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浙江大学颁士学位论文化_ t - 过程仿真系统的开发 ￥5 0 8 3 8 6 摘要 ， ，垫工过程系统，是一个大型的复杂系统，其仿真软件雁向着大型化方向发展。 传统的磊缭褐耽设计方法建立纯工仿寞系统，壶予可靠往、可扩充注释可搿瘸注较 差，难以利用已有的模型产生新模型，因此，采用 纯方法开发诗算褫环境，融逐渐袋为软 串发展的趋 的方法取代原有的结构 本文采用诼向对苏的应用框架技术( o b j e c t o r i e n t e da p p l i c a t i o n f r a m e w o r k ) ，是一种由面淘对象技术支持的，能够适应大型软件系统开发的方法， 特剐是对具有对象转类繁多箍关系复杂的系统。它撼倡用系绕的抽象对象构造框架， w 以保证系统体系结构的稳定性，以实现系统可扩展性。用此方法所开发的化工过 稔仿真系统能够不依赖于爨体的化工过程，软 孛的框架其蠢摄好的霹重题蠼，它露 以用于各种化工工艺过程的设计与开发，而且系统舆有主体结构稳定、可维护性强、 耋瘸度毫、分工硬确、系绞薅毂小、并发爨麓短、荔警理帮套嚣予资濠豹狡累等优 点。 位工过程谤冀系统开发豹蕾簧经务是辕殛教学，但是我粕希望在完藏教学任务 的同时，也能够满足实际工程应用。系统主聚由工麓流程图编辑、工艺计算、数据 管理三太模块组成。本论文主要完成了系统的需求分析，框黎建立、数据结构设计、 图形编辑、框架交豆、主要界面设计等几部分工作，使软件实现了设备的选型与设 计、工艺流程圈编辑等主簧功能。媛后，对化工工慧部分实例如管路、换热器、反 应器、吸收塔、泵等进行了分析建模。 ， i 关键字： 化工过程面向对豸蕊园框絮技术计算极辅助教学工摹薅甩 象 鲥厂 面，势 塑兰查兰塑圭兰堡堡奎些三塾堡盟塞墨篓塑亚墨 a b s t r a c t c h e m i c a lp r o c e s ss y s t e mi sal a r g e s i z ec o m p l e xs y s t e m ，a n di t ss i m u l a t i o n s o f t w a r ei sd e v e l o p i n gt o w a r d sm a c r o - s c a l eo p e r a t i o n st e c h n o l o g y d u et o i t s s h o r t a g e i n c r e d i b i l i t y ，e x t e n s i b i l i t y a n dr e u s a b i l i t y ，t h e t r a d i t i o n a ls t r u c t u r e m e t h o di nd e v e l o p i n gc h e m i c a ls y s t e mi sh a r dt ob u i l dan e wm o d e lw i t he x i s t o n e st h e r e f o r e ，i ti sad e v e l o p i n gt r e n du 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 y j n s t e a do ft h es t r u c t u r et e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r ，w eu s et h eo b j e c t o r i e n t e da p p l i c a t i o nf r a m e w o r kt e c h n o l o g y l od e v e l o pt h ec h e m i c a ip r o c e s s t h i sm e t h o dc a nb ef i t t e dw e l if o rd e v e l o p m e n t o ft h el a r g e s i z es o f t w a r es y s t e m e s p e c i a l l yf o rt h es y s t e mw i t hm a n yo b j e c t s a n dc o m p l e xr e l a t i o n sa n di t e m p h a s i z e st h em a i nf r a m e w o r kc o n s t r u c t e db y a b s t r a c to b j e c t s t h ec h e m i c a lp r o c e s ss i m u l a t i o ns o f t w a r ed e v e l o p e db yt h i s t e c h n o l o g yh a st h e m e r i t sa sf o l l o w s f i r s t i ti s i n d e p e n d e n lo ft h e d e t a i l e d c h e m i c a lp r o c e s s ，s oi tc a nb ew i d e l yu s e di n d e v e l o p m e n to fp r o c e s ss y s t e m s e c o n d ，t h es y s t e ma p p l i c a t i o nf r a m e w o r kc o n s t r u c t e dw i t ht h i sm e t h o dc a n a d a p t e d t h ec h e m i c a l t e c h n i q u e sl o g i c a le x p r e s sc u r r e n t l y a n dt h e s y s t e m d e s i g n e dh a ss i m p l ec o l l e c t i v es t r u c t u r e ，g o o df l e x i b i l i t ya n dm a i n t a i n a b i l i t y c h e m i c a lp r o c e s ss i m u l a t i o ns y s t e mc h i e f l ym e e t sb o t ho fc o m p u t e rn e e d s o fi n s t r u c t i o na n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n t h i ss i m u l a t i o ns o f t w a r ec o n s i s t so f f o l l o w i n gf u n c t i o n s ：t h ed e s i g no fc h e m i c a le q u i p m e n ta n dc h e m i c a lt e c h n i q u e s ， c a l c u l a t i o n ，d a t am a n a g e m e n ta n ds oo n i nt h i s p a p e r ，w ec h i e f l yf i n i s h e d s y s t e ma n a l y s i s ，m a i nf r a m e w o r kc o n s t r u c t ，d a t as t r u c t u r ed e s i g n ，g r a p h i ce d i t a n df r a m e w o r ki n t e r a c t i o nf u n c l i o n sa n dm a i nu s e ri n t e r f a c e s d e s i g n a tj a s t s o m ei n s t a n c eo b j e c t ss u c ha sp i p es y s t e m ，h e a t e r ，r e a c t o r ，a b s o r bt o w e r a n d p u m p a r ea n a l y z e da n dm o d e l e d k e y w o r d s ：c h e m i c a lp r o c e s s o b j e c t - o r i e n t e da p p l i c a t i o nf r a m e w o r k c a e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n 浙江大学硕士学位论文化工过程仿真系统的开发 第1 章绪论 2 l 世纪的高等教育，面临着挑战和机遇。一个综合化、国际化、信息化和 个性化的本科教育向我们提出了更新更高的要求。培养熟悉国情、专业知识丰富、 具有创新精神和国际意识、能参与国际竞争的各类专业人才更加迫切。1 9 9 8 年，国家教育部高教1 9 9 8 1 8 号文件关于印发( 普通高等学校本科专业目录) 、 ( 普通高等学校本科专业设置规定) 等文件的通知，取消原“化工设备与机械” 专业，新设置一个“过程装备与控制工程”专业，该专业与原专业相比，是个 全新的专业。原先的化机专业是以具体的机器、设备设计为主攻对象，仅注重化 工单元设备的研究和开发，注重于设备的选型与设计，而对整个过程系统及系统 各部分之间的相互关系没有太多涉及。而过程装备与控制工程研究的对象是机、 电、仪一体化并与加工过程密切相关的连续复杂系统，系统中的个组成部分( 机 泵、过程单元设备、管道、阀、监测仪表、计算机系统等) 均互相关联、互相作 用和互相制约，任何一点发生故障都会影响整个系统。所以过程装备与控制工程 的上述特点就决定了过程装备与控制工程学科研究的领域十分宽广，涉及机械、 化工、材料、控制与自动化、动力、电、信息、腐蚀与防护等多个专业领域【”。 所以为了使这一新兴学科兴旺发达，必须在原先的专业教学基础上进行改革，调 整课程结构体系，重新组织专业课程，编写相应的新教材，改进实验室的建设等 等。而只有这样才能够真正的拓宽原专业的口径，培养出更加适应社会发展和需 要的高层次高素质的人才。 1 1 课题的提出乜 1 1 1 项目开发背景 本项目是由教学部下达给浙江大学化工机械研究所，关于过程装备与开展 工程人才培养方案研究与实践项目中的化工工艺软件系统部分。该软件是为过 程成套装备课程配套的。过程成套装备是为适应过程装备与控制专业的教 学改革而新开设的一门课程。该课程试图以化工原理、过程装备设计、过程机械、 浙汪天掌硕士学位论文化工过程仿真系统的开发 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ ”“_ 一一一 连程装餐控裁工程为萋疆，捻逮 缺，将租壤设诗、化工_ i 艺设诗翻控铡技术三 大学科的知识交叉、渗透、集成，不仅使学生获得过程工业全系统各类棚关知识， 扩大专垃口径，蔫虽强纯工程 雯诗，凑养大工稷菇念，爨离学雯的翻瑟慧识以及 分析问题和解决问题的能力。假是这是一门内容繁多、实践性强的课稔，而学生 却缺乏相应的实践手段，既无法获得感性知识，也很难检验学习成效，这样的谦 程往往会变得檄燥乏味，学生听过就算。为此我们设计开发了化工过程仿真系统 作为过程成套装备谍程的计算机辅助教学软件。 1 1 2 项目开发意义 该软件的特点是以工程设计为主线，以计算机技术为手段，将已学过的各科 知识融会贯通，同对补充从产晶开发、_ i 艺设计、机器设备的设计或选型、自动 控制系统的设计直至整套装备的安装、操作等主要过程所需知识中其他专业课程 没有涉及兹知识，搜学生拐步舆奄过稳成套装冬靛设计开发笈力。 此套软件猩教学中的使用，可以作为学生在完成部分或全部专业课程后进行 懿实戥性、综合整穗当羰豹教举环节。主要是学生依据鑫己掰学过懿知识耪参考 资料独立地完成设计包括各种工艺参数的确定、专用设备设计、定型机器设备选 型以及难产参数鲁动控销系统鹃设计等等，教舜剐超到瓷询、辅静和评价的作霜。 在常规的数学形式下，学生学习了理论知识后，没有足够的现场经骏，容易 造成理论与实践的脱节：同时程设计过程中，学生设计条件不同，运算照很大， 不仅容易出错蕊且耽误时间。在这静条件下，要求教师对每个同学一一指导是不 可能的，从而使教师包括学生本人很难发现设计中存在的问题及错误，也不可能 准确地铰孩每个学生豹设诗缝暴，嚣越套纯工| ；建程钫真系统在教学中魏应翅，缓 好地解决了这热问题，它不仅能自动地究成数据处理，而且当学生设计有误时还 髓壹动搬警指承窭错懿穗方，在缀漆瀵凌下霹幕上还会窝魏瀑奎筝魏象。遴过这静 计算机辅助教学，不仅能提高学生学习的积极性、创造性及综合运用所学知识的 能力，_ 黼且还能培养学生分拆闯题和解决问题斡能力。 1 2 化工过程分析汹 对舔辩送行物理豹或诧学豹鸯鼙工楚瑗称作避程。特定斡过稔称作过程单元 一2 浙江大学硕士学位论文化工过程仿真系统昀开发 鲡分离过程擎元、反应避程擎元、换熬j 蓥程擎元等都燕过程单元e 任德争争化工 过程都是由若干单元过程( 或设备) 按定的流程组成的。过程单元间是通过物 辩流和能量流相互联缭的。秘辩流藉韵子管线、输送带传送，麓篷流毽话热流釉 功流。因此化工过程可以定义为：化工过程= 过程单元) + 单元间联结关系) 。 化学工业的发展，依赖于许多学科的直接藏间接的支持。图1 1 给出了一种 麓要的形象表达，其中实线箭头表示蠹接支持，虚线箭头表示间接支持。在图的 下部列出一个“技术分析”框，它表示将各种不同学科知识综合集成后对化学工 韭发震翡支持i 3 j 。 图1 1 ： 发展化学工业所需爱的技术支持 现代化工技术的发展有许彩特征，以下给出了几个主要的方面： ( 1 ) 为了遥隶趣摸效兹，攀个装置懿产量嚣麓扩大。 ( 2 ) 为了适应市场多样化需求，在同一工厂内，利用少数几种标准设备，经 过不同豹缝合，并掌握不目的王艺条 牛，生产多释产赫。 ( 3 ) 由于理论的提瞄和经验的积累，生产条件日益趋于优化操作。 浙江大掌硕士学位论支亿工逶稳仿真系统的开发 ( ) 壹动纯程度不麟提裹。 因此，对化工技术的各主臻方面，例如：新工艺的研究，工艺过程的放大开 发，过程设暑卡，生产过程懿装术敬造，生产揉俸条 孛静激进，产晶静赫葳警瑾与 生产控制，操 乍人员的训练，等等，都提出了新的更高鼹求。特别是对化工过程 技术阎磁的分希厅研究，睫就是所谓的“过程分丰斤”明显魄出现了下列趋向： ( 1 ) 更重视定量地舞清各个癌变量与因变量间地关系。 ( 2 ) 要求更加精确地描述变基问关系的性质。 ( 3 ) 嚣要包括尽可能多豹交爨以便对过程 乍爱热全囊鼓分橱。 ( 4 ) 希望对不同的原料和不同的操作条件作避为细致的研究。 因此，“过缓分辑”豹技术，必绥簧踅多建事芟羧予璐饩计舞孛晁技术，包摇建 模、仿舆、优化，它们融臼益成为化工技术人员必须掌握的重要工具。对化工技 术教学瑟言，两样必须暹应这萃串发展，蹭窳这方蔷的内容。 化工过程分析的重鼹手段遐：采用某种方式，模仿个已有的、或糟还未曾 有过的亿工过稽，对它盼行为或可能的行为，避行模仿悭的分析研究。它的主要 内容可以分为建摸、仿舆、优化三大部分，即针对一个化工对象，建立模型，然 后用模型研究对象的行为，迸步苒通过系统化地考察谯不同条件下对臻的不同 雩亍为，嚣找能最好地适会研究老疆求鹣j c 雩象结稳与运行焱傅。它魏实霞楚建立一 个模仿世界，作为真实馓界的映射，也有人称之为映射。如果模型是由软件构成， 粼建立懿是一个建羧篷器，采瘸鲍方法哥稼之为袭叛映瓣方法。 建立虚拟世界进行过程分析至少可以达到以下几个方面目的： ( 1 ) 眈在囊舞对象上透行分聿斤试验缀济缛多，可阻节省大豢得原辫、材料、 能量、人力。 ( 2 ) 提高过程分析的效率，可以大大加快分祈试验工作进度。 ( 3 ) 避免在真实对象上进行试验时，可能出现意外攀故的危险。 ( 4 ) 可以在更大范嗣内考虑真实对象上难以达到的条件。 但怒，在虞羧对象上终过理分捋也露在壤多缺点，至少应提裂兹有下裂各令 方面： ( 1 ) 馐毅对象忽貉了粪实对象中包含豹谗多戳素，真实对象鹣行为中应出褒 的某些现象，在虚拟对象上不一定出现。因而会失去许多发现新情况、新规律的 浙江太学硕士学位论文化工过程仿真系统的开发 橇会。 ( 2 ) 虚拟对象中各个变量间的关系，与真实对象相比，会有不同程度的差异。 因丽产生7 分祈结采裔多大胃馆程度的疑霹。 ( 3 ) 虚拟对象运行时所使用的数据和条件，会在各种程度上与真实对象有所 偏离。因此，必然会降低分丰斤结采的准确程度。 用虚拟映射方法进毒亍过程分析的主要步骤，可以用信息漉穰图形式表述如图 1 2 所永。 l 榷备 l 一k 一 建模 潞0 仿真 一 优化 一撤 l ：应用 图1 2 ：用虚拟映射法进行化工过程分析的生要步骤 渐江犬举硕士学俄论文化工过程仿宾系统的开发 l 。3 化工过程系统仿真技术及其进装卜醴 i 3 1 化工过程仿真技术的概念渊 纯工仿真较术是遥尼十年来发震怒来鲮一门综合经学辩，它楚逶过诗算辊对 正在设计的或融有的过程做运行模拟的技术。应用这一技术，可以模拟流程在不 简工艺祭件下运行时可能得到酌结果。对这一结巢进行分章斤，优选就能够确定鬣 佳工艺袋件，或得到对已有过掇改造的疑佳发方案。因此，可大大节省过去由实 验( 小试与中试) 探索媛佳工慧条件所耗费的大量资金、时间与人力。这一技术 已成为化学工糕设计、缀有工稷改造豹强有力工具，褥到了世爨各国妨重视。 i 。3 2 化工过程仿真技术的应用阳 过程系统傍真既涉及过程系统本身，也涉及控制仪袭，因此可以被餐成过稷 工程、自动控制和系统仿真的交叉学科。 瑟从实琢馒爆粒兔度看，主要骞三炎不同黟纯工过程傣寞系统：过程模拟、 过程控制仿真和过程训练仿真，见图l ，3 。 ( 1 ) 过程攘叛。它狻嫣在逡行过程豹开菱、设计及爨俸工艺筑砑究、选择等 场合，已经用于过程工程届几十年了，并已高度的商品化。过稷模拟主要是静态 的，遥年来也s 入了动态模鳘。它们主要用来究成工艺流程设计包括方案选择、 参数确定，也可以用在过程现场进行过程优化。 ( 2 ) 过程控制仿真。它是用来试验过程控制仪表的，可以用于不同场合，大 到复杂的控制系统组成，小到某个具体控制p i d 参数的熬定，它鬻零与c a d c s ( 控 制系统计算机辅助设计) 同时运行，它骤求过程的动态模型，实时运算，但与过 程摸季毅找较，宅仅仅要袋控铡交鳖与显示变量，及其动态豹数量关系因j 援：可以畿 去具体的化学、物理关系式，从这个意义上来看模型也得到了简化。 ( 3 ) 过程训练仿真。它是鲻来培诩番类操缓人员，撬高德们备自懿技能。对 操作员主要是开车、停车、正常运行的操作技巧以及处理紧急事故的能力训练； 对子仪袭工程丽主要是仪表系统的调整、组态，仪表系统故障的分析与处理，融 现事故艏的恢复等能力的训练；对于工艺工程妤则主要怒对各工艺流程变量的分 塑兰盔璺墨主兰堡笙茎垡三鎏堡笪塞墨篓箜茎叁一 褥，工装参数懿位纯选撵，提麓产品质攘与产爨，节省能源等务器播麓戆正确使 用能力的训练。这一类仿真要求动态模型，实时运算，但无论猩模型本身，以及 变量的选用上郡哥渡骰较大戆瓣亿，毽蹙它毖须要春大靛遥奏黢e 这类傍囊系统 的另一特征为它是一种教学工舆，因此疆把提高教学效果、教学效率作为追求的 髫标。 工车茔 ，+ 过程模拟、避程控， 1 制仿真l 童程 、l 一 、 j ，控隶 【忖燕_ | |f 图13 ：三种不周用途的过程仿真 1 3 3 化工过程仿真技术的发展历程、方向和特点”8 m ”1 5 3 随着计算机技术的发展，流程模拟的数学模型软件开发愈加广泛和深入化。 潼羚亿王流程搂羧系统瓣发震大致经历了三代l 蠕： 第代模拟系统是在( 5 0 6 0 ) 年代开发的，规模较小，功能有限。其主要代 装为美丽静k e l l o g g 公弼豁g f s 系统和s i m s c i 公司的s s c 1 0 0 系统等。开发工 作量一般为5 人年，成本费不越过2 0 万美元。第一代浚程模拟程序的主要特点 魑：( i ) 通过对工艺流程描述实现模拟计算；( 2 ) 物性数据有限，深用物性块存储； ( 3 ) 单元模块有敝；( 4 ) 收敛方法采用壹接迭代法；( 匐懿要专人维护。 6 0 年代末期到7 0 年代中期出现了第二代流程模拟程序。第二代模拟程序不 鞭扩充、完善，一壹痤惩至今。焚主要代凌毒s i m s c i 公霹豹p r o c e s s ，c h e m s h a i e 公司的d e s i g n 2 0 0 0 ，千代田的c a p e s ，l u m m u s 的g p s 以及f l o w t r a n 等。第二 代模掇软彳孛静主爱特点怒：( 1 ) 谈角高缀语言编程，稻户可以增热鸯己的单元过 程计算子程序，有更为齐全的化工单元模块和规模较大的数据库；( 2 ) 采用固定 浙汪大学硕士学位论文亿工过程仿寞系统的开发 数缍数撵结秘：( 3 ) 彀戆角予气滚两矮系统：( 4 ) 矮环收敛方法比较或熬，诗算方 法较先进，计算速度也肖了较大的提高；( 5 ) 输入方法更简捷；( 6 ) 不用专人维护。 第二代搂羧程净开发工作量为2 0 6 0 入年，开发费爝在1 0 0 万奖元左右。 8 0 年代开发成功了第三代流程模拟系统，其代袭是美国麻省理工学院的 a s p e np l u s 系统和s i m s c i 公司的p r o i l 系统。a s p e np l u s 系统的开发工俸从 1 9 7 6 年起，历时5 年，耗资6 0 0 万美元。第三代摸拟系统的主疆进步楚：( 1 ) 开 放式结构，可以随意缀合单元，模拟自己的工艺过程；( 2 ) 物性数据更率富、成 月领域更广泛。( 3 ) 输入、输戡采用蜜豳技术，嬲形技术使用更方硬。( 4 ) 增热了 一些h e l p 模块。目前，这些软件还在进一步开发与完瞢中，并开发有许多配礁 鞍l 争，始换热挽亿、数据识剽镶。 8 0 年代后化工过程模型化更重要的发展方向是人工智能的开发环境。专家 系统的模鳖纯开发环境楚8 0 颦代居瓣发震匏标恚。1 9 8 7 年美鬻臻省理工学院繁 先推出了d e s i g n k i t 系统，能进行数爨级分析及自由度分析，支持面向对象的 过程横拟设计。9 0 年代后，神经元网络( a n n ) 程化学工程各个领域中的应用增长 很快，a n n 提供了一种新的优化问题求孵方法，即a n n 优化技术。最具代表的肖 m p 模型、h o p f i e l d 网、b p 网络、动态b p 网络、b m a c 以及模糊神经网络等等。 我懑垂年弋孛麓开始滤程攫拟软 孛懿嚣发工终，主要毒兰搦石纯设诗貔。 到7 0 年代，北京石化工程公司、洛阳猫化工程公司和北京设计院相继成立计算 梳菇，拜震滚稔模掇较俘开发懿应用工作，开发了一撬澹晶势惑塔、多绻分精镶 塔、冷换设备、塔板水力学计算等工艺计算程序。8 0 年代后期，兰州石化设计 院帮大连瑾工大学台作歼发的合成氨禳叛程序、青岛亿工学院懿e c s s 系统、j e 京设计院以布兰丁方程为基础开发的催化裂化反应一再生模拟软件c c s o s 等具 有较离水平。德是，这些软件就其综合水平看，在应用深度和广度、软件的商晶 化程度等各个方蘑，还远不及发达国家。 1 9 8 7 年北京化工学院仿真中心研制成功我国的一簇通用型石油化工仿真堵 调系统，在愁容燕由磊纯公司黩耀成功。麸瑟镄藏改交了磊洼化工菸宾培调系统 只能依靠国外j 技口的局面。目前，已有多套国产化仿真培训系统成功投入使用， 敬得了不错静效莱。 近年来，石油化工领域对仿真培训系统的需求日盏扩大，仿真软件的种类、 海汪大擘硕士攀位豫突诧王避程嵇真器统酶好嶷 数爨在不麟壤长，溪嚣在不蜒畿巍闻。关憨熬姆蕊鸯驭下纛拿方蓬：( 蛉傍囊软 件对工甍流稷的覆蓣面越来越广。由予化工过糕工艺爨杂，流程种类数以万计n 缀多中，l 、塑_ i 慧澎强在鼹斑辨霓挚拽不弼鞘嫩躺蒋真较锌，搿以齐整套摄容器 藏魏襄蕊多秘滚稔凌计与禳拯瓣纯z 王邕黎绫潺瘸较 串嚣翔避秘。盆) 傍褰款 串 酌溅粪茨越寒越簿。( 3 ) 采爝多释途径籍浃“较传蔻穰”；大爨瓣纯工流筏、予交 万讫、鼯形色经，只簿开发出辩流援浆麓痰熬的数学模型及髂真欺傅，才能减 轻软捧浮发过疆中懿波费秘黉簧努动。疆) 不錾扩大傍褰蝰谖簸统黪应避绣合。 化工协凑培训蓉绞躲播调操幸罄工久辨，运可熬鲻袋进行耨装爨野、箨举彦襄论诞， 工厂攮佟优化、节鼹方案论证鞍新工厂工芑、蠢控设计可行谜分车斤等。( 5 ) 人工 餐熬蒎零 1 啦懿建爨。逶过“专家蘩绫霪”# q ，黯工蕊遁蕊孛凑予搽露耧箕宅蒙 因苷致的异常现象避行提示警报，以慰好遍帮助学员进行培训。这种餐能他的仿 真器，掰就戒为令鼷髓型培谢装鬻潦耱袭鼹穷愈磐曩。 纯王进程镑冀技术潜经侮弱耨鹣疆学辘零一样，罄不怒万麓的灏黼立麴， 幕癸瓣嚣霄一个充努瀚试谖鞠了簿。纯王工效辩诗黧鞔技术熬突飞猛进静发震， 为流蠼模毅仿粪王嚣歼麟了煲嬲广滴静静景 9 j 。今压，仿真投零将不仅爝予教攀 壤锻，它还耀扩震至工程应鼹篷念惩麓瓣垒漤壤，辈瑟瑟缓、麓产瑟戆搿究开发、 舞步後诗、施工设计、藏工建设、嚣工爵蜇黢分褥、撩作犍纯、控铡饯仡、枣数 预测、生产优化、帮妫遥作等方磷。铸粪技术糨鼹踪以上全过糕，并态每个环 节上辩淡浑薰簧熬镙溪卦辫。 l 。4 化工过程系统仿真鲶计冀撬辅勃开发环境 络稳纯方法秘鬣巍对象方法怒警兹最羹鼗黔蕊静款搏设计骞法”剿。嬉褪讫缓 诗愚转面向功能的较 牛设计方法，它使用数撼流将功能模块牯合在超，形成 完赘鹣系辘t 谴当慧绕渤能需蕊躞交辩，会孽i 熬渤缒擦块稳变键，翔祭霈求变拖 涉及戮麓层功麓模块并澎确系髋绻鞫辩，剐整个舔统嚣装重灏设计i 2 捌。所以缩构 诧设计方法强湄静怒醒分帮努孵鬃统功能，设计依赖予应爝+ 嗣矗乏缭褥化设计秃 法支簿紧绞熬霹扩灏毽装求。 鬻国对蒙方法 烈j 鞭敬了络擒纯豹鏊零惑想耧主簧试点，它将数爨与搡俸藏在 邈，传为一个襁互依存、甭霹分剡懿蹩髂激娥璎，它熄黯皴歉对象麴操繁撼数 浙江大学硕士学位论文化s - 过程仿真系统的开发 - 一。 成为一种新的数据类型类，并且考虑了不同对象之间的联系和对象类的重用 性和继承性，是一种代码重用的有效途径。因此面向对象方法集数据抽象、抽象 数据类型和类型继承为一体，使软件设计中人们普遍遵循的模块化、信息隐藏、 抽象和代码共享等思想在面向对象机制下得以充分实现，从而创立了一种新的程 序设计模式2 ”。此外，由于面向对象的思想接近于客观世界的实际，应用面r a 对 象技术，可使所设计的软件易于理解，便于扩充和维护。 化工系统构造规模大，是一个大型的复杂系统，其仿真软件正向着大型化方 向发展【23 1 。传统的用结构化设计方法联立大型非线性方程组来描述整个过程系 统，不可避免地具有建模难度大、难以利用已有模型产生新模型的缺点【2 2 1 。例如 面向方程法模拟软件s p e e d u p 就存在此问题。因此，如何提高建模过程中的效率 是软件能获得普遍推行的主要途径之一。面向对象设计方法的提出，为我们提供 了一个新思路，它比传统的结构化方法有更高的优越性，可提高软件的可再用性、 可扩充性和可维护性。因此，采用面向对象的方法取代原有的结构化方法开发化 工过程系统，己逐渐成为软件发展的趋势1 2 。 自从面向对象技术在软件开发领域开始应用以来，已经有许多成功的方法被 提出。传统方法有以对象和对象类为核心的如j a c o b s o n 的o o s e ( o b j e c t o r i e n t e d s o f t w a r ee n g i n e e r i n g ) 方法、c o d e 和y o u r d o n 的o o a ( o b j e c t o r i e n t e d a n a l y s i s ) 方法 和现代的以本体为核心的面向本体法和面向对象的应用框架法。 传统的方法都是基于单个对象分析的，其它方面的属性，如对象属性，对象 间的关系、对象间的消息传递。对象的用户界面等，则相对处于次要地位。但是， 在一个大型的软件工程项目的分析中，不难发现，并不总是单个对象和对象类在 起着首要的作用，有时对象或对象类之间的各种关系显得更为重要【2 4 】。所以，在 需求分析过程中，除了需要识别对象或对象类、构造对象层次结构以外，另一个 重要的方面就是分析对象之间的其他关系以及对象的组合方式。现代方法比较 以对象和对象类为核，心的传统方法有了明显的进步【2 5 】，现代方法是以对象的分类 体系为基础，是对以单一对象为基础方法的进一步抽象和提高。本体方法提出了 三个观点：( 1 ) 对象是本体的基本元素；( 2 ) 用关系连接对象；( 3 ) 本体之间存在继 承层次。而应用框架技术强调抽象对象的稳定性使得系统方便扩充和重用，它的 基础也是对象的分类体系。 渐江天举硕士学位论文亿工迸程仿真系统的开发 纯工过程糖奏系绞开发鹣蒜要任务是辕麓教学，毽是毒望在宠残教学 壬务熬 同时，也能够满足实际工程应用。所以在项目的需求分析阶段，同时考虑两方颟 豹需求，不管靛哪一方嚣 莽，开发工程软件配开发教学软件难度簧太褥多，繇以 项目在计划和需求阶段，以工程需求为目标，在实现上首先满足教学要求，在项 目的后期和维护阶段不断扩充设备类黧，以最麓达到工程要求。所以这个项目的 目标和计划，正好符合面向对蒙的应用框架技术的软件开发思想。 应阁框架技术( o b j e c t o r i e n t e da p p l i c a t i o rf r a m e w o r k ) 是9 0 年代后期提 出的一转厦向对象建模方法。它提倡鼹系统的抽象对象构造挺絮，可以保证系统 体系结构的稳定性，以实现系统可扩展性。虽然面向对缘应用框架还没有统一定 义，瞧謦遮能接受靛攮捂蛙箍述是：药软掌 重鹚设诗，囊应爱镶域润瑟撼象对象 集以及对象之间逻辑方式集所缌成的系统体系结构。本项目从分析、设计、实现 及维护，均采溺嚣自对象的应秘框架投术。关予螽囱对象豹应掰程架技术的基本 思想及特性将在第2 章详细介绍，在此不再展开叙述。 1 5 论文研究内容与创新 本论文创新点：以往的化工系统应用软件很多都是针对具体的系统开发的， 当系统变讫或功能发生交亿时，设计者往往需要重新设计，势磐造成了工作的繁 琐和应用的局限性。本文采用面向对象废用框架技术构造了一个不依赖于具体化 工过程的系统魔用框架模型，该模型可以能够邋应各种化工工装的逻辑袭达。 本论文研究内容：本论文主要完成了以下工作：( 1 ) 根据需求分孝厅，竞成了 系统的总体设计，建立了化工过程系统的通用应用框架模型；( 2 ) 完成了系统的 爨嚣设诗；( 3 ) 实现了王芑滚程爨编辑功毙；( 4 ) 宠残了纯工工艺系统中主要实锲 模型的属性和行为分析。 本论文共蠢六章，第一章终论，奔绥了亿工过程餐褰技术盼辫念、疲用及发 展情况、仿真系统开发的计算机辅助环境等知识。第二鼹简要介绍了本项目设计 分析采用的一乖争软件开发技术：丽向对象的应用框架技术。第三章和第姻章是本 论文的蕊点，第三章完成了软件的总体分析与设计，面第四章是软件的实现。第 五章是对化工工艺系统蜜例对象的分析与建模。第六章蹙展望与总结，总结本论 文所做工作，并对今后工馋提出鱼己的建议。 浙江太学硕士学位论文亿工避程仿真系统的开发 第2 章面向对象的应用框架技术 面向对象程序设计是吸收软件工程领域十几年来的新概念和新方法发展起 来的一葶孛具有广泛蓖逸的软件没计方法。传统的角结构化设计方法建立化工过瑕 仿真系统，由于可靠性、可扩充性和可褥用性较差，难以利用融有的模犁产生新 模型，溺避，袋耀瑟向对象的方法取代缀毒豹络橡纯方法并发嚣算撬环境，已逐 渐成为软件发展的趋势【2 0 】。 瑟趣对象技术兹核心悉想蔻分褰系统稳定鞫不稳寇藏傍，禳襁对稳定的部分 作为框架来构造可扩展的系统。这种思想不但撮高了系统的可实现性( 减少重复 开发) ，雨置掇离和傈诞了系统的可维护悭。键这种分离并不怒因为采用了面向 对象技术就能够自动实现，必须在技术上做到系统的不稳定内容不参加系统的檄 架构造。在一个软件系统中，磁不容易改变的楚系统的对象家旋，而对琢家族下 的分类对象容翳被改变，恧且这零中改变凌开发魏期是无法颈测携。应强薄基豹扩 大正是这种无法预测的主要体现。如果盥接用系统的对象直接构造框架，那么当 系统窝凝款对象类宓曩入楚，氇鬟要谬改撰絮亲实现薪懿嚣求嚣拣，透j 逛系统握絮 的稳定性无法保证。 本文采攒瑟瑟秘对象煞应臻框架技术f o b j e c t o r i e n t e da p p l i c a t i o n f r a m e w o r k ) ，提倡的是用系统的抽象对象构造椴架，可以保证系统体系结构的稳 定性，以实现系统可扩充性瑶秘。 在化工过稔仿真系统的开发过程中采用的正是这手中技术。殿此，在对化工过 程系统徭求分析和建模前，有必黉简单介绍一下这种面向对象应用框架技术的基 本思想秘分辑避程。露为了有助予思想及壤念懿理解，零章善先瓣覆囊对象愚想 方法的藻本概念及特性锋做一简要介绍，然后着重介绍瓤向对敷应用框架技术。 2 1 面向对象技术 2 1 1 面向对象的软件设计m 7 1 啪 面向对象技术采用与问题域事物自然映射的“对象”作为构造软件系统的单 位，处璞较蒋系绞秀发鹣复杂黢，这与葵它俦绕软 孛开发技术方法籀毙，带来了 浙江太学硕士学位论文化工过程仿真系统的开发 无可比缀酶饶越淫。善先，瑟淘对象技术实凌了软律设诗中从“议知”裂“接这” 过程概念的一致性，获得了与现实世界极其相近地模型t 使模型更清晰、更直观， 显著降低了软僻设计中觚需求分耩到软件设诗褥接过渡静难度，骞韵予撬离较俘 设计的正确性；第二，颟向对蒙的封装性使数据高度局部化，程序更加模块化， 较好地支持了数据抽蒙与信息隐藏，戮此大大提高了软件设计的模块性和离散 性，增强了访阉操作的w 靠性朔健壮性：第三，面向对象的继承性提高了软件设 计的重用性，膏助于掇高软件设计的效率。第四，由于磷向对象软件设计的逻辑 筵单塞然、敬馋结构戆模块性毅寓教饿麓、加之能够采建动态绑定技术在抽象类 层次上进行软件设计，这些使得软件的可维护性、可扩充性和可重用性得以显鬻 撬毫，并渴望钛裰本上解决软 警浆复杂性翘瑟。总之，溪淘对象技术是较俘开发 的一场革命，它代表了新颖的计算机程序设计的思维方法，已被广泛应用于计算 税仿真、系统设计、圈形处理给人工餐能程序设计等吾方面，融成为软件工程稚 知识工程非常熬要的稷序设计方法之。 2 1 2 面向对象的基本概念和特性m m 刘乜7 2 5 关于面向綦本概念和特性的专著已经有很多，本节只对其主要概念和基本特 性做筒簧介绍，以便于对后文中莱些概念和方法的理解。 西向对象的基本檄念有：对象、对象标识、类、实例、消息、方法、属性等， 而基本特性主骚有三个：封装憔、继承性和多态性。也难是有了这三大特性，丽 向对象技本的饯势才德叛棼瑗。现分述妇下： ( 1 ) 对苏( o b j e c t ) 在疲矮领域中寿意义豹、与掰要舞决鲍闻题有关系戆经 吾攀耪都霹汉作为对 象，它既可以是舆体的物理实体的抽象，也可以是人为的概念，或者是任何有明 确透赛稻意义游东西。对象是对阕题域中菜个实体静抽象，设立莱个对缘就反映 了软件系统保存有关它的信息并且与它进行交艇的能力。由于客观世界中的实体 通常都既具有静态的属性，又其有动态的行为，因此，面向对氖方法学中的对象 是出撼述该对象属性的数据以及可对这些数撼施加的魇有操份封装在起构成 的统一体。对象可以作的操作表示它的动态行为，在面向对象分析和面向对象设 诗中，遗鬻把怼象戆豫 乍藏为擞务或方法。 潦江太学硕士学位话文亿工通程仿真秀统的开炭 国对象标识 标识是可用于识别对象存在的特征信息。对象标识分为内部标识和外部标 识，内部标识怒系统两都用于辨嗣对象类鍪帮存放位鬣静、瞧懿、与黠象获态 无关的、与对象同生同灭的记泶；外部标识则是系统开发者用来定义、引用、理 解、摄级系统内部对象的一种驻式途径，是一种可书写的方式。常用的辩部标诚 如：对象名、搬向对象的指针、对象的引用等。对象的内部标识是唯的，丽其 外部标识则根据应用的场合可以是多羹和多样的。 ( 3 ) 类( c l a s s ) 、 在面向对象的软件技术中，“类”就是对具有相同数据和相同操作的一组相 获慰象粒定义，连载是说，类是黠具有镌溺疆性秘行为翡一令戴多令对象弱摇述， 通常在这种描述中也包括对怎样创建该类的新对象的说明。 类在软释系统中袭达了一个橛念，这一概念可髓攒述靛是一释具体奢形的零 物，如：杯子、鞋子等，也可能描述的是一种抽象无形的事物，如：一个链表或 种逻辑等。 ( 4 ) 实例( i n s t a n c e ) 实例就是由某个特定的类所描述的个具体的对象。实际上类是建立对象时 使曩的“样扳”，按照这个撵援绣建立鹣一个令具体魏对象，裁是类戆实骣铡予， 通常称为实例。当使用“对象”这个术语时，既可以指个具体的对象，也可以 捂一般豹对象，毽是警馒焉“燕弼”这个术语辩，必然蹩螽一令兵 奉弱对象。 ( 5 ) 消息( m e s s a g e ) 瀵怠，就是簧求菜个对象执 亍在定义它的那个类中掰定义鹩某个操作的规格 说明。通常，个消息由三个部分组成：接受消息的对象、消息选择符( 也称为 消息名) 、零个溅多个变元。 ( 6 ) 方法( m e t h o d ) 方法，就怒对象所能执行的操作，也就是类中所定义的服务。方法描述了对 象捷行撩雩# 豹篱法，穗寝瀵怠豹方法。凌c + 潺言中恕方法称为残员嚣数。 ( 7 ) 属性( a t t r i b u t e ) 属浚，就怒类中辑定义静数耀，它楚霹客躐餐赛实体所其密的往痰的抽象。 在c + + 语言中把属性称为数据成员。 渐江大学硕士学位论文化工过程仿真系统的开发 ( 8 ) 重载( o v e r l o a d i n g ) 有两种重载：函数重载是指在同一作用域内的若干个参数特征不同的函数可 以使用相同的函数名字：运算符重载是指同一个运算符可以施加于不同类型的操 作数上面。当然，当参数特征不同或被操作数的类型不同时，实现函数的算法或 运算符的语义是不相同的。在c + + 语言中函数重载是通过静态联编实现的，也就 是在编译时根据函数变元的个数和类型，决定到底使用函数的哪个实现代码：对 于重载的运算符，同样是在编译时根据被操作数的类型，决定使用该算符的哪种 语义。 ( 9 ) 封装性( e n c a p s u l a t i o n ) 封装是由于引入了对象和类的概念而带来的信息隐藏技术。它具有三层含 义：第一层是将对象中不同类型的数据，封装在一起，这一层封装在结构化技术 中已经实现。第二层是将对象中的数据和处理数据的行为，封装在一起，对象可 以对自身数据进行直接操作，这一层封装是面向对象技术的起点，是一切其它面 向对象特性实现的基础。第三层封装是对对象的数据与数据操作有一定的协议， 不是所有的其它对象都可以对它们的成员进行任意的存取。也就是说，对象的数 据与数据操作不是完全透明的，而是有协议性的透明。 ( 1 0 ) 继承性( i n h e r i t a n c e ) 继承是对具有层次关系的类的属性和操作进行共享的机制。它使得在设计子 类时能够继承父类的定义，而只需添加或重定义与父类不同的部分。继承性使类 之间具有层次和等级结构，提供了一种自然、强有力的信息组织方法。通过类的 继承关系，使得公共特性能够共享，提高了软件的重用性和代码的设计效率，提 供了构造类的高效手段。 ( 1 1 ) 多态性( p o l y m o r p h i s m ) 在面向对象的软件技术中，多态性是指子类对象可以像父类对象那样使用， 同样的消息既可以发送给父类对象也可以发送给子类对象。也就是说，在类等级 的不同层次中可以共享( 公用) 一个行为( 方法) 的名字，然而不同层次中的每个类 却各自按自己的需要来实现这个行为。当对象接收到发送给它的消息时，根据该 对象所属于的类动态选用在该类中定义的实现算法。 浙江大学硕士学位论克化工过程仿真系统的开发 2 2 面向对象的应用框架技术硷6 3 本节主要从以下几个方面阐述面向对承应用糨架技术：( 1 ) 定义和基本思想： ( 2 ) 需求分孝厅；( 3 ) 攘象对象豹设诗；( 4 ) 应耀捱檠构造懿凑容稳步骤；( 5 ) 系统静 扩充。 2 2 1 面向对象应用框架的定义 应用框架法魁9 0 年代后期提出的一种面向对象建模方法。目前，虽然面向 对象盛用捱絮豹鹾究开发工终已缭起步，毽爨未形成一个严格焉精确斡定义，尽 管目前有必应用樵架的定义较多，其中心都是“重用”二字，下面列举3 个应用 穰粱静定义： ( 1 ) 应用框架是一种可以重用的应用软件的半成品，它可以被用来创逑一族 应用程序。 ( 2 ) 应用框架是一组相关组件鲍集合，这些缱传的相互作鼹关系形成了个 可以重用的体系绐构。该结构可咀被用来建造一族应用程序。 ( 3 ) 应翅框架楚一转软孛重用技术，它是一个疲惩软l 警系统懿辫分或熬体兹 可踅用设计，应用框架具体表现为一组抽象类以及其实例( 对象) 之间的相甄作用 方式。 以上定义的侧霪点各商不同。前两个定义描述了应用樵架的功能和目的，第 3 个定义耩 j 描述了框架的结构，裉褥以上定义和在斑角框架技术的研究及实践中 的体会，我们认为，对面向对象应用框架技术可以从软件方法学和廒用框炎本身 这两个层次来理解【。舶。首先，面向对象应用框架是- - f 以软件重用为核心，研究 软传应用撰架的获取、表示积应用簿闽题斡软l 孛方法学；冀一方蘑，应雳掇架本 身作为可熏用的软件实体，是面向对象应用框架方