GSPM：一個基于管理信息系統的圖形系統

肖 揚， 鄭悅明， 劉洪斌， 鄧茂云

（西南石油大學機電工程學院，四川 成都 610500）

GSPM：一個基于管理信息系統的圖形系統

肖 揚， 鄭悅明， 劉洪斌， 鄧茂云

（西南石油大學機電工程學院，四川 成都 610500）

介紹了根據軟件工程的基本原理和面向對象的程序設計方法，應用可視化和圖形數據一體化技術，開發一個基于管理信息系統的圖形系統 GSPM(Graphics System for Pipeline Based on Management Information System)的理論和方法，討論了系統的框架設計、主要類的建立和用戶界面的設計。該系統采用Windows 7 Ribbon 界面，操作簡單、方便。繪圖時，只需用鼠標點擊工具欄或菜單欄對應的按鈕，選擇正確的圖元，就可以繪制各種圖。系統設計了與數據庫的接口，可以將圖形信息和基于文本的管理信息統一管理與表示，實現了真正的圖形化操作和圖形、數據一體化。系統還集成了網絡功能，能夠利用企業網和互聯網協同工作。

圖形系統；軟件開發；面向對象

油氣集輸管網是由“管-站”組成的規模龐大、結構復雜的網絡系統，其覆蓋范圍廣、管道設施多、運行情況多變、信息量巨大，使得其優化設計和生產運行管理工作變得異常繁雜和艱巨，必須借助計算機來輔助計算和管理。而在計算機應用軟件中，圖形界面是一種直觀、友好、方便、高效的人機交互手段，用圖形來描述油氣集輸系統網絡結構，在圖形上實現數據輸入和結果輸出，并且進行動態顯示，能起到直觀清楚，一目了然的效果，可以使用戶更直觀地借助計算機應用軟件來實現實際問題的分析和管理，很好地滿足了油田油氣集輸系統優化設計和生產運行管理工作的要求。

本文就是依據這樣的考慮和實際需求而設計的一個圖形系統。開發圖形應用系統有2種方法，一種是直接利用高級語言中的基本圖形功能來實現，另一種是在某個已有的功能較為完善的圖形系統上進行二次開發，例如AutoCAD。根據項目的需要和系統的特點，我們采取了第一種方法[1]。這是因為，第一，本系統所處理的圖形對象的多樣化。既要處理矢量圖形，又要處理光柵圖形，還要處理混合圖形，這需要對圖形的顯示和處理技術進行集成；第二，本系統信息顯示的多樣化。既有圖形信息，又有管線和場站的管理信息，還有地理信息；第三，系統功能的綜合化，系統集成了圖形處理與顯示、數據庫管理和網絡功能。因此利用VC++構建一個基本的綜合圖形系統,采用面向對象技術, 根據應用系統的需要添加所需的類及功能, 隨時可進行擴充, 滿足大多數圖形應用系統開發的需要[2]。本系統實現了一個基本的圖形系統, 能夠生成并處理圖元,能夠處理矢量圖形和數字圖像，能夠提供應用系統開發時所需的基本圖形支持, 具有網絡功能，能夠與數據庫相連接，對整個管網系統的信息進行處理和管理。

1 需求分析

GSPM圖形建模平臺是管網優化設計軟件系統中基礎性的模塊，為其提供底層服務，也是軟件進行人機交互的渠道。該平臺既要能夠實現集輸管網的圖形顯示，還應該具有良好的用戶界面，方便進行各種交互操作。因此，圖形建模平臺應能實現以下功能：

（1）能夠進行快速、有效地管網和場站圖形建模。提供集輸管網中表示油井、計量間、轉油站、集油管道和摻水管道等圖形符號，并且能夠用這些圖形符號繪制出各種流程（如單管環狀集油、雙管摻水集輸油等）的集輸管網；同時，具備對已建管網圖形的放大、縮小、平移、打印輸出等操作功能。還能對系統產生的圖形進行存儲顯示等操作。

（2）交互和存取功能。提供鼠標捕捉功能，可根據捕捉到的管網元素，顯示其基本屬性信息，并可隨時更新；能夠添加、刪除、修改各類管網元素；能實現管網各類信息的條件查詢，從而提供高效、便捷的管網信息檢索和查詢平臺；可將已經建好的模型進行存儲，并能夠打開已經存在的模型，并可以實現模型的重繪和編輯功能。

（3）建立管網信息數據庫。數據庫能夠存取管網的各類信息，包括管網元素的圖形信息、節點和管元的生產運行參數以及模擬優化結果信息等。

（4）數據接口。圖形建模平臺不是一個孤立的系統，它給油氣集輸系統中其他計算分析軟件提供了一個可視化界面，是為應用軟件服務的。因而，必須要為其他應用軟件預留一個開放的數據接口。

（5）網絡功能。能夠利用企業網和互聯網協同工作，達到信息的交換、管理與共享。

2 系統框架的建立

2.1 系統框架設計

GSPM系統的總體框架采用目前IT技術中流行而較成熟的N層結構方案, 整個系統的邏輯框架如圖1所示。

2.2 系統功能結構設計

圖1 系統框架設計圖

按照系統用戶的要求，其系統功能結構設計如圖2 所示。

圖2 系統功能結構設計圖

（1）圖形數據編輯子系統：該子系統提供了圖形系統的圖形繪制與編輯功能。包括圖形繪制與編輯、數據輸入和編輯、成果輸出等。操作人員可以非常方便地進行繪圖操作和編輯。

（2）圖形管理子系統：該子系統進行系統配置、大規模數據的建庫/編輯、數據備份等管理工作。系統配置與建庫工作以各類圖件數據為基礎，結合圖件元數據管理，綜合局內擁有的各種類型圖件信息資源，對現有各類型圖件數據的應用范圍等信息進行編輯管理，并對圖形數據的存儲進行管理。

（3）訪問權限控制管理子系統：該子系統主要是對功能操作安全和控制提供管理方法。利用數據庫權限控制方法，將不同組織方式下各種類型的用戶按照使用類型、使用目的、使用功能等各種形式進行分類；對系統中各個操作功能點進行編碼，并對不同類型的用戶賦以不同的功能操作權限；采用授權保證訪問安全和數據安全；采用用戶分級管理，用戶名、密碼或用戶名、密碼、TP 地址綁定等多種手段保證用戶安全。

（4）綜合瀏覽查詢子系統：該子系統的設計目標是能夠通過 Web瀏覽方式，結合各種查詢、查找方法，靈活從圖形庫數據庫中提取各種類圖件數據，方便地顯示和檢索，并可結合用戶權限控制，對各類圖件的查詢瀏覽下載進行限制。系統能夠將瀏覽到的矢量圖形或柵格圖像進行轉換和下載，從而為遠端用戶提供了JPG等柵格圖像及 EPS 矢量圖形，為其日常辦公提供了方便。

（5）數據交換子系統：該子系統采用 C/S模式設計，提供了多種數據接口，為不同數據格式提供數據轉換工具，為該系統與其他 MIS、CAD、CAM 軟件系統間架設了一道橋梁，實現了不同系統間所用數據文件的雙向交換，從而達到數據共享的目的。

（6）預留擴展模塊：是為了系統進一步地完善和擴展預設置的模塊。

3 模型的建立

在應用面向對象方法開發軟件之前[3]，開發者為了更好地理解所要解決的問題，一般要建立3 種形式的模型[4]：對象模型、動態模型和功能模型。對象模型定義了做事情的實體；動態模型規定了什么時候做；功能模型指明了系統應該“做什么”。1個典型的軟件系統應該是3種模型的合理組合：它使用數據結構（對象模型），執行操作（動態模型），并且完成數據值的變化（功能模型）。

3.1 對象模型

設計面向程序時，應把程序中使用的所有對象劃分成對象類，每個對象類都定義1組屬性和操作[3]。油氣集輸系統是由油井和各種功能站、庫以及工藝管道組成的原油和伴生氣的集輸系統。為了方便建模，將油氣集輸系統中的管網分為兩類：一是節點類。將油井、計量間、轉油站、管道交匯點的共同性質抽象出1個節點類，屬性包括節點名稱、X和Y坐標、節點名稱的可見性等。方法包括選擇節點、調整節點、刪除節點等；二是管道類。管道類是集油管道類和摻水管道類的基類，屬性包括起點名稱、終點名稱、管徑、壁厚、管長、保溫層厚度、管頂埋深等。方法包括選擇管道、調整管道、刪除管道等。除了節點類和管道類兩個主要的基類以外，還有油井類、計量間類、轉油站類、交匯點類、集油管道類和摻水管道類等派生類，其關系如圖3所示。

3.2 動態模型

圖3 系統對象模型

動態模型表示瞬時的、行為化的系統“控制”性質，規定了對象模型中對象的合法變化序列[4]，一般用狀態圖來表示動態模型。以圖元的繪制為例，動態模型如圖4所示。

3.3 功能模型

圖4 圖元繪制的動態模型

功能模型指明了系統應該“做什么”，反映了用戶對目標系統的需求[4]。圖形建模平臺提供集輸管網系統優化設計專用的圖形繪制和圖形編輯環境，滿足集輸管網系統圖形建模需求，具有圖形編輯軟件的共性，同時，又具有集輸管網圖形建模的特性。該平臺能夠對原油集輸管網進行編輯，包括油井、計量站、轉油站、交匯點等節點數據和集油管道數據的創建、修改與刪除，并對管網的完整性進行檢查，以便為整個管網系統的模擬分析與優化設計提供完整的圖形信息。按照功能可以分為文件管理、圖形建模、圖形操作、圖形顯示、數據庫接口、網絡功能6部分，如圖5所示。

3.4 系統類的設計

圖5 系統功能模型

3.4.1 圖形類

油氣集輸系統是由“管-站”組成的網絡系統，該系統主要涉及油井、計量、轉油站、油庫等節點以及集油管道、摻水管道等網絡節點連接元素，將其稱為圖元。圖元是組成集輸管網系統與拓撲結構的基本單位，是圖形建模平臺系統的關鍵元素，集輸管網信息的顯示、用戶的繪圖操作都是通過圖元來完成。

油氣集輸系統中涉及十幾種圖元，每種圖元都具有各自屬性，如名稱、位置等，也有各自的方法，如繪制、復制、移動、刪除等操作。這些圖元表面上看雖然各不相同，但是，很多圖元具有一些共性，如各個節點都具有名稱和坐標屬性；各個節點都需要具有繪制、移動、復制、刪除等編輯功能。面向對象方法中類的繼承和虛函數能夠很好地解決該問題：可以用類的繼承機制來實現圖元的相同屬性，用虛函數方法來實現類的共有方法。具體地說，首先，建立可以描述所有圖元類共同屬性和行為的基類；然后，按照各種圖元的實際特點和集輸管網建模的需要，應用類的繼承和派生特性，從基類中派生出其他圖元類；最后，根據實際情況定義各圖元的特有屬性和行為[5]。

油氣集輸系統中所有圖元的屬性可以分為兩大類：圖形類參數和屬性類參數。圖形類參數表示每個圖元的類型及其在集輸管網中所處的節點位置等，是圖元繪制的必要參數，繪圖時由繪圖函數處理得到；屬性類參數，如油井產液量、管徑、管道壁厚等，須由用戶輸入。由此可見，圖形類參數是所有圖元的共有屬性，可以在基類中聲明，通過繼承傳遞給其他圖元。根據集輸管網中各個圖元的特點，抽象出節點類和管道類兩個基類，其他類可以基類繼承和派生而來。節點類的屬性有節點ID、節點名稱、節點坐標、節點的可見性、節點名稱的可見性、節點是否被選中、節點是否被刪除等。節點方法包括圖元的繪制、移動、刪除、判斷節點是否被選中等；管道類屬性包括管道ID、起點名稱、終點名稱、管徑、管長、壁厚、保溫層厚度、管頂埋深、管道可見性等。管道類方法包括繪制管道、調整管道（增加交匯點）、刪除管道、計算管道長度、判斷管道是否被選中等。

為了對圖元信息進行統一管理，將各種圖元的信息匯總于圖元工具欄上，以便用戶靈活地進行各種元件圖形的繪制。工具欄上的每個圖元按鈕對應1個圖元，當用戶用鼠標點擊其中1個圖元按鈕后，就選中了對應的圖元類操作，用戶在繪圖區的所有操作都是針對選中的圖元類進行的。應用面向對象技術把圖元數據與操作封裝在一起，實現圖形建模平臺的各種功能，極大地簡化了平臺編寫過程，而且，平臺代碼具有高度的重用性[4]。

當需要增加新的建模圖元時，可以根據圖元的屬性通過繼承來實現新元件的構造，各個子類的實現又具有相互獨立性，使得軟件便于維護和擴充。

3.4.2 數據庫接口類

數據庫類是為了系統對非圖形信息的管理而設計的，用于圖形系統與數據庫的接口。利用了VC++與數據庫的接口MFC ODBC[6]。MFC的ODBC類主要包括以下幾種：CDatabase類，主要功能是建立與數據庫的連接；CRecordset類，代表從數據源選擇的一組記錄集。通過該類可以對記錄集中的記錄進行滾動、修改、增加和刪除等操作；CRecordView類，提供了一個表單視圖與某個記錄集直接相連，利用對話框數據交換機制(DDX)在記錄集與表單視圖的控件之間傳輸數據；CFileExchange類，支持記錄字段數據交換(DFX)，即記錄集字段數據成員與相應的數據庫的表的字段之間的數據交換。

3.4.3 網絡功能類

本類設計主要為完成系統的網絡功能[7]，主要包括下面這些類：CSocketFile類，主要用來在Windows Socket編程中發送和接受序列化數據；CHtmlView類，用來顯示網頁數據的視圖類；網絡通信類，通過網絡套接字進行數據通信的即時通信類；郵件收發類，進行電子郵件的收發類。

4 交互式界面設計

人機界面設計是系統設計的組成部分，對于交互式系統來說，人機界面設計和數據設計、體系結構設計、過程設計一樣重要。人機操作界面的便捷程度直接影響到用戶對軟件的評價，從而影響軟件產品的競爭力和壽命。人機交互界面設計的好，能對用戶產生吸引力，激發用戶的創造力，提高工作效率；否則，用戶在使用過程中就會感到不方便、不習慣，逐漸對軟件產生了厭煩情緒，進而放棄對軟件的使用。因此，必須對人機界面設計給予足夠重視。

GSPM圖形系統交互式界面是按照目前最新的Windows Ribbon界面來設計的[8]。Ribbon界面是微軟從Office2007開始引入的一種為了使應用程序的功能更加易于發現和使用、減少了點擊鼠標的次數的新型界面，從實際效果來看，不僅外觀漂亮，而且功能實用，界面直觀，用戶操作簡潔方便。主界面中包含標題欄、菜單欄、工具欄、圖元工具箱、滾動條、狀態欄和繪圖區等，用戶通過對工具欄或菜單欄中相應圖形繪制工具的事件激發、然后由平臺響應來完成對圖形的繪制。所有的操作都可以點擊鼠標完成，非常方便快捷。圖6是系統運行結果。結果顯示的是系統的一個子模塊“管線運行情況”的管理信息的動態顯示。兩條管線在以地理信息為基礎的背景上交匯，交匯處為一場站，場站的動態運行信息從數據庫而來，系統可以在圖形狀態下對動態運行信息進行處理和顯示。雙擊場站圖標，就可以進入場站信息模塊。場站的圖形信息，管理信息，運行信息，地理位置信息和其他信息都可以進行管理和顯示。

圖6 系統運行結果

5 結 論

圖形是數據的表現形式，特點是形象、直觀。通過圖形數據接口，將集輸管網圖中每個圖元與數據庫元件參數表中相應的數據記錄對應起來。用戶通過鼠標點擊相應的圖元，就可以查看、修改管網參數信息；輸入或修改信息完畢，數據庫中相應的數據記錄就自動更新，實現了真正的圖形化操作和圖形、數據、網絡一體化。

[1] 方 亮, 鄭 耿, 劉國平. 圖形系統的設計與實現[J].計算機應用研究, 2005, (9): 173-175.

[2] 陳長清, 李永康. 基于圖形平臺的電網調度運行系統設計與實現[J]. 電力系統及其自動化學報, 2012, 24(6): 41-46.

[3] 劉 弘. 面向對象程序設計[M]. 北京: 北京郵電大學出版社, 2005: 1-10.

[4] 張海藩. 軟件工程[M]. 2版. 北京: 人民郵電出版社, 2006: 122-266.

[5] 陳建春. Visual C++高級編程技術[M]. 北京: 電子工業出版社, 1999: 114-126.

[6] 張水波. Visual C++2008完全學習手冊[M]. 北京:清華大學出版社, 2011: 592-606.

[7] 梁 偉. Visual C++網絡編程經典案例詳解[M]. 北京: 清華大學出版社, 2010: 74-200.

[8] 肖 揚, 肖晨帆. VS2012下的Ribbon界面開發[J].電腦編程技巧與維護, 2013, (19): 83-88.

GSPM: A Graphics System for Pipeline Based on Management Information System

Xiao Yang, Zheng Yueming, Liu Hongbin, Deng Maoyun
(School of Mechatronic Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu Sichuan 610500, China)

This paper describes the theory and method to develop a graphics system based on management information system (GSPM) through the application of the basic principles of software engineering and object-oriented programming methods and the application of the visualization and graphical data integration technology, and discusses the establishment of the framework and the design of the system and the main classes. The system uses the Windows interface and its operation is simple and convenient. Drawings can be done just by simply clicking on the corresponding buttons on the toolbar or menu bar to select the correct elements on the preparation of a variety. The system is designed to interface with the database, integrate graphical and text-based management information, and can unify management and representation to achieve a true graphical operating and graphics, data, network integration.

Graphics system; software development; object-oriented

TP 391

A

2095-302X (2014)02-0161-06

2013-04-24；定稿日期：2013-07-08

肖 揚（1964-），男，四川通江人，副教授，碩士。主要研究方向為計算機輔助設計、計算機圖形學。E-mail：eastsun@sina.com