工程數(shù)據(jù)表的數(shù)據(jù)協(xié)同數(shù)字化資源建設(shè)方法研究*

郭 旺，杜 江，雷 婕

（西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，西安 710021）

0 引言

在當(dāng)今智能制造不斷深入開展的時(shí)代背景下，基于Web打破學(xué)科領(lǐng)域、組織邊界實(shí)現(xiàn)對(duì)技術(shù)資源的實(shí)時(shí)共享和高效準(zhǔn)確重用已成為產(chǎn)品研發(fā)的基本態(tài)勢(shì)[1]。這就導(dǎo)致了如何實(shí)現(xiàn)對(duì)即有數(shù)字化技術(shù)資源的準(zhǔn)確識(shí)別和重用問題。通過對(duì)數(shù)字技術(shù)資源在產(chǎn)品研發(fā)領(lǐng)域的利用現(xiàn)狀和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的分析，如何實(shí)現(xiàn)技術(shù)資源的數(shù)據(jù)協(xié)同已成為技術(shù)資源數(shù)字化應(yīng)用研究的最新趨勢(shì)和關(guān)鍵問題[2]。分布環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)技術(shù)資源數(shù)據(jù)協(xié)同的關(guān)鍵是如何基于Web實(shí)現(xiàn)技術(shù)資源所封裝異類、異構(gòu)技術(shù)數(shù)據(jù)的按需動(dòng)態(tài)跨平臺(tái)共享和深度集成。此問題需要從技術(shù)資源的“數(shù)字化建設(shè)、存儲(chǔ)和知識(shí)管理”三方面綜合考慮解決。目前，針對(duì)數(shù)字化技術(shù)資源的存儲(chǔ)、管理問題研究所形成的以“云平臺(tái)、云服務(wù)”等為代表的技術(shù)手段雖然可有效滿足當(dāng)前產(chǎn)品分布、離散研發(fā)環(huán)境和過程條件下對(duì)于數(shù)字化技術(shù)資源從文檔層面高效共享、重用的需求[3]。但因目前依托數(shù)字化文檔所建設(shè)的數(shù)字化工程技術(shù)資源在數(shù)據(jù)內(nèi)容構(gòu)成和形式上普遍存在不一致、不規(guī)范等問題，導(dǎo)致基于目前的技術(shù)手段仍不能針對(duì)現(xiàn)有數(shù)字化工程技術(shù)資源實(shí)現(xiàn)高效數(shù)據(jù)共享和重用[4]。針對(duì)國(guó)標(biāo)和工程技術(shù)手冊(cè)中以數(shù)據(jù)表為代表的這類基礎(chǔ)性工程技術(shù)資源，此問題則表現(xiàn)更為突出。該問題從根本上是由于國(guó)內(nèi)針對(duì)基礎(chǔ)性工程技術(shù)資源的數(shù)字化建設(shè)長(zhǎng)期缺乏深入系統(tǒng)研究所導(dǎo)致的[5]。這顯然需要從提高數(shù)據(jù)重用性、協(xié)同性角度開展關(guān)于工程技術(shù)資源的數(shù)字化建設(shè)理論和方法的基礎(chǔ)性研究工作來加以解決。

基于此認(rèn)識(shí)，本文以機(jī)械工程領(lǐng)域國(guó)標(biāo)、手冊(cè)中最具代表性的技術(shù)數(shù)據(jù)表這類基礎(chǔ)性工程技術(shù)資源為對(duì)象，開展了面向數(shù)據(jù)協(xié)同的數(shù)字化技術(shù)資源建設(shè)理論方法的研究，不僅可從技術(shù)數(shù)據(jù)“建設(shè)、存儲(chǔ)、管理”一體化的角度為現(xiàn)有工程技術(shù)資源的數(shù)字化建設(shè)升級(jí)形成可借鑒的思想理念和方法，而且可以為工業(yè)強(qiáng)基戰(zhàn)略在我國(guó)企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)過程中得以更加深入有效的落實(shí)從基礎(chǔ)性工程技術(shù)資源層面提供有效的保障措施[6]。

1 工程數(shù)據(jù)表的數(shù)字化資源建設(shè)現(xiàn)狀及問題

目前，工程數(shù)據(jù)表作為一類基礎(chǔ)性的技術(shù)資源主要是通過對(duì)傳統(tǒng)紙質(zhì)版國(guó)標(biāo)、手冊(cè)中數(shù)據(jù)表的圖像采集來實(shí)現(xiàn)資源的數(shù)字化建設(shè)。相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)表被轉(zhuǎn)化為圖像記錄在pdf文檔。這樣的數(shù)字化資源建設(shè)方式雖然可以為技術(shù)資源的共享提供良好支持，但由于其僅僅是標(biāo)準(zhǔn)或手冊(cè)中數(shù)據(jù)表的簡(jiǎn)單復(fù)制，所封裝技術(shù)數(shù)據(jù)的內(nèi)容和質(zhì)量與原表一樣。針對(duì)數(shù)據(jù)的高效檢索、調(diào)用存在解析檢索困難、無法直接調(diào)用等不足。究其原因，就在于國(guó)標(biāo)、手冊(cè)中的工程數(shù)據(jù)表在自身表結(jié)構(gòu)和內(nèi)容上存在如表1所示的內(nèi)容和存儲(chǔ)、管理層面的一系列問題。

表1中所分析的管理和存儲(chǔ)調(diào)用層次的問題在實(shí)際中表現(xiàn)十分明顯，文中不再分析。而內(nèi)容層面的問題相對(duì)復(fù)雜，具體可通過圖1~4節(jié)選自國(guó)標(biāo)或手冊(cè)pdf文件的數(shù)據(jù)表得到說明。從圖1所示的表可看出不同工藝的粗糙度數(shù)據(jù)置于一起的數(shù)據(jù)堆疊問題以及“橫縱雙表頭、嵌套表頭、字段重復(fù)、數(shù)據(jù)表頭(粗糙度Ra)、表數(shù)據(jù)取值為索引與真值不同(*,×)、數(shù)據(jù)缺失(表內(nèi)空白格)”等內(nèi)容和格式方面的問題。從圖2所示的表中可以看到“1.5~2”這樣的數(shù)據(jù)取值模糊和類似R1這樣的含義抽象等問題。從圖3所示表中則可看到不同類型的材料物理性質(zhì)數(shù)據(jù)面向應(yīng)用的配伍關(guān)系不明確或搭配不清楚的問題。從圖4所示的表中則可以看到數(shù)據(jù)按行匹配關(guān)系存在一對(duì)多和多對(duì)多的匹配關(guān)系不明確問題。

圖1 不同鑄造工藝的零件表面粗糙度表

圖2 管材彎曲方法的技術(shù)數(shù)據(jù)表

圖3 模具材料工程數(shù)據(jù)庫的技術(shù)數(shù)據(jù)表

圖4 碳素工具鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能表節(jié)選（GBT1298-1986）

表1 基于文檔所封裝的傳統(tǒng)技術(shù)數(shù)據(jù)表作為數(shù)字化技術(shù)資源所存在的問題

實(shí)際中，上述問題往往因表不同而差異化的同時(shí)存在。因此很難編制程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)這些問題的一致解決，從而導(dǎo)致目前基于電子文檔所建立的工程數(shù)據(jù)表資源中所封裝的技術(shù)數(shù)據(jù)難于通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行一致有效的檢索和重用[7]。究其原因，根本在于未能面向資源所封裝數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求從資源的建設(shè)、記錄和管理一體化集成的角度綜合考慮資源的建設(shè)問題。這顯然需要打破現(xiàn)有觀念、方法束縛，針對(duì)國(guó)標(biāo)手冊(cè)中的技術(shù)數(shù)據(jù)表研究新的數(shù)字化資源建設(shè)理論和方法來加以解決。

2 面向數(shù)據(jù)協(xié)同的工程數(shù)據(jù)表數(shù)字化資源建設(shè)理論

要保證國(guó)標(biāo)手冊(cè)中傳統(tǒng)工程數(shù)據(jù)表的數(shù)據(jù)可依托計(jì)算機(jī)高效、準(zhǔn)確重用，對(duì)于其數(shù)字化資源的建設(shè)顯然應(yīng)基于系統(tǒng)思想以及信息理論從資源相關(guān)數(shù)據(jù)的數(shù)字化“建、存、管”一體化角度綜合考慮加以開展。工程數(shù)據(jù)表的數(shù)字化資源建設(shè)不僅要在數(shù)據(jù)的“共建、共享、有序、關(guān)聯(lián)、演進(jìn)”等角度符合信息論的基本規(guī)律，而且還要在資源數(shù)據(jù)的內(nèi)容、結(jié)構(gòu)、內(nèi)外關(guān)系等方面符合“整體性、有序性、層次性、開放性”的系統(tǒng)論思想。據(jù)此，本文提出工程數(shù)據(jù)表數(shù)字化資源建設(shè)的數(shù)據(jù)協(xié)同目標(biāo)。該目標(biāo)有兩層含義：其一是表內(nèi)數(shù)據(jù)內(nèi)容明確關(guān)系穩(wěn)定可按需一致關(guān)聯(lián)檢索、調(diào)用；其二是表間數(shù)據(jù)可按需實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)一致關(guān)聯(lián)、重組與整合。

在以數(shù)據(jù)協(xié)同為目標(biāo)從數(shù)據(jù)“建、存、管”一體化角度綜合考慮措施建設(shè)數(shù)字化資源的思想下，為避免工程數(shù)據(jù)表數(shù)字化資源建設(shè)過程中上述問題的重復(fù)發(fā)生，其數(shù)字化資源建設(shè)應(yīng)秉承“模塊化、規(guī)范化、場(chǎng)景化”3條基本原則。此3條原則各自的含義及其對(duì)于解決表1中問題的作用如表2所示。由表可知，模塊化主要針對(duì)工程數(shù)據(jù)表的數(shù)據(jù)構(gòu)成和關(guān)系而形成。此原則可保證所建設(shè)的數(shù)字化表資源中的數(shù)據(jù)項(xiàng)構(gòu)成明確且相互關(guān)系穩(wěn)定一致。這就可為從數(shù)據(jù)層面實(shí)現(xiàn)資源的規(guī)范化建設(shè)和管理提供良好前提和保證。顯然，模塊化原則是以數(shù)據(jù)協(xié)同為目標(biāo)開展工程數(shù)據(jù)表數(shù)字化資源建設(shè)所應(yīng)遵循的首要原則。

表2 工程數(shù)據(jù)表數(shù)字化資源建設(shè)的基本原則

規(guī)范化則是針對(duì)數(shù)字化工程數(shù)據(jù)表資源的數(shù)據(jù)形式、內(nèi)容以及數(shù)據(jù)在取值上的匹配關(guān)系而提出的。規(guī)范化通過表中各項(xiàng)數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)符號(hào)的唯一性以及各項(xiàng)數(shù)據(jù)在取值上的確定性、全面性和格式上的通用性加以體現(xiàn)。基于該原則可以保證所建設(shè)數(shù)字化表資源中的數(shù)據(jù)能通過程序?qū)崿F(xiàn)一致、高效的檢索和調(diào)用。

場(chǎng)景化是針對(duì)工程數(shù)據(jù)表的知識(shí)管理問題所形成的數(shù)字化資源建設(shè)原則。它要求按表及其數(shù)據(jù)的外部應(yīng)用特征進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)數(shù)字化表資源的應(yīng)用屬性與其數(shù)據(jù)之間匹配關(guān)系的明確化。

綜合上述面向數(shù)據(jù)協(xié)同的工程數(shù)據(jù)表數(shù)字化資源建設(shè)思想和原則，對(duì)于國(guó)標(biāo)和手冊(cè)中工程數(shù)據(jù)表的數(shù)字化資源建設(shè)可分兩步驟開展：步驟1，基于原則1、2將傳統(tǒng)工程數(shù)據(jù)表改造為支持?jǐn)?shù)據(jù)協(xié)同的模塊化規(guī)范化的數(shù)字化工程數(shù)據(jù)表資源；步驟2，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化工程數(shù)據(jù)表資源應(yīng)用知識(shí)的描述，針對(duì)改造好的工程數(shù)據(jù)表基于原則3進(jìn)行應(yīng)用知識(shí)的描述。顯然，實(shí)際中此兩步驟需要通過對(duì)工程數(shù)據(jù)表的模塊化、規(guī)范化重建方法和應(yīng)用知識(shí)描述方法的研究加以落實(shí)。

3 面向數(shù)據(jù)協(xié)同的工程數(shù)據(jù)表數(shù)字化資源建設(shè)方法

依據(jù)上述針對(duì)工程數(shù)據(jù)表所分析的數(shù)字化資源建設(shè)思想、原則和步驟，下面就針對(duì)圖1~4中存在問題的表具體說明基于本文所提出的思想、原則重構(gòu)可支持?jǐn)?shù)據(jù)協(xié)同的具有模塊化、規(guī)范化特征的數(shù)字化工程數(shù)據(jù)表的方法。

圖1中表主要存在堆疊粗糙度數(shù)據(jù)問題，粗糙度數(shù)據(jù)作為表頭、表數(shù)據(jù)按行不匹配和表數(shù)據(jù)值與真值不一致的問題。首先基于模塊化思想解決數(shù)據(jù)堆疊問題。將原表其分為4張表，原圖中沙型類下的“×”數(shù)據(jù)和“*”數(shù)據(jù)各一張表，金屬型類下的“×”數(shù)據(jù)和“*”數(shù)據(jù)各一張表。此拆分同時(shí)減少了原表嵌套表頭問題的復(fù)雜性。拆分后關(guān)于“×”數(shù)據(jù)和“*”數(shù)據(jù)的兩表在數(shù)據(jù)內(nèi)容和構(gòu)成上各具一致性。此處僅以圖1中砂型類下的“×”數(shù)據(jù)通過表3所示的規(guī)范表來說明解決該表嵌套表頭、數(shù)據(jù)表頭問題的解決結(jié)果和方法。

表3 砂型類采用特殊工藝措施的零件表面粗糙度

針對(duì)圖2的表中所存在的數(shù)據(jù)取值范圍模糊問題，可通過數(shù)據(jù)按取值范圍拆分為上、下界數(shù)據(jù)項(xiàng)的方法而實(shí)現(xiàn)問題的解決，拆分結(jié)果如表4所示。

表4 反變形槽的尺寸

針對(duì)圖3存在的數(shù)據(jù)配伍關(guān)系不明確、搭配不清楚問題，可基于模塊化、規(guī)范化原則將原表拆分構(gòu)建成關(guān)于表面性能的硬度數(shù)據(jù)表和關(guān)于機(jī)械性能的強(qiáng)度數(shù)據(jù)表分別如表5~6所示。

表5 球墨鑄鐵的硬度

表6 球墨鑄鐵的機(jī)械性能

針對(duì)于圖4的表中存在的數(shù)據(jù)疊加、嵌套表頭、數(shù)據(jù)取值模糊、數(shù)據(jù)多對(duì)一配伍關(guān)系的表數(shù)據(jù)問題，在基于模塊化原則按數(shù)據(jù)自身及應(yīng)用特點(diǎn)將疊加表格分別化學(xué)成分和熱處理硬度兩張表的基礎(chǔ)上，可基于規(guī)范化原則，采用上述類似的方法解決嵌套表頭和數(shù)據(jù)按范圍取值的問題。對(duì)于數(shù)據(jù)一對(duì)多的問題可以通過按對(duì)應(yīng)關(guān)系拆分不變的數(shù)據(jù)加以解決。最終拆分構(gòu)建結(jié)果如表7~8所示。

表7 碳素工具鋼的化學(xué)成分

表8 碳素工具鋼的退火硬度

綜合上述的方法可知，本文對(duì)于目前國(guó)標(biāo)和手冊(cè)數(shù)字化文檔中工程數(shù)據(jù)表的數(shù)字化資源建設(shè)從根本遵循著提升技術(shù)數(shù)據(jù)的信息確定性原則。實(shí)際中，通過對(duì)上述表3~8中所示方法的組合，可以構(gòu)建出符合數(shù)據(jù)協(xié)同目標(biāo)的模塊化規(guī)范化數(shù)據(jù)表，消除表數(shù)據(jù)在結(jié)構(gòu)關(guān)系和內(nèi)容上的不確定性，使所建立的表數(shù)據(jù)具有如下符合軟件操作處理的屬性：（1）針對(duì)不同表，同一數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)名稱和內(nèi)容上具有一致性；（2）表內(nèi)數(shù)據(jù)是一一對(duì)應(yīng)的；（3）表數(shù)據(jù)可基于通用軟件和工具一致記錄存儲(chǔ)。實(shí)際中，在基于上述理論方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工程數(shù)據(jù)表數(shù)字化資源的規(guī)范化建設(shè)，為從知識(shí)管理層面進(jìn)一步解決數(shù)字化資源的管理問題奠定基礎(chǔ)。

4 工程數(shù)據(jù)表數(shù)字化資源的應(yīng)用知識(shí)描述

實(shí)際中，工程數(shù)據(jù)表的應(yīng)用知識(shí)在本質(zhì)上就是表及其數(shù)據(jù)與實(shí)際問題及其屬性之間的關(guān)聯(lián)匹配關(guān)系。在基于上述方法實(shí)現(xiàn)工程數(shù)據(jù)表數(shù)字化資源模塊化規(guī)范化建設(shè)的基礎(chǔ)上，表自身穩(wěn)定明確的數(shù)據(jù)內(nèi)容和明確的數(shù)據(jù)匹配關(guān)系為表及其數(shù)據(jù)應(yīng)用知識(shí)的描述奠定了良好的基礎(chǔ)?？梢詫⒈砑捌渌母黜?xiàng)數(shù)據(jù)項(xiàng)分別看作獨(dú)立的對(duì)象，進(jìn)而可針對(duì)在不同應(yīng)用場(chǎng)景下求解工程問題所利用的表，從問題與表及其數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系入手基于本體理論通過定義如下包含五元組的應(yīng)用知識(shí)本體來實(shí)現(xiàn)對(duì)工程數(shù)據(jù)表應(yīng)用知識(shí)的描述。

上述應(yīng)用知識(shí)本體定義中：T為工程數(shù)據(jù)數(shù)字化表資源對(duì)象的集合，它通過“表名、表文件、表文件類型”等屬性可一致性的記錄工程數(shù)據(jù)表的信息；Q為利用表數(shù)據(jù)解決的問題的集合，它基于“問題名稱、類型、技術(shù)領(lǐng)域、技術(shù)要求”等屬性而一直記錄問題信息；D為求解問題所用到的表數(shù)據(jù)對(duì)象集合，它通過數(shù)據(jù)項(xiàng)名稱和標(biāo)識(shí)符號(hào)一致記錄求解問題所用到的數(shù)據(jù)對(duì)象信息；R為求解問題的表之間關(guān)系的集合，分為“組合、先序、后序、匹配”等類型；A為求解問題的數(shù)據(jù)與表之間關(guān)系的集合，分為“從屬、包含”兩種基本關(guān)系。雖然實(shí)際中，針對(duì)國(guó)標(biāo)手冊(cè)中的工程數(shù)據(jù)表的應(yīng)用十分廣泛復(fù)雜，但本體的動(dòng)態(tài)可擴(kuò)展性可以保證基于本文所定義的應(yīng)用知識(shí)本體通過對(duì)其屬性的動(dòng)態(tài)擴(kuò)充而能夠適應(yīng)各種工程數(shù)據(jù)表應(yīng)用知識(shí)的描述需求[8]。

依據(jù)上述所定義的工程數(shù)據(jù)表應(yīng)用知識(shí)本體，實(shí)際中，可以針對(duì)工程數(shù)據(jù)表的實(shí)際應(yīng)用情況，通過構(gòu)造應(yīng)用知識(shí)本體實(shí)例而實(shí)現(xiàn)對(duì)所建設(shè)的工程數(shù)據(jù)表數(shù)字化資源自身及其數(shù)據(jù)與實(shí)際應(yīng)用情況之間匹配、關(guān)聯(lián)關(guān)系的全面、一致性描述和記錄。進(jìn)而可基于OWL語言構(gòu)建對(duì)應(yīng)的工程數(shù)據(jù)表應(yīng)用知識(shí)庫實(shí)現(xiàn)對(duì)其應(yīng)用場(chǎng)景信息的動(dòng)態(tài)記錄和管理。這就可從資源建設(shè)、存儲(chǔ)、管理一體化的角度實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)協(xié)同的數(shù)字化資源建設(shè)目標(biāo)。

5 結(jié)束語

面對(duì)傳統(tǒng)工程數(shù)據(jù)表這類技術(shù)數(shù)據(jù)資源依托電子文檔開展數(shù)字化資源建設(shè)的現(xiàn)狀及其在應(yīng)用中所存在的不足，本文首先分析了基于數(shù)字化文檔所建設(shè)的傳統(tǒng)數(shù)字化技術(shù)資源，面向?qū)嶋H應(yīng)用需求在“內(nèi)容、存儲(chǔ)、管理”三個(gè)層面中所存在的問題。提出了以數(shù)據(jù)協(xié)同為目標(biāo)從數(shù)據(jù)“建、存、管”一體化角度綜合開展工程數(shù)據(jù)表數(shù)字化資源建設(shè)的思想及其實(shí)現(xiàn)的理論原則、步驟和方法[9]。從數(shù)字化資源建設(shè)層面給出了解決目前基于電子檔所建立的工程數(shù)據(jù)表數(shù)字化資源中所存在主要問題。本文研究的方法可以為技術(shù)資源的數(shù)字化建設(shè)提供可供推廣借鑒的思路。基于本文的研究工作，后續(xù)可以針對(duì)數(shù)字化技術(shù)資源的儲(chǔ)存和知識(shí)管理問題開展進(jìn)一步深入的研究。