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太原理工大学硕士研究生学位论文 流体网络图形化建模系统的研究 摘要 流体网络的建模在工业系统仿真中具有不可缺少的重要地位，要 对一个工业系统进行仿真，必须首先研究如何仿真其所属流体网络系 统。运用计算机技术中的图形化方法对流体网络进行建模，可实现模 块的可重用性，大大减少了人工编程的工作量，提高了建模和调试工 作的效率。 流体网络图形化建模系统的设计与实现内容主要包括以下几个方 面：一、系统能够将流体网络中各种常见设备以工程图形的形式表示 出来，而且要具备对图形的处理功能；每个图形有与之相对应的模型 算法，且图形要具备调用其算法的功能。二、实际设备上有工作物质 的进、出口，系统中以图形上的端口表示实际设备工作物质的进、出 口。三、系统能够将这些设备图形按照实际系统流程用连线连接起来， 然后赋予设备图形端口以实际的数据参数。四、设备图形能够把从端 口获得的数据传递给相应的设备模型算法进行仿真运算，然后把运算 结果通过端口传递给与之相连接的其它设备图形。五、系统能够按照 流体网络的拓扑结构使数据传递遍历整个流体网络模型。 通过流体网络图形化建模系统的图形界面可进行设备的图形化表 示、图形的处理和控制流体网络的仿真运算。图形、端口和连线在系 统中都以类的实例对象形式存在，分别用以描述流体网络中的设备， 设备工作物质的进、出口和设备间的连接管道。这样就将建模系统中 的各对象和实际流体网络中的各设备对象对应了起来。每个图形对象 中保存了其数学模型函数的指针，图形可以通过该指针实现对其算法 的调用。图形端口负责实现设备模型输入和输出数据，连线建立了图 形端口间的连接关系，这样便建立了流体网络中所有设备模型的联系。 太原理工大学硕士研究生学位论文 系统将流体网络抽象为有向图来进行流体网络结构的拓扑分析，对流 体网络结构的拓扑分析为数据的在流体网络中的传递提供了依据。 本文介绍的流体网络图形化建模系统是在v i s u a lc + + 集成开发环 境中，运用面向对象与模块化编程思想实现图形用户界面、图形处理 功能以及流体网络中数据的传递；使用f o r t r a n 语言来实现流体网 络中各设备的仿真数学模型算法；然后利用动态链接库技术实现c + + 与f o r t r a n 语言的混合编程。最后，依据现代火力发电厂的组成及 其生产过程的基本原理，搭建太原第一热电厂3 0 0 m w 火力机组热力 系统图，给出了火力机组中锅炉子系统的运算流程及系统中各换热设 备进行温度、压强仿真运算的数学模型，对其中的流体物质进行了有 关温度的仿真运算，并通过a n s i i s a 7 7 2 0 标准对仿真结果的做了合 理性分析。分析结果得出：7 5 的温度仿真运算结果是合理的。 关键字：仿真，流体网络，图形建模，m f c ，火电厂 i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 r e s e a r c ho ng r a p h i c a lm o d e l i n g s y s t e mf o rf l u i dn e t w o r k a b s t r a c t t h ef l u i dn e t w o r km o d e l i n gp l a y sa ni n d i s p e n s a b l ei m p o r t a n tr o l ei nt h e i n d u s t r ys y s t e ms i m u l a t i o n i fp e o p l ew a n tt oc a r r yo ns i m u l a t i o nt oa ni n d u s t r y s y s t e m ，t h e ym u s ts t u d yh o wt os i m u l a t ei t sf l u i dn e t w o r ka tf i r s t b ym a k i n g u s eo ft h ec o m p u t e rg r a p h i c a lt e c h n i q u et oc o n s t r u c tf l u i dn e t w o r km o d e l ， m o d e l i n gc a nb er e u s e d ，w o r k l o a do fa r t i f i c i a lp r o g r a m m i n gc a nb er e d u c e d g r e a t l y ，a n dt h ee f f i c i e n c yo fm o d e l i n ga n da d j u s t i n gc a nb ei m p r o v e d t h ec h i e fc o n t e n t so f d e s i g n i n ga n da c h i e v i n gg r a p h i c a lm o d e l i n gs y s t e m f o rf l u i dn e t w o r ka r ea sf o l l o w s f i r s t l y ，t h ee q u i p m e n t si nt h ef l u i dn e t w o r k c a nb es h o w e di nt h ef o r mo fe n g i n e e r i n gg r a p h i c s t h eg r a p h i c sc a nb e d i s p o s e d e a c hg r a p hh a sam o d e l i n ga r i t h m e t i ca n dt h ea r i t h m e t i cc a n b ec a l l e d b yi t s e l f s e c o n d l y ，p o r t si nt h eg r a p h i c sa r eu s e dt or e p l a c et h ei n p u ta n do u t p u t p o r t si na c t u a le q u i p m e n t s t h i r d l y ，s y s t e mc a nl i n kt w og r a p h i c sw i t ha l i n ea n d g i v ea c t u a ld a t at op o r t si ng r a p h i c s f o u r t h l y ，g r a p h c a nt r a n s f e rd a t aw h i c h g e t t i n gf o r mp o r t st o i t sm o d e l i n ga r i t h m e t i cf o rs i m u l a t i o nc o m p u t a t i o n b e s i d e s ，t h ed a t ag o tf r o mt h ep o r t sc a nb et r a n s f e r r e dt oa n o t h e rg r a p h sp o r t s w h i c hc o n n e c t i n gt oc u r r e n tp o r t s f i f t h l y ，a c c o r d i n gt ot h et o p o l o g ys t r u c t u r eo f f l u i dn e t w o r k ，t h es y s t e mc a nm a k et h ed a t at r a v e r s et h ew h o l ef l u i dn e t w o r k p e o p l ec a nu s eg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ( g u i ) t od r a we q u i p m e n t sg r a p h i c s ， d i s p o s eg r a p h i c sa n do p e r a t es i m u l a t i o nc o m p u t a t i o no ft h ef l u i dn e t w o r k g r a p h i c s ，p o r t s ，l i n e se x i s ti ns y s t e mi nt h ef o r mo fc l a s s e si no r d e rt od e s c r i b e e q u i p m e n t s ，i n p u t a n d o u t p u tp o r t s o fe q u i p m e n t s ，a n d p i p e s b e t w e e n e q u i p m e n t s s u c hd e s i g n i n gm o d ec a nc o r r e s p o n do b j e c t si nm o d e l i n gs y s t e mt o i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 e q u i p m e n t si na c t u a lf l u i d n e t w o r k e a c hg r a p hs a v e dt h ef u n c t i o np o i n t e ro fi t s m a t h e m a t i c sm o d e ls o a st oa c h i e v e c a l l i n gt o i t sm a t h e m a t i c sa r i t h m e t i c i n p u t t i n gd a t at oe q u i p m e n t sm o d e la n do u t p u t t i n gd a t af r o me q u i p m e n t sm o d e l b yp o r t si ng r a p h i c s t h er e l a t i o n s h i p so fa l lt h eg r a p h i c si nf l u i dn e t w o r k m o d e la r ec r e a t e db e c a u s el i n ec r e a t e sc o n n e c t i o nb e t w e e np o r t s t h es y s t e m a b s t r a c t sf l u i dn e t w o r km o d e la sd i g r a p ht ot o p o l o g ya n a l y s i s t h ed i r e c t i o no f d a t at r a n s f e r e n c ei sp r o v i d e db yt h et o p o l o g ya n a l y s i so ft h ef l u i dn e t w o r k t h i sp a p e ri n t r o d u c e sa na c h i e v i n gp r o c e s so fg r a p h i c a lm o d e l i n gs y s t e m g u io ft h es y s t e m ，g r a p h i c sd i s p o s a lf u n c t i o na n df u n c t i o no fd a t at r a n s f e r e n c e b e t w e e ng r a p h i c sa r ea c h i e v e db yu s i n gv i s u a lc + + i n t e g r a t e dd e v e l o p i n g e n v i r o n m e n tc o m b i n i n gw i t hi d e a so fo o pa n dm o d u l a rp r o g r a m m i n g t h e m a t ha r i t h m e t i co fe q u i p m e n t s s i m u l a t i o nm o d e l si nf l u i dn e t w o r ka r e a c h i e v e db yf o r t r a n a n dt h e n ，t h ec o m b i n a t i o no fc + + a n df o r t r a na r e a c h i e v e db yd l l f i n a l l y ，a c c o r d i n gt oc o m p o n e n t so fm o d e m f i r e p o w e rp l a n t a n di t sp r o d u c i n gp r o c e s s ，t h et h e r m o e l e c t r i cs y s t e mg r a p ho f30 0 m w f i r e p o w e r u n i to ft a i y u a nn o 1t h e r m o e l e c t r i cp l a n ts y s t e mi sc o n s t r u c t e d m a t h e m a t i c m o d e l si n r e g a r d t ot h e t e m p e r a t u r e a n dt h e p r e s s u r e o ft h ec h i e f h e a t e x c h a n g i n g u n i ti nt h e f i r e p o w e r u n i ta r es h o w e d t h es i m u l a t i o n c o m p u t a t i o n sc o n c e r n i n gt h et e m p e r a t u r ea r ec a r r i e do u t t h e nt h er a t i o n a l i t y a n a l y s i so f s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w st h a t7 5 o ft h er e s u l t sa r er a t i o n a lb y u s i n g s t a n d a r da n s i i s a 7 7 2 0 k e yw o r d s ：s i m u l a t i o n ，f l u i d n e t w o r k ，g r a p h i c a lm o d e l i n g ，m f c ， f i r e p o w e rp l a n t i v 声明户明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：丝士日期： 移l 乜 驴多莎弓 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：厄垒日期： 导师签名：亟堕匕兰堑曼日期： 加护萝、弓 砂p 易乡 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 流体网络理论是由流体力学和电路网络理论结合起来的一门研究管内流体 传输与瞬变的应用科学，是流体力学和电路网络理论交叉的边缘学科i l j 。流体网 络( 简称流网) 的建模是工业系统仿真中必然要解决的问题，因为流网仿真能力已 经成为衡量大规模工业系统仿真能力的有效手段，要对一个工业系统进行仿真， 必须首先研究如何仿真其所属流网系统。流网一般由管道、阀门、泵、风机和滤 网等设备组成【2 】，按其规模和复杂程度可分为小型流网和大型流网，按其流体介 质的状态可分为气体流网和液体流网，按其流体介质的压缩性又可分为可压缩流 网和不可压缩流网。实际上，任何流体都有本身的可压缩性质，不可压缩的流体 是不存在的，但在通常的实时仿真应用中一般认为气体( 如：蒸汽、空气) 流网是 可压缩的，而液体( 如：水、油) 流网是不可压缩的【3 j 。 随着计算机技术和数字图形图像技术的迅速发展，计算机图形建模技术在工 业仿真系统的开发中应用得越来越普遍。与以前人工编程技术相比，它实现了模 块的可重用性，可以大大减少人工编程的工作量，提高建模和调试工作的效率。 图形化建模的大致思想就是利用图形代表现实中的物理设备，使图形与算法 库中的算法建立起对应关系，建模时在前台的图形环境中利用图形调用方式完成 对后台算法库中算法的调用，用连线连接两个相关的图形，表示物质流动的方向， 从而构成系统仿真的模型。利用图形化建模技术，不仅可以直观地描述系统中各 对象之间复杂的逻辑关系，简化建模过程，而且为仿真建模中的信息可视化获取 以及表达提供了便捷的途径【4 】。因此，如何建立一个能够使用户简便、直观地搭 建整个系统仿真模型的可视化操作平台，已经成为了一个研究的重点。 流体网络图形化建模的设计思想是将工业生产流体网络部分中的各种常见 设备以工程图形的形式表示出来，图形上有与实际设备相同的工质( 工质指的就 是工作物质，流体网络中的工作物质就是指些流体物质，如水、蒸汽等) 进出 口，在本文中用图形上的端口表示实际设备的进出口。建模人员将这些设备图形 按照实际系统流程用连线连接起来，然后赋予设备图形上的端口以实际的数据参 数，设备图形把获得的数据传递给相应的设备模型算法进行仿真运算，然后把运 太原理工大学硕士研究生学位论文 算结果通过端口传递给与之相连接的其它设备图形，当数据传递遍历整个仿真模 型时，即完成了流体网络的图形化建模【5 1 。 总之，随着计算机业的蓬勃发展，各种软件开发平台功能的不断完善，以及 面向对象的编程思想在编程技术中统治地位的确立，图形化建模方法已经成为了 工业系统建模中当仁不让的最优方法，目前流体网络的图形化建模技术已经成为 了仿真技术的重要组成部分。 1 2 流体网络图形建模软件的研究现状 可以进行流体网络图形化建模的软件最早出现于2 0 世纪8 0 年代，目前比较成 功的相关软件主要是国外的一些公司开发的，这些图形化建模软件大多不仅可以 对流体网络进行建模，有些还可以对控制系统进行建模。目前，流体网络建模系 统已经成为许多图形化建模系统的重要组成部分，女r l a b b 公司的t h l f 及g t r a n ， e p r i 的m m s ，加拿大c a e 公司的r o s e ，s 3 的g f l o w 及s c s 公司的n l o o p 等1 6 j 。 8 0 年代国内的一些高校和科研机构开始从国外引进了一些可以进行流体网 络图形化建模的平台，在相关领域的科研中也出了不少成果。9 0 年代，国内的高 校及科研机构开始了自己的图形化建模平台的开发，在此期间推出了不少图形化 建模平台，如清华大学的电站仿真建模图形化软件系统g n e t ，全图形化的热力 发电厂热力计算系统t h c i d s ，华北电力大学的s t a r 9 0 7 1 ，重庆大学动力工程学 院仿真工程研究所的s w s ，电力自动化研究院仿真中心的图形化建模仿真支撑软 件g m s s l 8 】等，其中都包含有流体网络的图形化建模系统。 以上介绍的图形化建模平台与传统的建模平台相比具有以下显著的优点：减 少了建模人员的工作量，降低了对建模人员的要求：图形化建模方式只要求建模 人员对研究对象进行合理的简化分解，然后用建模平台提供的模块来描述该对 象，不需要建模人员建立数学模型和编写仿真程序，提高了建模过程的效率，加 快了仿真建模过程；在图形化建模环境中，建模人员不再面对抽象的数学模型和 大篇的计算机程序，而是用形象的图形模块来描述研究对象，通过图形建模平台 对模块间关系的分析，系统能自动产生相应的计算机程序，整个过程不需要建模 人员手工编程，建模过程形象直观，从根本上改变了建模的行为。 总之，国内在流体网络图形化建模方面的研究时间并不长，虽然近几年来取 得了较为可喜的成绩，但还存在较多不足之处，主要体现在以下几个方面： 1 相当一部分流体网络图形化建模软件是在引进国外技术的基础上进行开 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 发的，核心技术并没有真正掌握在自己手中【9 】。 2 图形和算法的对应关系不明确，即图形和算法没有形成固定的对应关系， 这样还需要建模人员进行图形和算法的关联。 3 图形间的连线不够灵活，导致图形之间在连线时不便，同时也影响了图形 化仿真模型的美观。 4 不支持图形的复制、粘贴，特别是进程间的图形复制、粘贴，这使得一个 已经搭建好的仿真模型很难被重复使用。 1 3 课题研究的目的 流体网络系统中的模型主要由网络模型和设备模型组成。网络模型主要指若 干设备相互连接而形成网状模型。在进行流体网络的仿真运算时，由于伴随着数 据在各设备之间的流动，所以必然要对流体网络的网络模型结构进行分析。设备 模型指处于流体网络中的设备都有各自的的数学模型。例如，电厂中的各种热力 系统，如风烟系统、压缩空气系统、主蒸汽系统、再热蒸汽系统、给水系统、凝 结水系统、冷却水系统、燃油系统、润滑油系统、密封油系统、制粉系统等，都 可以看作是由一系列动力设备通过管路、阀门等连接而成的流体网络系统。流体 网络的仿真在电厂系统仿真中占有相当大的比重。如果采用人工编程的方法，逐 一编写每个流体网络系统的程序模块，然后再将各个模块连接起来，工作量将会 相当大。因此，运用计算机图形建模和程序自动生成技术来实现流体网络的自动 化建模是非常必要的。 所以，选题的目的就是为了开发一个能实现流体网络图形化建模的系统，使 其能够实现对实际流体网络建模，进而使得此建模系统能够应用到实际的工业仿 真系统中去。 1 4 课题研究的主要内容 本文主要介绍了在w i n d o w s 平台下流体网络图形化建模系统的设计与研究 工作，主要内容如下： 1 搭建系统开发平台； 2 开发图形建模系统的用户界面； 3 创建图形库，使库中的图形能够表示流体网络中的各种设备； 4 能够在建模系统的用户界面上绘制各种设备图形； 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 使建模系统具有图形编辑功能，包括图形的添加、缩放、剪切、复制、粘 贴、删除、保存以及图形上端口的增减与旋转等； 6 使图形的端口可以表示设备的接口，每个图形可以通过端口与其它图形进 行连线； 7 给每个图形添加功能函数，使每个图形具有数据处理能力； 8 使各图形能够相互连线使之搭建成一个流体网络的仿真模型； 9 构建小型图形化模型，检验、调试模型的数据处理及数据传递功能； 1 0 以实际工业系统中的一个流体网络实例为参考，搭建仿真模型，构建示 例网络，检验图形建模系统的仿真运算功能，给出仿真运算结果并对运算结果做 必要的合理性分析。 1 5 本章小结 本章主要阐述了流体网络图形化建模的研究背景、研究现状、研究的目的和 意义以及主要研究内容。在流体网络图形建模软件的研究现状中介绍了国内外在 此领域的主要研究成果及国内研究成果的不足之处；课题研究的目的就是为了实 现一个能够应用到实际工业仿真系统中的流体网络图形化建模系统；课题研究的 主要内容列举了具体要进行的每一个研究步骤。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章系统功能需求分析及实现方案 本章主要从软件工程的角度来对系统最终要实现的各项功能进行需求分析， 该需求分析的主要任务是确定系统应该具备的功能，即要先确定系统应达到的目 标，分析它所应实现的各种功能，为以后系统的设计与实现打下良好的基础。 2 1 系统的总体设计目标 在借鉴国内外相关系统成功实现的基础上，本文为流体网络图形化建模系统 提出了如下设计目标： 1 系统要具备友好的用户界面。系统的人机界面是衡量系统易用性的一个重 要标志，它直接影响人们对系统的评价和使用效果。 2 能够在系统的建模区域添加代表实际流体网络中各种设备的图形。 3 能够对已经添加的图形进行管理，对图形的管理包括图形的添加、缩放、 剪切、复制、粘贴、删除、保存以及图形上端口的增减与旋转等。 4 图形间可以进行连线，连线能够表示设备间工作物质的流动关系。 5 每个设备图形中都有一个与之相对应的设备模型算法，所有设备模型被封 装到一个算法库中，这样便于统一管理。 6 每个图形要具有能够对算法库中算法的调用功能，这样就使得图形具有了 数据处理功能。 7 系统要具有能使数据在图形间传递的功能，因为若干图形搭建起来的是实 际工业生产中流体网络的仿真模型，实际工业生产中就伴随着工作物质在各设备 之间的流动。 8 系统要具有对仿真模型的拓扑分析功能，因为数据在各图形之间的流动方 式是由图形间的拓扑关系决定的。 以上所述为流体网络图形化建模系统的总体设计目标，其核心是用户在该系 统的建模环境中能够快速的对流体网络进行建模。 2 2 系统实现所使用的开发环境及技术 系统开发环境的选择及系统的开发技术对于系统能否被快速、有效的开发至 太原理工大学硕士研究生学位论文 关重要，甚至对软件系统后期的维护效率都有非常深远的影响。 2 2 1 开发环境的选择及选择理由 1 开发环境 1 ) v i s u a lc + + 6 0 集成开发环境 2 ) f o r t r a n 语言 2 开发环境的选择理由 1 ) v i s u a lc + + 的选择理由 m i c r o s o f tv i s u a lc + + ( 简称v c ) 作为一个功能非常强大的可视化应用程序开 发工具，是计算机界公认的最优秀的软件开发工具之一。利用v c 提供的高效 w i n d o w s 编程环境，可以编写各种各样的软件。与其它软件开发工具相比，v c 的强大功能表现在： 第一，它是c 和c + + 的混合编译器，这使得v c 开发的程序具备了c 和c + + 高效和简洁的特点。 第二，v c 是一个面向对象的语言，使得软件能够在源码级、类级、控件级 等多个级别上重用，软件的开发效率大为加快。 第三，v c 借助微软公司的基础类库( m f c ：m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s sl i b r a r y ) 和应用程序框架，能够减轻开发具有w i n d o w s 标准界面应用程序的难度【l o l 。 2 ) f o r t r a n 语言的选择理由 f o r t r a n 是英文“f o r m u l at r a n s l a t o r ”的缩写，译为“公式翻译器 ，它 是世界上最早出现的计算机高级程序设计语言，被广泛应用于科学和工程计算领 域f 1 1 1 。 f o r t r a n 语言是一种面向过程的、适用于科学计算的高级语言。它在图形处理、 人机交互处理等方面的效果不理想。使用f o r t r a n 语言编写复杂的数值计算程序 代码与f o r t r a n 语言代码的重用相结合进行优化系统设计，将是一项既节省时 间，又节省人力、物力、财力的有效途径12 1 。 系统中设备模型的算法用f o r t r a n 语言来实现。 2 2 2 系统开发所选用的技术及选用理由 1 系统开发所选用的技术 1 ) 面向对象技术 2 ) 模块化建模技术 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 ) 混合编程技术 2 系统开发所用技术的选用理由 1 ) 面向对象技术的选用理由 面向对象程序设计从所处理的对象入手，以对象为中心而不是以功能为中心 来描述系统。它把编程问题视为对象的集合，对象相对于功能而言，具有更强的 稳定性。面向对象程序设计是一种围绕真实世界的概念来组织模型的程序设计方 法，它采用对象来描述问题空间的实体。对实际工业生产中的流体网络进行建模， 正是对真实世界的一种体现，模型中的每个设备图形正是一个对象，每个对象既 相互独立、拥有各自的数学模型，又可以通过图形间的连线彼此传递数据，恰好 可以用对象的概念进行描述【1 3 ，1 4 1 。 面向对象编程具有代码可重用性，应该在应用程序中大量采用成熟的类库， 这样做可以缩短开发时间，提高开发效率，并且开发出来的程序更可靠、更健壮。 2 ) 模块化建模技术的选用理由 模块化建模的基础是系统的可划分性，即认为系统是由子系统组成的，而子 系统又可分解成为规模更小的子系统。由于这种性质的存在，构造模型的方式是 通过连接组成系统模型的子模型来构造总模型。如果子模型本身可以由更小的成 分模型构造而成，那么就形成了模型的层次结构。这种建模技术称为模块化建模。 这种建模技术是图形化建模软件中模型库构建的基础和应该遵循的原则1 6 1 。 3 ) 混合编程技术的选用理由 v i s u a lc + + 具有强大的图形处理功能，在科学计算实现过程上却相对复杂。因此， 用v i s u a lc + + 和f o r t r a n 两种语言进行混合编程可以使它们取长补短，编制出具有友好 界面和良好计算功能的应用程序【17 1 。 要有效利用资源并开发更为强大的应用程序，就必须充分利用混合编程技 术。由于v i s u a lc + + 已经成为主流编程工具且由于c o m p a qv i s u a lf o r t r a n ( 以前 为d i g i t a lv i s u a lf o r t r a n )可以与v i s u a lc + + 共同使用m i c r o s o f tv i s u a l d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t l l 引，所以在现代软件工程的开发中，v i s u a lc + + 和 f o r t r a n 两种语言的混合使用具有重要的现实意义。f o r t r a n 语言具有强大 的科学计算速度和能力。v i s u a lc + + 能够方便地用来开发图形用户界面( g u i ) ，很 适用于处理图形图像问题，具有很强的灵活性和一流的运行效率；同时v i s u a lc + + 强大的调试功能也为大型复杂软件的开发提供了有效的排错手段i l9 1 。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 3 系统功能需求分析 根据本章2 1 节提出的流体网络图形化建模系统的总体设计目标，对其功能 需求进行更深一步的阐述和分析。 2 3 1 用户界面功能需求分析 系统是通过用户界面与用户建立起联系的。通过用户界面，用户利用键盘、 鼠标向系统环境输入信息；信息经系统处理后，又通过界面反馈给用户。 由此可以看到，用户界面作为系统和用户的媒介，它的作用是很重要的。一 个好的界面，可以使用户感到更贴切、更容易掌握和使用。一个好的用户界面应 具有以下特征： 1 图形化的界面是必然的选择，与字符形式相比，它更容易向用户表达系统 的含义，用户也便于理解和使用系统。 2 为满足不同熟练程度的用户，应同时具备菜单、对话框、快捷键、工具栏 等各种操作方式。 3 作为图形建模软件，还要有图形选择工具箱。 4 界面应该与通用软件环境保持一致，做到美观实用，具有立体感和层次感。 5 为配合系统实现排错功能，在用户进行操作时应给出相应的提示信息，并 具备误操作后的恢复功能。 2 3 2 图形管理功能需求分析 作为图形建模系统，就要具备对图形的管理功能，对图形的管理包括图形的 添加、编辑、连线、保存等。 1 图形的添加：系统要具有使用户能够用鼠标在建模区域添加图形的功能， 图形代表了实际工业生产中的各种物理设备。 2 图形的编辑：用户在系统建模区添加图形之后，还要按照工业生产流程对 图形进行调整。所以系统要具备对图形的编辑功能。对图形的编辑包括图形的移 动、缩放、剪切、复制、粘贴、删除以及图形上端口的增减与旋转等。 3 图形之间的连线：系统应该提供图形间的连线功能，图形间的连线代表了 实际流体网络中工作物质的流动路线，在系统进行仿真运算时，运算数据还要依 据图形间的连接关系进行传递。 4 图形的保存：系统需要具备对已经搭建好的模型保存和打开的功能。 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 3 3 仿真运算功能需求分析 系统要具备仿真运算的功能，这也是建模系统要实现的最终目标。实现仿真 运算，需要实现图形算法库的编写、图形对算法库中相应算法的调用、仿真模型 的拓扑分析、数据在图形间的传递几方面的内容。 1 图形算法库的编写：实现仿真运算，必然要调用大量的算法，所以需要一 个算法库存放模型算法。 2 图形要具备对算法库中相应算法的调用功能，图形能够对算法进行调用， 才使图形具备了数据处理能力。 3 数据需要在图形之间进行传递。仿真模型是由若干图形相互连接而成，表 示了实际工业生产中设备连接的工艺流程。工业生产过程伴随着工作物质在各设 备之间的流动，所以仿真模型也因该具备数据在图形间的传递功能。 4 系统要具备对仿真模型的拓扑分析功能。数据在图形间的流动不是任意 的，要根据模型的拓扑结构进行流动。 2 4 系统的实现方案 在对系统进行功能需求分析的基础上，对系统最终要实现的功能提出了以下 实现方案，并对部分方案的选择理由进行了阐述。 2 4 1 用户界面的实现方案 依据系统功能需求分析中用户界面应该具备的特征，可以采用v i s u a lc + + 6 0 集成开发环境中提供的具有m f c 文档视图结构的多文档应用程序框架。 采用此框架的原因是： 文档视图结构( d o c u m e n t v i e w a r c h i t e c t u r e ) 是m f c 的精髓，也是软件体系结 构中o b s e r v e r 设计模式具体实现的实例，文档视图结构的提出大大简化了多数应 用程序的设计开发过程，其好处主要有： 1 首先是将数据操作和数据显示、用户界面分离开。这是一种“分而治之” 的思想，这种思想使得模块划分更加合理、模块独立性更强，同时也简化了数据 操作、数据显示和用户界面工作。 2 m f c 在文档视图结构上提供了许多标准操作接口，包括新建文件、打开 文件、保存文件、打印等，减轻了程序员的工作量。 运用此框架建立工程后，立刻就可以生成具有w i n d o w s 应用程序基本外观的 用户界面，包括窗口、菜单、工具栏、状态栏、滚动条等界面标准元素，如图2 - 1 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 所示。此用户界面中己经提供了大多数菜单操作的编程接口，并与菜单操作有关 的快捷键建立了关联，点击有关快捷键时，相应的菜单项命令就会被执行。 胃爆_ ：乃。一耵1 口。嘲瓣霞国戮黼| | | | | 豢囊。薯j 蠹二倒立j 盎文件逆) 编辑毽) 查看也) 窗口迎) 帮助噬)刖 訇痧西重崮豳 法 蟹? r - 露暑o 爿 1i一 就绪厂一孵厂z 图2 1w m d o w s 应用程序的基本外观 f i g 2 - 1b a s i ca p p e a r a n c eo fw i n d o w sa p p l i c a t i o n 建立了w i n d o w s 应用程序的基本外观后，还需要添加图形选择工具箱，图形 工具箱的展现方式有多种，例如：工具栏方式、列表框方式、树形列表组织形式。 本系统采用树形列表组织形式，即类似于w i n d o w s 资源管理器的组织方式。这样 做的主要原因是：树形列表具有伸缩性且分类明确的优点，而且受到w i n d o w s 资源管理器界面的影响，树形控件在软件界面中的使用越来越广泛，其直观的表 现形式、方便的操作方式，确实为界面增色不少。 操作信息输出窗口使用m f c 中c e d i t 类就可以完成了，把用户在建模过程 中的操作信息以文本的形式放置到c e d i t 对象中就可以了。 2 4 2 图形管理的实现方案 运用面向对象技术来实现图形管理，就是用类所具有的功能来实现系统中图 形的管理。 1 图形的添加 仿真模型中的每个图形都作为一个独立的部分存在于模型中，用户能够只针 对某一个图形进行操作，所以可以把每个图形设计为一个类的实例对象。由于每 个图形既有相同的属性，如：尺寸、位置等；又有自身特有的属性，如：外形、 所具有的端口数等。可以把各图形的共同属性封装到一个c g r a p h i c s 基类中，然 l o 太原理工大学硕士研究生学位论文 后从此基类中继承各子类来实现子类特有的属性，这样是为了子类的共同属性不 用重复编写，进而加快系统的开发、维护效率。图形添加时，先实例化某个图形 类，在类对象初始化时，以鼠标的位置计算出图形对象的初始化位置、尺寸，每 个子类中封装了自身的绘制方法，然后按照每个图形类自身的绘制方法，绘制图 形到初始化的位置上。 2 图形的编辑 1 ) 图形移动 图形移动可通过改变图形对象的位置属性值，然后重绘图形的原绘制区域和 新的绘制区域来完成。 2 ) 图形缩放 图形缩放可通过改变图形对象的尺寸属性值，然后重绘图形改变尺寸前后的 绘制区域来完成。 3 ) 图形复制、剪切及粘贴 每个图形必然是某个图形类的实例对象，图形的复制必然是构造同样属性的 图形类的实例对象，所以图形复制的过程可以通过复制每个图形类对象的类名和 类对象的所有属性值来记录所要复制图形的信息。 图形的剪切可以用图形复制和删除的组合来实现。 图形的粘贴可以用所复制的图形信息构造新的图形对象即可。 4 ) 图形的删除 图形的删除可以通过析构图形对象然后重绘此图形的绘制区域来完成。 5 ) 图形端口的增减与旋转 用户在图形绘制完成后，需要操作端口来进行连线。每个图形上可以有若干 端口，而在同一时刻，只能有一个端口在连线，所以每个端口必须能够作为一个 独立的对象被操作。可以定义一个c p o r t 类来对端口进行管理，每个端口即为 c p o r t 类的一个实例对象。 系统中所有图形的端口在连线时所感应的鼠标事件是相同的，所不同的就是 在图形上的位置与类型( 分为输入端口和输出端口) ，所以用端口类中的成员变量 就可以对端口的位置与类型进行表示，不必再定义更多的端口类。 6 ) 图形之间的连线 连线也是一种特殊的图形，但因为其与前面介绍的图形类的属性差别较大， 所以要另外定义一个c d r a w l i n e 类来管理图形连线，以减少图形类中复杂的成员 太原理工大学硕士研究生学位论文 函数列表。图形之间的连线在表现上只是存在于两个图形端口之间的连线，其主 要的功能是记录两个端口的连接关系。连线在绘制时，必然是由若干首尾交替连 接的线段组成。 7 ) 图形的保存 在m f c 中有一个具有串行化功能的c a r c h i v e 类，可以用此类实现图形的保 存。 最后，还需要一个c d r a w g r a p h i c s 类对上述各类进行管理，包括接收用户的 鼠标、键盘消息，利用接收到的消息去操作各类的对象来完成建模任务。所以完 成系统功能之前，首先要设计系统类库，类库包含了系统中实现各种功能的类， 由类库中各类的对象完成图形管理及仿真运算。 2 4 3 仿真运算的实现方案 1 算法库的实现 由于动态链接库( d l l ) 为基于w i n d o w s 的程序模块，它可以包含可执行代码、数据 和各种资源，扩大了库文件的使用范围。系统可以把各设备图形的算法封装到动态链接 库中，供设备图形进行调用。 2 算法调用的实现 设备图形是在v i s u a lc + + 集成开发环境中绘制而成，要完成对算法的调用， 其实解决的就是w i n d o w sa p i 对f o r t r a n 语言实现的函数模块的调用问题。 3 拓扑分析的实现 对模型进行拓扑分析是为了确定数据在仿真模型中的流动规则，只有在遍历 了模型中所有图形，拓扑分析才能完成。可以把模型中每个图形抽象为节点，把 图形问的连线看成连接节点的边，那么整个模型就被抽象成了一个有向图，那么 分析此有向图的拓扑结构，就是完成了整个模型结构的拓扑分析。 4 数据传递的实现 在完成模型拓扑分析之后，按照模型的拓扑分析结果，按照一定的规则把每 个图形的数据运算结果传递给与之相连接的图形进行运算即可。 2 5 本章小结 本章主要对流体网络图形化建模系统进行了功能方面的需求分析，这样使得 系统在实现时能够有明确的目标。在对系统进行功能分析之后，提出了系统各组 成部分的实现方案。 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三章系统的设计与实现 本章在对流体网络图形建模系统进行功能需求分析的基础上，按照前文提出 系统实现方案，提出了如图3 1 所示系统设计框图，并且对系统的具体设计与实 现过程作了介绍。 该系统的实现为用户提供了一个流体网络的图形化建模环境，利用系统设备 图形库中的设备图形，可以搭建目标系统的图形化仿真模型。本章在对图形建模 系统的各组成部分的实现进行介绍的过程中，重点介绍了图形建模中设备图形端 口的旋转、端口的增减、图形之间连线、图形的跨进程复制和粘贴功能等技术难 点的实现方法。 图3 1 系统设计框图 f i g 3 1d e s i g n e df r a m e w o r ko ft h es y s t e m 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 1 系统用户界面设计 根据前文的需求分析和实现方案可知，系统用户界面由组成w i n d o w s 应用程 序基本外观的基本元素、树形图形选择工具箱以及操作信息输出窗口组成。 w i n d o w s 应用程序界面标准元素在用户界面的实现