方 強 吳 軍 張 平 侯國祥

1 中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢 430064 2 華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，湖北武漢 430074

1 引 言

現(xiàn)代水面艦船設(shè)計開發(fā)模式日益趨向網(wǎng)絡(luò)化、協(xié)同化、并行化、敏捷化和個性化，分散的設(shè)計地點、迅捷的反應(yīng)時間和高效的交互協(xié)同是其主要特征［1］。另外，隨著新型水面艦船結(jié)構(gòu)和功能的日趨復(fù)雜，現(xiàn)代艦船設(shè)計需要涉及到多領(lǐng)域、多學(xué)科的知識集成，增加了設(shè)計過程的復(fù)雜性、綜合性與系統(tǒng)性。在此背景下，如何控制與保證水面艦船的設(shè)計質(zhì)量便成為一個迫切需要解決的關(guān)鍵問題。 Carnevalli［2］探討了質(zhì)量功能展開方法，將用戶需求轉(zhuǎn)換成為產(chǎn)品特征、零部件特征、工藝特征、質(zhì)量與生產(chǎn)計劃等技術(shù)要求，使所設(shè)計和制造的產(chǎn)品能真正滿足顧客需求。該方法已被三菱重工神戶造船廠成功地應(yīng)用于船舶設(shè)計與制造中。Bordoloi［3］提出了面向質(zhì)量的設(shè)計理論與方法，將用戶需要的質(zhì)量主動通過設(shè)計過程合成到產(chǎn)品中去，在實現(xiàn)高質(zhì)量產(chǎn)品的同時還能達到低成本的目標(biāo)。何益海和唐曉青［4-5］則主要研究了基于關(guān)鍵質(zhì)量特性的產(chǎn)品保質(zhì)設(shè)計方法。

不同于前人的研究，本文將探討一種新的水面艦船設(shè)計質(zhì)量頂層控制技術(shù)，即水面艦船質(zhì)量特性綜合設(shè)計。該技術(shù)的本質(zhì)是系統(tǒng)化、模塊化的設(shè)計過程，模塊間通過前饋作用，模塊內(nèi)部通過反饋作用形成一個反復(fù)迭代過程，使每一步的輸出都滿足規(guī)定的質(zhì)量特性要求。通過對水面艦船設(shè)計過程中質(zhì)量特性的采集、表達、傳輸、交互、集成及存儲進行綜合管理，保證設(shè)計質(zhì)量信息的完整性、一致性、可追溯性和安全性。基于此，本文將首先分析水面艦船質(zhì)量特性信息的形成過程及其特性，并通過建立質(zhì)量特性信息集成模型對水面艦船研制過程中的各類質(zhì)量特性進行完整、有效、準(zhǔn)確的收集與組織；接著采用可擴展標(biāo)記語言（Extensible Markup Language，XML）對質(zhì)量特性信息集成模型進行封裝，以便于質(zhì)量特性信息的傳遞與交互；最后，提出了水面艦船質(zhì)量特性綜合設(shè)計過程中質(zhì)量特性信息集成模型的一種應(yīng)用模式。

2 水面艦船質(zhì)量特性綜合設(shè)計信息集成模型

2.1 質(zhì)量特性

質(zhì)量是“一組固有特性滿足需求的程度”。現(xiàn)代武器裝備質(zhì)量，其本質(zhì)上是全系統(tǒng)、全特性、全過程的質(zhì)量。水面艦船的質(zhì)量特性包括通用特性和專用特性兩大類：作為水面艦船通用質(zhì)量特性的可靠性、維修性、保障性、安全性、測試性、兼容性、隱蔽性和生命力反映了各類水面艦船普遍具有的特征；而作為水面艦船專用質(zhì)量特性的性能，反映的則是不同水面艦船的個性特征，包括靜力特性、動力特性、作戰(zhàn)能力特性和作戰(zhàn)保障能力特性等。

圖1所示為水面艦船質(zhì)量特性信息的形成過程。根據(jù)水面艦船的設(shè)計過程，將質(zhì)量特性綜合設(shè)計過程劃分為概念設(shè)計、方案設(shè)計、技術(shù)設(shè)計和施工設(shè)計4個階段。在每個階段，為實現(xiàn)相應(yīng)的質(zhì)量要求，需要開展質(zhì)量目標(biāo)制定、綜合設(shè)計和評價決策3個質(zhì)量活動，以便確定水面艦船的結(jié)構(gòu)參數(shù)、容差及其工藝參數(shù)等，形成包括材料、外購件和工藝的技術(shù)規(guī)范、樣機試驗與試制規(guī)范，設(shè)計評審改進和完善方案等。由此可見，質(zhì)量特性形成依附于設(shè)計方案，是具體的質(zhì)量過程控制要求，包括了從功能實現(xiàn)到質(zhì)量控制的復(fù)雜演化映射過程。因此，水面艦船質(zhì)量特性具有如下特點：

1）結(jié)構(gòu)性。質(zhì)量特性必須沿著艦艇（系統(tǒng)）、設(shè)備、組件、部件、零件（結(jié)構(gòu)要素）等結(jié)構(gòu)層往下展開，列出各結(jié)構(gòu)層及其結(jié)合部位的特征、功能、尺寸、材質(zhì)及其它有關(guān)參數(shù)。

2）測量性。質(zhì)量特性必須是可以用數(shù)量來表示的，可以檢查、測量和考核的，以便對質(zhì)量特性進行評價與控制。

3）分類性。質(zhì)量特性可以按其重要程度分為關(guān)鍵的、重要的和次要的3類質(zhì)量特性，以便從質(zhì)量工程“關(guān)鍵少數(shù)，次要多數(shù)”的角度準(zhǔn)確把握設(shè)計質(zhì)量控制的重點。

4）失效性。質(zhì)量特性與艦船失效模式緊密聯(lián)系在一起，通過質(zhì)量特性的缺陷分布描述艦船失效情況。

2.2 質(zhì)量特性信息集成模型

物料清單（Bill of Material，BOM）是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的技術(shù)性描述，被用于表示產(chǎn)品的組件、子件、零部件和原材料之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系。每個產(chǎn)品型號都有唯一的BOM，用于決定構(gòu)成該產(chǎn)品的零部件及其裝配結(jié)構(gòu)關(guān)系，表明每個上屬項由哪些下屬項構(gòu)成，以及每個組成元素的下屬項零部件數(shù)量等。在現(xiàn)代產(chǎn)品研制中，BOM貫穿產(chǎn)品設(shè)計、工藝和制造的全過程，為工藝系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計和管理的集成以及工藝與設(shè)計和制造的集成提供重要的數(shù)據(jù)依據(jù)［6-7］。借鑒BOM的概念，將水面艦船設(shè)計過程中質(zhì)量特性設(shè)計信息按照艦艇配置結(jié)構(gòu)進行組織，形成質(zhì)量物料清單 （Quality Bill of Material，QBOM），在此基礎(chǔ)上，建立艦船質(zhì)量特性信息集成模型。

QBOM是一種面向水面艦船，由艦艇配置結(jié)構(gòu)所引導(dǎo)的用來描述其生命周期內(nèi)所有設(shè)計質(zhì)量信息的全局視圖。如圖2所示，QBOM將每個節(jié)點看作一個對象，每個節(jié)點對象的屬性是對應(yīng)零部件的質(zhì)量特性信息，每個節(jié)點對象的行為是針對該零部件的設(shè)計質(zhì)量活動，如質(zhì)量目標(biāo)制定、質(zhì)量特性綜合設(shè)計和質(zhì)量特性評價決策等。有些節(jié)點對象的屬性是其對應(yīng)行為的結(jié)果，例如，是否可以制造、制造成本等就是質(zhì)量特性評價決策活動的結(jié)果。QBOM將質(zhì)量特性作為艦艇設(shè)計信息的一部分，用于實現(xiàn)艦艇全生命周期每一環(huán)節(jié)質(zhì)量信息與其它信息的無縫集成，并將艦艇研制過程中的各類質(zhì)量特性完整、有效、準(zhǔn)確地收集和組織，進而建立與QBOM相關(guān)聯(lián)的質(zhì)量特性信息集成模型，即

其中，QCi表示與艦艇設(shè)計BOM中與第i個節(jié)點相關(guān)的質(zhì)量特性；PSi表示艦艇設(shè)計BOM中第i個節(jié)點的屬性；DPi表示艦艇設(shè)計BOM中第i個節(jié)點的設(shè)計參數(shù)；QIi表示艦艇設(shè)計BOM中第i個節(jié)點的質(zhì)量目標(biāo)；RCi表示艦艇設(shè)計BOM中第i個節(jié)點質(zhì)量保證的資源配置；QPi表示艦艇設(shè)計BOM中第i個節(jié)點的質(zhì)量規(guī)范；Item表示質(zhì)量指標(biāo)項；Part表示相關(guān)的零部件；Style表示數(shù)據(jù)類型；Value表示該質(zhì)量指標(biāo)的合格值域范圍。

3 基于XML的水面艦船質(zhì)量特性信息集成方法

3.1 質(zhì)量特性信息的XML表達

QBOM及其信息集成模型僅能實現(xiàn)水面艦船設(shè)計質(zhì)量信息的規(guī)范化組織。為了將QBOM及其信息集成模型貫穿于水面艦船研制全過程，還需要對質(zhì)量特性綜合設(shè)計信息進行統(tǒng)一表達，以便設(shè)計質(zhì)量信息能夠在不同的應(yīng)用系統(tǒng) （或設(shè)計工具系統(tǒng)）之間傳輸與交互。

作為一種已被廣泛接受的通用置標(biāo)語言，XML通過創(chuàng)建的一組面向內(nèi)容的數(shù)據(jù)表示和交換標(biāo)準(zhǔn)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)表示和交換的規(guī)范性、簡潔性和易讀性［8-10］，具有良好的結(jié)構(gòu)化功能和可擴展性等。由于用XML表達信息的層次性與QBOM的樹形結(jié)構(gòu)有很多相通之處，便為將XML與QBOM結(jié)合為實現(xiàn)質(zhì)量特性信息的統(tǒng)一表達提供了一個非常合適的實施方案。因此，本文將運用XML實現(xiàn)對水面艦船質(zhì)量特性綜合設(shè)計信息的統(tǒng)一表達。

采用XML對質(zhì)量特性信息進行統(tǒng)一表達，其實質(zhì)就是運用XML對QBOM進行封裝。封裝QBOM的XML Schema文檔是個性化設(shè)計質(zhì)量信息表達的載體，不同型號的艦船對應(yīng)不同的XML Schema文檔，不同設(shè)計質(zhì)量目標(biāo)和要求都可以在XML Schema文檔中體現(xiàn)出來，并作為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)設(shè)計質(zhì)量信息的表達。經(jīng)XML Schema文檔封裝的設(shè)計質(zhì)量信息，可以在整個艦船設(shè)計過程中順暢地流通。

如圖3所示，封裝QBOM的XML Schema文檔由元素及其屬性組成，用于描述其文檔樹中零部件之間的關(guān)系。Header為標(biāo)題元素，是文件頂層標(biāo)簽，用于記錄相應(yīng)文檔的應(yīng)用程序基本信息與聲明 （如 Application、Annotation、Timestamp）以及Copyright、Description等內(nèi)容。Component_Data表示相應(yīng)的零部件結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，其后可以擴展相關(guān)的數(shù)據(jù)（如Quality_Data等）。Quality_Data表示的是與零部件相關(guān)聯(lián)的質(zhì)量數(shù)據(jù)內(nèi)容，其后可進行多項擴展以完整表達該節(jié)點質(zhì)量控制內(nèi)容，包括數(shù)據(jù)類型和取值范圍等。Dictionary表示對有關(guān)質(zhì)量項數(shù)據(jù)進行相關(guān)處理 （如質(zhì)量控制數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化、離散化等）的質(zhì)量規(guī)范和資源配置。

下面給出的是XML Schema文檔核心元素質(zhì)量元素（Quality_Data）的定義，即

3.2 質(zhì)量特性信息的集成模式

水面艦船質(zhì)量特性綜合設(shè)計信息分散于不同的信息系統(tǒng)或設(shè)計工具系統(tǒng)，如產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng) （PDM）、船舶輔助設(shè)計與制造信息系統(tǒng)（TRIBON）、企業(yè)資源計劃系統(tǒng)（ERP）、有限元分析工具（NASTRAN）和船舶設(shè)計工具（CADDS）等［11］。

圖4所示為一種水面艦船質(zhì)量特性信息集成模式，其中：

1）適配器的主要功能可分為兩部分：一是描述并注冊服務(wù)，適配器將質(zhì)量信息數(shù)據(jù)源中能夠提供的操作和功能按照標(biāo)準(zhǔn)封裝為服務(wù)，然后調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)的UDDI API將服務(wù)注冊到服務(wù)注冊中心；二是當(dāng)需要服務(wù)時自動執(zhí)行服務(wù)，并將服務(wù)執(zhí)行結(jié)果返回。

2）SOAP的主要功能分為兩部分：一是接收由請求分析器發(fā)送來的SOAP調(diào)用請求，根據(jù)請求中的信息找出某個Web服務(wù)適配器的位置，然后將請求消息傳遞給指定的適配器，由適配器激活服務(wù)，實現(xiàn)客戶調(diào)用；二是接收由適配器傳送過來的服務(wù)執(zhí)行結(jié)果，并將結(jié)果打包為SOAP消息形式的結(jié)果返回到結(jié)果整合器。

3）集成服務(wù)器的主要功能：一是存儲水面艦船質(zhì)量特性信息；二是負(fù)責(zé)服務(wù)請求的分解和請求結(jié)果的整合。

4）請求分析器負(fù)責(zé)對調(diào)用服務(wù)請求的客戶進行身份驗證并將客戶提出的共享信息請求分發(fā)給SOAP，由SOAP負(fù)責(zé)將請求發(fā)送給具體的適配器，激活信息源上的具體服務(wù)，并將服務(wù)執(zhí)行后的結(jié)果返回至集成服務(wù)器中的結(jié)果整合器。

5）結(jié)果整合器將各個信息源返回的具體信息進行整理，并將整理結(jié)果傳遞給調(diào)用信息共享服務(wù)的用戶。

運用XML和Web服務(wù)等信息技術(shù)，將質(zhì)量特性信息從各類信息源中提取出來，并運用質(zhì)量特性信息XML表達模式進行統(tǒng)一管理，從而實現(xiàn)不同的信息系統(tǒng)或設(shè)計工具系統(tǒng)之間質(zhì)量特性信息的集成，具體過程如下：

1）水面艦船設(shè)計人員需要獲得某一質(zhì)量特性信息時，可通過內(nèi)部局域網(wǎng)登錄查詢水面艦船質(zhì)量特性設(shè)計平臺。若設(shè)計人員在該平臺內(nèi)搜尋不到所需的質(zhì)量特性設(shè)計信息，可以將該信息請求發(fā)送至外部系統(tǒng)。

2）質(zhì)量特性設(shè)計平臺利用XML來組織表達質(zhì)量特性信息，并根據(jù)需求返回對應(yīng)的按照XML Schema文檔完成封裝的質(zhì)量特性信息XML文檔。該文檔經(jīng)B2B集成服務(wù)器的處理后，在網(wǎng)絡(luò)平臺的支持下通過XML-RPC或SOAP進行XML的請求與響應(yīng)。

3）設(shè)計人員在獲得所需的質(zhì)量特性設(shè)計信息后，根據(jù)發(fā)布在服務(wù)器上的XML Schema文檔對質(zhì)量特性設(shè)計信息XML文檔進行解析，即可獲得所需的質(zhì)量特性設(shè)計信息，完成質(zhì)量特性設(shè)計信息的交換。經(jīng)過XML封裝表達后的質(zhì)量特性設(shè)計信息能夠被設(shè)計人員所共同理解，方便了質(zhì)量特性設(shè)計信息的交換和集成。

由此可見，該集成模式實現(xiàn)了水面艦船質(zhì)量特性綜合設(shè)計過程中的質(zhì)量特性信息集成，使得水面艦船設(shè)計過程中質(zhì)量特性信息在不同的信息系統(tǒng)或設(shè)計工具系統(tǒng)之間無障礙流動成為可能，保證了設(shè)計質(zhì)量信息的完整性、一致性、可追溯性和安全性。該集成模式的應(yīng)用有助于提高水面艦船的設(shè)計質(zhì)量控制能力。

4 結(jié) 語

面對水面艦船設(shè)計日益趨向網(wǎng)絡(luò)化、協(xié)同化、并行化、敏捷化和個性化，控制與保證水面艦船的設(shè)計質(zhì)量已成為一個迫切需要解決的關(guān)鍵問題。為此，本文系統(tǒng)地研究了一種水面艦船質(zhì)量特性綜合設(shè)計的質(zhì)量特性信息集成方法。通過分析水面艦船質(zhì)量特性信息形成過程，提出了基于QBOM的質(zhì)量特性信息集成模型，按照艦艇配置結(jié)構(gòu)對水面艦船設(shè)計過程中的質(zhì)量特性設(shè)計信息進行了組織，并在此基礎(chǔ)上，運用XML實現(xiàn)了水面艦船質(zhì)量特性的統(tǒng)一表達，給出了一種水面艦船質(zhì)量特性信息集成模式，從而在保證信息完整性、一致性、可追溯性和安全性的前提下，使得水面艦船質(zhì)量特性綜合設(shè)計過程中的各種信息都能得到充分共享，這對于提高水面艦船的設(shè)計質(zhì)量至關(guān)重要。

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