航空材料性能數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉芳寧 王越 孫瑞俠 費(fèi)躍

摘要：首先介紹了材料數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，其次，介紹了系統(tǒng)的選型過程和架構(gòu)設(shè)計(jì)方法，然后闡述了登錄驗(yàn)證、系統(tǒng)管理、屬性配置、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換6大模塊的構(gòu)建和開發(fā)過程，最后通過對(duì)典型航空材料性能曲線的配置和應(yīng)用，證明該系統(tǒng)能夠?qū)Σ牧蠑?shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)、有效管理。目前該系統(tǒng)已在航空院所部署并運(yùn)行良好。

關(guān)鍵詞：航空材料?材料數(shù)據(jù)管理?材料性能數(shù)據(jù)?數(shù)據(jù)庫(kù)

中圖分類號(hào)：V25

Design?and?Implementation?of?the?Management?System?of?Aeronautical?Material?Performance?Data

LIU?Fangning??WANG?Yue??SUN?Ruixia??FEI?Yue

AECC?Beijing?Institute?of?Aeronautical?Materials，?Beijing，?100095?China

Abstract：?Firstly，?this?paper?introduces?the?research?status?of?the?management?system?of?material?data.?Secondly，?it?introduces?the?selection?process?and?architecture?design?methods?of?the?system，?and?then?expounds?the?construction?and?development?process?of?six?modules：?login?verification，?system?management，?attribute?configuration，?data?management，?data?statistics?and?data?conversion.?Finally，?by?configuring?and?applying?typical?aeronautical?material?performance?curves，?it?proves?that?the?system?can?scientifically?and?effectively?manage?material?data.?At?present，?the?system?has?been?deployed?in?aviation?institutes?and?is?running?well.

Key?Words：?Aeronautical?material;?Material?data?management;?Material?performance?data;?Database

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)在航空材料選材、設(shè)計(jì)及加工中得到了廣泛應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外已相繼建立了不同類型的材料數(shù)據(jù)庫(kù)，這些數(shù)據(jù)庫(kù)主要分為通用的商業(yè)材料數(shù)據(jù)庫(kù)和針對(duì)特定項(xiàng)目建立的專用數(shù)據(jù)庫(kù)。其中，典型的商業(yè)材料數(shù)據(jù)庫(kù)有GRANT?MI公司的材料數(shù)據(jù)庫(kù)、MaterialCenter數(shù)據(jù)庫(kù)等。GRANT?MI數(shù)據(jù)庫(kù)能實(shí)現(xiàn)從材料圖譜、測(cè)試數(shù)據(jù)到設(shè)計(jì)用數(shù)據(jù)的全流程管理。該數(shù)據(jù)庫(kù)以鏈接的形式對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)全流程的追蹤查詢。對(duì)設(shè)計(jì)用數(shù)據(jù)部分，GRANT?MI可實(shí)現(xiàn)訪問的控制和版本的控制。典型的專用數(shù)據(jù)庫(kù)有北京航空材料研究院開發(fā)的“航空材料性能數(shù)據(jù)庫(kù)”[1]、上海大學(xué)建立的“材料基因組工程專用數(shù)據(jù)庫(kù)”[2]、大連理工大學(xué)建立的“復(fù)合材料典型構(gòu)建加工工藝數(shù)據(jù)庫(kù)”[3]、西安工業(yè)大學(xué)建立的機(jī)械加工材料數(shù)據(jù)庫(kù)[4]、C63200鋁青銅合金數(shù)據(jù)庫(kù)[5]等。這些數(shù)據(jù)庫(kù)大多分布在各高校和研究所，沒有統(tǒng)一的存儲(chǔ)格式和收集標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)前尚未形成成熟的數(shù)據(jù)管理方法與數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，并且存在數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)化與數(shù)據(jù)分析軟件集成等方面的問題[6]。因此，需要對(duì)材料數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和開發(fā)，探索建立統(tǒng)一的材料數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式和標(biāo)準(zhǔn)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等功能。

1航空材料性能數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1?整體設(shè)計(jì)思路

本文介紹的航空材料性能數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，綜合考慮技術(shù)選型、系統(tǒng)架構(gòu)、功能模塊等多個(gè)維度，確保系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定和易用。在系統(tǒng)選型上，從底層的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)出發(fā)，選擇高效且能滿足復(fù)雜查詢需求的數(shù)據(jù)庫(kù)，后端服務(wù)采用穩(wěn)定成熟、社區(qū)活躍的技術(shù)棧，前端界面利用現(xiàn)代化前端框架構(gòu)建，確保用戶交互友好、響應(yīng)迅速；架構(gòu)設(shè)計(jì)方面，遵循分層原則，將系統(tǒng)劃分為展示層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)訪問層。展示層負(fù)責(zé)用戶界面的呈現(xiàn)及交互，業(yè)務(wù)邏輯層處理核心業(yè)務(wù)規(guī)則與流程，而數(shù)據(jù)訪問層對(duì)接數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的增刪改查操作。功能模塊設(shè)計(jì)方面，材料數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可管理材料研究過程中的材料測(cè)試數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)，以及設(shè)計(jì)許用數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)信息，可對(duì)材料基本信息及各類性能進(jìn)行數(shù)據(jù)管理。包含但不限于材料種類/牌號(hào)、原材料/測(cè)試供應(yīng)商、材料性能、工藝條件、測(cè)試條件等材料數(shù)據(jù)的管理和展示。通過建立統(tǒng)一、規(guī)范的材料數(shù)據(jù)管理體系，建立與收集數(shù)據(jù)模板適配的數(shù)據(jù)錄入與轉(zhuǎn)換接口，實(shí)現(xiàn)收集數(shù)據(jù)的導(dǎo)入與管理，完成與企業(yè)門戶網(wǎng)站的集成應(yīng)用。

1.2系統(tǒng)選型

系統(tǒng)采用SpringMVC架構(gòu)，其整體技術(shù)棧如圖1所示。

在應(yīng)用層設(shè)計(jì)上，整合運(yùn)用了layui、EasyUI、HTML5及ECharts等多元化開源技術(shù)棧。layui以其簡(jiǎn)潔優(yōu)雅的設(shè)計(jì)風(fēng)格和出色的用戶體驗(yàn)深受開發(fā)者喜愛；EasyUI作為一款成熟的jQuery插件庫(kù)，提供了豐富的網(wǎng)頁(yè)UI組件，極大簡(jiǎn)化了界面開發(fā)流程；HTML5作為新一代網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，它的引入使得系統(tǒng)具備更好的跨平臺(tái)兼容性與移動(dòng)友好性，強(qiáng)化了系統(tǒng)的交互體驗(yàn)；ECharts作為國(guó)內(nèi)百度公司開源的數(shù)據(jù)可視化解決方案，為系統(tǒng)帶來(lái)了強(qiáng)大且豐富的數(shù)據(jù)展示功能，通過定制化的圖表展現(xiàn)形式，進(jìn)一步增強(qiáng)了信息傳遞的有效性和直觀性。

在接口層設(shè)計(jì)上，采用RestAPI為應(yīng)用層提供服務(wù)，并使用Json作為數(shù)據(jù)交換的格式。RestAPI提供了一種靈活、輕量級(jí)的應(yīng)用程序集成方式，并已成為連接微服務(wù)架構(gòu)中組件的最常用方法。RestAPI通過HTTP請(qǐng)求進(jìn)行通信，以便執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)功能，例如在資源中創(chuàng)建、讀取、更新和刪除記錄等操作。Json是類似XML的存儲(chǔ)和交換文本信息的語(yǔ)法，比XML更小、更快，更易解析。

在服務(wù)層設(shè)計(jì)上，開發(fā)采用了Spring技術(shù)棧，該技術(shù)棧以其高度模塊化、靈活擴(kuò)展和卓越的事務(wù)管理能力而聞名于世，是Java企業(yè)級(jí)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)之一。采用Spring框架能夠?qū)崿F(xiàn)高效穩(wěn)定的業(yè)務(wù)邏輯處理，在構(gòu)建系統(tǒng)過程中能夠充分利用其強(qiáng)大的社區(qū)支持與豐富的生態(tài)資源，避免了使用閉源軟件帶來(lái)的潛在風(fēng)險(xiǎn)，有效提升了系統(tǒng)的可控性和自主研發(fā)能力。其中主要包括：Zuul提供動(dòng)態(tài)路由、監(jiān)控、彈性和安全等邊緣服務(wù)的框架；Swagge作為API描述規(guī)范；Eureka提供服務(wù)注冊(cè)功能；OpenFeign實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡和服務(wù)調(diào)用的組件；SpringSecurity提供身份認(rèn)證、授權(quán)、攻擊防護(hù)等服務(wù)；SpringData可簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)庫(kù)訪問，使數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問變得方便快捷。

在數(shù)據(jù)庫(kù)層設(shè)計(jì)上，系統(tǒng)選用了達(dá)夢(mèng)數(shù)據(jù)庫(kù)[7]和Elasticsearch（ES）。達(dá)夢(mèng)數(shù)據(jù)庫(kù)作為國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的國(guó)產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)品，擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，滿足了我國(guó)信息化建設(shè)對(duì)數(shù)據(jù)安全和可控性的嚴(yán)格要求。另一方面，Elasticsearch是一個(gè)開源分布式搜索引擎，利用它，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高性能、高可伸縮性的數(shù)據(jù)檢索與分析能力，極大地提高了業(yè)務(wù)效率和服務(wù)質(zhì)量。

1.3系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)架構(gòu)分為資源層、業(yè)務(wù)構(gòu)建層、應(yīng)用層三層，整體架構(gòu)如圖2所示。資源層為支撐系統(tǒng)運(yùn)行需要的數(shù)據(jù)資源、軟件資源、算法資源、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口等部分內(nèi)容；業(yè)務(wù)構(gòu)建層為系統(tǒng)主要功能構(gòu)建層，包含屬性配置、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)應(yīng)用等部分；應(yīng)用層還開發(fā)了與ANSYS、ABAQUS等設(shè)計(jì)仿真軟件的導(dǎo)入導(dǎo)出卡片接口插件，可進(jìn)行數(shù)據(jù)的獲取和應(yīng)用。系統(tǒng)提供統(tǒng)一的用戶、角色、權(quán)限、系統(tǒng)日志、備份與恢復(fù)等統(tǒng)一的系統(tǒng)安全配置，保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2?航空材料性能數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的開發(fā)

系統(tǒng)整體由登錄驗(yàn)證、系統(tǒng)管理、屬性配置、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換六大功能模塊構(gòu)成。

2.1?登錄驗(yàn)證

登錄驗(yàn)證用于在用戶登錄系統(tǒng)時(shí)，對(duì)用戶的合法性進(jìn)行驗(yàn)證，并且能夠獲取用戶的操作權(quán)限（角色信息）。通過賦予用戶不同的操作權(quán)限，支持對(duì)不同部門、級(jí)別的角色進(jìn)行相應(yīng)的訪問權(quán)限配置。

2.2?系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理功能包含角色權(quán)限管理、用戶部門管理、賬號(hào)管理和操作日志管理。在管理員完成角色和部門創(chuàng)建以后，可通過創(chuàng)建用戶賬號(hào)并根據(jù)用戶部門和職能設(shè)置用戶賬號(hào)部門、賦予包含特定功能權(quán)限的角色，完成用戶賬號(hào)的創(chuàng)建；管理員還可以根據(jù)需要啟用、禁用賬號(hào)，以限制賬號(hào)使用；日志可存儲(chǔ)賬戶的登錄和操作、賬號(hào)的啟用與禁用記錄，并支持查詢、導(dǎo)出、備份和統(tǒng)計(jì)分析。系統(tǒng)管理模塊主要功能如圖4所示。

2.3屬性配置

材料性能數(shù)據(jù)千差萬(wàn)別，其數(shù)據(jù)類型也具有多樣性：例如高溫合金的光滑拉伸實(shí)驗(yàn)包含實(shí)驗(yàn)條件、材料基本信息、試驗(yàn)信息、曲線信息等，這其中的數(shù)據(jù)類型有文本、數(shù)值、點(diǎn)函數(shù)、方程和表達(dá)式等。然而雖然材料的性能各異，但不同的材料之間又有許多共性，例如：金屬材料的力學(xué)性能基本都包含靜力和疲勞等，這也帶來(lái)了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的復(fù)雜性，提高了設(shè)計(jì)的難度。為解決上述問題，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了單位管理、常量管理、離散類型管理、參數(shù)管理、表達(dá)式管理、屬性管理、材料模板管理、分類管理等功能。單位管理、常量管理、參數(shù)管理用于管理和協(xié)調(diào)材料之間的共性，表達(dá)式管理和屬性配置可定義材料特性，材料模板配置用于支持材料數(shù)據(jù)模板的定制化，并用分類管理來(lái)集中管理相關(guān)材料模板。通過上述一系列的屬性配置，可實(shí)現(xiàn)材料屬性的定制化管理，從而與不同的性能類別數(shù)據(jù)進(jìn)行精確的匹配。圖5為屬性配置界面。

2.4?材料數(shù)據(jù)管理

材料數(shù)據(jù)管理用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查看、分析，并通過數(shù)據(jù)授權(quán)將材料分類下的數(shù)據(jù)或者某一具體的數(shù)據(jù)的查看權(quán)限賦予某一用戶，其界面如圖6所示。

材料數(shù)據(jù)管理模塊可進(jìn)行數(shù)據(jù)檢索、數(shù)據(jù)模板配置、文件夾配置、數(shù)據(jù)記錄配置、模板導(dǎo)入導(dǎo)出、曲線繪制等。數(shù)據(jù)檢索包括基于關(guān)鍵詞的快速檢索、基于材料屬性和關(guān)鍵詞的高級(jí)檢索兩種檢索方式?；陉P(guān)鍵詞的快速檢索可使用戶直接在頁(yè)面內(nèi)輸入關(guān)鍵詞進(jìn)行材料數(shù)據(jù)的檢索，基于材料屬性和關(guān)鍵詞的高級(jí)檢索可針對(duì)某個(gè)或多個(gè)項(xiàng)目名稱進(jìn)行檢索，并獲取對(duì)應(yīng)項(xiàng)目中的相關(guān)材料數(shù)據(jù)。基于材料屬性和關(guān)鍵詞的高級(jí)檢索還可實(shí)現(xiàn)數(shù)值范圍查詢，即查詢材料屬性值在某個(gè)范圍內(nèi)的材料時(shí)，檢索條件可設(shè)置為該屬性值大于、等于、小于、介于XX與XX之間等。

數(shù)據(jù)模板配置和文件夾配置可用來(lái)對(duì)材料進(jìn)行分類，該功能能夠按照材料的類別、牌號(hào)進(jìn)行分類，也可按照材料性能進(jìn)行分類。數(shù)據(jù)記錄配置可對(duì)數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行編輯、查詢、刪除、導(dǎo)入導(dǎo)出等操作，通常一組實(shí)驗(yàn)作為一條數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。

通過對(duì)數(shù)據(jù)記錄的配置，可設(shè)置數(shù)據(jù)庫(kù)的導(dǎo)航樹?？晒芾淼暮娇詹牧闲阅軘?shù)據(jù)包括材料基本信息、理化性能、靜力性能、疲勞性能等，以某高溫合金的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，其導(dǎo)航樹界面如圖7所示。

模板導(dǎo)入導(dǎo)出功能可將配置好的數(shù)據(jù)記錄EXCEL模板導(dǎo)出到客戶端本地，填寫后回傳到頁(yè)面，該功能可單獨(dú)對(duì)一組記錄進(jìn)行導(dǎo)入導(dǎo)出操作，也可對(duì)多組數(shù)據(jù)進(jìn)行批導(dǎo)入。其數(shù)據(jù)導(dǎo)入界面如圖8所示。

曲線圖中的用戶偏好設(shè)置可對(duì)錄入的曲線顯示為點(diǎn)、線、點(diǎn)線全部顯示，可對(duì)曲線進(jìn)行轉(zhuǎn)置操作，還實(shí)現(xiàn)了對(duì)錄入的曲線設(shè)置為X、Y軸對(duì)數(shù)坐標(biāo)顯示。其界面如圖9所示。

2.5?數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)材料數(shù)據(jù)的高效應(yīng)用，充分挖掘材料數(shù)據(jù)的價(jià)值，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能可通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，逐個(gè)獲取材料各項(xiàng)性能的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)信息。包括但不限于對(duì)平均值、最大值、最小值、A基準(zhǔn)值、B基準(zhǔn)值、試樣數(shù)量以及材料批數(shù)的統(tǒng)計(jì)。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能還能夠?qū)⒉牧系亩囗?xiàng)性能數(shù)據(jù)匯總，形成材料的性能統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，供設(shè)計(jì)人員使用。

2.6?數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模板可解決系統(tǒng)數(shù)據(jù)文件與其他設(shè)計(jì)分析軟件數(shù)據(jù)文件格式有所差異的問題。該模塊提供面向設(shè)計(jì)分析軟件的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能，可通過靈活配置的方式設(shè)置不同的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模板格式，方便用戶導(dǎo)出如ANSYS、ABAQUS等計(jì)算分析軟件所需的數(shù)據(jù)文件。

3?典型曲線錄入功能配置方法

• 以某合金光滑拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能曲線數(shù)據(jù)為例，屬性配置過程如下：首先進(jìn)行單位配置，對(duì)于應(yīng)力應(yīng)變曲線其應(yīng)力單位為MPa，應(yīng)變曲線為mm/mm；其次進(jìn)行參數(shù)配置，在參數(shù)配置中設(shè)置“應(yīng)力”為曲線參數(shù)；再次在屬性管理中進(jìn)行點(diǎn)函數(shù)配置，新建屬性分類，并選擇“點(diǎn)函數(shù)”作為光滑拉伸性能的屬性，在彈出界面中輸入函數(shù)名稱、選擇單位分類，選擇已經(jīng)配置好的應(yīng)力參數(shù)；然后進(jìn)行模板配置，設(shè)置數(shù)據(jù)記錄的顯示布局；最后進(jìn)行新建數(shù)據(jù)庫(kù)，選擇已經(jīng)配置好的模板，并進(jìn)行數(shù)據(jù)授權(quán)。

屬性配置完成后，在“材料管理界面”可通過文件夾設(shè)置材料類別、牌號(hào)、試驗(yàn)編號(hào)等信息，并下載模板進(jìn)行曲線錄入，錄入后的曲線界面如圖10所示。用戶可根據(jù)角色權(quán)限對(duì)其進(jìn)行查詢或編輯操作。

4?結(jié)論

本文介紹了航空材料性能數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程，采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法開發(fā)了一套配置靈活、界面友好的材料性能數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，本系統(tǒng)全技術(shù)棧層次清晰，并對(duì)核心技術(shù)自主創(chuàng)新能力高度重視，既確保了系統(tǒng)的先進(jìn)性、穩(wěn)定性和安全性，又展現(xiàn)了在技術(shù)研發(fā)上的獨(dú)立創(chuàng)新能力和對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的掌握；在功能設(shè)計(jì)方面，六大功能模塊能夠滿足航空材料研究和設(shè)計(jì)人員對(duì)數(shù)據(jù)的查詢、分析和統(tǒng)計(jì)需求。系統(tǒng)管理模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)航空材料的基本信息、理化性能、靜力性能等基本性能的原始數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、統(tǒng)計(jì)和分析，數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出模板可在各獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫(kù)之間傳遞數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能能夠與計(jì)算分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，加快材料設(shè)計(jì)分析效率。該系統(tǒng)已在行業(yè)內(nèi)單位投入使用，目前運(yùn)行良好，后續(xù)可不斷補(bǔ)充數(shù)據(jù)并完善功能，除航空院所外，也可推廣到其他各材料設(shè)計(jì)、制造和研究單位，為輔助材料設(shè)計(jì)、研發(fā)提供軟件支撐。

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