（化工过程机械专业论文）工程软件的可视化技术研究及信息图形化标注系统的开发.pdf

摘要步入二十一世纪，可视化技术正被越来越多地应用于各科学理论与工程应用学科，极大地提高了处理数据的速度和质量。在当今的工程领域中，绝大部分工程软件都需要使用可视化技术实现人机交互。因此，研究工程软件中的可视化技术，以及通用的工程软件可视化系统的设计方法，对缩短可视化工程软件的开发周期、降低软件设计成本、提高软件的可视化性能具有重要的意义。本文在浙江大学化工机械研究所与无锡华光锅炉集团的合作项目“基于a u t o d e s kd w fv i e w e r 的工程信息图形化标注系统”研究工作的基础上，针对工程领域中的可视化理论进行研究，并将其应用到实践中，从而开发了通用锅炉热力计算软件中使用的可视化系统。本文的主要研究内容如下：专总结当前国内外可视化技术现状，给出可视化系统的参考模型，对可视化技术进行分类，阐述工程领域中使用的各种可视化系统，研究通用锅炉热力计算软件中已使用的可视化技术，并提出了工程信息图形化标注可视化系统的结构。采用面向对象技术对工程信息图形化标注系统进行需求分析，使用统一建模语言u m l 给出系统的软件模型。根据系统实际功能的需要，将其分为“总控包”、“控件包”、“标注信息绘图包”三个主要功能模块。串分析工程信息图形化标注系统内部各数据结构之问的关系，将系统内部数据分为“公共类对象”、“通用图元类派生类对象”、“通用链接信息类派生类对象”三种类型，并使用集合类的方式分别对其进行管理，同时给出管理行为的具体算法。根据可视化理论分析系统的人机交互需求，使用多种软件界面技术实现系统的各种人机交互。并在“标注信息绘图包”中给出该层图形的变换算法。建立系统与通用锅炉热力计算软件的数据交换方式，对工程信息图形化标注系统的通用性做出初步研究。关键词：工程软件，可视化，人机交互，面向对象，u m l ，图形变换，建模。a b s t r a c tw i t hs t e p p i n gi n t ot h e2 1 “c e n t u r y ，t h ev i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g yi sb e i n ga p p l i e di ns c i e n c ea n de n g i n e e r i n gr e s e a r c h e sm o r ea n dm o r e i tc a ni m p r o v et h er a t ea n dt h eq u a l i t yo fd a t ap r o c e s si nc a l c u l a t i o ns o f t w a r e a tp r e s e n t ，m o s te n g i n e e r i n gs o f t w a r ei nt h ee n g i n e e r i n gf i e l d sn e e d sv i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g yt or e a l i z eh u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o n t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho fv i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g ya p p l i e di nt h ee n g i n e e r i n gf i e l d s ，a n dt h ed e v e l o po fag e n e r a ld e s i g nm e t h o df o rv i s u a l i z a t i o ns y s t e mo fe n g i n e e r i n gs o f t w a r ea r ev e r yi m p o r t a n tf o rs h o r t i n gt h ep e r i o do fs o f t w a r ed e v e l o p m e n t ，r e d u c i n gt h ec o s to fe n g i n e e r i n gs o f t w a r ed e s i g n ，e n h a n c i n gt h es o f t w a r ep e r f o r m a n c e b a s e do nt h ec o o p e r a t i v ep r o j e c tb e t w e e nt h ei n s t i t u t eo fp r o c e s se q u i p m e n ta n dc o n t r o le n g i n e e r i n gi nz h e j i a n gu n i v e r s i t ya n dw u x ih u a g u a n gb o i l e rc o ，l t d ，e n g i n e e r i n gi n f o r m a t i o ng r a p h i cm a r k i n gs y s t e mb a s e do na u t o d e s kd w fv i e w e r ，t h i sd i s s e r t a t i o ne x p l o r e st h ev i s u a l i z a t i o nt h e o r yf o re n g i n e e r i n gf i e l d s ，a n da p p l i e si ti nt h ea b o v ep r o j e c t ，w h i c hi sav i s u a l i z a t i o ns y s t e mo fg e n e r a lb o i l e rt h e r m a lc a l c u l a t i o ns o f t w a r e t h em a i nc o n t e n to ft h ed i s s e r t a t i o ni sp r e s e n ta sf o l l o w s ：s u m m a r i z i n gt h ep r e s e n tv i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g ys t a t u si nc h i n a b n i l d i n gt h er e f e r e n t i a lm o d e lo fv i s u a l i z a t i o ns y s t e ma p p l i e di ne n g i n e e r i n gs o f t w a r e ，c l a s s i f y i n gt h ev i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g i e s ，e x p a t i a t i n ge a c ht y p eo fv i s u a l i z a t i o ns y s t e m ，e x p l o r i n gt h ev i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g yu s e di ng e n e r a lb o i l e rt h e r m a lc a l c u l a t i o ns o f t w a r e ，a n dp r o p o s i n gt h es t r u c t u r eo fe n g i n e e r i n gi n f o r m a t i o ng r a p h i cm a r k i n gs y s t e m ：u s i n gt h eo b j e c t o r i e n t e dt e c h n o l o g yt oa n a l y z et h er e q u i r e m e n to fe n g i n e e r i n gi n f o r m a t i o ng r a p h i cm a r k i n gs y s t e m ，i n t r o d u c i n gu n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g et od e s c r i b et h es y s t e mm o d e l a c c o r d i n gt h es y s t e mf u n c t i o n sr e q u i r e m e n t ，d e c o m p o s i n gt h em o d e lt ot h r e em a i nm o d u l e s ：“m a i nc o m m a n dp a c k a g e ”，“c o n t r o lp a c k a g e ”“i n f o r m a t i o ng r a p h i cm a r k i n gp a c k a g e ”a n a l y z i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es y s t e mm e m b e rd a t a d i s i n t e g r a t i n ga l lt h ed a t at ot h r e et y p e s ：“p u b l i cc l a s so b j e c t ”，“g e n e r a lg r a p h i cs u b c l a s so b j e c t ”，“g e n e r a ll i n ki n f o r m a t i o ns u b c l a s so b j e c t ”a f t e rt h a t ，b u i l d i n gt h ea c t u a la g g r e g a t i o nc l a s s e st om a n a g et h e s em e m b e rd a t a ，t h e n ，p r o v i d i n gt h ec o n c r e t ea l g o r i t h mo fm a n a g e m e n tb e h a v i o ro fa na g g r e g a t i o nc l a s s 专a n a l y z i n gt h eh u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o nn e e d so ft h es y s t e ma c c o r d i n gt ot h ev i s u a l i z a t i o nt h e o r i e s ，t h e n ，p r o v i d i n gt h eg r a p h i cz o o ma l g o r i t h mi nt h e“i n f o r m a t i o ng r a p h i cm a r k i n gp a c k a g e ”a tt h es a m et i m e ，w i t ht h eh e l po fs o f t w a r ei n t e r f a c et e c h n o l o g i e s ，r e a l i z i n gh u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o n so ft h es y s t e m b u i l d i n gt h ed a t ae x c h a n g em e t h o db e t w e e nt h es y s t e ma n dg e n e r a lb o i l e rt h e r m a lc a l c u l a t i o ns o f t w a r e ，a n dt h e n ，m a k i n gt h ei n t r o d u c i n gs t u d yo ft h eg e n e r a l i z a t i o no fe n g i n e e r i n gi n f o r m a t i o ng r a p h i cm a r k i n gs y s t e m k e y w o r d s - e n g i n e e r i n gs o f t w a r e ，v i s u a l i z a t i o n ，u m l ，h u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o n ，o b j e c t - o r i e n t e d ，g r a p h i ct r a n s f o r m a t i o n ，m o d e l i n g i i i浙江人学硕士学位论文工程软件的可视化技术研究发信息图形化标注系统的开发1 1 课题的研究背景第一章绪论1 1 1 科学计算可视化的发展及现状科学计算可视化( v i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i f i cc o m p u t i n g ) 是发达国家在2 0 世纪8 0 年代后期提出并发展起来的一个新的研究领域，也是9 0 年代计算机应用新技术的热点之一。1 9 8 7 年2 月，美国国家科学基金会在华盛顿召开了有关科学计算可视化的首次会议。会议指出：科学家们不仅需要分析计算机得出的计算数据，并且需要了解在计算过程中数据的变化。实现这一目标需要借助计算机图形学及图像处理、计算机辅助设计、计算机视觉及人机交互等多个领域的技术，因而“将图形和图像等相关技术应用于科学计算是一个全新的领域”。会议将这一领域定名为“v i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i f i cc o m p u t i n g ”，简称为“s c i e n t i f i cv i s u a l i z a t i o n ”。“”。近年来，科学计算可视化这一领域又扩展到工程计算可视化及测量数据可视化技术。直观上看，科学计算可视化是研究如何把科学数据转换成可视的、能帮助科学家理解的信息的计算方法“1 。其研究数据包括通过计算或是测量获得的数值，从卫星传送回来的图像，医学c t ( 计算机层面x 射线照相) 和m r i ( 核磁共振成像) 等。简而言之，科学计算可视化是把计算机图形学与图像处理技术应用于计算科学的学科。这里所谓计算科学是指所有应用计算机从事计算的科学与工程学科。科学计算可视化的形成是当今科学技术飞速发展的结果。在8 0 年代早期，由于计算机软硬件的限制，科学计算长期以来只能以批处理方式进行，而不能进行交互处理。使用者不能对计算的过程进行干预和引导，只能被动的等待计算结果的输出“1 。同时，大量的输出数据又只能用人工方式加工，或用绘图仪输出屏幕拷贝，从而丢失大量信息，不仅无法得到直观、形象的计算结果，而且在人工处理数据时过程繁琐，需耗费大量的时间。随着计算机软硬件的发展和图形处理能力的提高，人们开始借助图形来理解计算结果，在此情况下，便产生了科学计算可视化研究领域及其相关软件。科学计算可视化的基本思想是将科学计算中从建立计算模型到表达计算结果均采用图形的方式输入输出，将复杂的数值计算和数据处理推向后台，用户主要和图形打交道。它包括图像理解与图像合成，既是解释输入到计算机内图像数据的手段，又是由复杂多维数据产生图像的工具。科学计算可视化通过计算得到的结果图形、颜色、静态和动态画面，使研究者对计算的过程有了直观全面的了解。浙江大学硕士学位论文工程软件的可视化技术研究及信息图形化标注系统的开发自从科学计算可视化概念被首次提出之后，美国许多研究机构都建立了科学计算可视化实验室对其基础和应用进行研究，并于1 9 9 0 年召开了第一届可视化国际会议。近十年来，在美国、德国、日本等发达国家的著名大学、国家实验室及大公司中，科学计算可视化的研究工作及应用实验十分活跃，其技术水平正在从后处理向实时跟踪和交互控制发展，并且已将超级计算机、光纤高速网、高性能图形工作站及虚拟现实四者结合起来，体现出这一领域技术发展的重要方向。其中，比较著名的研究成果有美国国家医学图书馆和克罗拉多大学合作的“可见人体”( v i s i b l eh u m a n ) 计划、美国国家宇航局研究中心的“分布式虚拟风洞”( d i s t f i b u t e dv i r t u a lw i n dt u n n e l ) 、美国国家超级计算机应用中心的大气及流体可视化软件( p a t h f i n d e r ) 、美国西北大学的研究项目“燃烧过程动态模型的可视化”。国内对可视化技术的研究起步较晚，国家自然科学基金委员会在1 9 9 3 年的项目指南中将科学计算可视化列为重点，鼓励对其理论和算法进行研究，至此揭开了国内学者对可视化技术进行研究的序幕，并于1 9 9 5 年召开了国内第一届科学计算和工程设计可视化交流会5 1 。之后，科学计算可视化在理工学科许多领域取得了积极的成果，其应用面也在不断扩大。研究较多的、也比较成功的主要有这样一些科学与工程领域：有限元分析、计算流体力学、气象学、海洋学、医学、分子生物学、材料学、环境保护与非线性科学等等。虽然可视化在这些领域的应用有不同的侧重点，但其应用的共同点是处理的数据量庞大。锅炉热力计算的特点之一就是计算所涉及到的数据类型多，数据量大，而且最终结果的数据量繁多且更为复杂。由此导致了巨大的输入数据工作及对结果数据的后处理工作。因此，将可视化技术应用于锅炉热力计算的过程具有重要的意义。1 1 2 工程图形浏览及批注技术的产生及发展随着c a d 技术的广泛应用以及网络的高速发展，工程实践中的设计软件已不能满足工程图形数据即时浏览、共享及发布的需求。如何在不安装原工程图形设计软件的情形下，实现对该文件内容的浏览及批注是需要解决的一个问题。以a u t o c a d 为例：该软件目前已是国内外最为广泛使用的计算机辅助二维绘图和设计软件包。但如果直接使用a u t o c a d 软件对工程图形文件进行浏览、批注，存在以下的弊端，具体如下”1 ：如果仪仅使用a u t o c a d 软件系统进行工程图形文件的浏览及批注，而不进行工程设计，对企业是一种资源的浪费。浙江大学硕士学位论文工程软件的可视化技术研究及信息图形化标注系统的开发a u t o c a d 系统命令复杂，对工程图纸进行批注却是一种简单的操作。对图纸进行批注的人员一般可能是企业内的高层领导，他们没有必要也不可能熟练掌握不断更新的a u t o c a d 软件专业知识。 将批注信息和原有的图形信息混合保存在同一个文件中有可能会造成一定的混乱。这使得工程图形设计人员难于辨别原图纸信息和批注信息，从而无法及时进行相应修改。为此，a u t o d e s k 公司相应推出了几种免费的a u t o c a d 图纸浏览程序和控件：d w g xc o n t r o l 、w h i p 、a u t o d e s kd w fv i e w e r 等。使用这些程序、控件，用户可以在不需要安装a u t o c a d 的情况下交互式的浏览，打印a u t o c a d 图纸，从而减少软件投资。同样，对于其他c a d 系统，只要提供相应图形控件也可类似地将图形浏览、发布功能集成于网络应用环境中。目前，一些常用的三维图形设计软件，如s o l i d e d g e 、s o l i d w o r k s 、u gn x 、p r o e n g i n e e r 等均提供了相应的图形浏览控件。由于本文的研究内容“工程信息图形化标注系统”只涉及二维图形的浏览，因此，本节只对二维工程图形的浏览及批注技术进行讨论。为使a u t o d e s kd w fv i e w e r 等控件可直接浏览a u t o c a d 软件生成的图形，a u t o d e s k 公司推出了一款专用于w e b 浏览的二维矢量图形格式d w f 文件，并将其用于图形文件的网络传输及管理。1 。d w f 全称为“d r a w i n gw e bf o r m a t ”，即网络格式绘图文件。d w f 图形格式是d w g 图形格式的一种压缩形式，其采用了先进的压缩技术，文件大小只有d w g 文件的1 0 左右，因而可以在网络中得到更快的传输速度。因此，本文所开发的图形化标注系统选择d w f 文件格式的工程图纸作为其图纸浏览对象。a u t o d e s k 公司开发的这些程序及控件完全实现了d w f 格式图纸的浏览功能，并且各有其特殊的附属功能，譬如w h i p 控件可以直接浏览网络其他主机上的工程图纸，但这些程序都不能对其打开的图纸添加批注”1 。本文中开发的工程信息图形化标注系统通过a u t o d e s k d w f v i e w e r 控件实现二维图纸的浏览，自行开发了标注信息绘图包实现d w f 类型图纸批注的添加、编辑、管理功能。同时还实现了系统与通用锅炉热力计算软件内部输出变量的关联，以批注形式实现软件输出数据的可视化。用户还可对二维图纸和批注信息可进行同步的漫游、缩放等浏览操作。1 1 3 通用锅炉热力计算软件通用锅炉热力计算软件( b e s s ，b o i l e re n g i n e e r i n gs i m u l a t i o ns y s t e m ) 是浙浙江大学颅十学位论文工程软件的可视化技术研究及信息图形化标注系统的开发江大学化工机械研究所c a d 实验室开发的一款软件。其基于“构架构件“系统结构，使用面向对象技术进行开发，并采纳了通用可视化系统建模的方式实现软件锅炉逻辑计算模型的搭建，已在国内多家大中型锅炉企业实际使用。锅炉的本质功能是实现能量形式与能量介质的转换“”。在b e s s 中，锅炉被抽象为一个能量形式和载体变换的过程系统。它把燃料的化学能转换为高温烟气载有的热能，烟气又进一步把其载有的热能传递给蒸汽、水和空气。通过对锅炉数学认知模型的分解和组合，在不考虑锅炉部件的结构细节及定位尺寸，仅考虑不见之间的相互逻辑关系时，可以抽象出如图1 1 中所示的锅炉过程系统简化模型。图1 1 锅炉的过程系统简化模型示例通过上述思想，b e s s 基于“构架构件”的技术实现该软件模型。每一种锅炉部件对应于一个“构件”，而总体热力计算平台相当于系统的“构架”，系统各种“构件”的开发和调试与“构架”相分离。从而整体软件的设计与工业革命时代的机械产品生产相类似，在系统“构架”成型，“构架”与“构件”之间通4浙江大学硕士学位论文工程软件的可视化技术研究及信息图形化标注系统的开发信接口定义完毕之后，软件就可以通过使用各种各样的标准及非标准“构件”在“构架”上装建起来。通用锅炉热力计算软件自1 9 9 9 年以来一直在杭州锅炉厂的实际锅炉设计工作中使用，不断丰富、完善和发展，并已经将该软件系统的理论计算结果与多台实际运行的锅炉进行了很好的比照，目前该系统已经陆续在国内其它锅炉设计制造厂家推广应用，达到了相当的成熟性和稳定性“。与其他软件相比，b e s s 的内核使用了c + + 语言开发，可扩充性和可维护性强；支持国内锅炉制造业中多种标准，包括苏联5 7 标准、7 3 标准、2 0 0 3 标准“；支持各种特定锅炉算法的动态链接库连接，b e s s 系统可以通过d l l 方式运行使用其它锅炉企业或高校研制的专业算法，从而实现各研究机构研究成果的强强联合，此技术在安全性和保密性方面提供了保障。1 2 课题研究的目的、意义无锡华光锅炉集团在和浙江大学化工机械研究所的合作中，提出了对锅炉热力计算过程输出结果可视化及图纸浏览的需要。企业领导在审阅锅炉设计方案时，既要使用b e s s 程序审查热力计算的输出结果计算书，又要使用a u t o c a d软件查看工程设计人员设计的工程图纸，需要在两种不同的软件进行操作。同时，在察看工程设计图形时无法得知各部件的稳态热力参数，而在察看热力计算书时又无法浏览各部件的实际尺寸结构。工程设计人员在使用b e s s 效验选用的锅炉部件的热工稳态性能时，也需要同时了解选用的部件实际尺寸，规格等：企业竞标人员在竞标时也需要向投标方同时展示锅炉设计方案图纸和相关热工稳态参数。因此，笔者应合作企业的要求，开发出一种集a u t o c a d 图纸浏览及批注功能、b e s s 计算结果可视化输出的系统甚于a u t o d e s kd w fv i e w e r 的工程信息图形化标注系统，实现了上述功能。此外，本文的研究工作对类似的工程软件可视化部分的开发有一定的启发作用。b e s s 中工程信息图形化标注系统的设计方法同样也适用于其它工程软件可视化系统的实现，而b e s s 自身的可视化建模系统的设计思路也可用于以过程系统为计算对象的工程软件。在本文的第三章对工程信息图形化标注系统的通用性做出了探讨和研究。1 3 论文的主要工作内容本文的研究工作主要分两部分，对工程软件可视化系统的设计理论进行研究，并在b e s s 的基础上开发出基于a u t o d e s kd w fv i e w e r 的工程信息图形化标注系统。浙江大学硕士学位论文工程软件的可视化技术研究及信息蚓形化标注系统的开发信接口定义完毕之后，软件就可以通过使用各种各样的标准及非标准“构件”在“构架” 装建起来。通用锅炉热力计算软件自1 9 9 9 年以来直在杭州锅炉厂的实际锅炉设计工作中使用，不断丰富、完善和发展，并已经将该软件系统的理论计算结果与多台实际运行的锅炉进行了很好的比照，目前该系统已经陆续在国内其它锅炉设计制造厂家推广应用，达到了相当的成熟性和稳定性“。与其他软件相比，b e s s 的内核使用了c + + 语言开发，可扩充性和可维护性强；支持国内锅炉制造业中多种标准，包括苏联5 7 标准、7 3 标准、2 0 0 3 标准“；支持各种特定锅炉算法的动态链接库连接，b e s s 系统可以通过d l l 方式运行使用其它锅炉企业或高校研制的专业算法，从而实现各研究机构研究成果的强强联合，此技术在安全性和保密性方面提供了保障。1 2 课题研究的目的、意义无锡华光锅炉集团在和浙江大学化工机械研究所的合作中，提出了对锅炉热力计算过程输出结果可视化及图纸浏览的需要。企业领导在审阅锅炉设计方案时，既要使用b e s s 程序审查热力计算的输出结果计算书，又要使用a u t o c a d软件查看工程设计人员设计的工程图纸，需要在两种不同的软件进行操作。同时，在察看工程设计图形时无法得知各部件的稳态热力参数，而在察看热力计算书时又无法浏览各部件的实际尺寸结构。工程设计人员在使用b e s s 效验选用的锅炉部件的热工稳态性能时，也需要同时了解选用的部件实际尺寸，规格等；企业竞标人员在竞标时也需要向投标方同时展示锅炉设计方案图纸和相关热工稳态参数。因此，笔者应合作企业的要求，开发出一种集a u t o c a d 图纸浏览及批注功能、b e s s 计算结果可视化输出的系统基于a u t o d e s kd w fv i e w e r 的工程信息图形化标注系统，实现了上述功能。此外，本文的研究工作对类似的工程软件可视化部分的开发有一定的启发作用。b e s s 中工程信息图形化标注系统的设计方法同样也适用于其它工程软件可视化系统的实现，而b e s s 自身的可视化建模系统的设计思路也可用于以过程系统为计算刘象的工程软件。在本文的第三章对工程信息图形化标注系统的通用性做出了探讨和研究。1 3 论文的主要工作内容术文的研究工作主要分两部分，对工程软件可视化系统的设计理论进行研究，行在b e s s 的基础上开发出基十a u t o d e s kd w f v i e w e r 的工程信息图形化标究，并在b e s s 的基础上开发出基于a u t o d e s kd w f v i e w e r 的工程信息图形化标注系统。浙江大学硕士学位论文工程软件的可视化技术研究及信息图形化标注系统的开发信接口定义完毕之后，软件就可以通过使用各种各样的标准及非标准“构件”在“构架”上装建起来。通用锅炉热力计算软件自1 9 9 9 年以来一直在杭州锅炉厂的实际锅炉设计工作中使用，不断丰富、完善和发展，并已经将该软件系统的理论计算结果与多台实际运行的锅炉进行了很好的比照，目前该系统已经陆续在国内其它锅炉设计制造厂家推广应用，达到了相当的成熟性和稳定性“。与其他软件相比，b e s s 的内核使用了c + + 语言开发，可扩充性和可维护性强；支持国内锅炉制造业中多种标准，包括苏联5 7 标准、7 3 标准、2 0 0 3 标准“；支持各种特定锅炉算法的动态链接库连接，b e s s 系统可以通过d l l 方式运行使用其它锅炉企业或高校研制的专业算法，从而实现各研究机构研究成果的强强联合，此技术在安全性和保密性方面提供了保障。1 2 课题研究的目的、意义无锡华光锅炉集团在和浙江大学化工机械研究所的合作中，提出了对锅炉热力计算过程输出结果可视化及图纸浏览的需要。企业领导在审阅锅炉设计方案时，既要使用b e s s 程序审查热力计算的输出结果计算书，又要使用a u t o c a d软件查看工程设计人员设计的工程图纸，需要在两种不同的软件进行操作。同时，在察看工程设计图形时无法得知各部件的稳态热力参数，而在察看热力计算书时又无法浏览各部件的实际尺寸结构。工程设计人员在使用b e s s 效验选用的锅炉部件的热工稳态性能时，也需要同时了解选用的部件实际尺寸，规格等：企业竞标人员在竞标时也需要向投标方同时展示锅炉设计方案图纸和相关热工稳态参数。因此，笔者应合作企业的要求，开发出一种集a u t o c a d 图纸浏览及批注功能、b e s s 计算结果可视化输出的系统甚于a u t o d e s kd w fv i e w e r 的工程信息图形化标注系统，实现了上述功能。此外，本文的研究工作对类似的工程软件可视化部分的开发有一定的启发作用。b e s s 中工程信息图形化标注系统的设计方法同样也适用于其它工程软件可视化系统的实现，而b e s s 自身的可视化建模系统的设计思路也可用于以过程系统为计算对象的工程软件。在本文的第三章对工程信息图形化标注系统的通用性做出了探讨和研究。1 3 论文的主要工作内容本文的研究工作主要分两部分，对工程软件可视化系统的设计理论进行研究，并在b e s s 的基础上开发出基于a u t o d e s kd w fv i e w e r 的工程信息图形化标注系统。浙江大学硕士学位论文工程软件的可视化技术研究及信息图形化标注系统的开发本文的第一章主要介绍后续章节所涉及到的两种技术背景及工程信息图形化标注系统实现的软件平台，阐述了科学计算可视化技术和工程图形浏览及批注技术的发展及现状，同时简要介绍了浙江大学化工机械研究所开发的通用锅炉热力计算软件。第二章对科学及工程可视化技术做了详尽的讨论，分析了可视化系统的构造、工程领域中可视化系统的分类及当前常见工程软件中使用的可视化系统，并于第二章节结尾部分着重介绍了应用于通用锅炉热力计算软件中的可视化系统。第三章主要关于工程信息图形化标注系统的分析与设计构思。这章完成的工作包括对系统功能需求的分析与设计构思、系统软件模型的搭建、可视化人机交互的分析与设计、系统与b e s s 软件之问数据交换的设计。在该章的最后部分对工程信息图形化标注系统的通用性作了一定的探讨。第四章描述了工程信息图形化标注系统的开发工作。该章以从整体到局部的视角有取舍的阐述了系统各部分功能实现。在该章结尾给出了系统的运行实例。浙江大学硕士学位论文工程软件的可视化技术研究及信息图形化标注系统的开发第二章工程软件中的可视化技术2 0 引言可视化系统是当今工程软件中一个不可缺少的部分。可视化系统实现了软件的参数输入、输出，图形及其他信息的显示与生成，使人机交互以相对简单的形式实现。本章节对科学计算可视化技术作了一定的介绍；按照可视化技术的发展对其进行归类：并依据该归类方法介绍了目前一些常见的应用于工程软件中的可视化系统；最终扼要分析了可视化技术在通用锅炉热力计算软件中的应用。2 1 科学计算可视化技术概论科学计算可视化是对计算及数据进行探索，以获得对数据的理解与洞察。在科学计算可视化过程中，计算所涉及的和所产生的数字信息被转变为直观的、以图像或图形信息表示的、随时间和空间变化的物理现象或物理量呈现在研究者面前，使他们能够观察到模拟和计算，即看到传统意义上不可见的事物或现象；同时还提供与模拟和计算的视觉交互手段。自从1 9 8 7 年2 月美国国家科学基金会的研讨会上正式给出了科学计算可视化的定义、覆盖的领域以及近期与长期的研究方向后，世界各国都陆续开始支持科学计算可视化的研究计划，它的应用遍及所有应用计算机从事计算的科学与工程学科，并且获得了巨大效益。3 。2 j 1 科学计算可视化的意义科学计算可视化的形成是当代科学计算技术飞速发展的结果。科学计算是除了理论与试验之外的第三种科学研究方法，其实质是通过数值计算来模拟产生的现象，并由此获得对象的规律。为此，科学计算模拟必须经历从观察现象到分析模拟结果的一系列步骤，如图2 1 。匝一叵一巫一匹一叵一互科学计算领域图2 1 现象的模拟与分析为了实现对现象的模拟与分析，必须先将有关系信息归纳成物理模型，根据分析时的时空区域和相关的物理定律，导出物理模型的理想化数学模型，包括控浙江大学硕士学位论文工程软件的可视化技术研究及信息图形化标注系统的开发制方程、边界条件与初始条件、以及分析区域与目标的数学表示。然后通过数值方法在计算机上循环、迭代、分析，重复这一过程直到获得正确结论“。然而，这是一个非常费时而又繁琐的过程。为了减轻科研人员分析和理解计算过程中所产生的巨大数据的重负，必须借助科学计算可视化技术，使用直观的图形输出代替数字输出。作为第三种科学研究方法的科学计算要获得发展，实现科学计算可视化十分必要。其意义在于：1 为模拟计算和数据分析提供视觉交互手段，使研究人员能够跟踪数据并对其进行交互，提高计算的效率和质量。充分利用当今不断迅速提高的计算机硬件性能，结合高速三维图形技术进行实时动态模拟，并通过视觉对模型的性能或合法性进行有效分析，使在建模、模拟和动画等应用领域取得更显著的效益。2 为分析和显示计算复杂、随时间变化的多维数据提供工具与手段。使各领域的用户能够使用现有的可视化工具和技术，快速而轻易地提取有意义的特征和结果。3 为计算机所产生的大量数据信息提供表现和生成方法，使科学家通过检索计算结果的图像，能够有效地进一步研究更为复杂详细的数学模型和模拟方法。4 通过增强的计算性能，把过去那种将模拟与设计各自分别独立进行处理的方法结合起来，使模拟与设计中的问题能够交互求解，从而使各种用户逐步进入设计方法学的新时代。2 1 2 可视化系统的参考模型在建立一个完整的可视化系统模型的过程中，开发者必须充分理解可视化的处理过程，如可视化系统需要解决哪些问题，有哪些功能，可使用何种技术手段解决等“。同时，在用户界面方面，设计者需选择合适的开发工具，开发出人性化的人机界面，满足用户的要求。由于可视化是对数据的探索，因此它不仅包括从数据产生图形的活动，而且也包括对数据进行访问和操纵的整个处理循环。如图2 2 所示，可视化过程首先从数据预处理模块开始，经过映射模块、绘制模块和显示模块，将原始数据按用户要求形成图像可视信息“；同时，用户根据可视化过程的中问结果和对可视信息的分析结果与整个可视化过程各个模块进行交互操作。浙江大学硕士学位论文工程软件的可视化技术研究及信息图形化标注系统的开发图2 2 可视化参考模型 数据预处理模块的数据来自计算机模拟数据、实验和测量数据、或从已有的数据库中调用的数据。这些数据可分为数值数据、几何数据( 几何造型) 与图像数据( 位图等) 三类。该模块的研究内容包括：数据格式及其标准化；数据描述语言和操作语言；数据变换技术：数据压缩与解压缩技术。 可视化映射也称为构模，其主要功能为将数值数据转变为几何数据，是可视化技术的核心，研究工作的重点。由于可视化系统处理的数据类型随着应用领域的不同而不同，从而对不同类型的应用数据应采用不同的可视化技术。事实上，可视化技术正是以可视化数据集的不同作为分类的依据。 绘制功能是将几何数据转换为图像数据的一个过程。当前的计算机图形学理论已相当成熟，可为绘制模块提供丰富的绘制算法，包括扫描转换、隐藏面的消除、光照模型、明暗处理、透明与阴影、纹理映射等等。这些技术基本上己可满足可视化模型中绘制模块的需要。因此，对绘制功能的研究并不是可视化技术的主要研究方向。整个可视化系统模型的构造过程实际就是用户交互控制各个阶段的过程，直到对所研究的现象获得理解和洞察。因此，可视化系统应由用户启动的一个交互过程来描述，用户可以随着可视化系统的结果反馈来保持交互。交互过程由用户通过系统提供的用户界面进行，在逻辑上可在任何阶段之间进行跳跃，而更新的结果则由可视化系统产生，并通过界面反馈给用户。9浙江大学硕上学位论文t 程软件的可视化技术研究及信息图形化标辨：系统的开发2 2 可视化技术的分类由于可视化是针对数据进行的，因而对可视化技术的分类方法，实质上是对可视化数据集的一种分类方法，具有不同特征的数据需要采用不同的可视化技术。通常，根据系统输入数据的不同，可视化技术可分为五类：点数据可视化、标量场可视化、矢量场可视化、张量场可视化和其他可视化技术。3 。在上述五类可视化技术的基础上，又可进一步根据数据的纬度对其进行二次分类。此外，在某一数据类型和确定的维数下，可视化技术还可以提供多种表现方法，不同的表现方法实质上也是不同的可视化技术。譬如对于一维的标量数据可以采用线画图、直方图和柱状图等可视化技术，对于三维的矢量数据可采用三维箭头、三维流线、三维质点轨迹和三维场拓扑等技术来处理。2 2 1 标量场的可视化标量场的可视化是目前可视化技术研究较多的领域。一维标量场可直接用线画图表示，其基本方法是在x y 平面内，根据采样点的值，构造插值函数f ( x - ) ，根据f ( x 1 ) 生成采样点之间的线段。二维标量场则可看成是二维平面网格点或散乱点上的数据分布，其关键在于如何构造其插值函数或逼近函数。标量场可视化技术主要有曲线图技术、柱状统计图技术、直方图技术、色段技术、表面位移技术、等值线技术、等值面技术和体绘制技术。国内外学者在这个领域做了许多工作，提出了若干有创造性的算法。2 2 2 矢量场的可视化矢量场可视化的研究主要是集中于矢量的映射表示上，寻找一种即能反映矢量大小方向又不引起混乱的映射图标。矢量场的几何表示一般有点表示、线表示和面表示三种方法。2 2 3 张量场的可视化三维张量场能够准确清楚地表示各种物理现象，它的可视化技术由于其成分量多而使张量场的可视化成为一个更具有挑战性的研究领域。譬如三维空间的一个二阶张量表示为一个3 3 矩阵，而一个张量场是由二维或三维场中一系列这样的矩阵组成。关于张量场可视化的研究目前还很不成熟，要直接对张量进行可视化操作非常困难，且还有许多问题有待进一步研究。2 2 4 交互技术及其他可视化技术与可视化相关的其他技术包括：图像浏览处理技术、动画技术和交互技术。浙江大学硕士学位论文工程软件的可视化技术研究及信息图形化标注系统的开发其中，交互技术在可视化中占据着非常重要的地位。许多数据的特点只有通过交互才能感受到。交互技术包括了与数据的交互、与图形的交互以及与可视化参数的交互。与数据的交互包括数据集的交互分割，断面的选取、数据范围的设置等技术。与图形数据的交互包括了传统图形学中的交互，如平移、放大、旋转等交互操作，光源、视点、投影面、表面属性及明暗处理等技术。”。与可视化参数的交互包括与显示技术的交互、如选择或组合合适的显示技术；与设置参数的交互，如在质点跟踪时可与质点数、步长、质点分布方式等参数进行交互；在显示标量时，能与调色板进行交互等。本文中用于通用锅炉热力计算软件的工程信息图形化标注系统正是基于图纸浏览技术，结合标量场可视化技术与交互技术设计的。在该可视化系统中，图纸浏览的功能由控件实现，而标注的标量场可视化及与图形数据间的交互自主开发完成。2 3 可视化系统分类及发展科学计算可视化技术已应用于许多科学及工程领域。随着可视化技术的发展，人们开发出种种可视化系统，并将其使用于计算流体力学、气象学、医学、分子图形学、化工过程、有限元分析等领域。可视化系统指的是一个集成环境，在其支持下，人们可通过直观的手段对复杂数据进行有效的研究。而可视化工具则一般只支持某一方面的可视化技术。可视化软件发展至今，经历了由简单到复杂的一段演进过程。根据这一过程，本文将可视化软件分为了三类：图形库和图形包、专用可视化工具和可视化应用构造器。2 3 1 图形库和图形包图形库直接基于图形硬件或由软件来提供图形功能。为了开发应用程序，用户需给出几乎所有的软件系统成分：如主程序，用户界面，数据处理和几何映射。最基本的图形库仅提供图形设备的接口，如基于t e k t r o n i x 终端的图形接口，还有的图形库则提供比较高级的图形算法，如支持坐标、曲线等功能，如早期的i s 0计算机图形标准g k s 3 d ，a n s i 定义的p h i g s + 。微软公司的w i n d o w s 操作系统中则提供了g d i 、g d i + 等图形库和接口，且其自身也是一个巨大的可视化集成环境。目前，基于i r i sg l 图形库发展而来的o p e ng l ( o p e ng r a p h i cl i b r a r y )图形库已是工业上的三维图形标准。o p e ng l 已从早期的s g i 工作站的图形引擎发展成为一套独立于操作系统和硬件环境的三维图形库，并被广泛地应用于可视化、实体造型、c a d c a m 、模拟仿真等诸多领域。浙江大学硕士学位论文工程软件的可视化技术研究及信息倒形化标注系统的开发图形库和图形包的优点在于它的灵活性和直接控制能力，缺点在于编写代码时需熟悉特定图形库的专业知识，并且需要大量代码编写工作和维护时间。2 3 2 专用可视化工具专用可视化工具是专门为解决某一专用范围内的问题而开发的。工具自身具备了主程序功能，并且一般具有一个友好的用户界面，因而不要求编制程序代码。用户只需按要求将数据输入并提供一些命令，就可利用该工具快速得到所需的分析结果。该类软件的特点为功能固定，修改和扩充困难。因此，专用可视化软件往往只能帮助人们解