（光学工程专业论文）机械液压约束活塞发动机多学科协同优化设计支持环境研究.pdf

摘要 机械液压约束活塞发动机可以同时协调地输出机械、液压两种动力或单独输出 其中之一，不仅可以合理地调节动力系统负荷、回收再利用惯性能量，并可大大简 化后续动力传动系统，对于需要多元动力的工程机械等车辆有着迫切的应用需求。 多学科协同优化框架是指能实现多学科设计优化方法，包含硬件和软件体系的计算 环境，是机械液压约束活塞发动机( m h c p e ) 结构设计的重要手段。本文论述了 m h c p e 多学科协同优化设计框架的原理和要求，介绍了框架的实现方法，结构如下： ( 1 ) 对框架系统设计开发过程中的各类关键技术进行列举描述，介绍技术核心 并详述选择依据。 ( 2 ) 通过对多学科协同优化框架系统的设计需求、体系结构及优化问题描述的 详细分析，确定m c d o 问题的优化算法，并对框架系统的总体架构进行详细划分， 明确各层功能。 ( 3 ) 利用j a v aa p p l e t 、r m i 及a s p 技术，开发了c a e 集成框架系统。该框架系 统能够实现c a e 程序的远程调用计算，通过专用接口，可对优化设计领域的遗留代 码进行封装，集成遗留应用程序。 ( 4 ) 详细描述m h c p e 部件优化流程及实现方法，明确框架系统的实现过程， 通过对m h c p e 主运动系统的单级和多级协同优化算法，对框架进行了测试，使曲轴 和连杆的体积和随迭代次数的增加而下降，减少值约9 8 ，计算时间大幅削减，优 化效率明显提高。 关键诃：机械液压约束活塞发动机；多学科协同优化设计；框架系统 a b s t r a c t m e c h a n i c a lh y d r a u l i cc o n f i n e dp i s t o ne n g i n ec a na l s op r o v i d eo u t p u tm a c h i n e ， h y d r a u l i ct w op o w e rs o u r c eo ro n eo ft h e m n o to n l ya d j u s tr e a s o n a b l yp o w e rs y s t e m l o a d r e c y c l i n g i n e r t i a le n e r g ya n dg r e a t l ys i m p l i f i e df o l l o w - u pp o w e rt r a n s m i s s i o n s v s t e m t h en e e do ft h ea p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t s f o rm u l t i p l ed y n a m i cm e c h a n i c a l e n g i n e e r i n g v e h i c l e s a r e u r g e n t l y m u l t i d i s c i p l i n a r y c o l l a b o r a t i v eo p t i m i z a t i o n 矗a 】n e w o r ki st h em e t h o d st h a t c a l lr e a l i z em u l t i d i s c i p l i n a r yd e s i g no p t i m i z a t i o n , i n c l u d i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r ee n v i r o n m e n to fs y s t e m sc o m p u t i n g ，a n da l s op r o v i d e t h ei m p o r t a n tm e a n sf o rm e c h a n i c a lh y d r a u l i cc o n f i n e dp i s t o ne n g i n es t r u c t u r ed e s i g n t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ep r i n c i p l e sa n dr e q u i r e m e n t so ft h em h c p em u l t i d i s c i p l i n a r y c o l l a b o r a t i v eo p t i m i z a t i o nd e s i g nf r a m e w o r k ，i n t r o d u c e st h e f r a m eo ft h er e a l i z a t i o n m e t h o d t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa l ea sf o l l o w s ： ( 1 ) d e s c r i b et h ek e yt e c h n o l o g i e so f f r a m e w o r ks y s t e mi nt h ep r o c e s so fd e s i g na n d d e v e l o p ，i n t r o d u c et h ek e yo ft e c h n o l o g ya n ds t a t ec h o i c e b a s i s ( 2 ) a n a l y s i st h ed e s i g no f t h es y s t e mr e q u i r e m e n t si nd e t a i l ，t h es y s t e ms t r u c t u r ea n d o p t i m i z i n gp r o b l e md e s c r i b i n gt h r o u g h m u l t i d i s c i p l i n a r y c o l l a b o r a t i v eo p t i m i z a t i o n 丘锄e w o r ks y s t e m ，c o n f i r mt h em c d op r o b l e m ，a n dt h eo p t i m i z a t i o na l g o r i t h mf o rt h e g e n e r a lf r a m e w o r k ，c l e a rd e t a i lf u n c t i o no f e a c hl a y e rp a r t i t i o n ( 3 ) d e v e l o p e dc a e i n t e g r a t i o nf r a m e w o r ks y s t e mu s i n gj a v aa p p l e t ，r m i a n da s p t e c h n o l o g y ，t h i s f r a m es y s t e mc a nr e a l i z ec a ep r o g r a mr e m o t ec a l l sc a l c u l a t i o n t h r o u g hs p e c i a li n t e r f a c e ，t h el e g a c yc o d eo f t h eo p t i m i z e dd e s i g nf i e l da n dt h el e g a c y a p p l i c a t i o n sw i l ! b ei n t e g r a t e d h ) d e s c r i b e t h e o p t i m i z a t i o np r o c e s s a n dr e a l i z a t i o nm e t h o do fm h c p e c o m p o n e n _ t si nd e t a i l ；c l e a rt h er e a l i z a t i o np r o c e s so f f r a m e w o r ks y s t e m b a s e do nt h e c o l l a b o r a t i v eo p t i m i z a t i o no fm h c p em a i nm o v e m e n t ，s y s t e mf r a m e w o r k w a st e s t e d ，t h e v o l u r n eo f 让屺c r a n k s h a f ta n dc o n n e c t i n gr o dd e c l i n e d9 8 b yi t e r a t i o n , o b v i o u s l y i m p r o v et h ed e s i g ne f f i c i e n c ya n dt h et i m e k e yw o r d s ：m e c h a n i c a lh y d r a u l i c c o n f i n e dp i s t o ne n g i n e ；m u l t i d i s c i p l i n a r y c o l l a b o r a t i v ed e s i g no p t i m i z a t i o n ；f r a m es y s t e m i i 第一章绪论 1 1 研究目的及意义 第一章绪论 复杂工程系统的设计往往涉及多门学科。例如，在现今发动机设计过程中，往 往需要摩擦、结构、性能、低噪声、稳定性、可靠性、保障性等多个学科组的协同 工作才能完成。水面舰艇、潜艇等的设计则涉及到流体力学、结构、声学、振动学、 电磁学、控制学等学科。传统的串行设计方式的最大弊端在于它人为地割裂了各学 科之间的相互作用，没有利用各学科之间相互影响产生的协同效应。这种设计方法 只能获得局部的最优解，很有可能失去全局最优解。 设计时若只突出某一学科而忽视了其他学科，这样得到的发动机难以满足各方 面的要求。当后面的分析与前面的设计发生矛盾时，以前的工作就被否定，整个过 程又得重新进行。也正由于这一问题的存在，传统的串行设计方式会引起设计的不 断反复，浪费大量的财力和物力，很难缩短研制周期。这些特点显然不能适应越来 越多，且越来越苛刻的设计要求的发展趋势【l 引。多学科协同设计优化 ( m u l t i d i s c i p l i n a r yc o l l a b o r a t i v ed e s i g no p t i m i z a t i o n ，简称m c d o ) 正是针对这一问题 提出的，它通过充分利用各个学科( 子系统) 之间的相互作用所产生的协同效应， 获得系统的整体最优解。应用有效的设计优化策略，来组织和管理设计过程，通过 实现各学科组并行设计，以达到缩短设计周期、降低开发成本、提高产品竞争力的 目的。主要研究内容包含以下四个方面： ( 1 ) 多学科协同设计优化方法 m c d o 方法研究如何将复杂的多学科设计优化问题分解为若干较为简单的各学 科( 或各子系统) 设计优化问题，如何协调各学科的设计进程，如何综合各学科的 设计结果。m c d o 方法一般涉及到空间搜索方法、系统分解和分析模型的近似技术， 这些方法是m c d o 领域内最为重要、也是最有活力的研究方面。 ( 2 ) 面向设计的分析模型 由于各学科不断深度发展，其分析模型的精度越来越高，与之相关的计算机程 序的功能更加强大，但这些分析模型由于计算量很大，或者由于不能直接被优化器 所调用，因此这些分析模型很难直接被用于m c d o 。面向设计的分析模型的目的是 尽可能地利用高精度分析模型，同时使其在优化过程中的计算量较小。它主要包括 响应面方法、敏感度分析方法、人工神经网络方法等。 ( 3 ) m c d o 框架 f 青岛大学硕士论文 m c d o 框架是指能实现m c d o 方法、包含硬件和软件体系的计算环境，在这个 计算环境中能够集成和运行各学科的计算和设计，并实现各学科之间的通信。这方 面的研究内容与计算机科学密切相关，如分布式计算技术、人机界面、数据的管理、 存储和可视化等。 ( 4 ) m c d o 的应用研究 主要是应用m c d o 方法和计算框架，进行复杂工程系统的设计。例如，研究如 何应用m c d o 方法对发动机总体方案进行优化。 根据m c d o 的理念、工业部门的实际需求以及现有m d o 计算框架的研究现状， 我们认为m c d o 计算框架应具有如下的特征和功能： a 、易于实现各种m c d o 的方法和表达方式； b 、具有分布式的计算环境特征； c 、能继承各学科的遗留程序和某些商用软件； d 、提供丰富的优化方法库； e 、支持面向设计的分析模型技术； f 、支持并行计算； g 、设计优化过程的可视化和监控； 多学科协同设计优化是解决复杂工程系统设计优化的一种有效方法和工具，在 机械设计优化领域有着广阔的应用前景。本文对m c d o 软件框架技术进行了深入地 研究，使用以v c 、j a v a 为核心的技术开发了基于w e b 的m c d o 软件支撑系统。 1 2 机械液压约束活塞发动机多学科协同优化简介 能源供应的日益紧张和资源的短缺且严重浪费，已成为制约经济可持续发展 的重要因素。为了满足创新型、资源节约型社会的要求，液压约束活塞发动机 ( m e c h a n i c a lh y d r a u l i cc o n f i n e dp i s t o ne n g i n e ，简称m h c p e ) 就是在这一目标下 产生的一种新型发动机。 机械液压约束活塞发动机可以同时协调地输出机械、液压两种动力或单独输出 其中之一，不仅可以合理地调节动力系统负荷、回收再利用惯性能量，并可大大简 化后续动力传动系统，对于需要多元动力的工程机械等车辆有着迫切的应用需求。 前期已研制了m h c p e 的单缸、三缸试验样机，目前与上柴等企业合作正在开发六缸 样机。通过试验研究，性能相对发动机驱动柱塞泵系统改善明显。其结构原理如图 1 1 所示降7 】。 m h c p e 工作过程仿真研究是了解产品性能和结构设计优化的前提，涉及到热力 学、结构力学、系统动力学、流体力学、摩擦学等多个学科，各学科都有自己成熟 2 第一章绪论 的分析方法、技术和软件，但是限于研究人员的知识结构和单机计算速度，传统的 单机进行仿真，无法快速实现m h c p e 这个复杂系统的仿真需求。为此提出m h c p e 基于i n t e m e t i n t r a n e t 网络的多机、多学科协同仿真( m u l t i d i s c i p l i n a r yc o l l a b o r a t i v e s i m u l a t i o n ，简称m c s ) 研究课题，研究建立m c s 实现方法、包含硬件和软件体系的 计算环境，即协同仿真系统，在这个系统中能够集成和运行各学科的计算和设计， 并实现各学科之间的通信以。 图1 1 轴向m h c p e 结构原理简图 1 第一工作室；2 第二工作室；3 出口阀；4 第三工作室；5 一曲轴；6 一连杆；7 一导向滑块；8 联接 杆；9 - a d 阀；1 0 液压柱塞；l l 一液压柱塞与动力活塞连接件；1 2 - 动力活塞 1 3 国内外研究现状 分布式计算技术是近2 0 年来影响计算技术发展的最活跃因素之一，它的发展经 历了理想和现实两大技术路线。 理想的技术路线试图在互连的计算机硬件上部署全新的分布式操作系统，全面 管理系统中各自独立的计算机，呈现给用户单一的系统视图。在2 0 世纪8 0 年代，学 术界普遍追求这一目标，尽管产生了许多技术成果和实验系统，但却没有被用户和 市场接受。面对现实情况，人们开始探讨新的解决方案。 现实的技术路线是在网络计算平台上部署分布式环境( 也称中间件) ，提供开 发工具和公共服务，支持分布式应用，实现资源共享和协同工作。在2 0 世纪9 0 年代， 工业界普遍遵循这一技术路线，产生了一系列行之有效的技术和广为用户接受的产 青岛大学硕士论文 品。 当前人们所说的分布计算技术通常是指在网络计算平台上开发、部署、管理和 维护以资源共享和协同工作为主要应用目标的分布式应用系统。分布式计算的特点 决定了分布式应用程序的组成部分将分布在异构网络环境中，因而对分布式应用程 序自身的可扩展性、高可用性、管理的方便性、高性能和数据完整性等都提出了新 的要求。 8 0 年代中期后期，以支持信息共享的应用需求为核心，形成了面向过程的第一 代分布式计算技术。在第一代分布计算的推动下，9 0 年代初出现了从集中计算模式 向分布式客户服务器计算模式转移的热潮。在分布式客户h i 务器计算机系统的建立 及其应用系统的开发过程中，人们逐渐体会到分布式系统比想象的要复杂得多，例 如异构环境下的应用互操作问题、系统管理问题、系统安全问题等等，这些问题在 集中计算模式下是不曾出现的或不突出的。传统面向过程的技术在开发大型软件系 统时己经暴露出很大的局限性，在应付复杂的分布式应用系统时更加力不从心。由 此，人们自然想到了在8 0 年代软件领域大放异彩的面向对象技术。 9 0 年代初，以面向对象技术为主要特征的第二代分布计算技术开始孕育，经过 1 0 年多的蓬勃发展，进入了成熟时期。人们也将这一代技术称为分布对象技术【1 1 1 。 近年来为了推动m c d o 的广泛应用，m c d o 计算框架研究和开发得到了迅速发 展。1 9 9 4 年n a s a 首先研究了飞机多学科设计优化计算框架的问趔1 2 】，开发了高速 民机多学科设计优化框架( f r a m e w o r kf o ri n t e r d i s c i p l i n a r yd e s i g no p t i m i z a t i o n ，缩写 为f i d o ) 。f i d o 是基于并行虚拟机( p v m ) 的环境下实现的，整个系统的硬件环 境包括工作站、高性能计算机，软件环境基于u n i x 操作系统。它使系统的各组件之 间的通讯与控制变得容易，能使飞机设计优化过程自动进行。1 9 9 9 年n a s a 应用 j a v a 和c o b a r 技术，改进了f i d o 系统，使得高速民机多学科设计优化框架具有更 好的灵活性和可靠性性【1 3 14 。 s t a n f o r d 大学飞机设计研究小组应用j a v a 和x m l 技术，开发了工程协同应用框 架【l5 1 ( c o l l a b o r a t i v ea p p l i c a t i o nf r a m e w o r kf o re n g i n e e r i n g ，缩写为c a f f e ) 。c a f f e 系统 是一个面向协同优化方法的多学科设计优化框架。加拿大研究与计算应用中心基于 j a v ar m i 开发了虚拟飞机设计和优化框架 1 6 1 ( v i r t u a la i r p l a n ed e s i g na n d o p t i m i z a t i o nf r a m e w o r k ，缩写为v a r o r ) 。 m c d o 计算框架研究和开发不仅仅只局限于学术界，近年来开始出现了m c d o 计算框架的商用软件，i s i g h t t l 7 1 和m o d e l c e n t e r t l 8 1 就是其中的典型代表。上个世纪 九十年代后期，国内飞机、发动机行业已深刻认识到多学科综合设计技术研究的重 要性及其带来的机遇，陆续开展了一些m c d o 的理论研究工作和局部领域的应用研 究。国内在框架方面的研究有：西北工业大学开发了框架m d o f t 9 l ，国防科学技术 4 第一章绪论 大学在商业软件i s i g h t 的基础上，进行二次开发，形成飞行器多学科优化软件，航 天三院与华中理工大学合作开发了多学科优化设计框架。但是相关软件系统的开发 或引进软件的二次开发还不能满足应用研究和探索的需要，特别是与我国在m c d o 框架方面的实际需求结合不够紧密，缺乏与工程设计项目相结合的经验【2 。虽然国 内外已有m c d o 的相关商业软件，对发动机而言，缺少一种功能完善的基于w e b 的 多学科协同优化支持环境，即从前处理、求解到可视化( 后处理) 、协同设计等一 些列用于科学计算的组件。本文通过整合仿真算法和网络技术，提出一种j a v a 语言 设计的、基于w e b 的分布式计算环境，此系统可通过因特网整合分布式计算数据用 以计算和协同设计。 1 4 选题背景和研究内容 本文依托国家自然科学基金，针对课题组研制的机械一液压约束活塞发动机主运 动系统的重要组件，包括曲轴、连杆进行优化设计，构建机械一液压约束活塞发动机 多学科系统协同优化的软硬件支持平台原型，为发动机多学科协同优化设计提供实 现方法和模型平台，从而为后续工作建立技术基础。优化仿真计算等工作在基础平 台的支持下，集成各学科的丰富资源，利用现有c a e 软件，并应用中间件、工作流、 数据库等技术，组织和管理多学科协同优化设计过程，充分协调各学科之间的相互 影响，获得系统设计的全局最优解，从而减少设计过程的反复次数，提高设计精度， 大大缩短设计时间。 本文重点研究m c d o 框架实现中的软件部分，介绍基于w e b 远程c a e 应用系统 的设计思想、总体框架设计、技术方案、各功能模块的设计与实现、后台数据库的 建立以及系统的安全性，以机械液压约束活塞发动机的曲轴、连杆计算优化为设计 目标，使框架功能适用于m h c p e 的多学科协同优化。具体内容如下： ( 1 ) 第一章绪论部分对多学科协同优化和机械液压约束活塞发动机进行相关 论述，并介绍国内外研究现状，由此提出基于m h c p e 的多学科协同优化框架系统的 研究任务，论述了研究课题的实际应用价值和意义。 ( 2 ) 第二章对m c d o 框架系统开发中所应用的相关技术进行介绍和分析，论述 相关技术的优点和必要性。 ( 3 ) c a e ( c o m p u t e r - a i d e de n g i n e e r i n g ，计算机辅助工程) 相关技术在发动机 设计中有这重要的应用地位，在m c d o 框架系统中，这些c a e 程序仍然是多学科协 同优化计算的基础模块，为提高效率，实现c a e 程序的远程应用和自动迭代计算， 这是本文重点研究的内容，在第三第四章中详细论述。 ( 4 ) 框架系统的集成开发，通过c a e 程序的集成技术和基于w e b 的运行控制 青岛大学硕士论文 技术，实现以j a v a 、v c 及相关脚本语言为核心开发的w e b 集成框架系统。并对工作 流程和实现技术进行论述，通过数据库技术，对繁琐的多用户数据进行有效管理。 由于框架系统基于w e b 实现，因此，系统的安全性也是重点考虑的内容，相关部分 在第五章进行描述。 ( 5 ) 对今后工作的展望。 6 第二章框架系统相关技术简介 第二章框架系统相关技术简介 2 1 系统服务器平台i i s 简介 i n t e m e ti n f o r m a t i o ns e r v e r ( i i s ) 是微软公司开发的一个i n t e m e t 信息平台，它主 要包括3 个功能：w o r l dw i d ew e b ( w w w ) 服务功能；g o p h e r 服务功能：f t p 服务。 其中w w w h 艮务是最流行服务之一，它提供图形接口，用户下载以及w w w 格式存 储的信息；g o p h e r j 艮务能够帮助用户查询有用的信息；f t p i 艮务用于文件传输。在 远程c a e 程序的应用系统中，主要用至t i i s 的w w w 服务。与其他公司的相关软件相 比，微软公司的i i s 系列w e b 服务器具有以下优点： ( 1 ) 软件安装、配置、管理简单，易于掌握。 ( 2 ) 运行在微软的网络操作系统和服务器中，具有很强的性能。 ( 3 ) 兼容性好，支持标准的h ，丌p 以及相关的协议，支持c g i ( c o m m o ng a t e i n t e r f a c e ) 规范，可以开发基于w w w 的应用。 ( 4 ) 与微软相关产品的兼容性好，而且这些产品可以和i i s 实现无缝链接。符 合微软公司的o l e c o m 技术规范，可采用a c t i v e 控件技术扩充基本服务器的功能。 2 2j a v ar m i 简介 j a v ar m i ( r e m o t em e t h o di n v o c a t i o n ) 是j a v a 虚拟机对象之间互相调用对方的 方法、启动对方进程的一种机制，是分布式应用程序开发方法之一1 2 。通过这种机 制，某一m 上的对象在调用另一m 上的方法时，使用的程序语法规则和在本地 j v m 上对象间的方法调用的语法规则一样，隐藏了r m i 之下的网络细节【z 2 。 r m i 是利用j a v a 语言在j d k 中实现的，它大大增强了j a v a 开发分布式应用的能 力。j a v a 作为一种风靡一时的网络开发语言，其巨大的威力就体现在它强大的开发 分布式网络应用的能力上，而r m i 就是开发百分之百纯j a v a 的网络分布式应用系统 的核心解决方案之一。其实它可以被看作是r p c 的j a v a 版本。但是传统r p c 并不能很 好地应用于分布式对象系统。而j a v ar m i 则支持存储于不同地址空间的程序级对象 之间彼此进行通信，实现远程对象之问的无缝远程调用。 2 2 1r m i 主要优点 面向对象：r m i 不仅能传递预定义的数据类型，而且能将完整的对象作为参数 ， 7 青岛大学硕士论文 和返回值在客户端与服务器间进行传递。 跨平台：r m i 以j a v a 为核心，任何基于r m i 的系统均可1 0 0 地移植到任何j a v a 虚拟机上，r m i 系统也不例外。 可移动属性：r m i 可将属性从客户机移动到服务器，或者从服务器移到客户机。 赋予系统更大的灵活性、扩展性。 面向对象的设计方式：由于i w i 能够传递属性，所以在解决方案的设计中可以 采用面向对象的设计方式，充分利用面向对象的强大功能。 安全性：远程主机调用本地主机中方法的实现产生了许多隐患。r m i 使用j a v a 内置的安全机制来保证用户系统在下载和执行程序时的安全。就像a p p l e t 主机可以 限带l j a p p l e t 的活动一样，r m i 的主机可以限制远程主机的活动。利用s e c u r i t ym a n a g e r 对象检查所有的操作来确认它们是否合法。允许不同的用户对远程对象有不同的访 问权限。 编写和使用上的简单性：远程接口实际上就是j a v a 接口。便于快速编写完整的 分布式对象系统的服务程序，并快速地制作软件的原型和早期版本，以便于进行测 试和评估。 分布式垃圾收集：r m i 的分布式垃圾收集功能与j a v a 虚拟机内部的垃圾收集类 似，收集不再被网络中任何客户程序所引用的远程服务对象，允许用户根据需要定 义服务器对象，并且明确这些对象不再被客户机引用时会被删除阴。 并发支持：r m i 采用j a v a 的多线程处理方法，可使服务器利用这些j a v a 线程更好 地处理客户端的并发请求1 2 引。 2 2 2j a v ar m i 服务策略 r m i 服务器采用多线程机制，每当收到客户端的一个方法调用请求时，都会启 动一个线程专门为其服务。然而，服务器并不为每个客户分配一个远程接口实现类 对象，这是因为r m i 采用的是“单对象服务多客户”策略。在与远程对象的通信过程 中，r m i 使用标准机制：s t u b 和s k e l e t o n 。远程对象的s t u b 担当远程对象的客户本地 代表或代理人角色。调用程序将调用本地s t u b 的方法，而本地s t u b 将负责执行对远 程对象的方法调用。在r m i 中，远程对象的s t u b 与该远程对象所实现的远程接口集 相同【2 4 1 。 2 2 3 三种分布式开发方案对比 r m i ，s o c k e t 和c o r b a ( c o m m o no b j e c tr e q u e s tb r o k e ra r c h i t e c t u r e ) 三者都可 用于开发分布式应用程序。用s o c k e t 开发必须设计协议，客户和服务器只有根据协 8 第二章框架系统相关技术简介 议才能够进行有效会话。这是一种底层开发方式，既困难又易产生错误：c o r b a 对 象通过明确封装的接口来分隔服务提供者和服务的请求者。c o r b a 对象能够在任何 平台上运行，并且可以使用任何支持i d l ( i n t e r f a c ed e f i n i t i o nl a n g u a g e ，接口定义 语言) 的语言来进行编程，非常适合于不同的合作者选择各自熟悉的开发语言；r m i 可以取代底层的s o c k e t ，可以减少开发错误【2 5 - 2 6 。由于系统开发的编程语言基于j a v a ， 因此r m i 是最好的通信选择。 2 3j a v aa p p l e t 和a c t i v e 控件 j a v aa p p l e t 是用j a v a 语言编写的一些小应用程序，这些程序是直接嵌入到系统服 务器中，由支持j a v a 的浏览器( i e 或n e t s c a p e ) 或客户端程序解释执行能够产生特殊 效果的程序。它可以大大提高w e b 页面的交互能力和动态执行能力。包含a p p l e t 的服 务器端被称为j a v a - p o w e r e d 页，可以称其为j a v a 支持的网页。当用户访问这样的服务 器时，a p p l e t 被下载到用户的计算机上执行，但前提是用户使用的是支持j a v a 的客户 端程序。由于a p p l e t 是在用户的计算机上执行的，所以它的执行速度不受网络带宽 存取速度的限制，用户可以更好地欣赏网页上a p p l e t 产生的多媒体效果。出于安全 的考虑，一般情况下，a p p l e t 执行时受以下限制： ( 1 ) 不能调用其它的应用程序执行。 ( 2 ) 不能进行文件操作。 ( 3 ) 不能调用本机代码。 ( 4 ) 不能通过a p p l e t 直接请求除当前服务器外的其他服务器上的资源。 a c t i v e 是一个m i c r o s o f t 的术语，它指的是一组包括控件、d l l 、a c t i v e 文档的组件， 通常以动态链接库的形式存在。a c t i v e 控件的数据输入和函数功能的执行必须通过 容器，因此a c t i v e 控件必须具备如下性能机制： ( 1 ) 属性和方法a c t i v e 控件必须提供属性的名称、方法的名称及参数，以便容 器可以存取和改变a c t i v e 控件的属性参数。 ( 2 ) 事件通知容器在a c t i v e 控件发生的事件，如属性参数的改变、用户的单击、 双击动作等。 ( 3 ) 存储容器由这项机制通矢l l a c t i v e 控件存储和提取有关信息数据。a c t i v e 控 件只需在w i n d o w s 的r e g i s t r y 数据库中注册后，就可以像其他w i n d o w s 应用程序一样 发挥各自功能1 27 1 。 9 青岛大学硕士论文 2 4a s p 技术 a s p ( a c t i v es e r v e rp a g e ) ，意为“动态服务器页面”，是微软公司提供的一种用 于开发动态网页的编程语言。a s p 程序在服务器端执行，并将执行结果以h t m l 格 式传送到客户端浏览器上，因此使用各种浏览器都可以正常浏览a s p 所产生的网页， 而且可以很方便地与s q l 或a c c e s s 数据库连接2 8 。2 9 1 。 2 5 工作流技术 工作流是业务过程的一个计算机实现，而工作流管理系统则是这一实现的软件 环境。使用工作流作为业务过程的实现技术首先要求工作流系统能够反映业务过程 的业务是什么( 有哪些活动、任务组成，即结构上的定义) 、如何做( 活动之间的 执行条件、规则以及所交互的信息，即控制流和信息流的定义) 、有谁来做( 人或 计算机程序，即组织角色的定义) 。因此，可以说工作流是一种计算机化的模型， 它是为了在先进计算机环境支持下实现经营过程集成与经营过程自动化而建立的由 工作流管理系统执行的业务系统1 3 0 3 2 】。 工作流的概念起源于生产组织和办公自动化领域，它是针对日常工作中具有固 定程序的活动而提出的一个概念，其目的是通过将一个具体的工作分解成多个任务、 角色，通过一定的规则和过程来约束这些任务的执行和监控，以达到提高工作效率 的目的。它最大的优点是将应用逻辑与过程逻辑相分离，只需修改过程模型就可以 改变系统功能，对流程进行管理监控，有效地把人、信息和应用组合起来。为了实 现工作流技术的标准化和开放性，使得不同的工作流管理系统之间能够进行信息交 换和协作，工作流管理联盟( w f m c ) 提出了一个共同的“参考模型”即工作流参考 模型。 图2 1 工作流参考模型 1 0 第二章框架系统相关技术简介 从图2 1 可以看出，工作流参考模型包括5 个基本组件和5 个基本接口。其中5 个 组件的功能分别如下： ( 1 ) 工作流执行任务。它为系统提供执行服务，是工作流管理系统的核心，由 一个或多个工作流引擎组成。工作流引擎是一个为工作流实例的执行提供运行服务 环境的软件或“引擎”，是工作流执行服务的核心。工作流管理系统之间的互连将由 接口来完成。 ( 2 ) 过程定义工具。它主要用于分析、建模、描述业务过程以及对业务过程的 建档，给出工作流程的定义，并以一定的数据格式提供给工作流引擎解释。它通过 接口为工作流定义信息的交换提供了标准的互换格式及a p i 调用。 ( 3 ) 工作流管理工具。它负责对工作流的流动状况进行监视，并挺供一系列的 管理功能，实现安全性、过程控制和授权操作等方面的管理。它与工作流执行任务 是通过接口来完成的。 ( 4 ) 客户应用。它由用户操作和工作流任务表管理器共同完成。工作流任务表 是指分配给一个特定用户( 或一组用) 处理的，由任务项组成的队列。工作流任务 表管理器是一个软件模块，负责管理工作流任务表，并完成与最终用户操作的交互。 ( 5 ) 被凋应用。它指工作流执行服务在过程实例的运行过程中需要调用的、用 以对应用数据进行处理的应用程序p 引。 2 6 编程语言与数据库选择 本系统原型的开发基于v b 、j a v a 等基础类语言以及所对应的v b s c r i p t 、j a v a s c r i p t 脚本语言，是一种基于服务器和面晦 i n t e m e t 级的新一代服务器语言，能够迅速架构 基于w i n d o w s 和i n t e m e t 的应用程序和组件，在b s 架构的系统中广泛应用。这两种脚 本语言有v b 和j a v a 语言扩展而来，集合了v b 和j a v a 面向对象和继承等特点，实现了 服务器端与客户端的实时性、动态性、交互性，因此在基于w e b 的系统开发中具有 独特的优势。 由于脚本类语言可以直接通过客户端程序解释执行，因此大大减轻了服务器端 的工作负担，提高了访问速度。相对于传统的交互方式，脚本语言可有规律的简化 h t m l 文段，减少下载时间，并且对提交的表单即时检查，无须由c g i 验证，缩短响 应时间，提高工作效率。 原型系统的数据库环境是s q ls e r v e r 2 0 0 0 企业版，它在s q ls e r v e r 7 0 的基础上， 性能、可靠性和易用性方面都有显著增强。具有以下特征： ( 1 ) i n t e m e t 集成。s q ls e r v e r 2 0 0 0 数据库引擎提供完整的x m l 支持，它还具有 构成最大的w e b 站点的数据存储组件所需要的可伸展性、可用性和安全功能。s q l 青岛大学硕士论文 s e r v e r 2 0 0 0 程序设计模型与w i n d o w sd n a 构架集成，用于w e b 应用程序。 ( 2 ) 可伸展性和可用性。同一数据库引擎可在不同平台上使用，这些平台可以 小到运行w i n d o w s 9 8 的台式计算机，也可以大到运行w i n d o w sn t 数据中心版的大型 多处理器服务器。 ( 3 ) 企业级数据库功能。s q ls e r v e r 2 0 0 0 关系数据库引擎支持当今苛刻的数据 处理环境所需的功能。数据库引擎充分保护数据的完整性，同时将管理上千个并发 修改数据库的用户的开销降到最低。 ( 4 ) 增强的x m l 支持。s q ls e r v e r 2 0 0 0 增加了对扩展标记语言的支持，它的关 系数据库引擎可以将x m l 格式的文档作为数据返回给应用程序。同时，应用程序也 可以通过x m l 对服务器上的数据进行添加、修改，插入和删除等操作。 3 4 - 3 6 。 2 7 本章小结 本章节对系统开发过程中所使用的相关技术进行了详细描述，列举其功能，并 依据设计要求选择编程语言和数据库种类。 1 2 第三章系统需求分析和总体设计框架 第三章系统需求分析和总体设计框架 3 1 系统需求分析 机械液压约束活塞发动机的主运动系统承担了旋转机械能的传递和转换，其工 况的运转好坏直接影响整机的性能，因此对曲轴和连杆的优化工作尤为重要。考虑 到这两部件的协同优化流程，系统需求分析要从以下四方面进行描述，即体系结构、 基本功能、任务执行和信息存取访问。 3 1 1 体系结构 系统开发前，首先要明确系统框架体系结构，在m c d o 计算框架系统中，针对 m c h p e 优化仿真工作的重点，需要从以下五方面构建系统框架： ( 1 ) 提供直观的客户端演示窗口( c l i e n tp r e s e n t a t i o ni n t e r f a c e ，c p i ) 。通过直 观简洁的c p i ，用户能够充分的了解系统的功能，基本功能直观，隐藏复杂的计算操 作，使用户能在短时间内掌握并应用框架的全部功能。 ( 2 ) 融入面向对象的思想。由于系统开发所使用的v c 、j a v a 语言的基本思想 就是面向对象的，因此在开发系统的过程中，面向对象的设计能够充分适用于多学 科系统优化过程中的一系列算法和程序包。系统框架在融入面向对象的思想后，可 以很方便的扩展到分布式并行计算体系中，并且为日后系统的升级、扩充提供可靠 的数据接口。 ( 3 ) 系统框架需具有可扩展性。现如今c a e 的快速发展，使优化仿真工作的效 率不断提高。正是基于这一特点，系统必须方便地集成不断更新发展的c a e 软件系 统，并与科学的计算工具和先进的优化技术完美融合，这样，可满足更多用户对于 高端仿真工具的需求。 ( 4 ) 支持较复杂且规模较大的优化计算。框架至少支持几十个设计变量的优化 问题，且需保证一定的工作效率和精度。 ( 5 ) 融入数据库技术。由于系统框架基于i n t e m e t i n t r a n e t ，因此用户信息、计 算数据及相关计算模块的管理必须借助于数据库技术，通过合理规划数据表，实现 数据信息的无差别存取。 3 1 2 基本功能 ( 1 ) 提供直观的多学科系统优化问题描述界面，并包含数据传输接口，方便用 1 3 青岛大学硕士论文 户数据交互。 ( 2 ) 集成各学科算法程序包。在长期的优化设计工作中，不同的学科组积累了 相当多的优化程序，这类程序大多由c 、j a v a 、v b 、f o r t r a n 语言编写，为了充分 利用这些算法程序，m c d o 系统框架需集成相关接口技术，使这些算法程序能够方 便的被用户调用。 ( 3 ) 依据m h c p e 优化仿真工作的步骤，配置数学方程建模窗口，通过参数化 建模，使m c d o 框架系统具有更高的计算精度。 ( 4 ) 对于优化工作中所使用的参数，界面中应予以标注解释，便于用户合理描 述优化问题。 3 1 3 任务执行 m c d o 系统框架在任务执行方面，允许多用户以批处理的方式同时执行。登录 到系统中的用户不但可以定义单一优化问题，也可通过相应算法来定义一系列问题， 采用f c f s ( f i r s tc o m ef i r s ts e r v e ) 原则，在框架系统接收到问题描述后，后台运行 整个优化过程，不需要用户的参与。 3 1 4 信息存取访问 m c d o 系统框架应提供数据库管理。在优化设计过程中，数据库能够管理多学 科的优化数据，保证数据存取的安全性和准确性。用户在定义优化问题后，能够通 过数据接口，即时访问数据信息，并且对设计变量、状态变量、约束和目标函数等 信息进行相关修改，提高优化工作的灵活性。 因此对系统平台的需求就是：在分布式计算、优化流程控制、优化协调等方面 支持机械液压约束活塞发动机的多学科综合设计优化与控制，实现多学科协同优化 的基本功能。 3 2m c d o 问题描述 分析复杂系统的有效方法是按学科( 或部件) 将复杂系统分解为若干个小的子 系统。根据子系统之间关系，可将复杂系统划分为两类：一类是层次系统( h i e r a r c h i c s y s t e m ) ，另一类是非层次系统( n o n h i e r a r c h i cs y s t e m ) 。层次系统特点是子系统 之间信息流程具有顺序性，子