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 

нужно будет описать их положения, сгенерировав, например, профили, 
вдоль которых перемещалась установка (рис. 1.4). 
 

 

Рис. 1.3. Редактирование устройства 

 

Рис. 1.4. Построение профиля 

Последним этапом пользователь задает настройки расчета (рис. 1.5, а). 
На этом работа препроцессора заканчивается. Нажатием зеленой кнопки «Start calculation», запускающей расчет, препроцессор сформирует 
все данные, необходимые для выполнения расчета, и запустит расчетный модуль. Пока кнопка остается красной с подписью «Stop» 
(рис. 1.5, б), пользователь ждет окончания расчета.  
 

  
 

а 
 б  

Рис. 1.5. Запуск расчета 

По окончании расчета пользователь работает с частью программы, 
относящейся к постобработке. Поскольку результатом прямой задачи 
являются сигналы в приемных установках, от постобработчика здесь 
требуется отображение графиков зависимости сигнала от времени, 
частоты или координаты. Для этого пользователю достаточно перейти 
на страницу с графиками по положениям или вдоль профиля. Далее, 
выбрав нужный тип задачи и нужные положения установки, он увидит 
на экране графики сигналов, как на рис. 1.6. 
 

Рис. 1.6. Просмотр результатов решения прямой задачи 

Для решения обратных задач в препроцессоре пользователю будет 
предложено сформировать стартовую модель (рис. 1.7) в виде блочной 
структуры, которая строится автоматически, но доступна для редактирования.  
 

 

Рис. 1.7. Формирование стартовой модели для решения обратной задачи 

В зависимости от исследований и используемых сигналов возможен подбор тех или иных величин, которые пользователь может задать 

самостоятельно либо автоматически, выбрав определенные преднастроенные параметры решения обратной задачи. 
Запуск расчета обратной задачи аналогичен запуску прямой.  
И, аналогично прямой задаче, на этом работа препроцессора завершается. Процесс решения обратных задач итерационный. На каждой итерации рассчитывается новая, более близкая к истинной, модель. В то 
время как кнопка запуска остается красной, постпроцессор следит за 
процессом решения задачи и автоматически загружает модели с вновь 
завершенных итераций (рис. 1.8). Это избавляет пользователя от нужды всё время проверять, не появилось ли новых моделей, и загружать 
их вручную. 
 

 

Рис. 1.8. Результаты решения обратной задачи 

Как и в случае с прямой задачей, пользователю доступен просмотр графиков сигналов, смоделированных для моделей, полученных на разных итерациях (рис. 1.9). Вместе с системой наблюдений 
отображается модель, полученная на выбранной итерации, либо 
стартовая модель, либо модель для прямой задачи – на усмотрение 
пользователя.