Abstract

Abstract

Рассматривается создание визуального конструктора схем на примере электроэнергетических систем. Описывается архитектура данной библиотеки, и даются рекомендуемые к использованию библиотеки для языка Java.

Full Text

В программно-моделирующих комплексах электроэнергетических систем с произвольной структурой требуется визуальное создание схем этих систем из отдельных ее элементов (генераторов, двигателей, трансформаторов, нагрузок, газотурбинных установок, и т.д.). Все операции по созданию схемы удобно выполнять посредством манипулятора мыши и клавиатуры. К таким операциям, например, относятся: создание и удаление элементов, их соединение и редактирование параметров. Также в больших схемах отдельные логические блоки из набора элементов удобно отделять в подсистемы – специальные контейнеры с внутренней схемой, что прибавляет задач по взаимосвязи этих схем. Для реализации такого конструктора схем необходимо написание специальной библиотеки, назовем ее проект-схемой. Проект-схема должна выполнять функции по хранению элементов, модификации структуры схемы, ее визуальному отображению и управлению событиями манипулятора мыши на визуальных панелях отображения схем. Реализация конструктора схем Реализуем библиотеку проект-схемы на языке программирования Java. И представим ее модель в виде диаграммы классов UML (рисунок). Отобразим на диаграмме лишь основные классы, атрибуты и методы. Рис. Диаграмма классов UML-библиотеки проекта-схемы Хранение схемы. Хранение проекта-схемы представляется иерархически в объектах нескольких классов. ChartProject, ChartEditor, Chart, ChartElement. Объект класса ChartProject хранит всю иерархическую структуру проекта со схемами, элементами и соединениями между элементами. Но фактически объект данного класса хранит в себе лишь название проекта, идентификационный номер и ссылку на объект класса ChartEditor. Объект класса ChartEditor управляет всеми схемами проекта. А именно: присваивает уникальные идентификаторы; создает и удаляет схемы; предоставляет доступ к схемам. Управление элементами осуществляет объект класса Chart, который хранит элементы, присваивая им уникальные идентификаторы, создает и удаляет. Создание элементов осуществляется по типу. Тип элементов содержит все необходимые параметры для создания элемента и реализован в классе ElementType. Основные параметры типа – это класс элемента и математическая модель. Сами элементы могут инициализироваться посредством вспомогательных классов и динамической загрузки с использованием пакета java.reflection [1]. Также объект класса Chart выполняет функцию соединения двух элементов. Соединение выполняется между двумя контактами первого и второго элемента (см. ниже). Сами элементы схемы удобно выполнить по модели MVC (model-view-controller). Контроллером в данном случае является класс ElementChart, моделью отображения – класс ViewElementModel, а отображением – ViewElementIcon. Хранение соединений осуществляется в самом элементе в виде списка. При этом у элемента существуют контакты класса Contact, которые и служат для соединения. Контакт содержит информацию о состоянии соединения, своих координатах, направлении вывода и другую информацию. При соединении контакт для инкапсуляции может выдавать специальный объект ConnectPoint, хранящий всегда актуальные координаты контакта и уведомляющий об их изменениях. Для отделения частей схемы в независимые блоки предназначены подсистемы (класс SubSystem) – элемент схемы, имеющий внутри себя схему. Связь внешней схемы (в которой лежит подсистема) с внутренней осуществляется посредством контактов подсистемы и выводов (класс Output). Вывод – элемент схемы, ассоциированный с конкретным контактом подсистемы и лежащий в ее внутренней схеме. Отображение схемы. Отображение схемы с ее элементами выполняется посредством трех компонентов: ChartPresent, ChartPanel и ViewElementIcon, в которой объект класса ChartPresent управляет размещением иконок элементов схемы в контейнере. Если необходимо перейти в схему подсистемы или подняться на уровень выше, обращение происходит именно к ChartPresent. Объект данного класса привязан к конкретному контейнеру ChartPanel и может, например, дополнительно хранить активные элементы данного контейнера. Объект класса ChartPanel, как было сказано, является контейнером, который управляет отображением иконок элементов схемы. Данный класс может быть создан на основе компонента JPanel библиотеки Swing [1, 2]. Сами иконки можно выполнить посредством интерфейса (IViewIcon), оставив его реализацию за элементами схемы. Элементы же позволяют создавать данные иконки для каждого контейнера, которые отображают схему с данным элементом. Если присутствует необходимость представлять элементы различными картинками, то более легковесными решениями будет использование формата векторной графики SVG, либо использование своего облегченного векторного формата. Для обеспечения первого варианта существует, к примеру, библиотека Batik SVG Toolkit [3], которая имеет в своем составе необходимые компоненты для отображения данного формата. Но компоненты данной библиотеки не имеют свойства прозрачности. Поэтому если присутствует необходимость выполнять какое-либо отображение элемента за его пределами, например контактов, то лучше иконки выполнить двумя компонентами: внешним прозрачным на основе библиотеки Swing и внутренним – библиотеки Batik SVG Toolkit. Также следует быть внимательным с форматом отображаемой SVG картинки, не каждый формат правильно распознается библиотекой. Отображение соединений между элементами осуществляется проводником, причем проводник должен проводиться по кратчайшему возможному маршруту между двумя элементами (см. ниже). Иконка соединения при этом должна выкладывать в контейнер набор небольших компонентов, следующих по маршруту соединения, а при удалении соединения – убирать из контейнера. Следовательно, в случае иконки на основе компонента JComponent: addAncestorListener(new AncestorListener () { @Override public void ancestorAdded(AncestorEvent event) { addLineIcons(); } @Override public void ancestorRemoved(AncestorEvent event) { removeLineIcons(); } }); Метод addLineIcons добавляет набор компонентов маршрута соединения, а метод removeLineIcons – удаляет. При этом набор этих компонентов должен уведомлять главную иконку соединения о событиях мыши. Построение маршрутов соединительных линий. Для создания структуры схемы элементы необходимо соединять между собой, а отображать данные соединения – проводником между соединенными элементами. При этом маршрут этих соединений должен строиться автоматически, по кратчайшему пути. Данная функция может быть поручена отдельному классу Field. Данный класс хранит в двумерном массиве занятые элементами ячейки и строит оптимальные маршруты соединительных линий между этими элементами. Двумерный массив удобнее представить хэш-таблицей, вложенной в другую хэш-таблицу (Map<Integer, Map<Integer, Integer>>). Тогда не придется изменять размер массива и заново его формировать при увеличении схемы. Тогда двумерных массивов должно быть три. Первый, как было изложено, для хранения занятых элементами ячеек, второй – для поиска оптимального текущего маршрута между двумя заданными точками, что может быть выполнено, например, посредством волнового алгоритма, и третий – для хранения маршрутов соединительных линий. Данный массив нужен в тех случаях, когда необходимо при пересечении одной линией другую графически отображать обрывом ее в месте пересечения. При этом алгоритм построения маршрутов с обрывами будет следующим. В массив заносится первая соединительная линия без изменений. Все остальные заносятся поочередно, отмечая, где каждой из них необходимо совершить обрыв. Сами найденные маршруты хранятся в линиях (элемент схемы), в виде списка (List<Dimension>). В списке маршрута помимо двух крайних точек отмечаются только точки в местах изгиба маршрута, а обрывы, например, точкой (–1; –1). События пользовательского интерфейса. Для конструирования схем с элементами необходимо выполнение различных событий посредством манипулятора мыши. Это создание и удаление элементов, копирование и перемещение, соединение элементов между собой, выделение/сброс активного элемента или группы элементов. Помимо этого могут быть следующие события: открытие всплывающих меню элементов с набором функций, создание контактов у подсистем и шин для соединения с другими элементами, изменение размеров элементов и т.д. Причем данные события можно разделить на два типа. События, которые начинаются и заканчиваются мгновенно в ответ на действия мыши. Например, такие как выделение и сброс выделения активного элемента; открытие подсистемы. Второй тип – это события, выполнение которых делится на несколько этапов с помощью манипулятора мыши: от нажатия клавиши на мыши и перемещения при нажатой клавише до ее отпускания. Это соединение элементов, создание элементов, выделение групп элементов, перемещение элемента или группы элементов, открытие-закрытие всплывающих меню, создание/удаление контактов, изменение размеров элемента. Такие события назовем сложными. Для исключения конфликта между событиями во время выполнения одного из сложных необходимо создание блокировки на все остальные. В данном случае уместным будет создание класса ControlPanelEvents, объект которого будет управлять выполнением всех загруженных в него правил обработки событий на всех панелях с элементами, т.е. события со всех панелей направляются в объект данного класса с целью обработки. Это позволит выполнять операции между панелями, например, копирование и перемещение элементов. Загрузку правил обработки событий удобно выполнять посредством специальных интерфейсов. Для загрузки сложного события служат два интерфейса: слушателя этапов события (IEventListener) и обработки этих этапов (IEventAction). Первый интерфейс определяет моменты начала события, переходов между этапами сложного события (начальный, рабочий и конечный этапы) и отмену события, второй интерфейс – обработку всех этапов. Для загрузки элементарного события служит интерфейс IElementaryEvent, который определяет два метода: метод, определяющий начало события и метод, определяющий его обработку. Итак, все сообщения о событиях, возникающих на панелях с элементами, будут направляться в ControlPanelEvents, где будут обрабатываться нужным образом. Причем удобно модифицировать стандартные сообщения о событиях MouseEvent библиотеки java.awt.event и внести информацию о месте события (элемент, пустое место контейнера, ресайзер элемента, контакт элемента), контейнере, контакте элемента. Таким образом, сообщение о событии будет иметь все необходимые данные для его быстрой обработки. Интерфейс IViewDataElement в объекте класса WorkingEventSpace используется для отображения активного элемента схемы и имеет два метода view(ChartElement element) и hide(). Сюда может быть интегрирована работа с визуальным редактором свойств элемента [4]. Использование библиотеки проекта-схемы для расчета схем электроэнергетических систем. Для расчета схем электроэнергетической системы необходимо, во-первых, закрепить за ее элементами электрические модели. Сделать это гибче можно в отдельном модуле. Модель же электроэнергетической системы может быть построена при использовании векторно-матричного подхода и принципа структурного моделирования [5]. Таким образом, библиотека проекта-схемы может использоваться как графическое представление схемы, и интерактивная работа с ней осуществляется посредством манипулятора мыши. Также можно выполнить данную библиотеку универсально и использовать ее не только для построения электроэнергетических схем, но и различных диаграмм и блок-схем, где требуется соединение между элементами.