工业软件基础与架构 / Industrial Software Fundamentals and Architecture

本模块先回答“工业软件解决什么问题”，再沿数据流拆解 CAD/CAE 平台，而不是从界面或某个商业产品入手。

基础架构的核心问题是如何让同一份工程语义安全地穿过多个表示。设计人员操作几何和参数，网格器生成离散拓扑，求解器消费矩阵或控制体，后处理读取场数据；如果模块只交换裸数组而没有单位、坐标系、实体身份和版本，错误就会在边界处悄悄扩散。

1. 领域模型是架构起点

工业软件首先描述领域对象，而不是按钮和数据库表。

典型对象包括：

• 几何体与拓扑实体；
• 网格节点、单元和集合；
• 材料与属性；
• 载荷、约束和工况；
• 分析步和求解配置；
• 场变量和历史结果；
• 文档版本和派生缓存。

每种对象需要定义身份、所有权、生命周期和不变量。

Domain Object
├─ stable identity
├─ semantic attributes
├─ ownership
├─ revision
├─ validation rules
└─ references to other objects

如果对象只有数组下标作为身份，插入、删除和重排后引用会失效。 稳定 ID 用于跨模块、保存、撤销和后台任务关联。

2. 源数据与派生数据

源数据表达用户或外部系统确认的事实。 派生数据可以从源数据和算法重新生成。

常见派生数据包括：

• 空间索引；
• 邻接表；
• 网格质量指标；
• 求解矩阵；
• 后处理统计；
• 渲染 Buffer；
• 缩略图；
• 搜索索引。

source revision
  -> algorithm version + parameters
  -> derived artifact

派生对象必须记录输入版本。 上游变化后，应失效或重新生成，不能继续冒充当前状态。

缓存丢失不应破坏工程文件。 如果一个对象无法重建，它就不只是缓存，需要进入正式数据模型。

3. 单位、坐标系与精度

数值缺少单位和坐标系时没有完整工程含义。

字段至少需要：

• 物理量类型；
• 单位；
• 坐标系；
• 分量顺序；
• 标量精度；
• 位置；
• 时间或分析步。

单位转换应发生在明确边界，并记录来源。 不能由界面显示字符串暗示内部单位。

局部坐标系需要原点、基向量和手性。 转换前要检查基向量是否有效、正交和可逆。

浮点比较使用领域容差。 容差不能在各模块中散落硬编码。

4. 文档与事务

Document 是工程状态的权威所有者。 View 只展示状态并发送用户意图。

User Intent
  -> Command validation
  -> transactional model change
  -> revision increment
  -> change notification
  -> derived views rebuild

Command 封装一次可理解的业务操作。 它保存执行和撤销所需的数据，而不是直接保存临时 UI 对象。

事务保证修改全部成功或完全不生效。 导入或参数化建模失败时，不能留下半个 Part 或部分集合。

Dirty 状态绑定具体 Document revision。 后台保存旧 revision 成功，不能清除用户后续编辑产生的 dirty。

5. 文件读取

读取流程应先构造候选文档，成功后再切换当前文档。

open file
  -> bounded parse
  -> schema migration
  -> semantic validation
  -> build candidate Document
  -> commit as current Document

解析器防御：

• 超大数量；
• 整数溢出；
• 越界索引；
• 循环引用；
• 过深递归；
• 压缩炸弹；
• 非法编码；
• 截断数据。

错误应包含文件位置、对象 ID、字段和原因。 只返回“打开失败”会让用户和开发者都无法行动。

6. 文件保存

可靠保存使用临时文件和原子替换。

serialize revision N
  -> temporary file
  -> flush and validate
  -> atomic replace
  -> confirm revision N saved

磁盘写满、权限失败或进程崩溃时，旧文件应保持可用。

格式需要 Schema 版本和迁移策略。 未知扩展数据应按协议保留或明确拒绝，不能静默丢失。

7. 长任务架构

导入、网格、求解和结果处理必须离开 GUI 主线程。

任务输入在启动时形成不可变快照，并携带 Document ID 和 revision。

submit task(revision N)
  -> queued
  -> running
  -> progress / checkpoint
  -> candidate result
  -> revision check
  -> commit or reject

任务状态包括排队、运行、取消中、成功、失败和已取消。

取消是协作式协议。 任务在安全点检查请求并释放资源，不能粗暴终止线程。

关闭文档时先禁止新任务，再取消、等待和销毁。 第三方代码仍在运行时卸载模块会产生悬空代码引用。

8. GUI 与领域模型

GUI 控件不是领域数据所有者。 属性面板编辑的是 Command 草稿，确认后才进入 Document 事务。

Model/View 适合大表格和树。 View 通过索引访问 Model，不能复制百万行到独立 Widget 对象。

Selection 应使用稳定领域 ID。 排序、过滤或模型重置后，临时行号不能继续代表同一实体。

后台结果通过队列回到 GUI 线程提交。 Worker 不能直接访问 QWidget 或渲染 Context。

9. 渲染资源

Scene 和 GPU 资源是 Document 的派生表示。

Document revision
  -> Scene generation
  -> CPU render data
  -> GPU buffers and textures
  -> frame

后台生成完成时检查 Scene generation。 旧场景结果不能覆盖用户已经切换的新文档或新显示模式。

GPU 资源通常必须在拥有 Context 的线程创建和释放。 关闭顺序需要先停止上传和绘制，再释放 Buffer，最后销毁 Context。

设备丢失后应能从 Document 重建场景。

10. 插件边界

插件适合独立格式、算法、求解器和后处理能力。 宿主与插件之间需要稳定接口和版本协商。

边界必须说明：

• ABI 和调用约定；
• 对象所有权；
• 字符串和容器编码；
• 错误传播；
• 线程与回调；
• 注册和卸载；
• 权限和隔离；
• 项目私有数据迁移。

领域数据由宿主持有。 插件卸载后不能留下函数指针、虚对象或活动任务。

11. Verification 与 Validation

Verification 检查软件是否正确实现模型和算法。 Validation 检查模型是否代表真实问题。

Verification 证据包括：

• 单元与属性测试；
• 解析解和制造解；
• 网格收敛；
• 守恒与残差；
• 串并行对照；
• 可信软件比较；
• Checkpoint 重启一致性。

Validation 需要实验、现场数据、适用域和不确定性。 求解器报告收敛不能替代 Validation。

12. 性能与规模

性能从数据流和端到端目标分析。

需要分项测量：

• 文件解析；
• 几何与网格；
• 组装与求解；
• 结果读取；
• CPU/GPU 数据上传；
• 交互帧时间；
• 保存与恢复；
• 峰值内存。

减少数据移动通常比微调少量算术指令更稳定。 局部加速必须回到完整工作流验证。

13. 测试分层

基础架构应具备：

1. 领域规则单元测试；
2. 文件格式往返测试；
3. 坏文件与边界测试；
4. 文档事务和撤销测试；
5. 任务取消和关闭测试；
6. 插件兼容测试；
7. 数值 Verification；
8. 大规模性能基准；
9. 部署升级与回滚测试；
10. 真实工程端到端测试。

测试产物记录软件、数据和环境版本。

文章地图

1. 什么是工业软件
2. CAD 与几何建模基础
3. CAE 与仿真基础
4. 前处理与后处理
5. 求解器基础
6. 主流工业软件与产品边界
7. 几何、网格与结果文件格式
8. 工业软件技术栈
9. 工业软件总体架构
10. 课程项目架构设计
11. 基础 FEA 软件架构

核心数据链

几何拓扑
  → 网格与集合
  → 材料 / 属性 / 载荷 / 约束
  → 求解输入与运行状态
  → 节点场 / 单元场 / 历史曲线
  → 可视化对象与报告

每个环节都要同时考虑单位、坐标系、标识稳定性、版本兼容和错误诊断。工业软件的大量复杂度来自数据语义跨模块流动，而不只是数值算法本身。

数据对象与派生关系

参数与几何拓扑
   -> 网格策略 -> Mesh revision
   -> 工况映射 -> Analysis Model revision
   -> 求解输入 -> Result revision
   -> 表示缓存 -> Scene generation

箭头后的对象通常是派生数据。上游变化后，下游不能继续被当作最新结果：几何面被删除时，绑定其上的压力载荷需要报告悬空引用；网格变化时，旧节点场不能按数组下标直接套用；模型已经编辑到 revision 8 时，后台 revision 7 的求解结果不能覆盖当前文档。显式版本和稳定领域 ID 是正确提交的基础。

模块边界应传递语义

文件格式模块负责语法、版本迁移和诊断，不应决定求解流程。文档模型拥有工程状态和撤销事务，视图只观察并发出用户意图。网格与求解 Kernel 适合使用紧凑 POD 数据，不应为百万节点创建 QObject。后处理维护字段位置、分量、精度和时间步，而不是只保存一块无类型浮点数组。

长任务通过任务服务或 Worker 执行，输入应在启动时形成不可变快照。取消是协作协议：任务在安全点检查停止请求、释放临时资源并报告终态。强行终止线程可能破坏文件、锁和第三方库状态。

从原型走向产品

原型可以把导入、计算和显示写在一个函数中，产品则需要应对坏文件、版本升级、超大模型、插件异常、磁盘不足和设备丢失。保存操作应先写临时文件、刷新并原子替换，失败时保留旧文件和 dirty 状态；加载操作应先校验并建立新文档，成功后再替换当前文档。

架构评审时应沿一条真实工作流追踪对象出生、所有权、版本和失败恢复，而不是只检查类图是否分层。能够回答“这个对象何时失效、谁能修改、后台结果如何提交”，才说明边界真正可执行。

完成标准

• 能解释 CAD、CAE、CAM、PLM 的职责边界；
• 能描述一次仿真的前处理—求解—后处理链路；
• 能区分几何、网格、模型、工况和结果数据；
• 能为模块选择稳定的数据接口和文件格式；
• 能画出桌面端、服务层、任务系统、求解器和存储的边界。

完成标准还包括：能为一次失败导入或取消求解描述恢复路径，能区分源数据和缓存，能说明 V&V 证据如何关联到软件版本与输入模型。