標準可視化方法及實踐綜述

尹玉梅 谷瀚天 郭晉媛 朱欣

（1 北京空間科技信息研究所，北京，100094；2 中國空間技術(shù)研究院，北京，100094）

引言

標準是經(jīng)濟活動和社會發(fā)展的技術(shù)支撐，是國家治理體系和治理能力現(xiàn)代化的基礎(chǔ)性制度。習(xí)近平總書記在致第39 屆國際標準化組織（ISO）大會賀信中指出：“伴隨著經(jīng)濟全球化深入發(fā)展，標準化在便利經(jīng)貿(mào)往來、支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展、促進科技進步、規(guī)范社會治理中的作用日益凸顯”[1]。標準可視化是以一種形象、直觀的方式將標準文本內(nèi)容進行展示或操作演示的過程，可包括圖形、動畫、聲音、圖像等多種因素。標準可視化的重要作用是便于對標準內(nèi)容的理解和應(yīng)用。本文基于可視化含義及其發(fā)展，結(jié)合標準特點，提出標準可視化目的。同時闡述了標準可視化常見方法，以及國內(nèi)外標準可視化實踐；最后對標準可視化方法應(yīng)用提出建議，為后續(xù)開展標準可視化工作提供參考。

1 標準可視化含義

傳統(tǒng)意義上的可視化是指將非具象化的事物，通過一定的方式形象化，通過人的視覺感知形式呈現(xiàn)[2]。伴隨時間和技術(shù)的發(fā)展，可視化先后由科學(xué)計算可視化、數(shù)據(jù)可視化、信息可視化等，發(fā)展到了到知識可視化的階段。

1.1 科學(xué)計算可視化

科學(xué)計算可視化主要研究如何將數(shù)值及圖像等科學(xué)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)變成可視的圖形和圖像，即把科學(xué)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成直觀信息?？茖W(xué)計算可視化作為一門學(xué)科主要涉及計算機圖形學(xué)、圖像處理、計算機視覺、計算機輔助設(shè)計、人機接口技術(shù)和信號處理等知識領(lǐng)域[2]。

1.2 數(shù)據(jù)可視化

數(shù)據(jù)可視化以統(tǒng)計工具為基礎(chǔ)，通過柱狀圖、餅圖、散點圖或直方圖等呈現(xiàn)方式，為研究者提供快捷、方便、高效的數(shù)據(jù)形象表達，并輔助開展演示文檔、工作報表數(shù)據(jù)分析的新興科學(xué)技術(shù)，具有直觀展示、形象表達等優(yōu)點[3]。

1.3 信息可視化

信息可視化通過圖像、圖形、地圖、動畫等生動的手法，用一種人們更易于理解的方式把復(fù)雜數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出來，幫助人們探索數(shù)據(jù)背后的規(guī)律和模式。隨著數(shù)據(jù)可視化技術(shù)的提升，人類還可以利用圖像進一步在邏輯思維的基礎(chǔ)上提升創(chuàng)造力和空間想象能力，更好地洞察數(shù)據(jù)間隱藏的關(guān)系和規(guī)律[4]。因此，信息可視化是一個跨學(xué)科的新興領(lǐng)域。通過信息可視化的實施，可以將大規(guī)模非數(shù)值型信息資源的以視覺方式呈現(xiàn)。例如軟件工程領(lǐng)域，已出現(xiàn)多種成熟的信息可視化方法和工具，將軟件開發(fā)涉及的文件或程序代碼利用圖形圖像技術(shù)與方法呈現(xiàn)，從而輔助軟件開發(fā)與測試人員理解和分析相關(guān)數(shù)據(jù)。

1.4 知識可視化

知識可視化的實施以統(tǒng)計工具為基礎(chǔ)，依托現(xiàn)代計算機技術(shù)，達到簡化知識單元結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)將知識結(jié)構(gòu)關(guān)系可視化的一種方法和技術(shù)[5]。知識可視化主要聚焦在知識的產(chǎn)生和傳遞過程中，強調(diào)通過構(gòu)建和傳遞復(fù)雜見解時，通過圖解方法，將抽象的表達具象化。知識可視化的概念首先由MartinJ.Eppler 和RemoA.Burkhard 提出，并在教育行業(yè)得到了率先認可和推廣應(yīng)用。目前知識可視化已經(jīng)在科學(xué)計量、社會網(wǎng)絡(luò)分析、網(wǎng)絡(luò)計量、專利地圖、文獻分析與共被引關(guān)系分析、語義分析、主成分分析等各個科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。

1.5 標準可視化

通過上述可視化定義以及科學(xué)計算可視化、數(shù)據(jù)可視化、信息可視化、知識可視化等含義分析，結(jié)合標準行業(yè)特點，本文中給出標準可視化定義：在可視化技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，將標準文獻中以文字形式承載的數(shù)據(jù)、信息、知識，通過一定技術(shù)手段轉(zhuǎn)換為聲音、圖像、圖形等直觀表達形式，從而以提升人們認知水平的過程。

2 標準可視化目的

按照GB/T 1.1—2020 中給出的定義，傳統(tǒng)標準主要以文件的形式存在。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，標準的應(yīng)用場景也發(fā)生了變化，將標準可視化的目的主要基于以下幾點。

a）服務(wù)標準宣傳、宣貫和學(xué)習(xí)，進而促進標準貫徹實施。標準宣貫是標準化工作的重要組成部分。標準可視化作為標準宣貫培訓(xùn)的創(chuàng)新手段，將標準文本數(shù)據(jù)以更加立體、生動的方式呈現(xiàn)出來，將靜態(tài)的文字以動態(tài)的過程演繹出來。通過將傳統(tǒng)宣貫教材以立體化的方式呈現(xiàn)，對標準中的每一個條款都用動作或動畫配合專家講解來直觀、形象的體現(xiàn)，從而對標準宣貫對象形成聲光影等全方位刺激，使使用人員看后對標準條款一目了然，從而實現(xiàn)標準“教學(xué)做”一體化推進，提高標準貫徹實施效率。

b）進行標準特征規(guī)律研究。將標準數(shù)據(jù)進行分析，并以直觀的形式進行展現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)和總結(jié)內(nèi)在特征規(guī)律或標準間關(guān)聯(lián)信息。

c）將標準內(nèi)容仿真應(yīng)用，提高工作效率。通過仿真的手段，將標準文本從“無形”變?yōu)椤坝行巍保佻F(xiàn)、復(fù)現(xiàn)標準應(yīng)用場景和要求，并對標準內(nèi)容進行演示操作，進一步提高工作效率。

3 標準可視化常見方法

標準可視化相關(guān)工作主要包括以下幾類。

a）基于一份標準內(nèi)容制作標準視頻，將標準技術(shù)內(nèi)容全過程體現(xiàn)。例如，遼寧省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局以“農(nóng)業(yè)標準化視頻”專欄形式在其官方網(wǎng)站提供農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程相關(guān)視頻，加快農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)廣泛傳播以及相關(guān)標準內(nèi)容的宣貫普及[6]。

b）針對多份標準，將標準文本熱詞、起草人、起草單位以及規(guī)范性引用文件的關(guān)系進行圖形展示?！稑藴蚀髷?shù)據(jù)實踐——可視化展現(xiàn)》[7]中給出了大數(shù)據(jù)可視化的內(nèi)涵，并結(jié)合大數(shù)據(jù)相關(guān)標準的技術(shù)內(nèi)容，選擇了網(wǎng)絡(luò)圖可視化、文本可視化以及時空可視化作為標準大數(shù)據(jù)可視化分析的研究重點，并選擇熱詞分析、起草人和起草單位網(wǎng)絡(luò)關(guān)系以及起草單位分布圖作為試點，實踐了標準大數(shù)據(jù)的可視化。《基于知識圖譜的標準文獻分析》[8]進一步對標準中“前言”（包括標準起草人、起到單位的信息）和“規(guī)范性引用文件”（包括標準中引用的各類標準）進行特征分析，從中提取相應(yīng)實體及實體間的語義關(guān)系，旨在構(gòu)建標準文獻的知識圖譜?；谠搱D譜可清晰地解析標準之間的深層關(guān)系，獲得一些人工很難得出的語義信息，有助于標準文獻知識的充分利用?！秶沂称钒踩珮藴蕡D譜的構(gòu)建及關(guān)聯(lián)性分析》[9]針對食品安全類標準的內(nèi)容與各個標準彼此之間的引用關(guān)系，借助知識圖譜技術(shù)進行內(nèi)容抽取與相關(guān)性分析，實現(xiàn)食品安全標準的圖譜化，系統(tǒng)地研究食品安全標準的內(nèi)容與結(jié)構(gòu)。

c）將實體、標準化要素、標準三者進行結(jié)合，建立一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系，形成相應(yīng)的標準知識圖譜?！堆b備—標準知識圖譜的過程建模研究》[10]中通過模型仿真方法，將裝備、標準化要素和標準三者相關(guān)聯(lián)，梳理了裝備、裝備組件/模塊、標準文檔、標準章條以及標準化要素之間的復(fù)雜關(guān)系?；趯嶓w之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，建立了裝備—標準知識圖譜，實現(xiàn)了從任一實體出發(fā)能夠快速檢索和定位與此實體相關(guān)聯(lián)的各類標準要素，解決了標準知識圖譜的標準要素結(jié)構(gòu)化關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)性問題。

d）依托仿真技術(shù)手段，開展標準可視化典型應(yīng)用。美國NASA 將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用在哈勃望遠鏡項目，建立了哈勃望遠鏡虛擬維修與裝配系統(tǒng)，將維修操作相關(guān)的標準內(nèi)容直接嵌入系統(tǒng)框架，以虛擬維修操作場景實現(xiàn)標準內(nèi)容可視化。該系統(tǒng)成功解決了哈勃望遠鏡在軌維修的數(shù)字孿生與可實施性仿真問題，并成為維修性相關(guān)標準與指南可實施性的重要驗證方法之一。該系統(tǒng)可以模擬哈勃望遠鏡在太空中的運行情況，并輔助航天員利用該系統(tǒng)掌握在太空中開展的哈勃望遠鏡維操作任務(wù)，熟悉維修工作環(huán)境，從而在地面構(gòu)建的虛擬環(huán)境下完成相關(guān)訓(xùn)練任務(wù)。

4 標準可視化實踐

4.1 宣傳片或授課視頻

以科普宣傳為目的的標準，多以宣傳片或授課視頻形式展現(xiàn)。例如NASA 火星宇航員選拔標準以一種宣傳片的方式，將標準的要求和內(nèi)容展現(xiàn)出來，并配合宇航員在國際空間站中生活工作的場景，以一種科普的視角將火星宇航員選拔要求提出來，畫面輕松自然。

SAE J2360 《車橋潤滑油規(guī)格》的標準宣貫視頻，主要是授課的形式，當授課老師提到關(guān)鍵要求或環(huán)節(jié)時，標準正文頁面截屏?xí)霈F(xiàn)在畫面中，同時對于重點內(nèi)容，也會利用字幕將內(nèi)容顯示出來。

伴隨著我國標準化深化改革不斷發(fā)展，國家標準進一步面向社會公開。從2020 年7 月1 日起，在報批國家標準時，相關(guān)歸口單位需要同步提供標準解讀提綱，并在通過相關(guān)部門審核后，完成宣貫視頻錄制（多為標準內(nèi)容授課解讀形式）并上傳宣貫平臺（“標準云課”平臺）[11]，已作為一種常態(tài)的標準宣貫方式進行逐步推廣。

4.2 演示視頻

以制作標準演示視頻為手段，開展標準可視化。中國空間技術(shù)研究院針對航天器制造典型工藝，率先開展了以視頻為主要載體形式的標準宣貫方式探索。以航天電子產(chǎn)品生產(chǎn)中的易錯關(guān)鍵工藝——電子裝聯(lián)操作——為對象，根據(jù)電子裝聯(lián)全過程，對導(dǎo)線下線及端頭處理、電連接器壓接、電子元器件搪錫等過程進行梳理，將涉及核心操作的電裝標準及操作制作成視頻培訓(xùn)教材。在車間內(nèi)進行循環(huán)播放，以更為直觀的方式對操作人員進行日常宣貫培訓(xùn)，有效提高了操作人員的操作水平，取得了較好的效果。隨著近年來軍用標準化工作的創(chuàng)新和改革，在軍用標準領(lǐng)域也試點遴選典型標準開展可視化視頻制作，促進標準的貫徹實施。

4.3 標準嵌入系統(tǒng)流程

將標準內(nèi)容嵌入系統(tǒng)流程，達到標準宣貫全員普及。波音公司作為全球航空航天領(lǐng)域規(guī)模最大的制造企業(yè)，不僅將標準內(nèi)容嵌入各類航空航天型號研制流程，還將標準作為定義技術(shù)、質(zhì)量和性能最基礎(chǔ)的語言。1994 年在波音777 的研制中已全面采用數(shù)字化技術(shù)，建立了基于CATIA軟件的數(shù)字化建模標準體系，解決了產(chǎn)品數(shù)字化定義的基礎(chǔ)問題。同時，基于CATIA 軟件的應(yīng)用推出了波音繪圖標準BDS-5000[12]，對產(chǎn)品數(shù)字化定義、數(shù)字建模、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、制圖規(guī)范等方面所做出的系統(tǒng)規(guī)定。波音通過將標準內(nèi)容嵌入軟件流程，讓軟件使用者在使用過程中不必再深入學(xué)習(xí)標準的技術(shù)內(nèi)容，只要按照正常軟件的使用操作，就能滿足相關(guān)標準要求。在這種模式下，經(jīng)實踐驗證，波音777 飛機的工程更改減少90%，機身裝配精度提高了50 倍；波音787飛機項目實現(xiàn)了25 個國家、180 個供應(yīng)商的協(xié)同工作，開發(fā)成本減少了50%[13]。

4.4 載人航天器在軌維修仿真

依托仿真手段，開展載人航天器在軌維修標準可視化典型應(yīng)用。在軌維修是確保載人航天器壽命期間高可靠性的必要方式。載人航天器在軌維修包括艙外維修和艙內(nèi)維修。載人航天器在軌維修過程中，設(shè)備、人員、工具受微重力環(huán)境影響，其運動特性與在地面不同；對于艙外維修，航天員需在穿航天服的情況下，進行移動和操作，受真空環(huán)境影響，航天員的可視、可達范圍以及運動能力均受到限制和影響。根據(jù)載人航天器維修性設(shè)計和驗證工作的需求，確定在軌維修過程仿真分析以及虛擬維修評價所需的各項數(shù)據(jù)，建立基于設(shè)備的數(shù)字模型，結(jié)合進行在軌維修操作的航天員人體活動以及維修操作流程，開展在虛擬環(huán)境中的維修仿真。

將國家軍用標準、NASA 標準和產(chǎn)品可維修性評價等相關(guān)標準內(nèi)容要求以軟件參數(shù)的形式嵌入到仿真平臺中，形成適用于在軌維修仿真驗證的總體框架（如圖1 所示）。例如，“天宮一號”在軌飛行期間進行了內(nèi)裝飾板的更換操作，在實際操作前，地面通過虛擬維修系統(tǒng)進行了仿真分析，不僅將維修性設(shè)計驗證提前至產(chǎn)品設(shè)計初期，而且對載人航天器維修操作的可視性、可達性均進行了驗證，縮短了研制周期，節(jié)約了設(shè)計成本[14]。

圖1 虛擬維修環(huán)境的總體框架示意圖

5 結(jié)論和建議

在標準宣貫培訓(xùn)時，要充分利用標準宣貫視頻等多媒體手段。將標準以視頻形式呈現(xiàn)，主要是基于單個標準本身技術(shù)內(nèi)容，并以直觀的圖形、圖像（甚至配以字幕或聲音）的形式展現(xiàn)給標準使用受眾群體，從而起到對標準內(nèi)容的宣貫培訓(xùn)作用，進而促進標準實施應(yīng)用。但根據(jù)不同的標準類型和標準特點，需要對宣貫視頻的呈現(xiàn)形式進一步研究。例如，以操作或制作工藝為主的標準，以制作“實操視頻”“模擬演練”更容易被人們學(xué)習(xí)和接受。

基于對多個標準間或標準要素與實物間關(guān)系的研究時，可采用基于大數(shù)據(jù)標準可視化和知識圖譜的標準可視化。在通過標準可視化的方式發(fā)現(xiàn)其中存在的“規(guī)律”或“特征關(guān)系”，對于后續(xù)標準制定和使用有一定的啟發(fā)。

對于不易實現(xiàn)的標準場景或需要較大投入式，可利用仿真技術(shù)，將標準內(nèi)容融入／嵌入仿真系統(tǒng)／軟件，使用者應(yīng)用仿真系統(tǒng)／軟件時，“自動”執(zhí)行標準內(nèi)容。但此種標準可視化前期投入高，需要設(shè)計與標準內(nèi)容相匹配的模型和算法，但此種標準可視化方式完成后，效果是最好的，使用者只需要根據(jù)需求進行系統(tǒng)操作，就能完成標準規(guī)定內(nèi)容，同時“看到”執(zhí)行標準后的效果。