Разработка пре- и постпроцессоров программных комплексов моделирования сложных физических процессов

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 
__________________________________________________________________________ 
 
 
 
 
 
Д.С. КИСЕЛЕВ 
 
 
 
РАЗРАБОТКА ПРЕ-  
И ПОСТПРОЦЕССОРОВ  
ПРОГРАММНЫХ КОМПЛЕКСОВ 
МОДЕЛИРОВАНИЯ СЛОЖНЫХ 
ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 
 
Утверждено Редакционно-издательским советом университета  
в качестве учебного пособия 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2020 

УДК 004.42 (075.8) 
К44 
 
Рецензенты: 
канд. техн. наук, доцент В.С. Карманов 
д-р техн. наук, профессор М.Э. Рояк 
 
 
Работа подготовлена на кафедре прикладной математики НГТУ 
 
 
Киселев Д.С. 
К44 
 
Разработка пре- и постпроцессоров программных комплексов моделирования сложных физических процессов: учебное 
пособие / Д.С. Киселев. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2020. – 
68 с. 

ISBN 978-5-7782-4211-1 

В данном учебном пособии рассмотрены основные принципы разработки систем пре- и постобработки и графических интерфейсов к 
ним. Пособие может быть рекомендовано как для самостоятельного 
изучения курса «Современные компьютерные технологии», так и для 
подготовки к выполнению практических заданий. 
 
 
 
 
 
 
 
 
УДК 004.42 (075.8) 
 
ISBN 978-5-7782-4211-1 
© Киселев Д.С., 2020 
 
© Новосибирский государственный 
 
технический университет, 2020 

 
 
 
 
 
 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Введение .................................................................................................................. 4 
1. Основные понятия .............................................................................................. 5 
1.1. Понятие пре- и постпроцессоров ................................................................ 5 
1.2. Требования к функциональности ............................................................. 13 
2. Структура пре-  и постпроцессоров ................................................................ 16 
2.1. Основные структурные элементы ............................................................ 22 
2.2. Взаимодействие с пользователем ............................................................. 24 
2.3. Обработка данных ...................................................................................... 26 
3. Разработка графического  интерфейса ............................................................ 28 
3.1. Основные элементы управления .............................................................. 34 
3.2. Связь с данными ......................................................................................... 39 
3.3. Общие принципы наполнения окон ......................................................... 44 
4. Графическая визуализация данных ................................................................. 50 
4.1. Принципы визуализации ........................................................................... 50 
4.2. Визуализация данных прямых  и обратных задач ................................... 53 
4.3. Оптимизация визуализации ...................................................................... 59 
Библиографический список ................................................................................. 68 
 

 
 
 
 
 
 
 
ВВЕДЕНИЕ 
 
Предметом обсуждения данного учебного пособия является разработка пре- и постпроцессоров программных комплексов, предназначенных для моделирования сложных физических процессов. Тема разработки такого программного обеспечения (ПО) является актуальной 
уже десятки лет, с тех пор как человечество начало использовать ЭВМ 
для решения задач моделирования, сложность которых росла наравне с 
моделируемыми процессами и средами.  
На сегодняшний день решаются задачи моделирования такой 
сложности, при которой формирование входных данных и оценка полученных результатов не представляются возможными без специального ПО.  
Крупнейшие программные комплексы (например, ANSYS или 
MSC NASTRAN) снабжены не только мощной вычислительной частью, но и соответствующими средствами для формирования модели и 
анализа результатов моделирования.  
Успех разработки программного комплекса во многом определяется его возможностью в части взаимодействия с пользователем, 
насколько удобным и простым в использовании он будет. Очевидно, 
что достичь высоких показателей по таким критериям можно лишь 
снижением трудозатрат пользователя при работе с комплексом и удобством работы с интерфейсом. Именно здесь и задействуются пре- и 
постпроцессор для выполнения большей части работы, при этом от 
пользователя требуется минимум информации при максимуме возможностей. 
Данное пособие позволит получить начальные знания и освоить 
основные принципы разработки пре- и постпроцессоров, снабженных 
графическим интерфейсом. 
 

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ  

1.1. ПОНЯТИЕ ПРЕ- И ПОСТПРОЦЕССОРОВ  

Работа с программными комплексами моделирования сложных физических процессов (далее ПК) состоит, как правило, из трех основных 
этапов, последовательность которых неизменна: 
1) задание входных данных (построение модели); 
2) расчет; 
3) просмотр выходных данных (анализ результатов). 
Вычислительная часть, используемая на этапе 2, вообще говоря, 
строго формализована в терминах математической постановки и может 
быть совсем не связана со спецификой задачи. В таком случае инженер, не знакомый с численным моделированием, не сможет вручную 
подготовить необходимые для вычислений данные. А если бы мог, делать это вручную – крайне трудоемкий процесс. С целью сокращения 
нагрузки на пользователя используется специальное ПО, позволяющее 
преобразовать параметры решаемой задачи в данные для расчета с минимальным участием пользователя – препроцессор. 
На втором этапе взаимодействие с пользователем сводится к минимуму, в то время как этапы 1 и 3 включают в себя множество операций с 
его участием. Этап задания входных данных является, по сути, предварительной обработкой решаемой задачи – препроцессингом. Фактически препроцессируются команды пользователя, определяющие решаемую задачу и ее параметры. Такое ПО называется препроцессором. 
По завершении расчета может быть произведено огромное количество 
выходных данных. Причем эти данные, как и входные, могут быть отвязаны от специфики решаемой задачи. Такой случай является рядовым при 
моделировании сложных процессов, и помочь проанализировать результаты расчета может специальное ПО – постпроцессор. Равно как и пре

процессор, постпроцессор обеспечивает пользователю работу с понятной 
ему информацией в терминах прикладной задачи, преобразовывая выходные данные расчета и обеспечивая их удобный просмотр.  
Для лучшего представления о системах пре- и постобработки рассмотрим в качестве примера пре- и постпроцессор для программного 
комплекса (ПК), разработанного на кафедре прикладной математики 
НГТУ. ПК реализует обработку различных геофизических данных с 
целью решения обратных задач, в ходе которых восстанавливаются 
параметры среды.  
Система пре- и постобработки реализована в одной программе, поэтому пользователь всегда работает в одном окне, не переключаясь 
между разными программами.  
Пользователь начинает работу с препроцессора, в котором описывает параметры решаемой задачи. Для начала рассмотрим процесс решения прямой задачи, суть которой состоит в моделировании сигналов, фиксируемых специальным оборудованием, при проведении поисковых работ.  
На странице с моделью пользователь описывает среду, в которой 
проводится расчет: распределение различных физических величин, 
геометрия объектов и слоев (рис. 1.1). 
 

 
Рис. 1.1. Формирование модели 

Элементы модели, которые задает пользователь, сразу отображаются в графических окнах, поддерживающих интерактив. Пользователь может рассмотреть модель под различными ракурсами, построить 
разрез, отобразить характеристики объектов в цветовых градациях. 
Как только модель среды задана, пользователь переходит на следующую страницу – редактирование системы наблюдений. Конфигурация 
системы наблюдений по сути представляет собой данные о положениях 
генераторных установок, возбуждающих электромагнитное поле, и приемных установок, фиксирующих сигнал. Данные о системе могут быть 
как сгенерированы, так и загружены из внешнего источника. 
На странице с системой наблюдений пользователь может просматривать информацию о системе как в табличном виде (верхняя часть 
рис. 1.2), так и с помощью графических окон, где отображаются положения заданных установок (нижняя часть рис. 1.2). 
 

 

Рис. 1.2. Формирование системы наблюдений 

Комплекс поддерживает самые разные технологии георазведки, поэтому пользователю будет предложено описать приемно-генераторную 
установку (рис. 1.3). Здесь пользователю доступны разные конфигурации установки для исследований как с контролируемым, так и с 
неконтролируемым источником. Помимо самих установок пользователю