科學計算可視化數據管理系統的研究與實現

陳鴻杰 王嘯 李建

摘 要：科學計算可視化主要就是利用現代信息技術進行計算后所得到的數據，并以直觀的方式將數據結果進行展示，已經成為科學研究中非常重要的一種技術。隨著計算機技術的不斷完善，使得科學計算數據數量更加龐大，規模也在不斷延伸，如何對數據進行統一的管理，從根本提升訪問效率已經成為科學計算可視化中必須研究的問題。隨著科學計算可視化應用技術的不斷發展和完善，用戶對網絡進行遠程跟蹤已經成為主要的需求，遠程可視化成為目前可視化技術的研究重點。

關鍵詞：科學計算;可視化;數據管理;管理系統

前言

科學計算可視化也可以簡略稱為可視化，充分發揮了計算機處理技術的優勢，將通過嚴格計算而產生的數據以圖形或者圖象的方式進行展現，并以相關理論為基礎。目前，科學計算可視化已經成為科學研究中最為重要的技術手段，可以為科學工作者剖析數據深層信息提供輔助，也可以以此對其內在的客觀規律進行揭示，從根本減少數據處理的時間。

一、科學計算可視化數據的組織與管理

（一）數據模型分析

與一般類型的數據有著明顯的不同，科學計算可視化技術的處理對象非常固定，只能對科學數據進行應用，并且這些數據從多個渠道而來，相對比較復雜。科學數據的采樣數據相對都比較獨立，但是其有很多屬性和組織形式。其中，數據的時間就是對數據與時間是否有關系進行顯示，也可以表現因為時間變化而出現的物理特質;數據的維數可以表示向量數據、標量數據等多種數據;數據定義的維數可以從一到三進行具體的劃分;數據組織形式可以分為網格和無網格零散數據，如果存在有無網格的差異，那么其組織形式也會出現明顯的不同[1]。數據模型的種類相對比較多，科學完善的計算可視化的數據管理系統需要能對多種數據進行靈活的處理，并提供針對性的接口，以滿足不同科學計算數據分析的需要。

（二）數據格式的讀取

VTK數據是VTK軟件中最為主要的一種數據格式，以往的格式可以快速進行讀寫，并支持不同格式的隨時訪問，從根本提升了數據訪問速度;VTK軟件包包括多種類型的數據模型，其涵蓋內容非常廣泛[2]。目前很多可視化軟件都會使用VTK軟件作為進行可視化分析模塊開發的主要軟件，其可以對VTK格式的數據模型提供針對性的支持[3]。因此，對于可視化數據的管理和分析而言，VTK數據格式最為適合，其在訪問效率方面具有一定的優勢，可以使用多種軟件對數據進行科學的分析，是一種非常良好的選擇。因此，本次研究以VTK數據格式作為數據處理的主要格式。

（三）可視化數據信息的組織管理方案設計

1.原始數據的組織

在對原始數據進行組織設計時，可以將其分為四層目錄，每層目錄的數據都以直觀的方式進行展示，不同數據之間具有緊密的聯系，但是這種組織方法對文件結構有著非常嚴格的要求，用戶通過文件名就可以快速獲取文件的相關信息，用戶只有點擊文件，才能確定是否符合自己的查找需要[4]。該種方式進行查找，很容易浪費用戶的時間，為用戶帶來很多的繁瑣性。因此，該種原始文件組織形式必須與數據管理技術進行有效的結合，才能使用戶的數據查找時間得到有效的縮減，避免管理資金的投入。

2.元數據的組織

為了對原始數據組織方法中存在的缺點進行彌補，可以將原始數據中的元數據作為管理的主要內容，充分利用元數據中的數據內容，對數據之間的相關關系進行深入的探索和研究，使用戶可以通過元數據在不需要打開文件的情況下，就可以快速讀取文件信息[5]。

元數據主要指的就是數據中包含的信息，可以對具體的資源對象進行描述，同時可以對其位置進行確定，統一進行管理，對發現和獲取數據提供重要的幫助。元數據的功能非常多元化，在進行數據描述時也可以對文檔的屬性進行涵蓋。

所以，在進行組織與管理方案設計時，可以將文件目錄結構分為不同的層次，對原始數據進行統一的管理和組織;利用元數據的信息優勢，減少用戶的分析時間，提高原始數據的利用效率;采用成熟的關系數據庫技術對元數據信息進行管理。

二、科學計算可視化數據管理系統的研究與實現

在實踐研究的基礎上，結合用戶的實際需要，設計了面向科學計算可視化的數據管理系統。通過該系統可以對數據進行統一的分類和儲存，并對數據進行實時的追蹤，使可視化管理系統的功能更加多元，方便用戶的隨時查找，使用戶通過流感器就可以完成數據的整體性操作。系統可以自主升級和延伸，界面簡潔，操作性極強。

（一）系統組成與結構

系統可以分為應用層、數據管理層等。應用層主要就是通過瀏覽器為用戶提供系統所需要的多種接口。采用針對性的服務模式，將用戶的所有請求都由后臺進行統一的處理，同時可以在最短的時間內以頁面的形式向用戶反饋信息，用戶請求主要包括記錄和更新軟件信息等，同時也可以對以往的數據進行針對性的額查詢，功能非常齊全。

數據管理層包括用戶管理和應用代理共同組成。用戶管理模塊可以對用戶的信息進行統一的管理，為用戶提供注冊、認證等多種服務。

應用代理模塊是系統的核心組成，可以對數據進行管理和組織。其中，可視元數據可以自動提取數據，并進行全方位的跟蹤。

數據層可以是用戶數據、應用數據等數據的重要載體，可以及時保存用戶的信息，對程序進行模擬，為用戶提供查詢、分析方面的便利。

（二）系統實現

1.應用代理

應用代理可以分為數據管理和可視元數據提取兩種功能，其中可視元數據可以數據進行自動化的提取，并對整個過程進行全方位的跟蹤。系統屬于B/S模式，為了滿足多個用戶的同時需要，需要使用多線程的方法進行實現。為每個用戶的工程創建相關線程進行科學計算可視化處理，并且互相之間不會產生影響，此方法是該程序中最為重要的方法。

2.數據庫設計

數據庫包括用戶數據和應用數據等多個部分，也是本系統數據層中最為關鍵的部分。用戶數據庫包括用戶名和登錄信息等。在該系統中采用文件結合數據庫系統的方法對數據進行統一的管理。在進行管理時需要將數據以文件的形式進行存儲，再以表的形式對位置等信息進行繪制，使其可以妥善存儲于數據庫中，使數據庫的信息管理功能可以充分發揮。針對數據縮略圖片信息，可以獨立在制定目錄下進行存儲。

為了在數據服務器上集合數據庫，在進行實現時，需要在同一個庫中包含三種數據庫，并為此設計了七個數據庫表單，包含項目管理表和變量管理表等。

結論

綜上所述，隨著科學技術的不斷創新，計算機數據和數量等都已經發生了較大的變化，進行統一的管理和操作已經顯得非常必要，所以進行可視化技術研究已經成為計算機領域的主要研究內容。

參考文獻

[1] 王蓓蓓. 科學計算可視化數據管理系統的研究與實現[D].國防科學技術大學，2017.

[2] 付曉靜，張曉斌. 大數據時代的體育新聞報道——以巴西世界杯報道中的可視化數據新聞為例[J]. 青年記者，2018，03（09）：146-147.

[3] 楊佳，梁永平. 創新型可視化數據服務——上海圖書館的實踐[J]. 圖書館雜志，2018，34（02）：111-117.

[4] 殷敬淇. 可視化數據新聞實踐路徑探索——以財新數據可視化實驗室為例[J]. 新聞傳播，2017，03（09）：110-111.

[5] 解夢茹. 可視化數據新聞實踐探析——以財新傳媒為例[J]. 傳播與版權，2017，02（08）：122-124.