信息技术在航空发动机设计体系集成平台建设中的应用

时艳芳，徐华胜

信息技术在航空发动机设计体系集成平台建设中的应用

时艳芳，徐华胜

(中国燃气涡轮研究院，四川成都610500)

设计体系是航空发动机设计经验的总结归纳和深化结晶。其集成平台的全面应用，将有助于科研工作的层次清晰化、设计协同化、管理规范化及质量精细化，推进科研水平上升一个新的台阶。阐述了充分利用现代信息技术，融汇自主创新研制思路，以设计规范和数字化设计流程为依据，以专业技术设计软件为基本元素，以工程数据库为支持，利用集成技术建立支持多专业协同、信息共享的以数字化为特征的发动机设计体系，初步建造了一套融发动机设计、仿真、优化等于一体的综合集成平台，为航空发动机设计体系建设奠定基础。

航空发动机设计体系；集成平台；设计协同；专业协同；信息共享

1 引言

航空发动机设计体系，是指经过验证的、可用于航空发动机工程设计和研究的、科学合理、系统配套的一系列设计方法、软件、规范、准则、标准及数据库的总和，是航空发动机设计经验的总结归纳和深化结晶，包含了与航空发动机设计有关的所有信息，涉及航空发动机设计的各个学科和专业，包括设计规范、设计软件、工程数据库和集成平台4部分[1]。而信息集成技术是设计体系集成平台建设的核心技术，它充分利用现代信息技术，将体系中的要素以规范的方式统一到信息系统中，形成一套可实现设计及管理流程的信息化平台，包括了平台框架设计、规范集成技术、软件集成技术、数据管理技术及贯穿其中的流程集成技术。

国外航空强国均建立了完整的、成熟的、先进的航空发动机设计体系集成平台，实现了航空发动机设计体系与专业设计人员技术经验的有机结合，最大程度减小了航空发动机设计质量对专业设计人员个人技术水平的依赖。国内尽管对航空发动机主要部件、系统、核心机及多项关键技术实施了多轮的研究、设计和试验验证，但所建立的设计体系与国外航空发动机设计强国相比，仍存在较大差距。且国内设计体系集成度不高，大多以部件、系统进行单方面建设，仅初步搭建了航空发动机设计体系的整体框架，尚未达到实用地步，而工艺、制造、试验等相关专业的延伸和关联还仅在起步中。

中国燃气涡轮研究院在“十五”、“十一五”期间，通过航空基础技术验证项目的支持，开展了系统的航空发动机设计体系建设工作，基本建成了自主的航空发动机设计体系。针对总体、压气机、燃烧室、涡轮、稳定性、空气系统及热分析、结构强度等专业进行重点集成和验证，基本建成专业设计子系统，并在集成平台上初步集成了有代表性的设计软件及规范，建立了相应的数据库，积累了多个项目的设计数据及试验数据，同时提供数据的处理分析功能。各设计子系统部分专业初步完成了工程验证，达到《航空发动机设计体系考核评估方法》中提出的各项考核指标和要求[2]。

本文针对目前航空发动机设计体系建设应用中存在的问题，主要开展集成平台的开发技术研究，重点研究平台架构技术和软件、规范、数据库集成等各种信息化封装技术，结合发动机设计数据特点，研究数据的追溯、关联管理、动态建模等技术，实现对发动机设计数据的分类、集成、存储和管理，以期为今后实现从任务管理、过程控制和结果管理的端到端的创新集成环境的设计体系建设打下基础。

2 集成平台框架设计

基于已有的数据库系统开发经验，结合设计体系集成平台的应用特点及需求，以Oracle数据库为后台，采用类B/S架构部署的Java富客户端应用方式。运用Java web start技术，用户访问应用服务器获取集成系统更新及小型计算设计软件，在客户端运行系统及各类计算设计软件，集成系统直接与后台数据库交互数据。这种架构对于开发和应用都极具便利性，也节省建设、运行和维护成本：开发端仅需发布更新服务器端程序即可完成程序运行维护，而应用端也仅需Java运行环境即可通过网络调用和使用集成系统(图1)；数据库信息均可通过浏览器查看，界面统一，更方便用户访问，且不需要为每台客户端安装软件。

图1 结构框架Fig.1 Structure framework

3 信息集成分类说明[3]

对于设计体系集成平台，通过各设计系统及数据库共享方式初步实现多专业间的协同设计。各专业设计系统均集成相关的规范、软件和数据库，规范设计过程，实现设计系统与设计数据库的关联，以及与试验数据库的部分关联，具备可视化功能，界面友好，具备扩展性并能按照不同方式分类。

(1)集成构成分类：按照物理构成可划分为软件、规范、数据库三部分，并利用统一平台集成。三要素通过流程贯穿于平台始终，其中包括管理流程及设计流程两类(图2)。

图2 体系元素Fig.2 Elements of system

(2)集成专业分类：按照专业构成可划分为总体性能、总体结构、压气机、燃烧室、涡轮、稳定性、强度等15个专业，各专业分别建立设计子系统，并通过数据库实现连通(图3)。

(3)集成环境分类：按照平台层次可划分为设计平台、集成平台和数据库平台。其中设计平台为各专业提供设计环境，集成平台为各专业软件、规范、流程提供集成环境，数据库平台为数据存储管理提供环境(图4)。

图3 专业领域Fig.3 Specialized fields

图4 系统环境Fig.4 Environment of system

4 信息技术应用

信息技术作为集成平台建设的主要手段，在建设过程中不论是整体架构的设计、后台数据库管理，还是信息集成、流程管理，均采用了相关的信息技术。下面对几项关键技术进行分析。

(1)流程集成技术[4]

设计体系中的各要素依靠流程进行贯穿，其中流程包括设计流程和管理流程，在集成设计过程中两套流程深度融合。整个流程中包含任务分派、人员协调、资源调度、进度控制、审批、数据交换等。流程管理的主要功能包括流程的可视化定义、执行、分解、指派、撤回、预提交、监控、查询与统计等。其中，在数据结构中设置流程名称、流程说明、流程要素、流程阶段等作为设计流程的管理字段，设置流程管理者、下发者、执行者等作为管理流程的管理字段。按各专业各自归纳总结的设计流程需求，设计了相应的设计阶段、模块等，并固化到系统中。用户仅能在已有的设计流程中完成设计工作，以此规范设计工作的正确性和完整性。

(2)软件集成技术[5]

软件作为集成平台中唯一被控制中间执行过程的要素，其集成方式可分几类：一是商用软件，目前对于商用软件的封装能力有限，暂时采用外部调用的方式实现集成；二是自行开发软件，该类软件可通过规范的编译后作为执行程序，通过Runtime.exec()方法创建一个本地进程，返回Process的子类实例，可用来控制进程和获取信息(类Process提供了方法用来从进程输入，输出到进程，等待进程完成，检查进程退出值和杀死进程)；三是对于一些计算方法等类似软件的工具包，可采用前一方法进行集成。

在每个Java应用程序里，都有唯一的Runtime对象。应用程序通过该对象可与其运行环境相互作用。Runtime对象的作用，主要有执行外部命令、返回空闲内存、运行垃圾回收器和加载动态库等。

(3)规范集成技术[6]

规范在集成平台中作为指导性要素出现，按照其规模及性质分为三种集成方式：一是以文档帮助的形式直接出现于某阶段的设计过程中，以整体指导及辅助教程的作用为主；二是以分条目提示的形式出现在流程设计中的不同环节，以具体环境、具体指导的作用为主；三是以约束条件的形式出现在每个设计步骤中，如对某参数的限定、对某分析值的判定等，对于超出规定范围的操作将不予继续，起到具体的设计指导及范围限定的作用，使设计工作在规定范围内按照指定流程执行。

(4)数据库管理技术[7]

在集成平台的后台采用Oracle数据库对数据进行存储和处理[4]，利用Oracle数据库构建基于客户端/服务器分布式框架的网络数据库，客户机可将一个物理上分布在多处的数据库当作一个逻辑数据库进行访问管理。

在数据管理上采用全过程管理，对设计过程中的每个阶段、每步流程及每个步骤的数据，按照项目、部件、阶段、软件、文件、版本等层级关系分层管理，并建立对应关系。对各流程过程数据进行存储管理时分两种类型：一是对执行过程的输入/输出以整体文件的形式进行存储，并进行上下游数据传递；二是按照要求对部分或全部文件内的数据进行解析后以数据项的形式存储，这种解析不仅涉及到数据值，还涉及到数据的相关属性，如工程单位、数据来源、数据流向等。同时，数据管理模块还提供数据查询、更改、分析及后处理功能。

在数据管理方面，数据交互比较重要。它包括同一设计过程中的交互、不同设计过程的交互、专业内部的交互、专业间的交互、不同项目间的交互等，其利用的原理相同，即利用数据库技术完成。对每一数据进行属性定义时，制定了数据来源与去向，即流程的上下游，如某一流程的输出数据为下一流程的输入数据，那么这个数据将连同其相关属性同时在两处被引用，并进行数据约束，以确保信息交互的有效性，进而实现数据交互。

(5)协同并行技术

协同并行是对综合设计系统的一项性能指标要求，即通过并发技术的应用使设计流程、数据传递等工作实现协同并行。在系统实现中主要采用数据库的并发技术及管理流程的控制技术，分以下几方面：第一类为设计过程的并行协同，在设计环节参照项目管理的模式对任务进行多层级划分，如某零件设计环节，根据工作需要同时分配多人进行，A完成a部分设计，B完成b部分设计……或继续按级数细分，最终由负责人逐级汇总；第二类为设计过程的进度协同，所有的数据交互在集成平台中进行，即设计数据的传递基于体系平台进行，各设计环节的协同在同一环境中实现；第三类为对并发的控制，对同一签署流程由多人完成时，为避免同时操作带来的差异问题，采用数据库锁定技术对并行操作进行有序分配，确保并行的质量效果。

(6)动态绘图技术[8]

动态绘图技术主要用于对数据的处理分析。设计过程中，很大一部分结果以数据的形式体现，无法达到直观、高效的目的，因此需采用图形方式展现。但传统的图形展示为静态(即通过特定图形工具将数据逐一体现在绘图板上)，无法实现动态调整。在本集成平台建设中，应用了大量动态绘图技术。这些绘图技术可分为两类：一是对tecplot、excel等绘图工具进行二次开发，充分利用现有绘图工具的优势，并结合用户需求进行功能扩展；二是通过Java编程技术实现图形处理功能，在程序中调用Java中的Graphics类库(直接从java.lang.object派生)，实现实时绘图功能。以上两种方式均能实现动态绘图，即对展示的图形进行动态调整，并同步到原始数据中，实现数据的实时处理及高效分析。

(7)信息发布技术[9]

集成系统中采用Java web start信息发布技术。该技术采用了JNLP协议，绕过了软件通过易复制的静态载体发布并在安装后使用的途径，在给用户提供使用软件新方式的同时，也给开发者提供了发布软件的新方法。

Java web start包含了applet的可移植性、Servlet和Java Server Pages的可维护性及类似xml和html标记语言的简易性，是一种新的基于Java的应用程序部署技术，为连接计算机和Internet提供了便捷通道，并允许用户在完全脱离Web的情况下运行和管理应用程序。作为一种新开发的软件技术，其具有网络化应用、升级简易、安全等优势。

5 结束语

通过充分利用现代信息技术，将航空发动机设计体系中的要素以规范的方式统一到信息系统中，形成一套可实现设计及管理流程的信息集成平台。该集成平台已将发动机设计、仿真、优化等集于一体，并针对主要专业进行了重点集成与验证，建立了相应的数据库，积累了多个项目的设计数据及试验数据。将其应用于航空发动机设计中，有助于科研工作的层次清晰化、设计协同化、管理规范化及质量精细化，推进科研整体水平上升一个新台阶。但随着信息技术的快速发展，关注的重点不仅集中在设计流程规范化、数据管理工程化、工具应用集成化、方法经验知识化上，同时与试验体系相集成、与符合性验证相融合也成为体系建设的方向，进而与全三维关联设计、多厂所协同研制生产环境、数字化综合保障环境相对接，实现产品的全寿命周期管理。在专项技术发展上，要对数据的管理技术、软件的封装技术及与其它信息系统的深度集成技术等方面做更深入的探索与研究，以实现数据动态规范管理、深度协同并行设计、软件集成全程管控，提升设计体系集成平台的完整性、规范性、协同性和扩展性。

[1]张光星，卫刚.航空发动机设计体系建设指南[Z]. 2004.

[2]张光星，卫刚.航空发动机设计体系考核评估办法[Z].2010.

[3]Steven H.Java技术内幕[M].马朝晖，译.北京：机械工业出版社，2002.

[4]蔡翠平.Java程序设计[M].北京：北方交通大学出版社，2003.

[5]普悠玛数位科技有限公司.Java 2程序设计[M].北京：清华大学出版社，2002.

[6]吴亚峰，纪超.Java SE6.0编程指南[M].北京：人民邮电出版社，2007.

[7]王海凤，王海亮，郑建茹，等.Oracle 11g SQL和PL/SQL从入门到精通[M].北京：中国水利水电出版社，2008.

[8]Deitel H M，Deitel P J.Java程序设计教程[M].5版.施平安，施惠琼，柳赐佳，译.北京：清华大学出版社，2004.

[9]宋波.Oracle 9i Jdeveloper Web应用与开发[M].北京：清华大学出版社，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

时艳芳(1979-)，女，辽宁沈阳人，高级工程师，主要从事信息化技术研究及应用。