基于Web的质量特性设计支持系统研究

方 强，曾 畅，巩常兰，孔维礼，吴 军

(1.中国舰船研究设计中心，武汉 430064;2.华中科技大学 船舶与海洋工程学院，武汉 430074)

随着高新技术的飞速发展及其在舰艇上的广泛应用，现代水面舰艇的技术含量和复杂程度越来越高。这给如何在水面舰艇研制的全生命周期过程中控制与保证舰艇设计质量带来了新的挑战。为了提高舰船设计质量，国内外专家一直不懈地开展质量特性分析方法的创新研究。Brian 等研究了面向质量的设计理论与方法，提出将用户需要的质量主动通过设计过程合成到产品中去，在达到高质量产品的同时能实现低成本的目标［2］。Wu 研究了以试验设计和信噪比设计为工具的稳健设计方法，通过分析引起产品质量波动或引起产品功能偏离目标值的原因来选取合适的因素的实现高质量产品［3］。Carnevalli 探讨了质量功能展开方法，将用户需求转换成为产品特征、零部件特征、工艺特征、质量与生产计划等技术需求，使所设计和制造的产品能真正满足顾客需求，该方法已被三菱重工神户造船厂成功地应用于船舶设计与制造中［4］。然而，开展水面舰艇质量特性设计与分析，涉及大量的知识与信息(如设计过程信息、设计结果信息、设计知识与经验信息等)，而且具有结构与关系复杂、模型构造困难等特点。同时其设计过程需要在质量特性信息流上，由分布在不同地理位置的众多设计人员协同进行。因此，水面舰艇质量特性设计的实现需要强有力的工具与系统的支撑，以便在适当的时间提供合适的设计方法与相关知识，进行正确的设计与管理。基于此，本文基于B/S 模式，运用最新的J2EE 技术，实现基于Web 的水面舰艇质量特性设计支持系统，使分散于不同地理位置的设计人员进行信息交换和业务过程交互成为可能。

1 质量特性设计支持系统的需求分析

质量特性是水面舰艇质量的载体，是水面舰艇达到相应功能及性能需求的结构、材料、工艺等设计参数及质控要求，分为通用质量特性和专用质量特性。其中专用质量特性是水面舰艇的各组成系统及其装置满足规定要求的质量特性，如总体质量特性和船体质量特性等;通用质量特性是水面舰艇的整体质量特性，如可靠性、维修性、隐蔽性和生命力等。如图1 所示，给出了质量特性设计过程，包括概念设计、方案设计、技术设计和施工设计等阶段。在每个阶段，为了实现相应的质量要求，需要开展质量目标制定、综合设计和评价决策3 个质量活动，从而确定水面舰艇的结构参数、容差及其工艺参数等，形成包括材料、外构件和工艺的技术规范，样机试验与试制规范，设计评审改进和完善方案等等。由此可见，质量特性形成依附于设计方案，是具体的质量过程控制要求，中间蕴含着从功能实现到质量控制的复杂演化映射过程。

图1 水面舰艇质量特性设计

为实现水面舰艇设计过程的质量驱动性、系统规范性和并行性，提供设计质量，水面舰艇质量特性设计系统应满足如下需求。

1)质量特性分析。水面舰艇是是一个非常复杂的海上工程建筑物，涉及到众多系统、设备和装置，其质量特性指标也繁多，为此需要从质量工程“关键少数，次要多数”的角度开展质量特性重要度分析，识别设计中关键质量特性。同时，需要质量特性冲突消减机制，当质量特性之间产生冲突时，可以进行综合分析。

2)质量特性评价。水面舰艇研制过程受到众多因素的影响与制约，其质量特性值并非与设计规定的目标值完全一致。为此需要开展质量特征评价，从设计空间中找到满足质量特性目标要求的设计，并进一步找到最优设计，从而有效地控制水面舰艇的设计质量。

3)信息共享与集成。水面舰艇设计模式日益趋向网络化、协同化、并行化、敏捷化和个性化。为此需要对水面舰艇质量特性设计信息进行系统管理，在保证信息完整性、一致性、可追溯性和安全性的前提下，使得设计过程中的各种信息得到充分共享。同时需要实现异构质量特性信息源的集成，以实现跨系统的信息集成，避免信息资源浪费。

2 质量特性设计支持系统的总体设计

2.1 系统功能模块设计

根据水面舰艇质量特性设计的技术需求，给出水面舰艇质量特性设计支持系统的主要功能模块，包括质量特性设计、系统集成和系统管理等，如图2 所示。

1)质量特性设计模块。该模块主要负责质量特性设计信息的分析、评价与管理，包括质量特性指标体系构建、质量特性综合分析、质量特性综合评价、质量BOM 管理与维护、基础数据维护等功能。

2)系统集成模块。该模块主要负责实现与其他现有的信息系统和设计开发工具的信息集成功能，包括信息采编器、信息封装发布、信息查询与调用等功能。

3)系统管理模块。该模块主要负责对系统进行日常管理与维护，包括注册登陆管理、用户权限管理、数据库管理与维护等功能。

图2 水面舰艇质量特性设计支持系统功能模块

2.2 系统业务流程分析

质量特性设计是一个由众多设计人员参与的，根据各自的角色职责，利用各自的工具执行所分配任务的复杂过程，具体包括概念设计、方案设计、技术设计和施工设计四个设计阶段。如图3 所示，给出水面舰艇质量特性设计业务流程的UML 序列图。

图3 中，每个设计阶段都由设计质量目标制定与分析、设计质量综合设计和设计质量综合评价3 个活动。质量目标制定与分析活动是从质量特性属性层中提取出最为关键的质量特性指标以及质量特性指标间耦合与冲突的消减。质量综合设计活动是通过分析影响质量特性的可控因素和不可控因素，采用系统化和模块化的方式进行反复迭代，使每一步的输出都满足规定的质量目标。质量综合评价活动是以规定的质量目标为依据，从设计空间中找到满足要求的设计，进一步找到最优设计。

图3 质量特性设计业务流程的UML 序列图

3 基于Web 的质量特性设计支持系统开发

3.1 系统的软件架构

水面舰艇质量特性设计支持系统是基于B/S 模式的，其软件架构采用了目前流行的一种Web 应用程序开源框架，即Struts 2.0、Spring 2.5 和Hibernate 3.2 集成框架，并选取Tomcat 6.0 作为系统的应用服务器，MS SQL Server 2000 作为系统底层数据库。如图4 所示，其软件架构主要包括业务表现层、业务处理层、数据访问层和信息系统层等。

图4 质量特性设计支持系统的软件架构

1)业务表现层。业务表现层是用户与系统之间交互的接口，用户通过Web 浏览器等访问系统。开发采用Struts 2.0 框架，综合运用JSP、Servlet、HTML、JavaScript、CSS、自定义标签库和第三方标签库等技术，使得开发出的用户界面能够完全满足人机交互的要求，并且具有结构层次分明、代码复用性好等特点。

2)业务处理层。业务处理层是整个框架的核心，主要负责系统功能模块的实现，包括基础层、核心层和功能层。基础层是系统功能实现的基础，实现权限与安全、应用服务配置和运行监控等业务;核心层主要负责定义系统涉及到的各种业务过程，支持系统管理员以过程控制方式对业务流程进行管理;功能层主要实现系统的各项功能模块。该层开发采用Spring 2.5 框架，通过IOC 容器、AOP、DAO、ORM 等组件为业务表现层和数据访问层提供业务服务和管理，实现质量特性设计支持系统的各种业务功能。

3)数据访问层。数据访问层主要负责处理业务逻辑对底层支撑数据库的访问。通过数据访问层，当数据库中各种表单仅仅做局部调整时，只需要修改接口中的数据表示，而不需要触动业务表现层代码和业务处理层代码。该层开发采用Hibernate 3.5 框架，通过Session、SessionFactory、Transaction、Query 和Configuration 等5 个接口，将系统运行中各种业务数据对象存储到数据库中，或者从数据库中获取信息重新装配数据对象。

4)信息系统层。信息系统层主要负责对质量特性设计中涉及到信息系统(如PDM、TRIBON、ERP 等)进行统一管理，以保证数据的一致性和完整性。该层开发采用XML Schema 和Web Services 等技术实现信息系统集成接口。

此外，该系统通过实现与第三方的一些特殊应用工具集成，为其他工具的开发提供支持，如利用i-Report/Jasper-Report 开发报表系统和利用jBPM 开发业务流程控制工具等。

3.2 系统实现与应用

水面舰艇质量特性设计支持系统的开发遵从J2EE 技术框架和Web 服务标准，其实现界面如图5 所示。系统测试合格后部署于服务器上，授权的设计人员通过IE 浏览器访问该系统，能够分布式协同地开展质量特性指标体系构建、质量特性综合分析、质量特性综合评价、质量BOM 管理与维护等工作。

图5 质量特性设计支持系统的用户界面

4 结束语

本文通过分析水面舰艇质量特性综合设计的功能与技术需求，采用最新的信息技术，设计了水面舰艇质量特性设计支持系统的功能模块、业务流程和技术框架，进而开发了相应的原型软件系统。水面舰艇质量特性设计支持系统具有如下特点:

1)灵活性。系统结构要具有一定的灵活性，可以适当地进行功能扩展，能够随需而变地满足不同设计业务改变的需求，提高整个系统的可适应性和可维护性。

2)集成性。集成性是该系统的重要目标，目标是实现不同应用系统和设计业务的集成需求。原先孤立的业务信息系统数据经过整合、集成后，应该进行综合查询，保证数据的完整性、一致性、可追溯性和安全性。

3)重用性。该系统能够最大化重用内部的遗留系统资源，从而减少重复开发量。

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