艦船動力裝置數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)支撐平臺研究＊

（海軍工程大學(xué)船舶與動力學(xué)院 武漢 430033）

艦船動力裝置數(shù)字化設(shè)計是指在計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、并行工程技術(shù)、數(shù)字仿真技術(shù)及虛擬樣機技術(shù)等相關(guān)支撐技術(shù)的支持下，對艦船動力裝置設(shè)計全過程進行數(shù)字化描述，以建立的動力裝置的數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，面向艦船動力裝置生命周期進行動力裝置設(shè)計的仿真與優(yōu)化、信息融合與過程的集成管理，最終實現(xiàn)艦船動力裝置設(shè)計及開發(fā)全過程的數(shù)字化［1－2］，其關(guān)鍵技術(shù)主要包括硬件支撐平臺技術(shù)、現(xiàn)代設(shè)計工具／平臺技術(shù)、協(xié)同仿真技術(shù)、虛擬樣機技術(shù)、多學(xué)科優(yōu)化技術(shù)、協(xié)同設(shè)計／應(yīng)用軟件技術(shù)、數(shù)字化設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范技術(shù)、支撐平臺技術(shù)等內(nèi)容［3－4］．本文以艦船動力裝置數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)的底層支撐平臺及核心功能模塊，開展艦船動力裝置數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)支撐環(huán)境研究，將為進一步推進艦船動力裝置數(shù)字化設(shè)計進程，同時也將為艦船動力裝置設(shè)計水平的提高提供一定的支撐．

1 方案設(shè)計

根據(jù)支撐環(huán)境的功能需求，本文研究設(shè)計了如圖1所示的支撐平臺系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)．系統(tǒng)從整體上采用3層結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)層、功能層和表示層．其中數(shù)據(jù)層主要用于動力裝置設(shè)計過程中的各種數(shù)據(jù)，功能層主要實現(xiàn)支撐平臺的各類核心功能，表示層為瀏覽器．另外針對各客戶端所需要的專業(yè)性較強且功能復(fù)雜的各類應(yīng)用軟件，可以針對該部門比如設(shè)計部門，以設(shè)計部門內(nèi)部的局域網(wǎng)為基礎(chǔ)，開發(fā)專門的基于C／S模式的控制管理模塊，以實現(xiàn)對設(shè)計部門所需要的各類設(shè)計應(yīng)用軟件的集成、支持和協(xié)同．

2 開發(fā)過程中的相關(guān)問題

2.1 系統(tǒng)類圖設(shè)計

類是包含了方法、屬性、數(shù)據(jù)成員的代碼模塊，通過類可以高效的完成特定對象的復(fù)雜操作，為了提高代碼的封裝性和處理系統(tǒng)中大量近似的對象［5］，根據(jù)系統(tǒng)功能模塊的劃分，本文針對支撐平臺的開發(fā)設(shè)計了如圖2所示的系統(tǒng)類圖．

1）DataAccess類 負責(zé)實現(xiàn)業(yè)務(wù)層的應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)庫的連接、訪問和斷開等操作，其他實現(xiàn)類通過調(diào)用該類中的GetConnection和Runsql方法實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的訪問．

2）ProjManager類 負責(zé)實現(xiàn)設(shè)計項目的創(chuàng)建、編輯、分解和查看等操作．

圖1 支撐環(huán)境層次結(jié)構(gòu)

圖2 系統(tǒng)類圖

3）SysManager類 負責(zé)實現(xiàn)用戶、角色的創(chuàng)建、編輯、刪除以及權(quán)限的分配和管理等操作．

4）DocManager類 負責(zé)實現(xiàn)文檔的上傳、下載、查詢以及在線瀏覽等功能．

5）ProdManager類 負責(zé)實現(xiàn)動力裝置設(shè)備可視化模型及其相關(guān)文檔的創(chuàng)建、刪除和查看．

6）FlowManager類 負責(zé)方案設(shè)計流程的創(chuàng)建、更新、刪除和查看等操作．

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

由于支撐平臺需要支持?jǐn)?shù)據(jù)及文檔管理、工作流程管理、項目管理、可視化配置管理、權(quán)限管理等方面的功能，且各個模塊之間關(guān)系較為緊密，如權(quán)限管理在數(shù)據(jù)及文檔管理中需要為系統(tǒng)用戶指定相應(yīng)的對文檔的操作權(quán)限，如上傳、下載、修改；工作流程管理中需要為系統(tǒng)用戶指定相應(yīng)的提交及審批權(quán)限等，因此在進行系統(tǒng)開發(fā)之前需要綜合考慮各方面的因素，合理設(shè)計系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)，主要包括用戶數(shù)據(jù)、權(quán)限數(shù)據(jù)、項目數(shù)據(jù)、動力系統(tǒng)設(shè)備數(shù)據(jù)、文檔數(shù)據(jù)、流程數(shù)據(jù)等內(nèi)容．為了說明各個類對數(shù)據(jù)庫的訪問，下面以Proj－Manager類中g(shù)etProj方法對數(shù)據(jù)庫的訪問過程為例，說明通過ADO．NET實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的訪問方法．

2.3 數(shù)據(jù)及文檔管理功能的實現(xiàn)原理

艦船動力裝置數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)的數(shù)據(jù)類型主要有3類：具體的項目數(shù)據(jù)、過程數(shù)據(jù)以及元數(shù)據(jù)．為了實現(xiàn)對這些數(shù)據(jù)的安全、有序的管理，在數(shù)據(jù)庫設(shè)計的過程中將數(shù)據(jù)分為2類，一類是以電子倉庫的形式存儲，一類以結(jié)構(gòu)化形式直接存儲在數(shù)據(jù)庫中．?dāng)?shù)據(jù)及文檔管理主要實現(xiàn)了如下幾個方面的功能：文檔檢入、文檔下載、文檔查詢、站內(nèi)查詢、修改刪除、瀏覽圈閱及版本管理．

1）關(guān)于文檔的狀態(tài)變化 由于在設(shè)計過程中的文檔處于動態(tài)變化狀態(tài)，為了防止對文檔的非法訪問或者未經(jīng)授權(quán)的操作，把文檔的狀態(tài)分為提交、審核、修改、歸檔四種狀態(tài)［6］，與之相關(guān)的操作包括檢入、審批（通過，不通過）、歸檔等，文檔操作以及狀態(tài)變遷如圖3所示．

圖3 文檔狀態(tài)變遷

根據(jù)文檔的狀態(tài)變遷模型，在進行數(shù)據(jù)庫設(shè)計的過程中，需要按照文檔的不同狀態(tài)，分別在數(shù)據(jù)庫中建立文檔的提交、審核、修改、歸檔4種狀態(tài)，在數(shù)據(jù)庫中，通過ListItem控件的Value屬性通過“1”，“2”，“3”，“4”分別代表文檔的4種狀態(tài)．

2）文檔版本管理 動力裝置各類數(shù)據(jù)文檔在設(shè)計過程中可能要經(jīng)過不斷地修改、完善，直到最終定型，各種資料每經(jīng)過一次修改，就會產(chǎn)生新的版本．為了避免版本混亂，需要對經(jīng)過修改的文件給出版本的標(biāo)識信息，用來唯一地標(biāo)識這個文件地某一版本，這種表示信息就是版本號．本文主要研究通過樹狀編排的方式進行版本編號［7］，見圖4．

圖4 文檔的版本結(jié)構(gòu)

3）文檔的檢入 按照文檔的狀態(tài)變遷模型和文檔的版本結(jié)構(gòu)，在文檔檢入的過程中，設(shè)計人員不僅需要輸入項目名稱、文件的版本號，同時還要選定上傳文檔的類型以及文檔所處的狀態(tài)，然后再選擇需要上傳的文檔，將文檔上傳到設(shè)定的文檔存儲區(qū)，同時在數(shù)據(jù)庫表中將存儲上傳文檔的版本號以及文檔所處的狀態(tài)，以實現(xiàn)文檔的有序管理．

4）關(guān)于瀏覽圈閱的考慮 通過文檔查詢功能在完成文檔的檢索后，具有相應(yīng)權(quán)限的用戶能夠?qū)z索文檔進行詳細信息查詢，同時還能對文檔進行在線瀏覽圈閱和下載，因此需要將一些通用文檔及圖形軟件集成到支撐平臺中，如PDF閱讀器，AUTOCAD，3dxml Player等常用軟件以實現(xiàn)對輕量級文檔的在線瀏覽圈閱．

2.4 可視化配置管理的實現(xiàn)原理

支撐平臺的產(chǎn)品可視化配置模塊主要考慮將配置求解結(jié)果（一般包括設(shè)備模型、基本信息和BOM表）通過瀏覽器以可視化的方式顯示給系統(tǒng)用戶，即主要實現(xiàn)動力裝置設(shè)備配置結(jié)果的描述、配置結(jié)果的可視化顯示和在線瀏覽等功能，其中對于配置結(jié)果，需要從設(shè)備模型及設(shè)備模型之間的關(guān)系、設(shè)備模型信息、配置結(jié)果的可視化3個方面進行描述［8－9］．

1）關(guān)于設(shè)備模型及設(shè)備模型之間的關(guān)系本文所研究的關(guān)于建模的部分均在CATIA平臺上進行，CATIA中建模的過程中，是按照產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的方式組織零部件和裝配件之間的關(guān)系，而且CATIA在輸出模型時能夠?qū)a(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹附加到模型中一同輸出．因此，在支撐平臺中，可以按照型號、設(shè)備、設(shè)備零部件的方式模擬CATIA中的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹，從而形成完整的設(shè)備模型本身及設(shè)備模型之間的關(guān)系結(jié)構(gòu)．

2）設(shè)備模型信息 設(shè)備模型信息主要包括模型的基本信息（如功能、重量、尺寸等）和模型的物料清單表（bill of material，BOM），具體實現(xiàn)方法為在數(shù)據(jù)庫中建立產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的節(jié)點與模型、模型信息及相關(guān)文檔的關(guān)聯(lián)表．另外與設(shè)備相關(guān)的設(shè)計文檔如計算書、圖紙文件、表格文件等，也可在數(shù)據(jù)庫中與設(shè)備模型建立關(guān)聯(lián)指針，以便用戶能夠從配置結(jié)果中方便的調(diào)用該設(shè)備的相關(guān)文檔．其中BOM表可由CATIA自動生成，在CATIA中建立設(shè)備的模型之后，能夠?qū)⒛Ｐ偷腂OM表以Excel的方式進行輸出，并在可視化配置模塊中實現(xiàn)對CATIA中輸出的BOM表中信息的讀取．

3）結(jié)構(gòu)配置結(jié)果可視化及在線瀏覽 本系統(tǒng)是在CATIA環(huán)境下進行動力裝置設(shè)備的三維建模，由于需要在瀏覽器環(huán)境下進行在線瀏覽，因此需要對模型進行輕量化處理，并利用CATIA的3DXML Player控件，在ASP．NET環(huán)境下調(diào)用該控件，實現(xiàn)對該控件的集成．

2.5 工作流程管理的實現(xiàn)原理

工作流程管理主要包括定義工作流、監(jiān)控工作流及任務(wù)管理．

1）工作流定義 工作流定義是實施工作流管理的起點，在定義好工作流程之后，需要指派每個節(jié)點任務(wù)的執(zhí)行者以及完成時限等，然后將根據(jù)定義好的任務(wù)時限以及審閱人通知設(shè)計人員，設(shè)計人員完成后將文件提交到下一個任務(wù)執(zhí)行者處，并通知相應(yīng)的審批人員進行審批，如此直到整個流程完成．

2）工作流程監(jiān)控 工作流監(jiān)控模塊一方面可以提醒相關(guān)設(shè)計人員完成任務(wù)，例如，如果一個工作流啟動后，某一任務(wù)沒有在規(guī)定的時間內(nèi)完成，則可通過站內(nèi)短信或E－mail提示相關(guān)設(shè)計人員．另一方面當(dāng)設(shè)計人員將不同狀態(tài)的設(shè)計文檔上傳到系統(tǒng)后，需要通過站內(nèi)短信或者E－mail通知相關(guān)工作組人員，從而實現(xiàn)工作流程的變更管理功能．

3）任務(wù)管理器 在進行工作流程建模的過程中，動態(tài)的向相關(guān)設(shè)計人員配置了資源和指派了任務(wù)，任務(wù)執(zhí)行人員打開任務(wù)管理器可以接受任務(wù)、下載任務(wù)說明書和下載相關(guān)的文檔以及完成任務(wù)后提交任務(wù)．

2.6 項目管理的實現(xiàn)原理

項目管理是指在一定的約束條件下（時間、成本、資源等），以高效率地完成項目既定的任務(wù)為目的，按照項目內(nèi)在的邏輯規(guī)律進行有效的計劃、組織、協(xié)調(diào)、控制的系統(tǒng)管理活動［10－11］．通過項目管理，可為動力裝置設(shè)計提供一套計劃、執(zhí)行和控制管理的手段，主要包括項目基本信息管理、項目計劃建模和分解及項目運行任務(wù)管理，見圖5．

圖5 項目管理功能結(jié)構(gòu)

2.7 系統(tǒng)權(quán)限管理的實現(xiàn)原理

系統(tǒng)權(quán)限管理模塊主要實現(xiàn)了如下幾個方面的功能：身份認證、用戶管理、角色管理、職位管理和授權(quán)管理．其中身份認證主要對用戶的身份進行驗證，用戶必須通過身份認證才能進入系統(tǒng)；用戶管理主要實現(xiàn)用戶的增加、刪除和修改以及用戶帳號的啟用和停止；角色管理主要包括角色的添加；職位管理主要包括對職位的添加、刪除、修改以及將職位分配給用戶等；授權(quán)管理主要對角色或職位授予或取消相應(yīng)的權(quán)限．

1）權(quán)限管理模型 基于角色訪問控制（role based access control，RBAC）是當(dāng)前信息系統(tǒng)資源訪問控制公認的有效方法，其強調(diào)用戶的權(quán)限不是由用戶名而是由用戶在組織中的角色決定的，通過角色間接的訪問系統(tǒng)資源；在權(quán)限管理中，角色作為中間橋梁把用戶和權(quán)限聯(lián)系起來；用戶和角色，角色和權(quán)限之間是多對多的關(guān)系［12－13］．因此，本文結(jié)合RBAC模型，對其權(quán)限控制方法進行改進，通過讀取用戶在數(shù)據(jù)庫中存儲的授權(quán)信息，動態(tài)生成用戶界面的方法來實現(xiàn)權(quán)限管理，管理員可以通過職位授權(quán)和角色授權(quán)兩種方法對用戶授權(quán)．

2）用戶操作權(quán)限 在系統(tǒng)中用戶的基本操作有：瀏覽節(jié)點、檢入文件、發(fā)布文件、刪除文件、下載文件、審批文件、人員管理、管理權(quán)限、管理版塊、發(fā)布公告等．在針對不同的職位或者角色進行授權(quán)的過程中，需要根據(jù)系統(tǒng)中不同的模塊進行相應(yīng)該模塊內(nèi)相應(yīng)權(quán)限的授予或者取消．

3 原型系統(tǒng)

按照本文的方案設(shè)計及各個模塊的實現(xiàn)原理，以ASP．NET 2005為開發(fā)平臺，編程語言采用C＃，以SQL SERVER2005為數(shù)據(jù)庫平臺，以IIS為Web服務(wù)器，開發(fā)了艦船動力裝置數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)支撐平臺（MPPDDSSP）．為了驗證所實現(xiàn)的功能，將數(shù)據(jù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器和 Web服務(wù)器部署在一臺HP XW8000Workstation上，以8臺HP Dx6100為客戶端，對系統(tǒng)功能進行測試．經(jīng)測試表明，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)及文檔管理、工作流程管理、項目管理、可視化配置管理、權(quán)限管理、協(xié)同工作及系統(tǒng)用戶個人信息管理的功能，同時系統(tǒng)運行穩(wěn)定、使用便利，能夠滿足艦船動力裝置數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)支撐環(huán)境的需求．

4 結(jié) 論

1）針對艦船動力裝置數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)的需求，分析了MPPDDSSP的功能需求，在此基礎(chǔ)上研究了MPPDDSSP的功能結(jié)構(gòu)．

2）在充分研究PDM／PLM技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合MPPDDSSP的特點，提出采用通用編程語言進行MPPDDSSP的開發(fā)，并設(shè)計了支撐平臺的層次結(jié)構(gòu)．

3）對MPPDDSSP的系統(tǒng)類設(shè)計、數(shù)據(jù)庫設(shè)計及各個功能模塊的實現(xiàn)原理等開發(fā)過程中的相關(guān)問題進行了深入研究，為MPPDDSSP奠定了技術(shù)基礎(chǔ)．

4）開發(fā)了MPPDDSSP，該系統(tǒng)具有實現(xiàn)數(shù)據(jù)及文檔管理、工作流程管理、項目管理、可視化配置管理、權(quán)限管理、協(xié)同工作及系統(tǒng)用戶個人信息管理的功能，能夠為艦船動力裝置數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)提供較好的支持，同時也能為艦船數(shù)字化設(shè)計乃至數(shù)字化造船提供一定的參考．

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