1 引言
隨著企業與研究機構中信息化技術應用的不斷深入，要求研發單位對產品設計生產具有高速、高效的響應。在復雜機械產品設計過程中，需要對其各個零部件進行運動規律、動力學特性、結構強度以及可靠性等多種類型的仿真分析，仿真報告通過傳統報表的形式對仿真計算產生的數據進行統計、查詢、檢查以及分析，為設計工程師提供直觀、綜合的方式來獲取有關信息，實現快速的產品設計改型和資源配置優化。
復雜機械產品的仿真分析過程中，會產生大量的、形式各異的數據，常見的數據有：幾何模型與結構參數、網格模型、載荷工況、邊界條件、計算結果等，仿真結束后這些數據都會成為仿真報告的重要組成部分。在一些仿真分析軟件中，雖然都有自帶的報告生成工具，如ANSYS、ADAMS等，但所生成的報告只是針對單一計算條件的分析結果，這種單工況報告不能給決策者提供全局信息；此外，商業軟件由于設計開發公司和團隊的不同使得其自帶報告存在信息壁壘，無法實現有效整合。實際上，仿真分析人員一般都通過二次挖掘數據、設計表格、寫說明文字等步驟重新完成報告的撰寫，如何從海量數據中獲取有用信息并實現有效、準確重組成為仿真分析人員的重要工作。因此，能夠快速、準確查詢數據，研究能夠進行多維度數據分析的性能仿真報告管理體系對于縮短研發周期、提供有效決策顯得尤為重要。
將J2EE與Ajax(Asynchronous JavaScript and XML)相結合，采用關系數據庫與Java內容倉庫聯合工作機制，構建基于SOA(Service-Oriented Architecture)的復雜機械產品性能仿真報告管理系統技術架構。通過分析性能仿真報告的內容并進行分類，利用商業智能報表工具BIRT(Business Intelligence and Reponing Tools)，實現仿真報告系統基于Web的應用，提供一個可操作、易使用的報告設計環境，進一步提升企業在機械產品設計方面的信息自動化程度。
2 建立仿真報告管理系統的關鍵技術
2.1 面向服務的體系架構
面向服務架構SOA是指為了解決在Internet及分布式環境下業務集成的需要，通過連接能完成特定任務的獨立功能實體的一種軟件系統架構。SOA是一個組件模型，它將應用程序的不同功能單元通過良好的接口和契約聯系起來。接口是采用中立的方式進行定義的，它應該獨立于實現服務的硬件平臺、操作系統和編程語言。這使得構建在各種這樣的系統中的服務可以以一種統一和通用的方式進行交互。
SOA通過發布或可發現的接口，給客戶端用戶程序或其他服務程序提供服務，實際上是服務的集合。這些服務相互通信，可以是簡單數據的交互，也可以是兩個或多個服務的協作。Web服務(Websewices)是描述—組操作的接口，這些操作可以通過標準的XML消息訪問。—個Weh服務執行一個或一組特定的任務。Web服務用—套標準的XML注釋描述，稱為服務描述。它說明了與服務交互所需的所有細節，包括消息格式，傳輸協議及位置。
2.2 商業智能報表工具BIRT
BIRT是一款具有代表性的開源報表設計軟件，其功能集中在從數據源提取數據、處理數據并顯示數據。BIRT以ROM(ReporL Object Model)作為基礎模型，主要用在基于Java與J2EE的Web應用程序上。BIRT最核心的部分是各種引擎，BIRT基于引擎實現報表的創建，如圖1所示。BIRT主要包括報表設計引擎(Design Engine)、報表引擎(Report Engine)、圖表引擎(Chart engine)、腳本引擎(Scriptengine)、數據引擎(Dataengine)等。其中報表設計引擎主要用于生成—個報表設計文件，支持報表設計器，保存報表設計器的結果；報表引擎包括報表生成引擎和報表展示引擎兩部分，即通過讀取制定的文件運行并實施報表，然后根據讀取的數據將報表輸出，起到生成展示的作用；報表展示引擎能夠提供HTML與PDF兩種標準報告，也可以自定不同格式的報告。圖表引擎則主要應用于圖表的創建及一些相關的操作；數據引擎主要完成獲取數據和數據轉換工作。
圖1 BIRT組件及其關系圖
2.3 信息管理系統
在復雜機械產品的仿真過程中，產生結構化數據同時也伴隨有大量的非結構或半結構化信息，如文字、網頁、圖片、音頻視頻等。結構化數據可以通過目前主流的關系數據庫系統進行管理，半結構化信息既可轉化處理也有專用數據庫，采用最近較為廣泛應用的Java內容倉庫能夠解決非結構化信息的管理問題。因此數據管理系統由數據庫和內容倉庫兩部分構成，其中數據庫對用戶信息、流程信息、仿真組件信息和系統環境信息進行存儲管理；內容倉庫對仿真元數據和仿真結果數據文件進行存儲管理。
Java內容倉庫是—個高級的信息管理系統，該系統是傳統的數據倉庫的擴展，它提供了相應的內容服務包括版本控制、全文檢索、內容分類、訪問控制、內容事件監視等。Java內容倉庫模型是一個樹狀緒構，樹上的元素分為兩類：節點(node)和屬性(property)。倉庫模型是由單一內容倉庫構成，有—個或多個工作區。每個工作區都包含—個項目樹，項目用節點的方式來表達，節點可以有零個或多個子節點以及零個或多個相關屬性，每個屬性有且僅有—個父節點，不能有子元素，而實際的內容保存在節點的屬性中。這種樹狀結構的特點，非常有利于機械產品性能仿真結果通過節點屬性逐層展現，同時也能夠利用節點存儲較大規模的計算結果文件。
3 基于SOA的復雜機械產品性能仿真報告管理系統
3.1 復雜機械產品性能仿真報告設計
為了設計出符合機械產品性能仿真的報告管理系統，需要針對報告的內容形式進行具體的設計。在不同的研究所、企業都有—套行業或部門通用的文檔標準規范。比如表頭和內容書寫順序，此時可以利用BIRT的手動生成功能進行詳細的格式和內容定義。—些系統信息如軟件版本、操作人、操作時間，以及性能仿真的類型等基本信息已經存儲在關系數據庫中，生成報告時可以自動提取。而對于大塊的性能仿真內容，則可以通過信息的分類進行模塊化的處理。
對于常用的性能仿真報告可以進行一個大體的劃分：原始模型信息、仿真模型信息、仿真邊界條件信息、仿真結果。原始模型信息實際上是由CAD提供的，給出模型的幾何信息、單位制、坐標系等仿真必需的信息。此外，為了保證任務的可追溯還需要采集軟件版本、軟件操作人和操作時間等系統信息。仿真模型信息主要包括建立模型時的相關信息，如單元類型、材料屬性、環境屬性等。仿真邊界條件信息包括各零件約束關系、載荷條件等。仿真結果包括計算輸出的過程文件、應力應變、位移、速度、加速度等數據圖形結果。性能仿真報告需要將以上信息進行整合，為決策者提供一個能給出有效評估參考意見的文檔。
根據以上四大類信息的劃分，可以設計出性能仿真報告的基本格式，限于篇幅僅列出主要內容，如表1所示。四大類信息又根據數據類型的不同劃分為模型信息、模型圖、模型描述。用戶在生成報告時，主要對這幾類信息進行適當取舍（采用勾選方式），以形成所需的性能仿真報告。如對原始模型信息中的模型信息內容進行勾選，相對應的零件名稱、密度、質量等信息就將被選中。在勾選模型圖后，還可以適當添加相關的描述信息便于用戶理解。
表1 性能仿真報告的基本內容
3.2 基于SOA的復雜機械產品性能仿真報告管理系統架構
基于SOA的機械產品性能仿真報告管理系統架構如圖2所示。用戶通過仿真門戶(Portal)可視化界面對報告創建系統發出創建報告的命令。報告創建系統中的報表引擎根據命令調用表模板庫中相應的模板，并根據模板從仿真數據庫中提取相應的仿真數據，產生XML報表文件并把文件傳遞給仿真門戶，通過仿真門戶處理后以PDF、Word或者HTML格式等輸出各種仿真對象的報告。
圖2 產品性能仿真報告管理系統架構圖
產品性能仿真報告管理系統由Web層J2EE服務層和數據服務層構成。Weh層頁面由HTML+CSS實現，同時使用Ajax技術來具體實現Web瀏覽器端的動態顯示及交互動作。J2EE服務層是連接客戶端與數據庫的橋梁，該層封裝了報告管理服務、數據管理服務以及各類工作引擎。結合Hibemate的輕量級ORM(Object Relational Mapping)模型進行數據持久化，利用DAO(Database Access Object)接口與CAO(Content Access Object)接口通過JDBC與JCR訪問數據庫，保證系統的安全性能。數據庫管理系統便用MySQL服務器和Jackrabbit服務器。整個技術架構通過后臺程序處理把創建報告所需的數據源的建立、數據集的選取、報告基本版式與格式的選擇等幾個步驟進行了封裝，讓用戶只需要簡單地選擇或者填寫一些參數與文本就能自動生成相應的仿真報告。
4 復雜機械產品性能仿真報告管理系統的應用
選取某型導彈彈射裝置在協同仿真環境中進行分析，該裝置系統較為復雜，包含許多典型機械零件。整個設計過程涉及多學科仿真，包括結構靜力學與動力學、多體動力學與運動學，其性能仿真報告具有一定代表性。在生成詳細性能仿真報告前，采用級聯菜單形式用戶可以直接選擇關系數據庫中已經存儲完備的系統信息，包括項目、仿真分析類型、分析對象以及單個或多個工況的選擇。由于基本參數來源于關系數據庫，能夠保證獲得較快的數據讀取速度。所有報告內容的選項都與關系數據庫保持相同的結構，每級菜單的選項都與上級菜單關聯，實現報告內容的動態級聯。
生成報告時用戶選擇項目、仿真分析類型、分析對象等基本信息后，客戶端將向服務器發送一個請求，服務器根據所選的這些參數從Java內容倉庫讀出相應的內容，以XML格式返回相應的內容，然后由客戶端的JavaScript進行XML文檔的處理并以一定的格式組織好，通過Web頁面給出創建報告命令，系統會調用BIRT引擎，根據參數創建出相應的性能仿真報告。圖3(a)為單工況下的詳細性能仿真報告，所顯示的相關內容包括仿真過程中存儲在關系數據庫中的結構化信息以及存儲在內容倉庫節點中的圖片信息。報告管理系統通過關系數據庫獲得仿真任務信息，經由仿真任務信息獲取內容倉庫中的屬性節點。由于圖幅所限僅列出了仿真模型的相關信息，包括材料的牌號、彈性摸量、密度、泊松比，以及進行有限元劃分采用的單元類型、單元數量以及節點數量等。圖3(b)為多工況對比報告的載荷分配情況，數據對比圖由圖表引擎自動生成。通過這種對比報告的結果，仿真分析人員能夠很快的獲得決策輔助信息，從而為進一步改型設計提供有益幫助。
圖3 自動生成的性能仿真報告
5 結論
通過對復雜機械產品性能仿真過程中各類數據信息的特點進行分析和分類，構建了面向復雜機械產品基于SOA的性能仿真報告管理系統技術架構。整個管理系統采用關系數據庫與Java內容倉庫協同的數據管理系統，既能保證結構數據的快速存取又能管理種類繁多的非結構化數據。利用智能商業報表BIRT引擎封裝創建報告步驟，通道Web瀏覽器自動生成單工況詳細報告和多工況對比報告。最后，通過對某型導彈彈射裝置多學科性能仿真分析報告的創建表明了解決方案的有效性與實用性。
隨著機械產品設計模式的不斷轉變，數字化信息管理技術的大量應用將為提高產品質量、縮短產品設計生產周期做出重要的貢獻。
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本文標題：復雜機械產品性能仿真報告管理系統研究
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