i/lub oczekiwania na
zaistnienie określonego zdarzenia.
•
przejście między stanami – wskazuje, jakie stany mogą następować bezpośrednio po sobie
i jakie są warunki przejścia między nimi.
Przykład 3.5: Użycie sprzętu chirurgicznego
Diagram stanów narzędzi chirurgicznych
11
4. Przykłady oprogramowania
Diagramy UML można tworzyć m.in. w następujących programach:
1. Violet UML Editor – prosty program, który będzie używany podczas zajęć. Umożliwia
tworzenie tylko niektórych typów diagramów.
alexdp.free.fr/violetumleditor/page.php/
2. Microsoft Visio – program rozbudowany, przeznaczony do przygotowywania różnych
schematów. Odpłaty, ale dla uczelni może być dostępny przez platformę w programie
MSDN DreamSpark. Pozwala narysować większość diagramów UML
3. Visual Paradigm for UML – również rozbudowane, profesjonalne narzędzie. W pełnej
wersji do zastosowań komercyjnych, ale istnieje też wersja Community Edition – bezpłatna
do zastosowań niekomercyjnych, ale na diagramach pojawia się znak wodny firmy. Nadaje
się do tworzenia wszystkich diagramów UML.
www.visual-paradigm.com/solution/freeumltool/
Szersza lista narzędzi UML jest dostępna w Wikipedii.
Ponadto istnieją również narzędzia umożliwiające generowanie diagramów UML z kodu programu
lub odwrotnie – kodu na podstawie diagramów.
5. Literatura
1. www.uml-diagrams.org.
2. Shi, S., Xiong, S.: Analysis and design of clinical information management system based on
UML of AIDS of traditional chinese medicine. National Conference on Information Technology
and Computer Science, CITCS 2012. ss. 119–123. Atlantis Press (2012).
3. Guiochet, J., Tondu, B., Baron, C.: Integration of UML in human factors analysis for safety
of a medical robot for tele-echography. Proceedings of the 2003 of the IEEE/RSJ International
Conference on Intelligent Robots and Systems. ss. 3212–3217. IEEE, Las Vegas, Nevada
(2003).
4. Sobolev, B., Sanchez, V., Kuramoto, L.: Health Care Evaluation Using Computer
Simulation. Springer (2012).
5. Object Managment Group: UML 2.4.1 Superstructure Specification. (2011).
12