给排水工程CAD及可视化技术读书笔记—、AutoCAD 概述从1964年计算机问世至今，它的发展十分迅猛，以至于改变了我们这个时 代的生活方式一一使人类文明进入了信息时代计算机是因为军事上计算弹道的 需要被开发出来的，随后，它被应用于机械、航空、汽车制造等行业目前，它 已渗透到金融、文化、教育、工程、管理等领域计算机的发展过程也是新技术 不断产生并得到发展的过程CAD（Computer Aided Design）技术，即计算机辅 助设计技术，就是这样产生和发展起来的技术之一近年来，计算机的普及和性 能的提高，使CAD技术得到了推广应用 1、CAD的概念CAD集计算机强有力的计算功能、高效率的图形处理能力和先进的产品设 计理论与方法为一体，最大限度地实现设计工作中的“自动化”它是综合了计 算机科学与工程设计方法的最新发展而形成的一门新兴学科，已在产品设计、工 程设计中广泛应用任何一项工程设计，虽然最终的表现是工程语言一一图样资 料，但不能因此而认为工程设计就是画图，同样也不能认为计算机辅助设计就是 用计算机绘图当然，绘图的确是设计中工作量极大的一部分，“计算机绘图” 也是CAD技术的重要组成部分之一，但CAD更是一种先进的设计方法，它包 含设计过程中的各个环节，完整的CAD系统包含分析计算、工程数据库管理和 图形处理三个部分。
CAD技术是人用计算机及其外围设备做工程和产品设计但是，计算机没 有自我学习能力、没有创造性，必须由人告诉它如何工作从构造设计逻辑、信 息处理、修改和分析这四个方面来看，人和计算机各有优势，只有把人的直观处 理、经验继承能力、创造能力和计算机高速度、大容量、正确的处理能力结合起 来，才会产生好的效益从运用CAD系统进行设计的大量实践证明，CAD与手工设计相比有以下明显的 优点：（1） 缩短了设计周期由于计算机处理速度快，信息可以共享复制，因此大大地提高了设计效率， 缩短了设计工期，意味着可以产生一个以上的设计方案，以便进行方案比较，选 出最佳设计方案，从而更好地达到预期的目的CAD仿真分析技术可以节省模 型测试和开发阶段的大量时间和经费，缩短设计周期2） 提高设计能力使用专业CAD软件如天正给水排水设计软件，可以使设计者摆脱传统复杂 分工计算的束缚，进行优化设计，从而提高设计能力，减少了设计人员，降低了 费用和设计成本3） 提高设计质量CAD系统的应用可以使设计人员从绘图、查表等重复劳动中解放出来，只 需输入一些有关设计初始条件的数据，由计算机调用计算分析程序进行分析计 算，就可以得到设计结果，同时用图形输出设备快速、准确、清晰地绘制出各种 图形，便于校核和修改，从而有效地防止了手工绘图过程中尺寸标注错误、不同 图样在表达同一构件时的不一致性等错误的产生，提高了设计质量。
4）有利于工程的标注化、通用化使用CAD系统有利于产品的标准化、通用化，从而加速产品的开发和投产 过程2、 CAD的发展历程计算机技术出现在20世纪50年代初，由美国麻省理工学院研制的第一台用 APT语言加工的数控铣床为代表，APT语言可用来定义零件的几何元素，通过 数值型数据来控制机床刀具的移动利用这个原理，美国Gelcomp公司把刀具 用笔来代替，生产了世界上第一台平板式绘图仪20世纪60年代初，美国麻省理工学院林肯实验室开始对人机交互系统进行 研究，于1963年在美国联合计算机会议上发表了题为“Sketchpad： 一个人机通 讯的图形系统”博士论文，并研制了一个圆形系统根据这个系统，可以将键盘、 图形显示器以及光笔一起连接在大型计算机上，通过图形显示器上显示光标位 置，并用光笔移动光标的方式生成和识别图形这成为交互图形处理的原型，为 把计算机用于处理工程设计图形奠定了基础，同时也标志着CAD技术的诞生1964年，美国通用汽车公司推出了第一个实用的CAD系统——DAC-1系统， 并将它用于汽车设计，从而实现了 CAD技术在工程设计中的应用20世纪80年代是CAD技术得以普及和发展的重要阶段。
微型计算机产品 的面世，标志着计算机普及时代的到来CAD技术也更加成熟，二维、三维图 形处理技术、真实感图形处理技术、结构分析与计算技术、模拟仿真、动态景观、 科学计算可视化等方面都已进入实用阶段20世纪90年代，微型计算机系统性能已相当成熟，基于微机的CAD系统 越来越多，它们价格低廉，普及迅速，应用更加广泛，CAD技术标准化体系进 一步扩充，新标准不断完善，智能化研究成为热门课题3、 CAD的发展趋势在基础理论方面，新的建模技术与绘制技术仍然是主要研究方向，网络技术 将进一步深化，从而引发出并行设计等一系列变化利用网络技术、分布式操作 系统、分布式数据库等技术，使各工作阶段间的数据资源、硬件资源可以共享， 大大减少了 CAD系统的投资成本未来一段时期内，三维图形处理技术将会得到普及，传统的产品设计制造过 程将会逐渐淘汰科学计算、可视化、虚拟设计、虚拟制造技术的研究进一步深 化，其应用则会逐渐被广大企业接受未来的CAD系统将向专家系统与智能CAD 方向发展将人工智能技术和专家系统技术应用于CAD系统中，提高CAD系 统的只能化水平和专业化水平，更加准确、搞笑地协助设计人员进行产品设计。
AutoCAD的基本功能AutoCAD是美国Autodesk公司推出的一套通用二维和三维CAD图形软件 系统，分为单机版和网络版他是当今世界上最为流行的计算机辅助设计软件， 也是我国目前应用最广泛的图形软件之一利用AutoCAD进行工程设计，与传 统方法相比具有不可比拟的优势例如，AutoCAD的存储功能让设计师告别了 图纸时代AutoCAD使设计图形的管理更为方便，且图形不易污损，占用空间 小；AutoCAD强大的绘图功能大大减轻了设计人员的工作量；AutoCAD的修改 功能克服了人工改图产生的凌乱和不统一状况；新增的Internet功能使图形的传 输更加方便快捷，便于不同设计人员和单位的互相交流因此，利用AutoCAD 进行工程设计可以节约设计成本、减少设计人员的工作量、提高设计质量和效率， 缩短设计周期1） 丰富的交互功能（2） 绘图功能（3） 图形编辑功能（4） 显示功能（5） 标注尺寸功能（6） 二次开发功能（7） 打印图样三、CAD技术在市政给排水工程中的应用1、 应用现状CAD的应用是在20世纪70年代迅速发展起来的，由于它具有高速度、高 精度和高效率等优点，过去的30多年里，CAD在很多领域你的应用都取得了丰 硕的成果。
由于种种原因，国内给排水工程技术起步稍晚，80年代末才有 单位开始尝试进行给排水CAD软件的开发起初多是图块和小型实用程序，与 其他学科比较，在深度和广度上都存在着差距进入90年代后，给排水CAD 软件的开发步伐开始加快1994年底全国给排水学会和给排水技术情报网组织 召开的“计算机技术在给排水专业应用研讨会”，对给排水CAD软件的开发起 了积极的促进作用，这也标志着我国给排水CAD技术蓬勃发展的开始2、 发展趋势（1） 标准化目前各家市政给排水工程CAD软件专业图库互不兼容、不能相互调用，标 准化程度还很低为此，必须逐步解决给排水专业设计手册、标准、典型设备、 通用管件及新产品的电子化工作当务之急是政府标准化部门制定电子化专业标 准2） 集成化市政给排水工程设计经常需要同道路、煤气、供电、通讯等其他相关专业相 互配合、相互协调，其设计工作是多专业见的串行作业过程如果各专业协调不 好，可能由于专业间的相互矛盾，造成设计出现反复，是设计进度拖后、成本增 加CAD软件集成化后，可以把设计过程中个专业之间的配合工序进行统筹安 排，将设计中的各个串行过程尽可能多地转变为并行过程，这样就可以缩短设计 周期，提高设计质量。
所以说，集成化是市政给排水工程CAD软件的一个必然 发展趋势3） 网络化网络技术是计算机技术和通讯技术相互渗透、密切结合的产物，在计算机应 用和信息传输中起着越来越重要的作用在计算机辅助设计中引入网络技术是 CAD技术的一大飞跃传统的市政给排水工程CAD设计过程中，工程师需要结 合工程实际，做大量的分析计算，确定各系统的规模；对于一个复杂的工程，需 要查阅大量的资料，参考已设计的工程，还要做调研，到专家那去咨询；对于特 殊的部分，要委托专业设计人员设计；图纸完成后，还要逐级进行审查融入网 络技术后的CAD，我们可称之为网络辅助设计（NETCAD），NETCAD可以支 持设计群体成员交流设计思想、讨论设计结果、从而及时发现成员间接口的矛盾 和冲突，以便加以协调和解决，减少以至避免设计的反复，提高设计工作的效率 和质量4） 智能化CAD作为一种高级的辅助设计工具，主要应用于设计计算和绘图方面，而 面对市政给水和污（废）水处理的工艺流程与构筑物形式等方面的选择或分析却 显得无能为力其主要原因在于这届问题的解决并不仅仅依赖于某些算法，而更 重要的是需要专家的经验和创作性思维，需要有专家的分析、判断、推理等。
为 了克服传统CAD的不足，人们开始研究把人工智能引入CAD系统中，提出智 能CAD的概念将本领域专家们的只是与经验运用人工智能技术，归纳成一些 规则，形成只是库，在利用推理机制，进行推理及判断，最终应用计算机处理后， 获得具有专家水平的设计结果这种将人工智能技术与CAD技术相结合，使CAD 系统智能化的计算机程序，称为专家系统专家系统能处理模糊信息，具有逻辑 推理功能，使CAD进行工程设计时考虑问题更全面、合理和精确；其解释功能 使CAD进行工程设计时具有较大的透明度；能够清晰的现实运算推理轨迹，解 答用户的疑问，因此，它使CAD工作时更易被人控制、理解和接受，所以，利 用计算机实现智能化辅助设计，是市政给排水工程CAD发展的又一必然趋势四、可视化技术可视化（Visualization）技术是利用计算机图形学和图像处理技术，将数据 转换成图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术它 涉及到计算机图形学、图像处理、计算机视觉、计算机辅助设计等多个领域，成 为研究数据表示、数据处理、决策分析等一系列问题的综合技术，包括科学计算 可视化和信息可视化可视化的方法有多种，分类原则也有多种。
有些方法只适用于数量场或矢量 场；有些方法则数量场和矢量场环境都适用有些方法只适用于线性空间，有些 方法适用于三维空间和高维空间，或者任何场合都适合常用表示方法有：1. 几何线条表示法用折线、曲线、网络线等几何线条表示数值的大小为了人们观察、理解， 通过实践或现场获取的数据，将这些数据从一个空间映射到另一个空间，如三维 图形通过透视变换映射成二维图像空间这种方法的优点是直观、准确，但反映 的信息有局限性其具体使用技术有；曲线表示技术、网格结构技术、粒子跟踪 技术、拓扑结构分析技术等应用实例如：(1) 等值线/等值面法表示地形、压力、温度、高度、速度、流线等2) 矢量化/符号化法表示矢量、梯度、风力等3) 纹影图/条纹干扰法表示变形、温度、磁力线变化等2. 色彩表示法用色彩或灰度来描述不同区域的数值的方法由于人们对色彩的接受能力更 强，根据人的视觉系统对彩色色度的感觉和亮度的敏感程度不同来描述数值特 性，这种方法的主要优点是直观、形象、醒目，主要用于反映表面或截面上的信 息其具体应用实例如：(1) 区域填充法表示云雨分布，医学CT图等2) 阴影图法表示几何形体的几何特性等3) 实物化法表示火山喷射温度、物体裂纹扩展特性等。
3. 多媒体表示法通过图形、图像、声音、动画等多媒体共同表示科学试验和工程设计中的 数据集，如用图像、声音(噪声)等表示航空发动机起飞、加力、巡航等不同工作 阶段的变化情况等按照模拟情况以及用户与可视化系统的关系，可视化研究分三个层次：(1) 后置处理(Post-processing)这一层次的可视化过程在数据完成计算之后才开始，用户与数据源之间没有交 互其优点是可以重复显示目前这一层次上的可视化工作最为常见，如流体力 学计算、有限元计算、气象分析计算等的后置处理2) 跟踪(Tracking)这一层次可视化过程与计算过程同时进行，随着计算的进行，计算的中间结果和 最终结果都可以及时地显示为便于查错和实时监视，可以具有一定的交互性， 对计算中的错误也可及早发现，一旦出现异常便可终止计算过程，用户使用效率 高，等待计算结果所需的时间少另外，由于图像直接从数据中产生，某些情况 下数据无需写人存储介质中，节约了存储容量和存取时间；但这一层次的数据有 可能仅在计算时才能得到3) 驾驭(Steering)这一层数据计算与可视化并发进行，通过修改计算过程中的参数，可直接对数据 模拟进行控制和引导，因而计算与可视化全过程是充分交互的。
为了实现较广范 围的驾驭，必须使用工具箱它包括扩展的交互技术及支持大型数据集的交互技 术、灵活的图像绘制功能、三维数据输人、公共单元的输出手段及动画功能、用 户接口等目前这一层次上的可视化系统还不多见，最成熟的软件是驾驭模拟可 视化系统可视化的方法虽然有多种，特点也各异，但关键技术基本可分为七个方面： （1）理论模型；（2）造型方法；（3）绘制方法；（4）感知性；（5）并行处理与分布处理； （6）系统的软、硬件；（7）标准化理论模型是可视化的核心，感知性是可视化系 统实现的目标，并行处理与分布处理是可视化系统的需要，系统的软、硬件是可 视化实现的手段，标准化是可视化发展的必然趋势。