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)范和數字化設計流程為依據，以專業(yè)技術設計軟件為基本元素，以工程數據庫為支持，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、標準及數據庫的總和，是航空發(fā)動機設計經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、工程數據庫和集成平臺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、數據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)設計人員技術經驗的有機結合，最大程度減小了航空發(fā)動機設計質量對專業(yè)設計人員個人技術水平的依賴。國內盡管對航空發(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，建立了相應的數據庫，積累了多個項目的設計數據及試驗數據，同時提供數據的處理分析功能。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、數據庫集成等各種信息化封裝技術，結合發(fā)動機設計數據特點，研究數據的追溯、關聯(lián)管理、動態(tài)建模等技術，實現(xiàn)對發(fā)動機設計數據的分類、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

基于已有的數據庫系統(tǒng)開發(fā)經驗，結合設計體系集成平臺的應用特點及需求，以Oracle數據庫為后臺，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)直接與后臺數據庫交互數據。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)境即可通過網絡調用和使用集成系統(tǒng)(圖1)；數據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)及數據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、軟件和數據庫，規(guī)范設計過程，實現(xiàn)設計系統(tǒng)與設計數據庫的關聯(lián)，以及與試驗數據庫的部分關聯(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、數據庫三部分，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)，并通過數據庫實現(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、集成平臺和數據庫平臺。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，數據庫平臺為數據存儲管理提供環(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、后臺數據庫管理，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、資源調度、進度控制、審批、數據交換等。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，在數據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)定范圍內按照指定流程執(zhí)行。

(4)數據庫管理技術[7]

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

在數據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據，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。對各流程過程數據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，并進行上下游數據傳遞；二是按照要求對部分或全部文件內的數據進行解析后以數據項的形式存儲，這種解析不僅涉及到數據值，還涉及到數據的相關屬性，如工程單位、數據來源、數據流向等。同時，數據管理模塊還提供數據查詢、更改、分析及后處理功能。

在數據管理方面，數據交互比較重要。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，即利用數據庫技術完成。對每一數據進行屬性定義時，制定了數據來源與去向，即流程的上下游，如某一流程的輸出數據為下一流程的輸入數據，那么這個數據將連同其相關屬性同時在兩處被引用，并進行數據約束，以確保信息交互的有效性，進而實現(xiàn)數據交互。

(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、數據傳遞等工作實現(xiàn)協(xié)同并行。在系統(tǒng)實現(xiàn)中主要采用數據庫的并發(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，所有的數據交互在集成平臺中進行，即設計數據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，采用數據庫鎖定技術對并行操作進行有序分配，確保并行的質量效果。

(6)動態(tài)繪圖技術[8]

動態(tài)繪圖技術主要用于對數據的處理分析。設計過程中，很大一部分結果以數據的形式體現(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據逐一體現(xiàn)在繪圖板上)，無法實現(xiàn)動態(tài)調整。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)調整，并同步到原始數據中，實現(xiàn)數據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，建立了相應的數據庫，積累了多個項目的設計數據及試驗數據。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、數據管理工程化、工具應用集成化、方法經驗知識化上，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)同研制生產環(huán)境、數字化綜合保障環(huán)境相對接，實現(xiàn)產品的全壽命周期管理。在專項技術發(fā)展上，要對數據的管理技術、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)數據動態(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.

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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。