舰船动力装置数字化设计系统支撑平台研究＊

（海军工程大学船舶与动力学院 武汉 430033）

舰船动力装置数字化设计是指在计算机技术、网络通信技术、并行工程技术、数字仿真技术及虚拟样机技术等相关支撑技术的支持下，对舰船动力装置设计全过程进行数字化描述，以建立的动力装置的数字化模型为基础，面向舰船动力装置生命周期进行动力装置设计的仿真与优化、信息融合与过程的集成管理，最终实现舰船动力装置设计及开发全过程的数字化［1－2］，其关键技术主要包括硬件支撑平台技术、现代设计工具／平台技术、协同仿真技术、虚拟样机技术、多学科优化技术、协同设计／应用软件技术、数字化设计标准及规范技术、支撑平台技术等内容［3－4］．本文以舰船动力装置数字化设计系统的底层支撑平台及核心功能模块，开展舰船动力装置数字化设计系统支撑环境研究，将为进一步推进舰船动力装置数字化设计进程，同时也将为舰船动力装置设计水平的提高提供一定的支撑．

1 方案设计

根据支撑环境的功能需求，本文研究设计了如图1所示的支撑平台系统层次结构．系统从整体上采用3层结构：数据层、功能层和表示层．其中数据层主要用于动力装置设计过程中的各种数据，功能层主要实现支撑平台的各类核心功能，表示层为浏览器．另外针对各客户端所需要的专业性较强且功能复杂的各类应用软件，可以针对该部门比如设计部门，以设计部门内部的局域网为基础，开发专门的基于C／S模式的控制管理模块，以实现对设计部门所需要的各类设计应用软件的集成、支持和协同．

2 开发过程中的相关问题

2.1 系统类图设计

类是包含了方法、属性、数据成员的代码模块，通过类可以高效的完成特定对象的复杂操作，为了提高代码的封装性和处理系统中大量近似的对象［5］，根据系统功能模块的划分，本文针对支撑平台的开发设计了如图2所示的系统类图．

1）DataAccess类 负责实现业务层的应用程序对数据库的连接、访问和断开等操作，其他实现类通过调用该类中的GetConnection和Runsql方法实现对数据库的访问．

2）ProjManager类 负责实现设计项目的创建、编辑、分解和查看等操作．

图1 支撑环境层次结构

图2 系统类图

3）SysManager类 负责实现用户、角色的创建、编辑、删除以及权限的分配和管理等操作．

4）DocManager类 负责实现文档的上传、下载、查询以及在线浏览等功能．

5）ProdManager类 负责实现动力装置设备可视化模型及其相关文档的创建、删除和查看．

6）FlowManager类 负责方案设计流程的创建、更新、删除和查看等操作．

2.2 系统数据库设计

由于支撑平台需要支持数据及文档管理、工作流程管理、项目管理、可视化配置管理、权限管理等方面的功能，且各个模块之间关系较为紧密，如权限管理在数据及文档管理中需要为系统用户指定相应的对文档的操作权限，如上传、下载、修改；工作流程管理中需要为系统用户指定相应的提交及审批权限等，因此在进行系统开发之前需要综合考虑各方面的因素，合理设计系统数据库的结构，主要包括用户数据、权限数据、项目数据、动力系统设备数据、文档数据、流程数据等内容．为了说明各个类对数据库的访问，下面以Proj－Manager类中getProj方法对数据库的访问过程为例，说明通过ADO．NET实现对数据库的访问方法．

2.3 数据及文档管理功能的实现原理

舰船动力装置数字化设计系统的数据类型主要有3类：具体的项目数据、过程数据以及元数据．为了实现对这些数据的安全、有序的管理，在数据库设计的过程中将数据分为2类，一类是以电子仓库的形式存储，一类以结构化形式直接存储在数据库中．数据及文档管理主要实现了如下几个方面的功能：文档检入、文档下载、文档查询、站内查询、修改删除、浏览圈阅及版本管理．

1）关于文档的状态变化 由于在设计过程中的文档处于动态变化状态，为了防止对文档的非法访问或者未经授权的操作，把文档的状态分为提交、审核、修改、归档四种状态［6］，与之相关的操作包括检入、审批（通过，不通过）、归档等，文档操作以及状态变迁如图3所示．

图3 文档状态变迁

根据文档的状态变迁模型，在进行数据库设计的过程中，需要按照文档的不同状态，分别在数据库中建立文档的提交、审核、修改、归档4种状态，在数据库中，通过ListItem控件的Value属性通过“1”，“2”，“3”，“4”分别代表文档的4种状态．

2）文档版本管理 动力装置各类数据文档在设计过程中可能要经过不断地修改、完善，直到最终定型，各种资料每经过一次修改，就会产生新的版本．为了避免版本混乱，需要对经过修改的文件给出版本的标识信息，用来唯一地标识这个文件地某一版本，这种表示信息就是版本号．本文主要研究通过树状编排的方式进行版本编号［7］，见图4．

图4 文档的版本结构

3）文档的检入 按照文档的状态变迁模型和文档的版本结构，在文档检入的过程中，设计人员不仅需要输入项目名称、文件的版本号，同时还要选定上传文档的类型以及文档所处的状态，然后再选择需要上传的文档，将文档上传到设定的文档存储区，同时在数据库表中将存储上传文档的版本号以及文档所处的状态，以实现文档的有序管理．

4）关于浏览圈阅的考虑 通过文档查询功能在完成文档的检索后，具有相应权限的用户能够对检索文档进行详细信息查询，同时还能对文档进行在线浏览圈阅和下载，因此需要将一些通用文档及图形软件集成到支撑平台中，如PDF阅读器，AUTOCAD，3dxml Player等常用软件以实现对轻量级文档的在线浏览圈阅．

2.4 可视化配置管理的实现原理

支撑平台的产品可视化配置模块主要考虑将配置求解结果（一般包括设备模型、基本信息和BOM表）通过浏览器以可视化的方式显示给系统用户，即主要实现动力装置设备配置结果的描述、配置结果的可视化显示和在线浏览等功能，其中对于配置结果，需要从设备模型及设备模型之间的关系、设备模型信息、配置结果的可视化3个方面进行描述［8－9］．

1）关于设备模型及设备模型之间的关系本文所研究的关于建模的部分均在CATIA平台上进行，CATIA中建模的过程中，是按照产品结构树的方式组织零部件和装配件之间的关系，而且CATIA在输出模型时能够将产品结构树附加到模型中一同输出．因此，在支撑平台中，可以按照型号、设备、设备零部件的方式模拟CATIA中的产品结构树，从而形成完整的设备模型本身及设备模型之间的关系结构．

2）设备模型信息 设备模型信息主要包括模型的基本信息（如功能、重量、尺寸等）和模型的物料清单表（bill of material，BOM），具体实现方法为在数据库中建立产品结构树的节点与模型、模型信息及相关文档的关联表．另外与设备相关的设计文档如计算书、图纸文件、表格文件等，也可在数据库中与设备模型建立关联指针，以便用户能够从配置结果中方便的调用该设备的相关文档．其中BOM表可由CATIA自动生成，在CATIA中建立设备的模型之后，能够将模型的BOM表以Excel的方式进行输出，并在可视化配置模块中实现对CATIA中输出的BOM表中信息的读取．

3）结构配置结果可视化及在线浏览 本系统是在CATIA环境下进行动力装置设备的三维建模，由于需要在浏览器环境下进行在线浏览，因此需要对模型进行轻量化处理，并利用CATIA的3DXML Player控件，在ASP．NET环境下调用该控件，实现对该控件的集成．

2.5 工作流程管理的实现原理

工作流程管理主要包括定义工作流、监控工作流及任务管理．

1）工作流定义 工作流定义是实施工作流管理的起点，在定义好工作流程之后，需要指派每个节点任务的执行者以及完成时限等，然后将根据定义好的任务时限以及审阅人通知设计人员，设计人员完成后将文件提交到下一个任务执行者处，并通知相应的审批人员进行审批，如此直到整个流程完成．

2）工作流程监控 工作流监控模块一方面可以提醒相关设计人员完成任务，例如，如果一个工作流启动后，某一任务没有在规定的时间内完成，则可通过站内短信或E－mail提示相关设计人员．另一方面当设计人员将不同状态的设计文档上传到系统后，需要通过站内短信或者E－mail通知相关工作组人员，从而实现工作流程的变更管理功能．

3）任务管理器 在进行工作流程建模的过程中，动态的向相关设计人员配置了资源和指派了任务，任务执行人员打开任务管理器可以接受任务、下载任务说明书和下载相关的文档以及完成任务后提交任务．

2.6 项目管理的实现原理

项目管理是指在一定的约束条件下（时间、成本、资源等），以高效率地完成项目既定的任务为目的，按照项目内在的逻辑规律进行有效的计划、组织、协调、控制的系统管理活动［10－11］．通过项目管理，可为动力装置设计提供一套计划、执行和控制管理的手段，主要包括项目基本信息管理、项目计划建模和分解及项目运行任务管理，见图5．

图5 项目管理功能结构

2.7 系统权限管理的实现原理

系统权限管理模块主要实现了如下几个方面的功能：身份认证、用户管理、角色管理、职位管理和授权管理．其中身份认证主要对用户的身份进行验证，用户必须通过身份认证才能进入系统；用户管理主要实现用户的增加、删除和修改以及用户帐号的启用和停止；角色管理主要包括角色的添加；职位管理主要包括对职位的添加、删除、修改以及将职位分配给用户等；授权管理主要对角色或职位授予或取消相应的权限．

1）权限管理模型 基于角色访问控制（role based access control，RBAC）是当前信息系统资源访问控制公认的有效方法，其强调用户的权限不是由用户名而是由用户在组织中的角色决定的，通过角色间接的访问系统资源；在权限管理中，角色作为中间桥梁把用户和权限联系起来；用户和角色，角色和权限之间是多对多的关系［12－13］．因此，本文结合RBAC模型，对其权限控制方法进行改进，通过读取用户在数据库中存储的授权信息，动态生成用户界面的方法来实现权限管理，管理员可以通过职位授权和角色授权两种方法对用户授权．

2）用户操作权限 在系统中用户的基本操作有：浏览节点、检入文件、发布文件、删除文件、下载文件、审批文件、人员管理、管理权限、管理版块、发布公告等．在针对不同的职位或者角色进行授权的过程中，需要根据系统中不同的模块进行相应该模块内相应权限的授予或者取消．

3 原型系统

按照本文的方案设计及各个模块的实现原理，以ASP．NET 2005为开发平台，编程语言采用C＃，以SQL SERVER2005为数据库平台，以IIS为Web服务器，开发了舰船动力装置数字化设计系统支撑平台（MPPDDSSP）．为了验证所实现的功能，将数据服务器、应用服务器和 Web服务器部署在一台HP XW8000Workstation上，以8台HP Dx6100为客户端，对系统功能进行测试．经测试表明，系统能够实现数据及文档管理、工作流程管理、项目管理、可视化配置管理、权限管理、协同工作及系统用户个人信息管理的功能，同时系统运行稳定、使用便利，能够满足舰船动力装置数字化设计系统支撑环境的需求．

4 结 论

1）针对舰船动力装置数字化设计系统的需求，分析了MPPDDSSP的功能需求，在此基础上研究了MPPDDSSP的功能结构．

2）在充分研究PDM／PLM技术发展现状的基础上，结合MPPDDSSP的特点，提出采用通用编程语言进行MPPDDSSP的开发，并设计了支撑平台的层次结构．

3）对MPPDDSSP的系统类设计、数据库设计及各个功能模块的实现原理等开发过程中的相关问题进行了深入研究，为MPPDDSSP奠定了技术基础．

4）开发了MPPDDSSP，该系统具有实现数据及文档管理、工作流程管理、项目管理、可视化配置管理、权限管理、协同工作及系统用户个人信息管理的功能，能够为舰船动力装置数字化设计系统提供较好的支持，同时也能为舰船数字化设计乃至数字化造船提供一定的参考．

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