基于Web的質量特性設計支持系統研究

方 強，曾 暢，鞏常蘭，孔維禮，吳 軍

(1.中國艦船研究設計中心，武漢 430064;2.華中科技大學 船舶與海洋工程學院，武漢 430074)

隨著高新技術的飛速發展及其在艦艇上的廣泛應用，現代水面艦艇的技術含量和復雜程度越來越高。這給如何在水面艦艇研制的全生命周期過程中控制與保證艦艇設計質量帶來了新的挑戰。為了提高艦船設計質量，國內外專家一直不懈地開展質量特性分析方法的創新研究。Brian 等研究了面向質量的設計理論與方法，提出將用戶需要的質量主動通過設計過程合成到產品中去，在達到高質量產品的同時能實現低成本的目標［2］。Wu 研究了以試驗設計和信噪比設計為工具的穩健設計方法，通過分析引起產品質量波動或引起產品功能偏離目標值的原因來選取合適的因素的實現高質量產品［3］。Carnevalli 探討了質量功能展開方法，將用戶需求轉換成為產品特征、零部件特征、工藝特征、質量與生產計劃等技術需求，使所設計和制造的產品能真正滿足顧客需求，該方法已被三菱重工神戶造船廠成功地應用于船舶設計與制造中［4］。然而，開展水面艦艇質量特性設計與分析，涉及大量的知識與信息(如設計過程信息、設計結果信息、設計知識與經驗信息等)，而且具有結構與關系復雜、模型構造困難等特點。同時其設計過程需要在質量特性信息流上，由分布在不同地理位置的眾多設計人員協同進行。因此，水面艦艇質量特性設計的實現需要強有力的工具與系統的支撐，以便在適當的時間提供合適的設計方法與相關知識，進行正確的設計與管理。基于此，本文基于B/S 模式，運用最新的J2EE 技術，實現基于Web 的水面艦艇質量特性設計支持系統，使分散于不同地理位置的設計人員進行信息交換和業務過程交互成為可能。

1 質量特性設計支持系統的需求分析

質量特性是水面艦艇質量的載體，是水面艦艇達到相應功能及性能需求的結構、材料、工藝等設計參數及質控要求，分為通用質量特性和專用質量特性。其中專用質量特性是水面艦艇的各組成系統及其裝置滿足規定要求的質量特性，如總體質量特性和船體質量特性等;通用質量特性是水面艦艇的整體質量特性，如可靠性、維修性、隱蔽性和生命力等。如圖1 所示，給出了質量特性設計過程，包括概念設計、方案設計、技術設計和施工設計等階段。在每個階段，為了實現相應的質量要求，需要開展質量目標制定、綜合設計和評價決策3 個質量活動，從而確定水面艦艇的結構參數、容差及其工藝參數等，形成包括材料、外構件和工藝的技術規范，樣機試驗與試制規范，設計評審改進和完善方案等等。由此可見，質量特性形成依附于設計方案，是具體的質量過程控制要求，中間蘊含著從功能實現到質量控制的復雜演化映射過程。

圖1 水面艦艇質量特性設計

為實現水面艦艇設計過程的質量驅動性、系統規范性和并行性，提供設計質量，水面艦艇質量特性設計系統應滿足如下需求。

1)質量特性分析。水面艦艇是是一個非常復雜的海上工程建筑物，涉及到眾多系統、設備和裝置，其質量特性指標也繁多，為此需要從質量工程“關鍵少數，次要多數”的角度開展質量特性重要度分析，識別設計中關鍵質量特性。同時，需要質量特性沖突消減機制，當質量特性之間產生沖突時，可以進行綜合分析。

2)質量特性評價。水面艦艇研制過程受到眾多因素的影響與制約，其質量特性值并非與設計規定的目標值完全一致。為此需要開展質量特征評價，從設計空間中找到滿足質量特性目標要求的設計，并進一步找到最優設計，從而有效地控制水面艦艇的設計質量。

3)信息共享與集成。水面艦艇設計模式日益趨向網絡化、協同化、并行化、敏捷化和個性化。為此需要對水面艦艇質量特性設計信息進行系統管理，在保證信息完整性、一致性、可追溯性和安全性的前提下，使得設計過程中的各種信息得到充分共享。同時需要實現異構質量特性信息源的集成，以實現跨系統的信息集成，避免信息資源浪費。

2 質量特性設計支持系統的總體設計

2.1 系統功能模塊設計

根據水面艦艇質量特性設計的技術需求，給出水面艦艇質量特性設計支持系統的主要功能模塊，包括質量特性設計、系統集成和系統管理等，如圖2 所示。

1)質量特性設計模塊。該模塊主要負責質量特性設計信息的分析、評價與管理，包括質量特性指標體系構建、質量特性綜合分析、質量特性綜合評價、質量BOM 管理與維護、基礎數據維護等功能。

2)系統集成模塊。該模塊主要負責實現與其他現有的信息系統和設計開發工具的信息集成功能，包括信息采編器、信息封裝發布、信息查詢與調用等功能。

3)系統管理模塊。該模塊主要負責對系統進行日常管理與維護，包括注冊登陸管理、用戶權限管理、數據庫管理與維護等功能。

圖2 水面艦艇質量特性設計支持系統功能模塊

2.2 系統業務流程分析

質量特性設計是一個由眾多設計人員參與的，根據各自的角色職責，利用各自的工具執行所分配任務的復雜過程，具體包括概念設計、方案設計、技術設計和施工設計四個設計階段。如圖3 所示，給出水面艦艇質量特性設計業務流程的UML 序列圖。

圖3 中，每個設計階段都由設計質量目標制定與分析、設計質量綜合設計和設計質量綜合評價3 個活動。質量目標制定與分析活動是從質量特性屬性層中提取出最為關鍵的質量特性指標以及質量特性指標間耦合與沖突的消減。質量綜合設計活動是通過分析影響質量特性的可控因素和不可控因素，采用系統化和模塊化的方式進行反復迭代，使每一步的輸出都滿足規定的質量目標。質量綜合評價活動是以規定的質量目標為依據，從設計空間中找到滿足要求的設計，進一步找到最優設計。

圖3 質量特性設計業務流程的UML 序列圖

3 基于Web 的質量特性設計支持系統開發

3.1 系統的軟件架構

水面艦艇質量特性設計支持系統是基于B/S 模式的，其軟件架構采用了目前流行的一種Web 應用程序開源框架，即Struts 2.0、Spring 2.5 和Hibernate 3.2 集成框架，并選取Tomcat 6.0 作為系統的應用服務器，MS SQL Server 2000 作為系統底層數據庫。如圖4 所示，其軟件架構主要包括業務表現層、業務處理層、數據訪問層和信息系統層等。

圖4 質量特性設計支持系統的軟件架構

1)業務表現層。業務表現層是用戶與系統之間交互的接口，用戶通過Web 瀏覽器等訪問系統。開發采用Struts 2.0 框架，綜合運用JSP、Servlet、HTML、JavaScript、CSS、自定義標簽庫和第三方標簽庫等技術，使得開發出的用戶界面能夠完全滿足人機交互的要求，并且具有結構層次分明、代碼復用性好等特點。

2)業務處理層。業務處理層是整個框架的核心，主要負責系統功能模塊的實現，包括基礎層、核心層和功能層。基礎層是系統功能實現的基礎，實現權限與安全、應用服務配置和運行監控等業務;核心層主要負責定義系統涉及到的各種業務過程，支持系統管理員以過程控制方式對業務流程進行管理;功能層主要實現系統的各項功能模塊。該層開發采用Spring 2.5 框架，通過IOC 容器、AOP、DAO、ORM 等組件為業務表現層和數據訪問層提供業務服務和管理，實現質量特性設計支持系統的各種業務功能。

3)數據訪問層。數據訪問層主要負責處理業務邏輯對底層支撐數據庫的訪問。通過數據訪問層，當數據庫中各種表單僅僅做局部調整時，只需要修改接口中的數據表示，而不需要觸動業務表現層代碼和業務處理層代碼。該層開發采用Hibernate 3.5 框架，通過Session、SessionFactory、Transaction、Query 和Configuration 等5 個接口，將系統運行中各種業務數據對象存儲到數據庫中，或者從數據庫中獲取信息重新裝配數據對象。

4)信息系統層。信息系統層主要負責對質量特性設計中涉及到信息系統(如PDM、TRIBON、ERP 等)進行統一管理，以保證數據的一致性和完整性。該層開發采用XML Schema 和Web Services 等技術實現信息系統集成接口。

此外，該系統通過實現與第三方的一些特殊應用工具集成，為其他工具的開發提供支持，如利用i-Report/Jasper-Report 開發報表系統和利用jBPM 開發業務流程控制工具等。

3.2 系統實現與應用

水面艦艇質量特性設計支持系統的開發遵從J2EE 技術框架和Web 服務標準，其實現界面如圖5 所示。系統測試合格后部署于服務器上，授權的設計人員通過IE 瀏覽器訪問該系統，能夠分布式協同地開展質量特性指標體系構建、質量特性綜合分析、質量特性綜合評價、質量BOM 管理與維護等工作。

圖5 質量特性設計支持系統的用戶界面

4 結束語

本文通過分析水面艦艇質量特性綜合設計的功能與技術需求，采用最新的信息技術，設計了水面艦艇質量特性設計支持系統的功能模塊、業務流程和技術框架，進而開發了相應的原型軟件系統。水面艦艇質量特性設計支持系統具有如下特點:

1)靈活性。系統結構要具有一定的靈活性，可以適當地進行功能擴展，能夠隨需而變地滿足不同設計業務改變的需求，提高整個系統的可適應性和可維護性。

2)集成性。集成性是該系統的重要目標，目標是實現不同應用系統和設計業務的集成需求。原先孤立的業務信息系統數據經過整合、集成后，應該進行綜合查詢，保證數據的完整性、一致性、可追溯性和安全性。

3)重用性。該系統能夠最大化重用內部的遺留系統資源，從而減少重復開發量。

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