一種改進(jìn)的裝備質(zhì)量監(jiān)督領(lǐng)域本體建模策略

李澤西,孟 晨,王 成

(1.陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)， 石家莊 050003； 2.陸軍裝備部駐西安地區(qū)軍事代表局， 西安 710000)

裝備質(zhì)量監(jiān)督(Quality Surveillance Of Equipment，QSE)是武器裝備質(zhì)量管理的一項重要內(nèi)容，其效能高低對裝備保持高性能質(zhì)量影響重大。QSE的核心在于對過程中涉及的各類信息進(jìn)行高效地組織和管理，最大限度地發(fā)揮信息對裝備質(zhì)量監(jiān)督的調(diào)節(jié)和決策作用。

世界各國都非常重視對武器裝備的質(zhì)量監(jiān)督工作。以美國為代表的世界發(fā)達(dá)軍事國家，一方面率先運用新型項目管理組織模式IPT(Integrated Product Teams)優(yōu)化裝備采辦的組織結(jié)構(gòu)[1]，同時分階段制定、擴充和完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，著力打造通用的裝備質(zhì)量信息傳輸處理平臺和公共操作環(huán)境；另一方面長年致力于把信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融入裝備質(zhì)量監(jiān)督工作，高度重視對裝備數(shù)據(jù)信息的管理問題，先后提出持續(xù)采辦和全壽命支持系統(tǒng)CALS戰(zhàn)略計劃[2]、面向服務(wù)體系結(jié)構(gòu)的采辦可視化工程[3]等，通過信息的集成和共享，實現(xiàn)對裝備質(zhì)量的全壽命周期監(jiān)控。相比之下，我國目前的裝備質(zhì)量監(jiān)督工作主要依靠少數(shù)軍事代表親臨科研生產(chǎn)一線，采用協(xié)作監(jiān)管的模式督導(dǎo)監(jiān)控，大量的過程數(shù)據(jù)和結(jié)果信息以專用工裝檢測、人工記錄上傳和紙媒傳輸存儲的方式進(jìn)行，各單位已開發(fā)的信息管理系統(tǒng)傾向于部分監(jiān)管文件的目錄整理，遠(yuǎn)程監(jiān)控、自動化裝配等數(shù)字化質(zhì)量監(jiān)督功能的開發(fā)尚處于起步階段，信息化水平整體不高，離實現(xiàn)信息的交互和共享還有很大的差距。

近年來，知識工程研究者常借助本體技術(shù)建立某個領(lǐng)域的概念模型——領(lǐng)域本體(Domain Ontology)，以此來形式化、規(guī)范化地表示該領(lǐng)域概念及概念間的相互關(guān)系。這種智能化的信息組織和管理方式，從根源上打通了基于統(tǒng)一語義的信息交互和共享渠道，避免了重復(fù)開發(fā)信息管理系統(tǒng)造成的資源浪費；同時，便于研究者之間的交流和協(xié)作開發(fā)，對計算機系統(tǒng)來說，可以實現(xiàn)不同領(lǐng)域、不同模型之間的跨平臺的方法、數(shù)據(jù)、任務(wù)、工具的轉(zhuǎn)換和共享[4]。

本文首先分析了QSE的整體思路，依據(jù)該領(lǐng)域的信息組成及內(nèi)容特點，以現(xiàn)有的基于質(zhì)量環(huán)的領(lǐng)域本體建模方法為基礎(chǔ)，結(jié)合裝備質(zhì)量監(jiān)督過程特點，提出了一種基于核心本體循環(huán)擴展的裝備質(zhì)量監(jiān)督領(lǐng)域本體(Quality surveillance of equipment domain ontology,QSEDO)建模策略，給出了其具體的建模流程，并利用protégé軟件對該本體中的檢驗驗收類進(jìn)行了模塊建模和檢測，驗證了基于核心本體循環(huán)擴展的QSEDO建模策略的有效性，最后對比分析了改進(jìn)后建模方法的優(yōu)越性。

1 QSE整體思路及領(lǐng)域特點分析

隨著武器裝備現(xiàn)代化的發(fā)展，QSE從單純的事后檢驗延伸到全系統(tǒng)全生命周期的質(zhì)量把控、從只關(guān)注實體裝備的質(zhì)量狀況拓展到把信息網(wǎng)絡(luò)和軍用軟件也納入監(jiān)督范圍、從僅滿足檢驗測試的技術(shù)指標(biāo)到能夠經(jīng)受住實戰(zhàn)化的綜合考量，目前主要涵蓋了對裝備承制單位資格、產(chǎn)品實現(xiàn)過程和產(chǎn)品質(zhì)量三個方面的監(jiān)督，QSE整體思路如圖1所示。

目前，QSE包括5種質(zhì)量監(jiān)督形式、14種質(zhì)量監(jiān)督方法和3個方面質(zhì)量監(jiān)督范圍。由此可見QSE過程具有形式多、方法雜、范圍廣的特點?？傮w而言，QSE主要以總部頒發(fā)的《裝備采購質(zhì)量監(jiān)督國家軍用系列標(biāo)準(zhǔn)》(簡稱《23項國軍標(biāo)》)為基礎(chǔ)實施準(zhǔn)則，并涉及到其他相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)GB、國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、裝備主管機關(guān)工作標(biāo)準(zhǔn)以及各軍事代表局、室等單位的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

分析QSE的整個過程可以發(fā)現(xiàn)，QSE首先是一個以裝備質(zhì)量形成過程為核心的環(huán)環(huán)相扣、緊密相連的復(fù)雜過程，具有極強的環(huán)節(jié)依賴性，其領(lǐng)域本體建模策略需要按照領(lǐng)域本體的生命周期開發(fā)；其次，QSE的范圍始終伴隨著質(zhì)量管理理論的發(fā)展和裝備研制生產(chǎn)的實際情況而不斷發(fā)展變化，質(zhì)量環(huán)活動作為質(zhì)量管理理論的一項重要內(nèi)容，通過計劃、執(zhí)行、處理和檢查的不斷循環(huán)以實現(xiàn)質(zhì)量的不斷改進(jìn)，將該思想融入領(lǐng)域本體建模策略，體現(xiàn)了QSE范圍動態(tài)變化的特點；同時，QSE涉及的專業(yè)領(lǐng)域廣泛多樣，領(lǐng)域內(nèi)部的各個子領(lǐng)域之間相互交叉，其信息數(shù)量和類型隨著時間不斷積累充實，因此，想要一次性建成一個包羅萬象的本體幾乎是不可能的，但是，QSE又是嚴(yán)格按照相關(guān)國家和軍用標(biāo)準(zhǔn)的要求下執(zhí)行的，其內(nèi)容規(guī)律有章可循，故可通過先建模核心本體，再不斷地循環(huán)改進(jìn)擴展，以實現(xiàn)最終的領(lǐng)域本體建模。

圖1 QSE整體思路框圖

2 基于核心本體循環(huán)擴展的QSEDO建模策略

基于七步法和全面質(zhì)量管理理念，劉琳娜[5]提出了一種基于質(zhì)量環(huán)的領(lǐng)域本體建模策略，用于實現(xiàn)武器裝備的本體建模，其建模策略如圖2所示，包括7個步驟。

步驟1：本體規(guī)劃。對領(lǐng)域進(jìn)行需求分析，確定本體的專業(yè)領(lǐng)域和范疇，在此基礎(chǔ)上制定本體建設(shè)的項目計劃書和資源分配計劃。

步驟2：本體分析設(shè)計。首先進(jìn)行本體分析以考察是否有可復(fù)用的現(xiàn)有本體并收集相關(guān)領(lǐng)域知識，其次通過列舉重要術(shù)語、定義類和類等級、類屬性及屬性分面、創(chuàng)建實例來進(jìn)行本體設(shè)計。

步驟3：本體實現(xiàn)。用形式化的方法將已定義好的本體從自然語言的表示格式轉(zhuǎn)化為機器可理解的邏輯表達(dá)格式。

步驟4：本體評價。采用常用的本體評價指標(biāo)：正確性、一致性、可擴展性、有效性、本體的規(guī)模及描述能力等來定性評價本體是夠滿足開始提出的需求。

步驟5：本體建立。用步驟4中的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗，如不符合返回步驟2，如符合則構(gòu)建出該領(lǐng)域的核心本體。

步驟6：本體維護(hù)。主要指對相關(guān)詳細(xì)文檔資料的維護(hù)。

步驟7：循環(huán)改進(jìn)與擴展。根據(jù)具體領(lǐng)域的發(fā)展變化獲取新的領(lǐng)域知識，不斷改進(jìn)和擴展領(lǐng)域本體。

圖2 基于質(zhì)量環(huán)的領(lǐng)域本體建模策略示意圖

該方法充分借鑒軟件工程的經(jīng)驗和國外主流的本體建模方法，按照領(lǐng)域本體的生命周期開發(fā)，并結(jié)合美國質(zhì)量管理統(tǒng)計學(xué)家戴明創(chuàng)立的質(zhì)量環(huán)(PDCA)活動的思想，強調(diào)先建模領(lǐng)域核心本體，再進(jìn)行循環(huán)改進(jìn)以實現(xiàn)領(lǐng)域本體的不斷擴展和充實完善。然而，該方法也存在核心本體的地位突出不足、部分工作交叉重復(fù)以及工程性不強等不足。

由QSE過程特點分析可知，現(xiàn)有的基于質(zhì)量環(huán)的領(lǐng)域本體建模方法對QSEDO的建模具有很強的借鑒意義。結(jié)合裝備全系統(tǒng)全壽命管理的階段性特征，基于質(zhì)量環(huán)的領(lǐng)域本體建模方法，提出一種基于核心本體循環(huán)擴展的QSEDO建模策略，如圖3所示。

圖3 基于核心本體循環(huán)擴展的QSEDO建模策略示意圖

該策略主要由核心本體界定、本體擴展、本體實現(xiàn)、本體檢測和循環(huán)改進(jìn)五大步驟組成，基本步驟如下：

步驟1：核心本體界定。依據(jù)《23項國軍標(biāo)》中對QSE進(jìn)行核心本體的界定。通過對QSE體系整體框架和內(nèi)部關(guān)系的把握，并結(jié)合裝備質(zhì)量的形成特點，圈定核心本體的范圍。抽取其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，將核心本體劃分為若干個小的子本體，各子本體之間相互關(guān)聯(lián)，共同構(gòu)成動態(tài)的QSEDO核心內(nèi)容。

步驟2：本體擴展。本體擴展主要包括考察復(fù)用現(xiàn)有本體、收集獲取QSE信息、本體內(nèi)容設(shè)計三個方面?？疾鞆?fù)用現(xiàn)有本體主要依據(jù)核心本體中各子本體的內(nèi)容設(shè)置，尋找現(xiàn)存的相關(guān)本體進(jìn)行整合復(fù)用；收集獲取QSE信息是對QSE過程中實際產(chǎn)生的各類信息進(jìn)行采集、存儲和處理；本體內(nèi)容設(shè)計是從標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的角度對QSE中的重要術(shù)語及其相互關(guān)系進(jìn)行列舉梳理，在此基礎(chǔ)上定義類和類的等級體系、定義類的屬性及其分面。

步驟3：本體實現(xiàn)。主要利用本體建模工具和本體描述語言對上述已經(jīng)分析好的本體內(nèi)容進(jìn)行形式化的表達(dá)，以形成人和機器可讀可理解的規(guī)范化文本。

步驟4：本體檢測。主要借助相關(guān)工具(如：Protege5.2.0中的Debugger插件)檢查形式化后的本體是否存在邏輯錯誤，檢測通過則QSEDO建模完成；反之，進(jìn)入步驟2。

基于核心本體循環(huán)擴展的QSEDO建模策略突出了核心本體和循環(huán)改進(jìn)的作用，簡化了原方法中冗余的步驟，縮短了開發(fā)周期，摒棄了原方法中重理論輕操作的弊端。

3 QSEDO建模

3.1 核心本體界定

依據(jù)《23項國軍標(biāo)》的相關(guān)規(guī)定，結(jié)合QSE工作的實際開展情況，QSEDO核心本體可以分為承制單位監(jiān)督、合同監(jiān)督、研制過程質(zhì)量監(jiān)督、生產(chǎn)過程質(zhì)量監(jiān)督、售后技術(shù)服務(wù)質(zhì)量監(jiān)督、裝備質(zhì)量基本信息6個子本體。這些子本體相互關(guān)聯(lián)，共同構(gòu)成QSEDO最基礎(chǔ)的框架，其聯(lián)系如圖4所示。

圖4 QSEDO核心本體構(gòu)成框圖

3.2 本體擴展

3.2.1考察復(fù)用現(xiàn)有本體

考察復(fù)用現(xiàn)有本體對于本體建模具有重要意義，可減少建模工作量，提高建模效率。如文獻(xiàn)[6]基于系統(tǒng)六元本體的裝備保障概念模型等都可以經(jīng)過適當(dāng)?shù)夭眉艉蠹{入QSEDO核心本體中部分子本體的建模。

3.2.2收集獲取QSE信息

從裝備全壽命周期來看，QSE信息涵蓋了裝備研制、生產(chǎn)、使用的各個階段。從軍事代表工作角度來看，QSE信息包括對裝備承制單位的監(jiān)督信息、對產(chǎn)品形成過程的監(jiān)督信息和對產(chǎn)品成品質(zhì)量的監(jiān)督信息。從層次結(jié)構(gòu)上來看，QSE信息向上關(guān)系到國防工業(yè)管理部門和各級裝備管理部門，向下具體到各個廠所的軍代室、處，甚至是掌握在每一個軍代表手中。從信息類型角度考慮，包括紙制或電子的文檔、圖片、視頻、音頻等。

3.2.3本體內(nèi)容設(shè)計

1) 列舉重要術(shù)語

列舉重要術(shù)語時應(yīng)注重術(shù)語的覆蓋面和權(quán)威性。QSE中的重要術(shù)語主要包含在現(xiàn)行的《GJB 1405A—2006裝備質(zhì)量管理術(shù)語》中，以裝備采購合同監(jiān)督子本體為例，與之相關(guān)的術(shù)語包括合同、產(chǎn)品成本、計劃成本、實際成本、制造成本、質(zhì)量成本、成本監(jiān)督、產(chǎn)品審價、壽命周期費用等。

2) 定義類及類的等級關(guān)系

基于確定的6個QSEDO核心本體的子本體，通過和領(lǐng)域?qū)＜业慕涣骱拖嚓P(guān)文獻(xiàn)的參考，可確定各個子本體的概念層次結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 QSEDO概念層次框圖

3) 定義類的屬性及屬性分面

類的屬性主要反應(yīng)了內(nèi)部類與類之間的關(guān)系。以檢驗驗收類為例，其關(guān)系一方面通過“part-of(組成)”來體現(xiàn)，如：檢驗驗收類由檢驗驗收準(zhǔn)備、檢驗驗收實施、檢驗驗收總結(jié)組成；另一方面通過“C(合格)”或“N(不合格)”來聯(lián)系，如產(chǎn)品提交與提交條件審查之間的關(guān)系為Y，即表示產(chǎn)品提交內(nèi)容全部具備時(C)，才可轉(zhuǎn)入提交條件審查，而當(dāng)提交條件審查不滿足時(N)，則轉(zhuǎn)入拒絕受理。屬性分面表示對屬性的約束，檢驗驗收類的部分屬性分面為：產(chǎn)品名稱：String型、提交數(shù)量：int型、合同編號：ID型、檢驗結(jié)論：String型，其他屬性的分面照此方法定義。

3.3 本體實現(xiàn)

本體實現(xiàn)就是將定義好的本體從自然語言的格式轉(zhuǎn)化為本體描述語言表示的格式的過程。本文采用Protégé5.2.0軟件進(jìn)行本體建模，以核心本體中裝備生產(chǎn)過程質(zhì)量監(jiān)督子本體的檢驗驗收類為例進(jìn)行本體實現(xiàn)，由于protégé不支持中文推理，下述將使用英文進(jìn)行編寫。包括定義類及類的層次結(jié)構(gòu)、定義屬性及屬性分面和實例填充。

3.3.1定義類及類的層次結(jié)構(gòu)

類的定義可利用Protégé軟件中的class標(biāo)簽實現(xiàn)， OWL Viz插件可以以樹形圖的方式迅速遍歷本體類及類的層次結(jié)構(gòu)。最終得到檢驗驗收類的概念層次結(jié)構(gòu)如圖6所示。

3.3.2定義屬性及屬性分面

屬性代表一種二元關(guān)系，特征標(biāo)簽包含了對對象屬性的7種約束和對數(shù)據(jù)屬性的1種約束，正確利用這些約束來定義屬性及屬性分面對描述類的關(guān)系至關(guān)重要。檢驗驗收類的對象屬性有“Has Part”、“Has Procedure”、“Has Attribute”等，其數(shù)據(jù)屬性則包括“Has Model”、“Has Lot”、“Has Quantity”等。

圖6 檢驗驗收類的概念層次結(jié)構(gòu)

3.3.3實例填充

一個實例代表了一個類的成員，以某型制導(dǎo)炮彈(GP，Guided Projectile)的檢驗驗收過程為例。定義實例GP-IAA，擁有數(shù)據(jù)屬性“has Model”為“G”、“has Lot”為“001”、“has Quantity”為“100”；在檢驗驗收準(zhǔn)備中對其產(chǎn)品交驗單(Product Inspection Order)等內(nèi)容進(jìn)行審查；審查合格進(jìn)入檢驗驗收實施環(huán)節(jié)，首先進(jìn)行分組檢驗，將產(chǎn)品分為“A”組和“D”組進(jìn)行檢驗，檢驗合格后，對其包裝箱“Packing Chest”進(jìn)行檢驗，全部合格則接收，并開具G產(chǎn)品合格證“G Product Qualification”，最后進(jìn)行檢驗驗收總結(jié)工作，整理G的產(chǎn)品履歷書(G Product Log)等資料，最終效果如圖7所示。

圖7 檢驗驗收類的最終效果框圖

3.4 本體檢測

在本體實現(xiàn)的基礎(chǔ)上，使用Protégé軟件中的Debugger插件進(jìn)行本體檢測。Debugger插件通過交互式的本體調(diào)試，幫助建模者發(fā)現(xiàn)和識別導(dǎo)致本體不一致和不連貫的公理，修復(fù)本體瑕疵。本體檢測結(jié)果如圖8所示，表明所構(gòu)建的本體符合一致性和連貫性。

圖8 本體檢測結(jié)果

3.5 對比分析

在基于核心本體循環(huán)擴展的QSEDO建模策略有效性驗證的基礎(chǔ)上，以基于質(zhì)量環(huán)的領(lǐng)域本體建模方法為對比對象，分別從本體建?；A(chǔ)能力和本體評價標(biāo)準(zhǔn)兩個角度出發(fā)進(jìn)行對比分析。

從本體建模基礎(chǔ)能力出發(fā)，選取建模周期、構(gòu)建方式、技術(shù)支持、生命周期、復(fù)用能力、優(yōu)化能力、擴展能力和領(lǐng)域針對性等8個指標(biāo)[7-8]進(jìn)行對比，結(jié)果如表2所示。

表2 兩種建模策略基于本體建?；A(chǔ)能力結(jié)果

從本體評價標(biāo)準(zhǔn)[8-9]出發(fā)，選取清晰性、一致性、完整性、可擴展性和兼容性等5個指標(biāo)進(jìn)行對比分析，結(jié)果如表3所示。

表3 兩種建模策略基于本體評價標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)果

由上述定性分析可知，基于核心本體循環(huán)擴展的領(lǐng)域本體建模策略相對基于質(zhì)量環(huán)的領(lǐng)域本體建模策略，在建模周期、復(fù)用能力、優(yōu)化能力和擴展能力上更具優(yōu)越性，特別是針對已知體系架構(gòu)的QSE領(lǐng)域，在使用基于核心本體循環(huán)擴展的領(lǐng)域本體建模策略進(jìn)行QSEDO建模時，因現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)明確了所建立的模型的核心架構(gòu)，故所建立出的本體在清晰性、一致性和可擴展性上的表現(xiàn)更加優(yōu)越。

4 結(jié)論

本文通過分析裝備質(zhì)量監(jiān)督過程的特點，基于質(zhì)量環(huán)的領(lǐng)域本體建模策略，提出了一種裝備質(zhì)量監(jiān)督領(lǐng)域本體建模策略，并給出了該建模策略的基本步驟。以生產(chǎn)過程質(zhì)量監(jiān)督子本體中的檢驗驗收類為例，利用protégé軟件實現(xiàn)了該模塊的建模和檢測，實驗結(jié)果表明：所提出的建模策略能有效建立裝備質(zhì)量監(jiān)督領(lǐng)域本體模型，為實現(xiàn)裝備質(zhì)量監(jiān)督信息的共享，建立裝備質(zhì)量監(jiān)督領(lǐng)域知識庫打下堅實的基礎(chǔ)。