信息技術在航空發(fā)動機設計體系集成平臺建設中的應用

時艷芳，徐華勝

信息技術在航空發(fā)動機設計體系集成平臺建設中的應用

時艷芳，徐華勝

(中國燃氣渦輪研究院，四川成都610500)

設計體系是航空發(fā)動機設計經(jīng)驗的總結歸納和深化結晶。其集成平臺的全面應用，將有助于科研工作的層次清晰化、設計協(xié)同化、管理規(guī)范化及質(zhì)量精細化，推進科研水平上升一個新的臺階。闡述了充分利用現(xiàn)代信息技術，融匯自主創(chuàng)新研制思路，以設計規(guī)范和數(shù)字化設計流程為依據(jù)，以專業(yè)技術設計軟件為基本元素，以工程數(shù)據(jù)庫為支持，利用集成技術建立支持多專業(yè)協(xié)同、信息共享的以數(shù)字化為特征的發(fā)動機設計體系，初步建造了一套融發(fā)動機設計、仿真、優(yōu)化等于一體的綜合集成平臺，為航空發(fā)動機設計體系建設奠定基礎。

航空發(fā)動機設計體系；集成平臺；設計協(xié)同；專業(yè)協(xié)同；信息共享

1 引言

航空發(fā)動機設計體系，是指經(jīng)過驗證的、可用于航空發(fā)動機工程設計和研究的、科學合理、系統(tǒng)配套的一系列設計方法、軟件、規(guī)范、準則、標準及數(shù)據(jù)庫的總和，是航空發(fā)動機設計經(jīng)驗的總結歸納和深化結晶，包含了與航空發(fā)動機設計有關的所有信息，涉及航空發(fā)動機設計的各個學科和專業(yè)，包括設計規(guī)范、設計軟件、工程數(shù)據(jù)庫和集成平臺4部分[1]。而信息集成技術是設計體系集成平臺建設的核心技術，它充分利用現(xiàn)代信息技術，將體系中的要素以規(guī)范的方式統(tǒng)一到信息系統(tǒng)中，形成一套可實現(xiàn)設計及管理流程的信息化平臺，包括了平臺框架設計、規(guī)范集成技術、軟件集成技術、數(shù)據(jù)管理技術及貫穿其中的流程集成技術。

國外航空強國均建立了完整的、成熟的、先進的航空發(fā)動機設計體系集成平臺，實現(xiàn)了航空發(fā)動機設計體系與專業(yè)設計人員技術經(jīng)驗的有機結合，最大程度減小了航空發(fā)動機設計質(zhì)量對專業(yè)設計人員個人技術水平的依賴。國內(nèi)盡管對航空發(fā)動機主要部件、系統(tǒng)、核心機及多項關鍵技術實施了多輪的研究、設計和試驗驗證，但所建立的設計體系與國外航空發(fā)動機設計強國相比，仍存在較大差距。且國內(nèi)設計體系集成度不高，大多以部件、系統(tǒng)進行單方面建設，僅初步搭建了航空發(fā)動機設計體系的整體框架，尚未達到實用地步，而工藝、制造、試驗等相關專業(yè)的延伸和關聯(lián)還僅在起步中。

中國燃氣渦輪研究院在“十五”、“十一五”期間，通過航空基礎技術驗證項目的支持，開展了系統(tǒng)的航空發(fā)動機設計體系建設工作，基本建成了自主的航空發(fā)動機設計體系。針對總體、壓氣機、燃燒室、渦輪、穩(wěn)定性、空氣系統(tǒng)及熱分析、結構強度等專業(yè)進行重點集成和驗證，基本建成專業(yè)設計子系統(tǒng)，并在集成平臺上初步集成了有代表性的設計軟件及規(guī)范，建立了相應的數(shù)據(jù)庫，積累了多個項目的設計數(shù)據(jù)及試驗數(shù)據(jù)，同時提供數(shù)據(jù)的處理分析功能。各設計子系統(tǒng)部分專業(yè)初步完成了工程驗證，達到《航空發(fā)動機設計體系考核評估方法》中提出的各項考核指標和要求[2]。

本文針對目前航空發(fā)動機設計體系建設應用中存在的問題，主要開展集成平臺的開發(fā)技術研究，重點研究平臺架構技術和軟件、規(guī)范、數(shù)據(jù)庫集成等各種信息化封裝技術，結合發(fā)動機設計數(shù)據(jù)特點，研究數(shù)據(jù)的追溯、關聯(lián)管理、動態(tài)建模等技術，實現(xiàn)對發(fā)動機設計數(shù)據(jù)的分類、集成、存儲和管理，以期為今后實現(xiàn)從任務管理、過程控制和結果管理的端到端的創(chuàng)新集成環(huán)境的設計體系建設打下基礎。

2 集成平臺框架設計

基于已有的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)開發(fā)經(jīng)驗，結合設計體系集成平臺的應用特點及需求，以Oracle數(shù)據(jù)庫為后臺，采用類B/S架構部署的Java富客戶端應用方式。運用Java web start技術，用戶訪問應用服務器獲取集成系統(tǒng)更新及小型計算設計軟件，在客戶端運行系統(tǒng)及各類計算設計軟件，集成系統(tǒng)直接與后臺數(shù)據(jù)庫交互數(shù)據(jù)。這種架構對于開發(fā)和應用都極具便利性，也節(jié)省建設、運行和維護成本：開發(fā)端僅需發(fā)布更新服務器端程序即可完成程序運行維護，而應用端也僅需Java運行環(huán)境即可通過網(wǎng)絡調(diào)用和使用集成系統(tǒng)(圖1)；數(shù)據(jù)庫信息均可通過瀏覽器查看，界面統(tǒng)一，更方便用戶訪問，且不需要為每臺客戶端安裝軟件。

圖1 結構框架Fig.1 Structure framework

3 信息集成分類說明[3]

對于設計體系集成平臺，通過各設計系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫共享方式初步實現(xiàn)多專業(yè)間的協(xié)同設計。各專業(yè)設計系統(tǒng)均集成相關的規(guī)范、軟件和數(shù)據(jù)庫，規(guī)范設計過程，實現(xiàn)設計系統(tǒng)與設計數(shù)據(jù)庫的關聯(lián)，以及與試驗數(shù)據(jù)庫的部分關聯(lián)，具備可視化功能，界面友好，具備擴展性并能按照不同方式分類。

(1)集成構成分類：按照物理構成可劃分為軟件、規(guī)范、數(shù)據(jù)庫三部分，并利用統(tǒng)一平臺集成。三要素通過流程貫穿于平臺始終，其中包括管理流程及設計流程兩類(圖2)。

圖2 體系元素Fig.2 Elements of system

(2)集成專業(yè)分類：按照專業(yè)構成可劃分為總體性能、總體結構、壓氣機、燃燒室、渦輪、穩(wěn)定性、強度等15個專業(yè)，各專業(yè)分別建立設計子系統(tǒng)，并通過數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)連通(圖3)。

(3)集成環(huán)境分類：按照平臺層次可劃分為設計平臺、集成平臺和數(shù)據(jù)庫平臺。其中設計平臺為各專業(yè)提供設計環(huán)境，集成平臺為各專業(yè)軟件、規(guī)范、流程提供集成環(huán)境，數(shù)據(jù)庫平臺為數(shù)據(jù)存儲管理提供環(huán)境(圖4)。

圖3 專業(yè)領域Fig.3 Specialized fields

圖4 系統(tǒng)環(huán)境Fig.4 Environment of system

4 信息技術應用

信息技術作為集成平臺建設的主要手段，在建設過程中不論是整體架構的設計、后臺數(shù)據(jù)庫管理，還是信息集成、流程管理，均采用了相關的信息技術。下面對幾項關鍵技術進行分析。

(1)流程集成技術[4]

設計體系中的各要素依靠流程進行貫穿，其中流程包括設計流程和管理流程，在集成設計過程中兩套流程深度融合。整個流程中包含任務分派、人員協(xié)調(diào)、資源調(diào)度、進度控制、審批、數(shù)據(jù)交換等。流程管理的主要功能包括流程的可視化定義、執(zhí)行、分解、指派、撤回、預提交、監(jiān)控、查詢與統(tǒng)計等。其中，在數(shù)據(jù)結構中設置流程名稱、流程說明、流程要素、流程階段等作為設計流程的管理字段，設置流程管理者、下發(fā)者、執(zhí)行者等作為管理流程的管理字段。按各專業(yè)各自歸納總結的設計流程需求，設計了相應的設計階段、模塊等，并固化到系統(tǒng)中。用戶僅能在已有的設計流程中完成設計工作，以此規(guī)范設計工作的正確性和完整性。

(2)軟件集成技術[5]

軟件作為集成平臺中唯一被控制中間執(zhí)行過程的要素，其集成方式可分幾類：一是商用軟件，目前對于商用軟件的封裝能力有限，暫時采用外部調(diào)用的方式實現(xiàn)集成；二是自行開發(fā)軟件，該類軟件可通過規(guī)范的編譯后作為執(zhí)行程序，通過Runtime.exec()方法創(chuàng)建一個本地進程，返回Process的子類實例，可用來控制進程和獲取信息(類Process提供了方法用來從進程輸入，輸出到進程，等待進程完成，檢查進程退出值和殺死進程)；三是對于一些計算方法等類似軟件的工具包，可采用前一方法進行集成。

在每個Java應用程序里，都有唯一的Runtime對象。應用程序通過該對象可與其運行環(huán)境相互作用。Runtime對象的作用，主要有執(zhí)行外部命令、返回空閑內(nèi)存、運行垃圾回收器和加載動態(tài)庫等。

(3)規(guī)范集成技術[6]

規(guī)范在集成平臺中作為指導性要素出現(xiàn)，按照其規(guī)模及性質(zhì)分為三種集成方式：一是以文檔幫助的形式直接出現(xiàn)于某階段的設計過程中，以整體指導及輔助教程的作用為主；二是以分條目提示的形式出現(xiàn)在流程設計中的不同環(huán)節(jié)，以具體環(huán)境、具體指導的作用為主；三是以約束條件的形式出現(xiàn)在每個設計步驟中，如對某參數(shù)的限定、對某分析值的判定等，對于超出規(guī)定范圍的操作將不予繼續(xù)，起到具體的設計指導及范圍限定的作用，使設計工作在規(guī)定范圍內(nèi)按照指定流程執(zhí)行。

(4)數(shù)據(jù)庫管理技術[7]

在集成平臺的后臺采用Oracle數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進行存儲和處理[4]，利用Oracle數(shù)據(jù)庫構建基于客戶端/服務器分布式框架的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫，客戶機可將一個物理上分布在多處的數(shù)據(jù)庫當作一個邏輯數(shù)據(jù)庫進行訪問管理。

在數(shù)據(jù)管理上采用全過程管理，對設計過程中的每個階段、每步流程及每個步驟的數(shù)據(jù)，按照項目、部件、階段、軟件、文件、版本等層級關系分層管理，并建立對應關系。對各流程過程數(shù)據(jù)進行存儲管理時分兩種類型：一是對執(zhí)行過程的輸入/輸出以整體文件的形式進行存儲，并進行上下游數(shù)據(jù)傳遞；二是按照要求對部分或全部文件內(nèi)的數(shù)據(jù)進行解析后以數(shù)據(jù)項的形式存儲，這種解析不僅涉及到數(shù)據(jù)值，還涉及到數(shù)據(jù)的相關屬性，如工程單位、數(shù)據(jù)來源、數(shù)據(jù)流向等。同時，數(shù)據(jù)管理模塊還提供數(shù)據(jù)查詢、更改、分析及后處理功能。

在數(shù)據(jù)管理方面，數(shù)據(jù)交互比較重要。它包括同一設計過程中的交互、不同設計過程的交互、專業(yè)內(nèi)部的交互、專業(yè)間的交互、不同項目間的交互等，其利用的原理相同，即利用數(shù)據(jù)庫技術完成。對每一數(shù)據(jù)進行屬性定義時，制定了數(shù)據(jù)來源與去向，即流程的上下游，如某一流程的輸出數(shù)據(jù)為下一流程的輸入數(shù)據(jù)，那么這個數(shù)據(jù)將連同其相關屬性同時在兩處被引用，并進行數(shù)據(jù)約束，以確保信息交互的有效性，進而實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

(5)協(xié)同并行技術

協(xié)同并行是對綜合設計系統(tǒng)的一項性能指標要求，即通過并發(fā)技術的應用使設計流程、數(shù)據(jù)傳遞等工作實現(xiàn)協(xié)同并行。在系統(tǒng)實現(xiàn)中主要采用數(shù)據(jù)庫的并發(fā)技術及管理流程的控制技術，分以下幾方面：第一類為設計過程的并行協(xié)同，在設計環(huán)節(jié)參照項目管理的模式對任務進行多層級劃分，如某零件設計環(huán)節(jié)，根據(jù)工作需要同時分配多人進行，A完成a部分設計，B完成b部分設計……或繼續(xù)按級數(shù)細分，最終由負責人逐級匯總；第二類為設計過程的進度協(xié)同，所有的數(shù)據(jù)交互在集成平臺中進行，即設計數(shù)據(jù)的傳遞基于體系平臺進行，各設計環(huán)節(jié)的協(xié)同在同一環(huán)境中實現(xiàn)；第三類為對并發(fā)的控制，對同一簽署流程由多人完成時，為避免同時操作帶來的差異問題，采用數(shù)據(jù)庫鎖定技術對并行操作進行有序分配，確保并行的質(zhì)量效果。

(6)動態(tài)繪圖技術[8]

動態(tài)繪圖技術主要用于對數(shù)據(jù)的處理分析。設計過程中，很大一部分結果以數(shù)據(jù)的形式體現(xiàn)，無法達到直觀、高效的目的，因此需采用圖形方式展現(xiàn)。但傳統(tǒng)的圖形展示為靜態(tài)(即通過特定圖形工具將數(shù)據(jù)逐一體現(xiàn)在繪圖板上)，無法實現(xiàn)動態(tài)調(diào)整。在本集成平臺建設中，應用了大量動態(tài)繪圖技術。這些繪圖技術可分為兩類：一是對tecplot、excel等繪圖工具進行二次開發(fā)，充分利用現(xiàn)有繪圖工具的優(yōu)勢，并結合用戶需求進行功能擴展；二是通過Java編程技術實現(xiàn)圖形處理功能，在程序中調(diào)用Java中的Graphics類庫(直接從java.lang.object派生)，實現(xiàn)實時繪圖功能。以上兩種方式均能實現(xiàn)動態(tài)繪圖，即對展示的圖形進行動態(tài)調(diào)整，并同步到原始數(shù)據(jù)中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時處理及高效分析。

(7)信息發(fā)布技術[9]

集成系統(tǒng)中采用Java web start信息發(fā)布技術。該技術采用了JNLP協(xié)議，繞過了軟件通過易復制的靜態(tài)載體發(fā)布并在安裝后使用的途徑，在給用戶提供使用軟件新方式的同時，也給開發(fā)者提供了發(fā)布軟件的新方法。

Java web start包含了applet的可移植性、Servlet和Java Server Pages的可維護性及類似xml和html標記語言的簡易性，是一種新的基于Java的應用程序部署技術，為連接計算機和Internet提供了便捷通道，并允許用戶在完全脫離Web的情況下運行和管理應用程序。作為一種新開發(fā)的軟件技術，其具有網(wǎng)絡化應用、升級簡易、安全等優(yōu)勢。

5 結束語

通過充分利用現(xiàn)代信息技術，將航空發(fā)動機設計體系中的要素以規(guī)范的方式統(tǒng)一到信息系統(tǒng)中，形成一套可實現(xiàn)設計及管理流程的信息集成平臺。該集成平臺已將發(fā)動機設計、仿真、優(yōu)化等集于一體，并針對主要專業(yè)進行了重點集成與驗證，建立了相應的數(shù)據(jù)庫，積累了多個項目的設計數(shù)據(jù)及試驗數(shù)據(jù)。將其應用于航空發(fā)動機設計中，有助于科研工作的層次清晰化、設計協(xié)同化、管理規(guī)范化及質(zhì)量精細化，推進科研整體水平上升一個新臺階。但隨著信息技術的快速發(fā)展，關注的重點不僅集中在設計流程規(guī)范化、數(shù)據(jù)管理工程化、工具應用集成化、方法經(jīng)驗知識化上，同時與試驗體系相集成、與符合性驗證相融合也成為體系建設的方向，進而與全三維關聯(lián)設計、多廠所協(xié)同研制生產(chǎn)環(huán)境、數(shù)字化綜合保障環(huán)境相對接，實現(xiàn)產(chǎn)品的全壽命周期管理。在專項技術發(fā)展上，要對數(shù)據(jù)的管理技術、軟件的封裝技術及與其它信息系統(tǒng)的深度集成技術等方面做更深入的探索與研究，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)動態(tài)規(guī)范管理、深度協(xié)同并行設計、軟件集成全程管控，提升設計體系集成平臺的完整性、規(guī)范性、協(xié)同性和擴展性。

[1]張光星，衛(wèi)剛.航空發(fā)動機設計體系建設指南[Z]. 2004.

[2]張光星，衛(wèi)剛.航空發(fā)動機設計體系考核評估辦法[Z].2010.

[3]Steven H.Java技術內(nèi)幕[M].馬朝暉，譯.北京：機械工業(yè)出版社，2002.

[4]蔡翠平.Java程序設計[M].北京：北方交通大學出版社，2003.

[5]普悠瑪數(shù)位科技有限公司.Java 2程序設計[M].北京：清華大學出版社，2002.

[6]吳亞峰，紀超.Java SE6.0編程指南[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[7]王海鳳，王海亮，鄭建茹，等.Oracle 11g SQL和PL/SQL從入門到精通[M].北京：中國水利水電出版社，2008.

[8]Deitel H M，Deitel P J.Java程序設計教程[M].5版.施平安，施惠瓊，柳賜佳，譯.北京：清華大學出版社，2004.

[9]宋波.Oracle 9i Jdeveloper Web應用與開發(fā)[M].北京：清華大學出版社，2003.

Application of Information Technology on Construction of Aero-Engine Design System

SHI Yan-fang，XU Hua-sheng
(China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China)

Design system is an important instrument for aero-engine design.The full application of design system integral platform is beneficial to clarity of gradation,cooperation of design,standardization of man?agement and refinement of quality;consequently,the scientific research work will be advanced to a new lev?el.Fully applying advanced information technology with independent innovative design thinking,following design criterion and digitized design process,and taking professional software and engineering database as basis,a digitized aero-engine design system which supports specialty cooperation and information commu?nion was constructed with integration technology.A synthetic platform integrating engine design,simulation and optimization has been constructed primarily,laying a solid foundation for aero-engine design system construction

aero-engine design system；integral platform；design cooperation；specialty cooperation；information communion

V23；TP393

A

1672-2620(2013)05-0059-04

2012-12-30；

2013-07-23

時艷芳(1979-)，女，遼寧沈陽人，高級工程師，主要從事信息化技術研究及應用。