基于面向对象的飞机设计应用系统设计与开发.pdf

计算机与现代化2012 年第 10 期JISUANJI YU XIANDAIHUA总第 206 期文章编号:1006-2475(2012)10-0216 04收稿日期:2012-06-06作者简介:李红梅(1990-)，女，安徽涡阳人，南京理工大学经济管理学院信息管理系本科生，研究方向:信息系统开发，文本挖掘;郑建国(1990-)，男，江苏盐城人，本科生，研究方向:信息系统开发。基于面向对象的飞机设计应用系统设计与开发李红梅，郑建国，郑小昌(南京理工大学经济管理学院信息管理系，江苏 南京 210094)摘要:采用面向对象分析与设计的方法，将飞机设计过程中的事务分解为多个对象，开发飞机设计应用系统，并具体论述系统的总体设计、功能结构设计及其实现。关键词:面向对象;飞机设计;方案设计;Java 平台中图分类号:TP311文献标识码:Adoi:10 3969/j issn 1006-2475 2012 10 057Design and Development of Aircraft Design Application Systems Based on Object-orientedLI Hong-mei，ZHENG Jian-guo，ZHENG Xiao-chang(School of Economics and Management，Nanjing University of Technology，Nanjing 210094，China)Abstract:Based on object-oriented analysis and design method，the affairs of the aircraft design process is divided into severalobjects，this paper expounds the development of aircraft design applications systems，and introduces in detail its main designthinking，function frame and its realizationKey words:object-oriented;aircraft design;conceptual design;Java development platform0引言随着航空技术的飞速发展，飞机方案设计的复杂性增强，军方需求与民用市场对飞机设计提出了更高要求，因此很有必要开发飞机方案设计软件以适应客户需求。飞机方案设计软件是提高总体设计效率和质量的有效手段。随着计算机及其相关技术的不断发展，使得利用计算机辅助飞机总体综合设计以加快设计进程、提高设计质量成为可能。目前，国内外在飞机设计方面的软件有很多，较为有名的有:美国DAR 公司(J Roskam)的 Advanced Aircraft Analysis(AAA)，有专门的造型和显示模块，可对方案进行较为精确的描述，商业化程度高1;美国 Conceptual Re-search 公司(D P Raymer)的 RDS，是在 DOS 状态下运行的软件，但降低了该软件的界面友好性;俄罗斯CentralAero-Hydro-dynamics-Institute-FAAD-S Team 开发的总体设计软件 JAPAD(Jet Aircraft PreliminaryAerodynamic Design)，它的各模块功能强大详尽，模块之间比较独立，但没有形成一个集成的平台，模块之间数据传输困难1;Berlin 工大的 VisualCAPDA，可用于涡扇和祸桨飞机的设计，有多个数据库进行设计支持，各模块采用库的概念，可动态地链接和装级1;西北工业大学、成都飞机工业公司、南京航空航天大学联合开发的 ACDS，在选定准则下对飞机主要参数进行优选;北京航空航天大学和北京星流航太科技有限公司合作推广的 CADS，是 SEACD 的完善和产品化版本，是一种较为成熟的分析设计软件，几何建模交互性强，可较精确地描述方案外形。这些软件和方法的使用范围和功能相差较大，并且各有侧重点。鉴于在飞机设计的过程中，设计人员需要完成飞机性能指标的确定，选择飞机总体布局形式，确定飞机内部布置，在各专业之间进行协调，完成各种性能分析，最终得到飞机样机2，在这一过程中设计人员需要面对海量的设计信息，这样有效的数据分析和管理将直接关系到设计结果的好坏和设计的效率。本系统主要通过面向对象的分析法对飞机设计过程进行可视化界面设计，将确定飞机总体参数和主要性能等复杂过程程序化，并记录出相关指标与优化目标的联系，作为一个简单、灵巧的信息管理辅助设计软件，2012 年第 10 期李红梅等:基于面向对象的飞机设计应用系统设计与开发217帮助飞机设计人员收集、存储和查询信息。1面向对象的系统分析1 1系统需求分析飞机设计是在使用方提出特定的设计要求的条件下，选择并确定飞机布局形式和总体设计参数，经过计算、分析、修正，使所设计出的飞机以优良的性能，最大限度地满足使用方的要求3。飞机设计参数主要包括起飞重量(如空机重量和燃油重量)、推重比和翼载荷，这为飞机初步布局的计算提供依据。在本文中，飞机布局侧重机翼和尾翼的布局，估算飞机的基本几何参数，如机身长度、机翼面积、机翼展弦比、尾翼几何参数、发动机长度与直径和发动机重量等参数做好了准备，可绘制初始的飞机三面草图，从而完成飞机的初始设计，得到飞机初始设计参数和飞机的初步布局4。这样机翼几何参数、发动机安装、尾翼几何参数以及其它的设计问题就得到了解决。这些初始尺寸以及各个设计参数是基于飞机气动力、重量以及推进装置特性的粗略估算。飞机设计的全过程，包括飞机初始设计参数的确定、飞机布局的初步设计分析，这些都是编写软件的计算模块的理论基础。通常飞机设计是以一种面向问题或面向过程的方式，分析过程不关心今后的设计和实现过程，而本文以面向对象的思想，把设计过程中具体的或抽象的事务，分解为多个对象，然后对对象进行数据抽象以及在该数据集合上的操作集合。从系统工作的实质来看，本飞机设计系统为专业飞机设计人员提供有关飞机主要参数的收集、存储计算和查询的功能。系统使用面向对象分析，以 Java 为平台能够实现用户的登录，用户可以定义优化设计的目标，进入飞机优化系统进行相应的飞机参数、基本指标设定和修改、布局的初始设计，系统会把用户的操作信息写入数据库进行存储，以便查询。1 2用例分析飞机设计是一个强交互作用的复杂过程，可分为问题确定、初步设计、任务定义三个阶段。主要研究飞机的参数与重量、各种性能、构型布局等诸多飞机设计中的基本问题，具有创造性与科学性、反复迭代和多轮逼近、综合权衡与全面协调等特点3。飞机设计系统面向飞机设计人员，采用 UML 统一建模，用例图能够从用户角度来描述飞机设计系统的系统功能，并指出各功能的操作者，就可以基本完成对模型的构建。从语境方面分析，与本系统交互的参与者是飞机优化设计人员，是系统的主要用户，如图 1 所示，主要包括的功能行为有设计人员的注册、设计人员登录、飞机优化目标的确定、飞机指标的输入与存储、飞机参数的输入与存储、飞机构型布局的输入与存储、确定指标与参数的联系，随之系统提供系统数据的显示和飞机布局的展示。图 1飞机设计系统功能的用例图1 3类图分析在飞机优化设计系统中，对飞机优化设计信息、数据库操作等具有相同性质的需求任务可抽象成对象、数据封装类，这些类图基本完成了对概念的建模和对简单协作的建模。其中主要有:飞机设计人员用户类、飞机信息操作类、界面类、数据库类。这些类的基本功能有:(1)设计进行数据库操作的辅助类 PlaneJDBD，可以连接数据库，查询数据库和把信息插入数据库，并且最后关闭数据库。单独设计一个数据库类实现数据封装可以实现代码的重复使用，被其他类比如PlaneInfo、UserInfo 实例化，进行使用，以实现连接和查询。(2)设计飞机信息类 PlaneInfo，可以存储用户输入的信息，作为写入数据库的信息源。该信息源主要包括飞机设计的参数、指标、布局等数据，被用来根据相应的飞机模型进行飞机优化。(3)设计用户信息类 UsersInfo，主要是实现用户的信息查询，用户登录时验证用户是否存在和注册功能。(4)设计界面类是对界面进行统一管理，使系统更友好地同用户交互。其中类之间的关系有:用户类对数据库类依赖，飞机信息类对数据库类依赖;用户类与界面类间为0 n 对 n 关联，数据库类与界面类为 1 对 n 关联，飞机信息类与界面类之间为 0 n 对 n 关联。图 2218计算机与现代化2012 年第 10 期所示是该系统的类图说明。图 2飞机设计系统功能的类图2系统设计2 1系统结构本系统使用 Java 语言通过三层模型实现:数据层，逻辑层，表示层。其中，数据层主要为对数据库的操作;逻辑层为中间层，对用户的输入转入数据层操作;表示层为用户界面。结合飞机优化设计系统的特点，本系统的操作是一个交互性很强的过程，飞机优化设计系统的体系结构如图 3 所示。图 3基于 J2EE 的飞机优化设计系统的体系结构2 2系统功能根据本文的面向对象的需求分析，可将系统的总体结构分为 5 个模块:用户管理模块、用户问题确定模块、用户初步设计模块、用户任务定义模块和用户总体方案设计模块。(1)用户管理模块:该模块实现飞机设计人员注册和登录，包括用户登录界面和用户注册界面，后台可以对用户的信息进行管理。飞机设计人员未注册者可以注册，注册后登录可以修改和查询自己的信息。(2)用户问题确定模块:该模块主要实现飞机设计人员进行飞机设计要求的录入和维护，包括优化目标选择、飞机类型选择、有效载荷和飞机设计评价准则 4 个部分。进入飞机设计系统，首先根据飞机优化的要求选择优化目标，系统提供部分优化目标，用户也可以自定义。然后选择此次要优化的飞机类型，其中包括军用飞机和民用飞机。设定有效载荷，即飞机的承载能力。评价准则的选择是系统设计工作最主要的组成部分，每当对设计方案进行评定或要从若干方案中选定某一方案时都要有评价准则。不仅飞机性能和参数量值的确定，而且所设计和制造出的飞机的未来发展都要依赖于评价准则的正确运用，准则选得不全面或不合理，将使得对飞机的评价也不正确4。飞机设计评价准则部分设计准则选择与制定，当飞机设计人员每次完成飞机优化后，根据此评价准则对此次的优化设计进行评价，若不满意再反复进行相关参数的修改。(3)用户初步设计模块:初步设计包括飞机性能指标分析和飞机设计模型选择两个部分。飞机的飞行性能非常的多而复杂，在飞机性能指标界面，用户可以选择和填写飞机相关指标的参数，同时还可以让用户选择哪些指标与你的优化目标最相关;另外，用户还可以通过其中的查看按钮，查看之前用户的选择，以作为参考;此部分以初步的验证飞机能否达到设计要求。在飞机设计模型选择界面，本系统向用户展示了 8 个飞机设计模型，并有各个模型的公式和简介，用户根据飞机性能和参数的关系，可以选择其中的一个或者多个模型。(4)用户任务定义模块:该模块主要包括总体技术指标的基本内容，用户可以填写飞机的总体指标参数，包括最大使用过载、最大速压、重量、温度等指标。(5)用户总体方案设计模块:该模块主要包括飞机构型设计布局展示和用户选择以及理由两部分。飞机初始布局设计的目标是以最小的工程工作量先选定一个布局形式，在总体方案设计界面，代表性地向用户展示了 4 种飞机构型设计布局的图片，用户可以从中选择一个，并可以填写选择的理由。布局设计是一个反复的过程，并不能一次完成。在选择与设计这些参数与各种性能系统时，结合飞机的使用环境以及经济效应等，综合分析，权衡处理5。当所有参数、指标和布局确定后，可绘制初始的飞机三面草图，从而完成飞机的初始设计，进行飞机优化设计数据的存储处理。2 3数据库设计本系统采用 Microsoft Access 数据库存储，采用关系数据模型，根据飞机优化的需求和用户所要输入的信息，共设计了 5 个表格，分别是用户表、飞机任务2012 年第 10 期李红梅等:基于面向对象的飞机设计应用系统设计与开发219表、飞机指标表、飞机参数表、飞机目标与指标关联表。所有输入参数都存放在专门的数据库中，用户可按需要修改和生成新的数据文件。3系统实施本系统采用 Java 面向对象的程序语言，结合采用模块化设计、动态链接库技术(DLL)的应用以及后台模块与界面模块相分离思想，使用 Eclipse 开源的Visual Editor Project(VEP)，针对飞机优化设计系统，从设计界面到设计逻辑的开发都在 Eclipse 平台上完成。采用三层开发，就是将系统的整个飞机优化设计应用划分为表示层、逻辑层和数据层，这样有利于系统的开发、维护、部署和扩展。分层是为了实现“高内聚，低耦合”，采用“分而治之”的思想，把问题划分开来各个解决，易于控制，延展和分配资源。三层在逻辑上是分离的，表示层是向应用进程提供信息表示方式，主要是界面的表达和信息格式化，使不同表示方式的模块之间能进行通信。飞机方案设计的最终结果主要是要得到飞机的重要总体参数和性能参数、飞机的外形几何参数以及飞机主要部件的几何参数和定位参数等。为了直观地将这些设计结果表达出来，基于 C/S 结构采用 Eclipse 的 VE 提供的 SWT 设计飞机优化设计的界面，实现与用户的交互，如图 4具体给出了飞机性能指标界面;逻辑层使用 Java 语言编写用户类、飞机类等，进行飞机优化设计相关参数的抽象和封装;数据层主要为对于数据库的操作，本系统使用 Access 数据库存储相关数据，采用关系型数据模型，JDBC API 提供统一访问，向各种关系数据发送 SQL 语句。图 4飞机性能指标界面4结束语本文基于面向对象的思想论述了飞机设计应用系统的主体框架、操作流程，该系统具有良好的人机用户界面，操作简便，用户可以根据优化模块提供的人机交互界面方便地选取设计目标、设计变量并设定目标期望值、设计约束等;使用模块化设计，使得系统的维护和修改比较方便，添加相应的模块，可以扩充软件的功能;飞机设计过程中涉及的参数众多，本系统主要是对飞机设计数据信息的存储与有效管理，把飞机设计中的事务抽象成多个对象，将对象进行数据抽象并编制该数据集合上的操作集合。该系统具有良好的交互性和实用性，可成为从事飞机优化设计的工程人员方便实用的辅助设计工具。参考文献:1卢新来，龚旭东 飞机总体综合设计软件发展研究 C/第三届中国航空学会青年科技论坛论文集2008:3-14 2王和平 飞机总体设计参数的集成与管理技术研究 D 西安:西北工业大学，2006 3 石波 飞机总体设计优化及软件开发D 西安:西北工业大学，2005 4 王晓青 飞机总体参数设计与软件开发D 西安:西北工业大学，2003 5 邱玉鑫，刘刚 飞机综合设计与评估技术的基础平台 J 流体力学实验与测量，2004，18(2):6-10 6 王百争 飞机总体设计方法和设计流程探讨 C/2006中国科协年会 2006:26-31 7 王钢林，武哲 飞机总体设计过程中的数据管理J 北京航空航天大学学报，2002，28(4):455-458 8 解建喜，宋笔锋，刘东霞，等 飞机总体设计评价准则和评估方法研究 J 机械科学与技术，2003，22(z1):16-19 9 张科施 飞机设计的多学科优化方法研究D 西安:西北工业大学，2006 10 梁勇，李娜 Java 语言程序设计:进阶篇 M 北京:机械工业出版社，2011 11 胡峪 飞机总体参数计算软件的研制 D 西安:西北工业大学，1998 12 赵晓宁 数据库管理与飞机质量数据分析研究 D 北京:北京工业大学，2005 13 王勇 基于数据库的外形参数化设计技术及应用 C/中国航空学会飞机总体专业分会几何设计专业第七次学术交流年会论文集 2006 14 张开富，李丽萍，杨海成，等 基于国产数据库的飞机典型结构件库设计与实现 J 计算机辅助设计与图形学学报，2006，18(3):470-474