產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量信息模型及其演化過程研究

金 超，王 琳，盛步云，夏 杰

(武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 湖北省數(shù)字制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070)

0 引言

隨著產(chǎn)品質(zhì)量管理技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量越來越重視。產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)際上是一個(gè)約束滿足問題的求解過程[1]，設(shè)計(jì)者在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中需要考慮各個(gè)方面的因素。產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量信息是設(shè)計(jì)質(zhì)量管理最重要的依據(jù)，是設(shè)計(jì)工作最原始的參考資料，更是分析質(zhì)量波動(dòng)與影響因素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量進(jìn)行有效控制的基礎(chǔ)。能否獲得準(zhǔn)確、詳細(xì)和全面的設(shè)計(jì)質(zhì)量信息對(duì)于最終的產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量有著決定性的作用[2]。因此，要想提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量，首先必須對(duì)設(shè)計(jì)質(zhì)量信息進(jìn)行高效的組織與全面的表達(dá)，使設(shè)計(jì)質(zhì)量信息服務(wù)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員與決策者。

通過建立設(shè)計(jì)質(zhì)量信息模型可以有效的對(duì)設(shè)計(jì)質(zhì)量信息進(jìn)行組織和表達(dá)，對(duì)于設(shè)計(jì)質(zhì)量的保證十分重要。許多組織和個(gè)人已經(jīng)對(duì)質(zhì)量信息模型進(jìn)行了研究，F(xiàn)ei M F M等[3]采用面向?qū)ο蠓椒枋隽嗽O(shè)計(jì)任務(wù)中的屬性、接口、設(shè)計(jì)者、質(zhì)量、成本、進(jìn)度6個(gè)基本類模型，解決了產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程模塊的信息建模問題；張屹等[4]針對(duì)目前產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)階段，應(yīng)用多色集合理論建立了概念設(shè)計(jì)產(chǎn)品信息模型；Sun Y等[5]建立了工程質(zhì)量信息與結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)之間的映射關(guān)系，并在三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了兩種信息的集成，進(jìn)行設(shè)計(jì)質(zhì)量的控制；Xu M H等[6]提出了一個(gè)服務(wù)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝開發(fā)的信息模型，使用UML對(duì)概念設(shè)計(jì)過程所需的設(shè)計(jì)信息收集和建模；周岫彬等[7]提出了基于特征的產(chǎn)品質(zhì)量信息管理思想，并提出了質(zhì)量信息在結(jié)構(gòu)維、內(nèi)容維和時(shí)間維的多維組織方法；徐顯龍等[8]構(gòu)建了基于結(jié)構(gòu)樹的制造質(zhì)量信息模型，該模型滿足面向制造的設(shè)計(jì)需求；閆喜強(qiáng)等[9]建立了復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)元模型，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了多學(xué)科的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換；江偉光等[10]首先分析了產(chǎn)品元數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，用元模型對(duì)領(lǐng)域模型進(jìn)行了描述；王琛[11]在產(chǎn)品BOM結(jié)構(gòu)和元模型的基礎(chǔ)上建立了設(shè)計(jì)域、制造域、服務(wù)域、綜合業(yè)務(wù)域的領(lǐng)域模型；曾衛(wèi)平等[12]基于元模型和系統(tǒng)工程的方法建立了直升機(jī)全生命周期信息管理的集成架構(gòu)。

盡管這些研究以不同方法來對(duì)質(zhì)量信息進(jìn)行組織和表達(dá)，最終建立單個(gè)領(lǐng)域模型或者多個(gè)領(lǐng)域模型，但是大多利用產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹進(jìn)行信息組織或者利用元模型表達(dá)信息間的語義關(guān)系，未能將兩者很好的結(jié)合，同時(shí)，建立的模型也不支持單領(lǐng)域內(nèi)質(zhì)量信息的演化。本文針對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量信息，采用基于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的信息組織方式，并基于元模型進(jìn)行了質(zhì)量信息建模。該模型能夠?qū)Ξa(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量信息進(jìn)行有效的組織和表達(dá)，實(shí)現(xiàn)信息共享，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量控制提供全面、準(zhǔn)確信息支持。

1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量信息的分類及組織模型

1.1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量信息的分類

設(shè)計(jì)質(zhì)量信息指設(shè)計(jì)過程中需要的質(zhì)量信息以及設(shè)計(jì)過程中形成的質(zhì)量信息[13]，設(shè)計(jì)質(zhì)量信息的內(nèi)容應(yīng)當(dāng)滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量控制信息流的基本要求。設(shè)計(jì)質(zhì)量信息以文檔和數(shù)據(jù)的形式存在于企業(yè)的各種信息系統(tǒng)中，具體的分類如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量信息的分類

1.2 基于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的設(shè)計(jì)質(zhì)量信息組織模型

產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程是一個(gè)不斷求解與細(xì)化的過程，隨著設(shè)計(jì)過程的推移產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)也變得細(xì)化和完整。在這些設(shè)計(jì)活動(dòng)中產(chǎn)生各種設(shè)計(jì)質(zhì)量信息以及企業(yè)原有的質(zhì)量信息散布在企業(yè)信息系統(tǒng)的每一個(gè)角落，這些設(shè)計(jì)質(zhì)量信息缺乏有效的組織，往往會(huì)造成信息的疏漏、冗余和不一致，不能為設(shè)計(jì)或者決策提供準(zhǔn)確的信息，利用價(jià)值有限。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹通?？煞譃楫a(chǎn)品層、部件層、零件層構(gòu)成，通過節(jié)點(diǎn)之間的裝配關(guān)系建立層與層之間的聯(lián)系。由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹可以清晰的表達(dá)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)信息，而產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量信息與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)又存在著一種依附關(guān)系，因此可以在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的基礎(chǔ)上對(duì)設(shè)計(jì)質(zhì)量信息進(jìn)行有效組織。

設(shè)計(jì)人員在經(jīng)過功能結(jié)構(gòu)映射得到產(chǎn)品的分解結(jié)構(gòu)后，將設(shè)計(jì)質(zhì)量信息在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹上進(jìn)行投影，可以得到整個(gè)產(chǎn)品的質(zhì)量信息組織模型，如圖2所示。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹每一個(gè)結(jié)構(gòu)對(duì)象都是設(shè)計(jì)質(zhì)量信息的宿主，集成了和該結(jié)構(gòu)對(duì)象相關(guān)的所有設(shè)計(jì)質(zhì)量信息，包括了需求特性、功能特性、性能特性、設(shè)計(jì)方案、評(píng)價(jià)信息、尺寸信息、材料信息、工藝信息以及相應(yīng)的各種設(shè)計(jì)文檔、用戶權(quán)限、版本信息等。

圖2 基于結(jié)構(gòu)樹的設(shè)計(jì)質(zhì)量信息模型

2 基于元模型的設(shè)計(jì)質(zhì)量信息建模

基于元模型的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型能夠有效地保證數(shù)據(jù)的安全性和一致性，支持信息的共享與集成[14]。通過建立設(shè)計(jì)質(zhì)量信息元模型可以對(duì)設(shè)計(jì)質(zhì)量信息進(jìn)行高效的組織與一致的表達(dá)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量信息的高效組織，查詢和利用。

2.1 設(shè)計(jì)質(zhì)量信息的元模型

元模型是關(guān)于模型的模型，通常由信息層、模型層、元模型層和元元模型層組成。本文僅用到了信息層、模型層和元模型層來描述設(shè)計(jì)質(zhì)量信息建?？蚣埽鐖D3所示。

圖3 基于元模型的設(shè)計(jì)質(zhì)量信息建?？蚣?/p>

元模型定義了描述某一模型的規(guī)范，具體來說就是組成模型的元素和元素之間的關(guān)系。本文將產(chǎn)品質(zhì)量信息元模型定義為一個(gè)6元組，設(shè)Mq為元模型，則Mq={Obj,Att,Rel,Con,Rev,Opt}。其中Obj表示產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹中的各級(jí)設(shè)計(jì)對(duì)象；Att表示上述設(shè)計(jì)對(duì)象的質(zhì)量特性集；Rel為關(guān)系集合，本文定義的關(guān)系類型如表1所示；Con是約束信息集合；Rev評(píng)審信息集合；Opt是對(duì)上述5項(xiàng)信息的增刪改查操作。

表1 元模型中的的關(guān)系類型表

2.2 基于元模型的設(shè)計(jì)質(zhì)量信息模型構(gòu)建流程

基于元模型的設(shè)計(jì)質(zhì)量信息建模流程如圖4所示，圖中共有4個(gè)數(shù)據(jù)庫：①元數(shù)據(jù)類庫：按照一定的規(guī)范定義了常用的產(chǎn)品、部件、零件類，約束類，關(guān)系類和質(zhì)量特性類，評(píng)審信息類；②擴(kuò)展元數(shù)據(jù)類庫：自定義的元數(shù)據(jù)類；③產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量信息語義詞典數(shù)據(jù)庫；④元數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)庫：存儲(chǔ)實(shí)例化的元數(shù)據(jù)模型，各個(gè)元數(shù)據(jù)模型構(gòu)成整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量信息。具體步驟如下：

①從設(shè)計(jì)對(duì)象獲取元素集合，遍歷元素集合中的全部元素，對(duì)每一個(gè)元素查詢?cè)獢?shù)據(jù)類庫和擴(kuò)展元數(shù)據(jù)類庫；②判斷元素是否匹配上述兩個(gè)數(shù)據(jù)庫中的元數(shù)據(jù)類，若匹配進(jìn)入第④步，若不匹配進(jìn)入第③步；③定義新的元數(shù)據(jù)類，建立其描述規(guī)則，將新類型加入擴(kuò)展元數(shù)據(jù)規(guī)范數(shù)據(jù)庫，并返回第②步；④實(shí)例化有匹配類的元素，加入元數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)庫；⑤判斷元素集合遍歷是否完成，若未完成，返回第①步，若完成則結(jié)束。

圖4 設(shè)計(jì)質(zhì)量信息模型構(gòu)建流程

2.3 設(shè)計(jì)質(zhì)量信息模型的演化

設(shè)計(jì)質(zhì)量信息模型是一個(gè)動(dòng)態(tài)的模型，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程就是模型的演化過程，表現(xiàn)為設(shè)計(jì)過程中時(shí)間節(jié)點(diǎn)上結(jié)構(gòu)信息、質(zhì)量特性和支持信息的變化。過程節(jié)點(diǎn)詳細(xì)描述了該節(jié)點(diǎn)內(nèi)質(zhì)量特性、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)以及支持信息的內(nèi)容和它們之間的映射關(guān)系，通過過程節(jié)點(diǎn)可以獲取產(chǎn)品在某一個(gè)階段的所有詳細(xì)信息，對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量問題溯源尤為重要。

如圖5所示MR表示產(chǎn)品需求階段的質(zhì)量信息模型，以用戶需求文檔和用戶反饋信息為信息源，描述產(chǎn)品需求特性集及各種約束信息之間的關(guān)系，需求特性集主要包括產(chǎn)品功能、性能、外觀、總體體積、重量等；MC表示概念設(shè)計(jì)階段的質(zhì)量信息模型，概念設(shè)計(jì)階段對(duì)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵問題和原理方法進(jìn)行分析，確定產(chǎn)品設(shè)計(jì)整體的技術(shù)指標(biāo)，由于產(chǎn)品級(jí)質(zhì)量特性之間具有關(guān)聯(lián)關(guān)系，因此在MC模型中用關(guān)系集對(duì)其進(jìn)行描述；MI是初步設(shè)計(jì)階段質(zhì)量信息模型，該模型相對(duì)于MC模型增加了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)關(guān)系，同時(shí)將產(chǎn)品級(jí)質(zhì)量特性映射為部件級(jí)質(zhì)量特性；MD是詳細(xì)設(shè)計(jì)階段質(zhì)量信息模型，具有詳細(xì)的零件結(jié)構(gòu)關(guān)系和零件級(jí)質(zhì)量特性，是質(zhì)量信息模型的核心。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)過程中由一個(gè)產(chǎn)品節(jié)點(diǎn)通過元模型的增加節(jié)點(diǎn)操作逐漸形成完整的結(jié)構(gòu)樹，質(zhì)量特性也經(jīng)過不斷地傳遞和映射而逐漸得到更細(xì)粒度的產(chǎn)品級(jí)質(zhì)量特性,最終形成一個(gè)完整的質(zhì)量信息模型。

圖5 設(shè)計(jì)質(zhì)量信息模型的演化過程

3 實(shí)例驗(yàn)證

以某電氣企業(yè)CKJ5型真空交流接觸器為應(yīng)用對(duì)象，對(duì)散布在企業(yè)各個(gè)信息系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)質(zhì)量信息進(jìn)行分類，從質(zhì)量特性信息、約束信息、評(píng)審信息來描述支持設(shè)計(jì)質(zhì)量控制的接觸器質(zhì)量信息，并以關(guān)系集描述特性信息、約束信息、評(píng)審信息、設(shè)計(jì)對(duì)象之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，建立完整的接觸設(shè)計(jì)質(zhì)量信息網(wǎng)絡(luò)。

如圖6所示，是CKJ5-400/1.14真空交流接觸器的設(shè)計(jì)質(zhì)量信息建模，首先進(jìn)行接觸器元數(shù)據(jù)類的定義，每一個(gè)類在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中對(duì)應(yīng)一張數(shù)據(jù)表，用于存儲(chǔ)元數(shù)據(jù)類在實(shí)例化后的數(shù)據(jù)。然后基于這些元數(shù)據(jù)類和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹，針對(duì)需求階段、概念設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)4個(gè)階段，分析了各階段的質(zhì)量信息的區(qū)別和聯(lián)系，建立4個(gè)階段的質(zhì)量信息模型。接著對(duì)接觸器設(shè)計(jì)過程4個(gè)階段的設(shè)計(jì)質(zhì)量信息模型進(jìn)行實(shí)例化，得到接觸器4個(gè)階段的設(shè)計(jì)質(zhì)量信息。最后用軟件實(shí)現(xiàn)了上述建模過程和實(shí)例化過程，得到接觸器設(shè)計(jì)質(zhì)量信息管理的可視化界面,見圖7。

圖7 主觸點(diǎn)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)質(zhì)量信息

設(shè)計(jì)質(zhì)量信息除了具備一般信息的特點(diǎn)外，還具有分散性、相關(guān)性、多樣性、繼承性和重復(fù)性。建立的模型需要體現(xiàn)設(shè)計(jì)質(zhì)量信息的相關(guān)性、多樣性、繼承性，同時(shí)解決分散性和重復(fù)性的問題。為了驗(yàn)證該模型的優(yōu)越性，本文從設(shè)計(jì)質(zhì)量信息特點(diǎn)的角度對(duì)傳統(tǒng)的建模方法和該模型的功能進(jìn)行比較如表2所示。

表2 傳統(tǒng)信息建模與本文建模方法的對(duì)比

從對(duì)比結(jié)果中可以看出本文的建模方法充分結(jié)合了兩種傳統(tǒng)質(zhì)量信息建模方法優(yōu)點(diǎn)，能夠很好地對(duì)設(shè)計(jì)質(zhì)量信息進(jìn)行組織和表達(dá)。

4 結(jié)束語

產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量信息是進(jìn)行設(shè)計(jì)質(zhì)量控制的基礎(chǔ)，準(zhǔn)確、完整的設(shè)計(jì)質(zhì)量信息對(duì)于實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)十分重要。本文首先對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量信息進(jìn)行分析和分類，利用產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹對(duì)其進(jìn)行有效組織，然后基于元模型對(duì)設(shè)計(jì)質(zhì)量信息進(jìn)行建模。該方法將信息組織和表達(dá)結(jié)合，解決了設(shè)計(jì)質(zhì)量信息缺乏有效組織和信息難以利用的問題，有效地支持了產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的設(shè)計(jì)質(zhì)量控制。