中国气动数据库的现状及展望

　　研究中国气动数据库的现状可以发现，尽管几 乎每个从事气动研究的单位或组织都开发过 自己的气动数据库，但这些组织之间，甚至就是本组织内部，都缺乏协调性、连贯性和必要的交流。基于这一点，本文提出并描绘了中国气动共享数据库(COAD)的发展蓝图，重点强调该数据库的管理层面、数据库可用性、数据可靠性评估、统一数据标准、数据资源和开放的系统架构。 <br/>　　气动数据库的分类<br/>　　根据应用目标，气动数据库一般可分为三类：第一类用于飞机设计，第二类用于风洞试验数据的存储和管理，第三类用于计算流体力学（CFD）、风洞试验和飞行试验的相关性研究。<br/>　　第一类气动数据库通常针对某特定的飞行器，用于存放它的包括受力、力矩、负载，甚至整个飞行包线范围内不同飞行条件下测定的流动特征等在内的气动系数。它主要用于飞行器的气动和结构布局设计、性能评估、飞行模拟和多学科优化。其数据结构的一个重要特征是，针对一个飞机结构，可能存在多个风洞试验的结果。这类数据库几乎全是秘密的和私有的。<br/>　　第二类气动数据库由风洞试验单位设计和开发，用于存放和管理试验数据。当然，每个风洞会对多种不同的空气动力飞行器进行试验。除提供给风洞拥有者和使用者外，这类数据库也几乎是秘密的和私有的。这种传统的气动数据库在设计时很少考虑数据的存储和处理。<br/>　　一旦气动数据库中要考虑CFD数据时，情况变得和前两类相当不同。由于数据的容量很大，很容易就超过现有的存储能力。例如，专门针对F-16XL战斗机的一个气动数据库安装了容量达3P字节 (1P=100万G字节)的海量存储系统。此外，与风洞试验数据相比，CFD数据通常会有不同的数据形式，并很可能存在不同的地理位置。<br/>　　在这三类数据库中，用于CFD确认的数据库相对而言更加通用。有目共睹的是，CFD正越来越多地参与气动数据库建设。 <br/>　　我国气动数据库的现状<br/>　　在中国，采用先进数据库技术对气动数据资源进行管理始于20世纪80年代。主要的气动研究和飞机设计单位都开发了自己的气动数据库。<br/>　　用于飞机设计的数据库<br/>　　沈阳飞机设计研究所因不同应用目的曾开发了多个用于飞机设计的气动数据库。第一种是气动布局数据库，用于分类存放部件、控制面布局参数、翼型数据（包括三维数据）和部件组合方案。另一种是风洞试验数据库，用于存放不同部件组合方案的风洞试验信息和气动力数据。<br/>　　成都飞机设计研究所结合战斗机设计需要开发了三种与气动相关的数据库，分别是风洞试验数据库、飞行性能数据库和飞行控制律数据库。<br/>　　中航第一飞机设计研究院在90年代中期曾采用多媒体集成技术开发了大迎角多媒体气动数据库。新近，为支持ARJ21飞机的设计和制造，他们建立了一个气动数据库。新数据库采用Java和商业关系型数据库等先进软件开发技术进行开发，从而使得新系统非常高效，且与计算机平台无关。<br/>　　用于存储风洞试验数据的数据库中国航空工业空气动力研究院开发了风洞试验数据库和多媒体气动数据库。目前，空气动力研究院正在开发一个范围更广泛的风洞试验数据库。除了常规测力测压试验数据，新数据库将汇集动导数、进气道、推力矢量、离子图像测速(PIV)和流场等数据，并拟增加数据应用功能，例如气动特性评估、尾旋预测和动态数据仿真等。<br/>　　中国航天空气动力技术研究院从1987年开始围绕相关项目进行了气动数据库的研发工作，拥有包括亚、跨、超、高超声速风洞在内超过17种的专业气动地面实验设备，并有一个团队专门从事气动数值模拟。现在，正计划建立一个气动数据中心，该中心将作为航空器一体化设计、试验和评估数字化系统的一部分。<br/>　　中国空气动力研究与发展中心目前正积极从事新一代气动数据库的建设，拥有多种在亚洲地区首屈一指的试验设备。经过近40年的积累，汇集的气动数据资源已成为一笔巨大的国家财富。但另一方面，尽管此前低速流研究所已开发过用于低速风洞的数据库管理系统，如何整理和发布这些数据资源(即便是在中心内部)都是艰巨的任务。<br/>　　西北工业大学在气动数据库方面的工作集中在翼型数据库，拥有NACA和NPU系列翼型的气动数据。早期的一个数据库大约在10年前开发，目前已停止使用。从1995年开始，西北工业大学翼型研究中心开发了一个命名为CADRDATA的气动力特性数据库。目前，西北工业大学正考虑进行新一代翼型和叶栅气动数据库的建设。<br/>　　用于CFD确认的数据库<br/>　　与CFD确认气动数据库相关的一个主要成果是中国一航航空计算技术研究所的一个有关CFD解算器可信度研究和可信CFD模拟的在研项目。他们设计和开发了名为WiseCFD的软件平台，用于实现利用无缝CFD过程替代先前单调乏味的重复性手动操作。<br/>　　可以看到，中国主要的气动单位和组织在开发气动数据库方面都做了大量工作，积累了丰富的实际经验。但现有气动数据库也存在一些潜在问题，第一，大部分数据库都专门为指定项目开发，且经常只在单位内部使用。这在一定程度上导致资金、人员等的重复。第二，由于软硬件环境不同，加上缺乏必要的交流，不同数据库常采用了不同数据标准、数据库模式和数据库开发规范。因为缺少共享私有数据的简单渠道，这使得数据交流工作非常单调乏味，很容易发生错误。同样，这也使数据库的通用性和可扩展性很差。<br/>　　产生这些问题的根本原因是，组织和组织之间，甚至在每个组织内部，都缺乏协调性、连贯性和必要的交流。随着数据知识和开发经验的增加，这种状况正在逐步改变。越来越多的气动单位和组织已意识到开发一个开放和共享平台的重要性。 <br/>　　中国共享气动数据库展望<br/>　　最近，中国一航连续组织召开了几次专门讨论气动数据库的会议，主题就是关于气动数据库现状的交流和未来数据库开发策略的探讨。大家一致认为，未来数据库开发需要更多的交流和合作。这些会议直接推动了COAD的开发。中国一航目前也正计划建立一个大的高性能计算中心，这将为气动数据库开发的国家性协作打下坚实的基础。<br/>　　对共享气动数据库，其主要特点是具有开放性、可用性、可信性和可扩展性。基于这些考虑，提出并描绘了COAD的发展蓝图，并重点强调项目管理、数据资源、数据可靠性、统一数据标准、数据库可用性、安全性和开放的系统架构。<br/>　　项目成功的一个关键因素是上层管理的直接参与。COAD项目将在统一领导下建立一个协调委员会和一个专家委员会。<br/>　　 COAD应能很方便地访问和使用。容易访问可通过利用网页浏览器做图形用户界面来实现。所有进入COAD系统的信息都必须根据系统开发过程中逐步规范化的标准进行严格的质量审查，其目的是确保提交的数据具有同样的格式和质量水平。<br/>　　气动数据库管理的数据主要是来自CFD计算、风洞试验和飞行试验的飞行器标准模型数据。数据资源包括：用于风洞校准的标准模型，由中国航空工业空气动力研究院提供；民机标准模型由中航第一飞机设计研究院提供，如超临界机翼、后体、小翼和教练机等；航天标准模型，由中国航天空气动力技术研究院提供，如战术导弹、航天飞机标模、类HOPE航天飞机等；还有CFD确认会议提供的资源。<br/>　　由于这些数据通常来自不同的风洞试验、飞行试验和CFD软件，必须制定统一的数据标准才能实现现有数据资源的集成和共享。COAD在参照事实上的国际气动数据标准CGNS，结合中国国内和行业的实际情况，将制定符合国际规范的气动数据统一标准和接口规范，并开发相应的支持软件，用于标准文件的读写和转换。 <br/>　　 COAD系统结构开发与策略<br/>　　 COAD采用基于Web的三层B/S结构，由客户端的浏览器、中间层的Web服务器和应用服务器、后台的数据库服务器和大型存储系统组成。<br/>　　浏览器是用户使用数据资源的人机界面。COAD中的用户必须在其个人计算机或工作站上安装可用的网页浏览器，并和国际互联网相连。<br/>　　 Web服务器和应用服务器用于提供用户浏览服务，实现用户实时请求，如数据的访问和下载。COAD中采用的服务器由一台或多台Unix工作站或Unix服务器组成，运行BEA WebLogic或IBM WebSphere，通过防火墙同国际互联网相连。<br/>　　数据库服务器负责存放系统数据和描述气动数据文件属性和文件之间相互联系的元数据。COAD中数据库服务器由两台Unix服务器构成双机热备系统，运行Oracle DBMS(数据库管理系统)和Oracle RAC(实时应用群集控制)。存储系统使用大型SAN(存储区域网络)，配置两台Unix服务器、一个磁盘阵列和一个磁带库。<br/>　　 COAD中所有数据文件存放在存储系统中。只有用于描述数据文件的元数据存放在数据库中使用数据库管理信息系统进行管理。<br/>　　 COAD应用系统将采用Java2技术进行开发。运行在Web服务器和应用服务器上的JSP、Servlet、JavaBeans和数据库连接池源代码是整个系统的核心。研究中国气动数据库的现状可以发现，尽管几 乎每个从事气动研究的单位或组织都开发过 自己的气动数据库，但这些组织之间，甚至就是本组织内部，都缺乏协调性、连贯性和必要的交流。基于这一点，本文提出并描绘了中国气动共享数据库(COAD)的发展蓝图，重点强调该数据库的管理层面、数据库可用性、数据可靠性评估、统一数据标准、数据资源和开放的系统架构。 <br/>　　气动数据库的分类<br/>　　根据应用目标，气动数据库一般可分为三类：第一类用于飞机设计，第二类用于风洞试验数据的存储和管理，第三类用于计算流体力学（CFD）、风洞试验和飞行试验的相关性研究。<br/>　　第一类气动数据库通常针对某特定的飞行器，用于存放它的包括受力、力矩、负载，甚至整个飞行包线范围内不同飞行条件下测定的流动特征等在内的气动系数。它主要用于飞行器的气动和结构布局设计、性能评估、飞行模拟和多学科优化。其数据结构的一个重要特征是，针对一个飞机结构，可能存在多个风洞试验的结果。这类数据库几乎全是秘密的和私有的。<br/>　　第二类气动数据库由风洞试验单位设计和开发，用于存放和管理试验数据。当然，每个风洞会对多种不同的空气动力飞行器进行试验。除提供给风洞拥有者和使用者外，这类数据库也几乎是秘密的和私有的。这种传统的气动数据库在设计时很少考虑数据的存储和处理。<br/>　　一旦气动数据库中要考虑CFD数据时，情况变得和前两类相当不同。由于数据的容量很大，很容易就超过现有的存储能力。例如，专门针对F-16XL战斗机的一个气动数据库安装了容量达3P字节 (1P=100万G字节)的海量存储系统。此外，与风洞试验数据相比，CFD数据通常会有不同的数据形式，并很可能存在不同的地理位置。<br/>　　在这三类数据库中，用于CFD确认的数据库相对而言更加通用。有目共睹的是，CFD正越来越多地参与气动数据库建设。 <br/>　　我国气动数据库的现状<br/>　　在中国，采用先进数据库技术对气动数据资源进行管理始于20世纪80年代。主要的气动研究和飞机设计单位都开发了自己的气动数据库。<br/>　　用于飞机设计的数据库<br/>　　沈阳飞机设计研究所因不同应用目的曾开发了多个用于飞机设计的气动数据库。第一种是气动布局数据库，用于分类存放部件、控制面布局参数、翼型数据（包括三维数据）和部件组合方案。另一种是风洞试验数据库，用于存放不同部件组合方案的风洞试验信息和气动力数据。<br/>　　成都飞机设计研究所结合战斗机设计需要开发了三种与气动相关的数据库，分别是风洞试验数据库、飞行性能数据库和飞行控制律数据库。<br/>　　中航第一飞机设计研究院在90年代中期曾采用多媒体集成技术开发了大迎角多媒体气动数据库。新近，为支持ARJ21飞机的设计和制造，他们建立了一个气动数据库。新数据库采用Java和商业关系型数据库等先进软件开发技术进行开发，从而使得新系统非常高效，且与计算机平台无关。<br/>　　用于存储风洞试验数据的数据库中国航空工业空气动力研究院开发了风洞试验数据库和多媒体气动数据库。目前，空气动力研究院正在开发一个范围更广泛的风洞试验数据库。除了常规测力测压试验数据，新数据库将汇集动导数、进气道、推力矢量、离子图像测速(PIV)和流场等数据，并拟增加数据应用功能，例如气动特性评估、尾旋预测和动态数据仿真等。<br/>　　中国航天空气动力技术研究院从1987年开始围绕相关项目进行了气动数据库的研发工作，拥有包括亚、跨、超、高超声速风洞在内超过17种的专业气动地面实验设备，并有一个团队专门从事气动数值模拟。现在，正计划建立一个气动数据中心，该中心将作为航空器一体化设计、试验和评估数字化系统的一部分。<br/>　　中国空气动力研究与发展中心目前正积极从事新一代气动数据库的建设，拥有多种在亚洲地区首屈一指的试验设备。经过近40年的积累，汇集的气动数据资源已成为一笔巨大的国家财富。但另一方面，尽管此前低速流研究所已开发过用于低速风洞的数据库管理系统，如何整理和发布这些数据资源(即便是在中心内部)都是艰巨的任务。<br/>　　西北工业大学在气动数据库方面的工作集中在翼型数据库，拥有NACA和NPU系列翼型的气动数据。早期的一个数据库大约在10年前开发，目前已停止使用。从1995年开始，西北工业大学翼型研究中心开发了一个命名为CADRDATA的气动力特性数据库。目前，西北工业大学正考虑进行新一代翼型和叶栅气动数据库的建设。<br/>　　用于CFD确认的数据库<br/>　　与CFD确认气动数据库相关的一个主要成果是中国一航航空计算技术研究所的一个有关CFD解算器可信度研究和可信CFD模拟的在研项目。他们设计和开发了名为WiseCFD的软件平台，用于实现利用无缝CFD过程替代先前单调乏味的重复性手动操作。<br/>　　可以看到，中国主要的气动单位和组织在开发气动数据库方面都做了大量工作，积累了丰富的实际经验。但现有气动数据库也存在一些潜在问题，第一，大部分数据库都专门为指定项目开发，且经常只在单位内部使用。这在一定程度上导致资金、人员等的重复。第二，由于软硬件环境不同，加上缺乏必要的交流，不同数据库常采用了不同数据标准、数据库模式和数据库开发规范。因为缺少共享私有数据的简单渠道，这使得数据交流工作非常单调乏味，很容易发生错误。同样，这也使数据库的通用性和可扩展性很差。<br/>　　产生这些问题的根本原因是，组织和组织之间，甚至在每个组织内部，都缺乏协调性、连贯性和必要的交流。随着数据知识和开发经验的增加，这种状况正在逐步改变。越来越多的气动单位和组织已意识到开发一个开放和共享平台的重要性。 <br/>　　中国共享气动数据库展望<br/>　　最近，中国一航连续组织召开了几次专门讨论气动数据库的会议，主题就是关于气动数据库现状的交流和未来数据库开发策略的探讨。大家一致认为，未来数据库开发需要更多的交流和合作。这些会议直接推动了COAD的开发。中国一航目前也正计划建立一个大的高性能计算中心，这将为气动数据库开发的国家性协作打下坚实的基础。<br/>　　对共享气动数据库，其主要特点是具有开放性、可用性、可信性和可扩展性。基于这些考虑，提出并描绘了COAD的发展蓝图，并重点强调项目管理、数据资源、数据可靠性、统一数据标准、数据库可用性、安全性和开放的系统架构。<br/>　　项目成功的一个关键因素是上层管理的直接参与。COAD项目将在统一领导下建立一个协调委员会和一个专家委员会。<br/>　　 COAD应能很方便地访问和使用。容易访问可通过利用网页浏览器做图形用户界面来实现。所有进入COAD系统的信息都必须根据系统开发过程中逐步规范化的标准进行严格的质量审查，其目的是确保提交的数据具有同样的格式和质量水平。<br/>　　气动数据库管理的数据主要是来自CFD计算、风洞试验和飞行试验的飞行器标准模型数据。数据资源包括：用于风洞校准的标准模型，由中国航空工业空气动力研究院提供；民机标准模型由中航第一飞机设计研究院提供，如超临界机翼、后体、小翼和教练机等；航天标准模型，由中国航天空气动力技术研究院提供，如战术导弹、航天飞机标模、类HOPE航天飞机等；还有CFD确认会议提供的资源。<br/>　　由于这些数据通常来自不同的风洞试验、飞行试验和CFD软件，必须制定统一的数据标准才能实现现有数据资源的集成和共享。COAD在参照事实上的国际气动数据标准CGNS，结合中国国内和行业的实际情况，将制定符合国际规范的气动数据统一标准和接口规范，并开发相应的支持软件，用于标准文件的读写和转换。 <br/>　　 COAD系统结构开发与策略<br/>　　 COAD采用基于Web的三层B/S结构，由客户端的浏览器、中间层的Web服务器和应用服务器、后台的数据库服务器和大型存储系统组成。<br/>　　浏览器是用户使用数据资源的人机界面。COAD中的用户必须在其个人计算机或工作站上安装可用的网页浏览器，并和国际互联网相连。<br/>　　 Web服务器和应用服务器用于提供用户浏览服务，实现用户实时请求，如数据的访问和下载。COAD中采用的服务器由一台或多台Unix工作站或Unix服务器组成，运行BEA WebLogic或IBM WebSphere，通过防火墙同国际互联网相连。<br/>　　数据库服务器负责存放系统数据和描述气动数据文件属性和文件之间相互联系的元数据。COAD中数据库服务器由两台Unix服务器构成双机热备系统，运行Oracle DBMS(数据库管理系统)和Oracle RAC(实时应用群集控制)。存储系统使用大型SAN(存储区域网络)，配置两台Unix服务器、一个磁盘阵列和一个磁带库。<br/>　　 COAD中所有数据文件存放在存储系统中。只有用于描述数据文件的元数据存放在数据库中使用数据库管理信息系统进行管理。<br/>　　 COAD应用系统将采用Java2技术进行开发。运行在Web服务器和应用服务器上的JSP、Servlet、JavaBeans和数据库连接池源代码是整个系统的核心。