过程工业当前存在能耗物耗高、产品附加值低、放大周期长等问题，其面临挑战背后的科学问题集中于介尺度上。介科学是探索介尺度共性原理的一门科学，基于介尺度科学的虚拟过程工程（Virtual Process Engineering，VPE）的目标是实现过程工业装置内流体流动与传递过程的三维高精度、高分辨率的实时模拟，为流程装置的在线运行控制、优化设计、故障诊断与事前预测以及操作人员的岗前培训等提供一种新的手段。VPE 1.0以循环流化床实验装置为研究对象，提供了二维离线模拟结果的简单交互和有限的数据图表功能，但是缺少大规模在线实时模拟结果的实时截面、虚拟测量以及不同模拟算例的对比和分析等功能。同时，随着虚拟现实技术的发展，虚拟现实在科研教学、医疗健康和工业制造等众多领域被广泛运用，但具体到过程工程领域，目前国内外少有直接将虚拟现实技术应用于过程工业模拟数据的研究。针对当前虚拟过程工程前端系统存在的不足之处，本论文在本研究部提出的虚拟过程工程基础研究开发平台的总体框架下，对平台中的虚拟过程工程前端系统这一重要组成部分进行研究和实现。本论文首先借助用例图和数据流图对前端系统进行需求分析，接着对前端系统的用户界面、功能模块与交互协议进行了设计。针对前端系统实时模拟结果的交互性需求，本文设计了基于JSON的可扩展VPE交互协议用于前端系统与数据服务器系统进行指令参数交换，相机视角转换、流场属性切换、实时截面、虚拟测量和算例切换等前端交互操作都被编码为统一描述的VPE交互参数，并通过Socket传输给数据服务器系统。通过对传输原始数据、图像和传输多张图像在本地进行三维重构几种远程可视化方式进行分析和研究，提出和实现了一种基于RGB-D图像的交互渲染算法，该算法通过在传输RGB图像的基础上增加对应的深度图，避免了传输原始数据的网络I/O瓶颈，也解决了仅传输图像丢失深度信息的问题，同时较三维重构方式降低了对前端硬件性能的要求。该算法较好地解决了前端系统实时可视化以及截面与虚拟测量等实时交互分析的需求，再结合参数配置和VPE交互协议可将前端系统应用到不同规模和不同类型的化工工艺模拟流程。为了方便用户在前端系统中对不同模拟算例进行比较和分析，本论文设计了模拟算例数据库对算例的数据源路径、初始相机参数、流场属性列表、包围盒以及算例描述信息等元数据进行管理。另外，前端系统实现RESTful数据服务接口用于获取算例数据，提高了系统的可扩展性以及降低了前端系统与算例数据库表内部实现细节的耦合。在上述研究的基础上，以高精度实时模拟数据和历史数据为基础，本论文实现了基于工作站的前端系统，主要功能包括视角转换、颗粒/流场显示模式切换、流场属性切换、实时截面、虚拟测量、时序图表和算例切换等。在基于工作站的前端系统研究基础上，本文进一步结合具有交互性、沉浸性和构想性特点的虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术，利用虚幻引擎和个人虚拟现实设备，对前端系统的虚拟现实交互可视化技术进行研究，初步实现了沉浸式环境下的工艺流程三维漫游、设备三维信息展示、模拟数据与工艺设备耦合渲染以及设备内构件透视观察等虚拟现实交互功能。本论文将虚拟过程工程前端系统的研究成果在甲醇制烯烃（Methanol to Olefins，MTO）和多产异构烷烃的催化裂化（Maximizing Iso-paraffins Process，MIP）生产工艺流程中进行了应用，虚拟过程工程前端系统可以在修改相应配置的情况下较好地适用于不同规模和不同类型的化工工艺模拟流程，说明实现的前端系统具有良好的通用性和可扩展性。