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基于概念格的航天裝備工程研制質量信息建模技術

2024-06-27 00:00:00謝小旋
項目管理技術 2024年5期

摘要:航天裝備工程研制過程中數據源不統一、質量信息管理范圍不全面會導致質量信息管理困難,因此,對質量信息模型的組成要素及構建流程進行研究十分必要。首先,運用概念格理論和概念格樹形結構相結合的方法生成核心概念,作為模型的重要組成要素;其次,建立航天裝備工程研制過程的質量信息模型;最后,通過應用工程研制信息實例驗證質量信息模型在航天裝備中的應用有效性。研究表明,對航天裝備工程研制質量信息的分層、分類管理,有助于輔助航天裝備工程研制質量決策,提升航天裝備質量。

關鍵詞:概念格;航天裝備;質量信息;信息模型;工程研制

0"引言

工程研制是航天裝備研制的重要一環。從發生的航天裝備質量問題來看,設計錯誤或設計不周所造成的質量問題約占40%,把質量管理工作的重點放到工程研制,這是提高航天裝備質量的關鍵"[1]。質量信息是反饋控制的基礎和前提,是質量決策的重要依據,而航天裝備工程研制周期長,缺乏統一形式的質量信息,難以滿足航天裝備決策的需要。為決策方便,需要對支持裝備研制的質量信息進行有效的管理,質量信息管理具有“承上啟下”的重要作用。一方面,其是在質量信息采集的基礎上進行;另一方面,其為質量信息表示、處理與利用創造了有利條件。對工程研制質量信息進行全面組織與形式化的表達,是實現航天裝備工程研制質量信息管理的必要環節。

傳統以產品物料清單為中心的質量信息管理方法,能保證質量信息的有序性、完整性和集成性"[2]。劉明周等"[2]、唐曉青等"[3]、薄洪光等"[4]以BOM為質量信息組織形式,將分散的質量信息有效地組織起來,實現了數據源的統一。徐顯龍等"[5]分析了制造質量信息樹的結構、節點、及其屬性操作,提出制造質量信息樹的構建方法,實現了制造質量信息的有效組織。周岫彬等"[6]以時間、空間、內容的多維方式組織信息,建立多維度、全周期的質量信息組織體系。江偉光等"[7]提出以屬性、約束和操作來定義全生命周期的質量信息,統一了數據源,形成了一套適用的質量信息組織體系。以上研究在一定層面上實現數據源統一,完成質量信息的組織管理,但大部分研究集中于研制過程的單一階段,比如工藝階段、設計階段,對覆蓋設計、工藝、制造的工程研制階段的質量信息模型研究較少;部分學者研究了全生命周期質量信息的組織,但存在質量信息管理范圍不明確、構建模型考慮因素不全面的問題"[8-10]。元模型可進行模型描述"[11],能夠體現模型的構成。江偉光等"[7]從結構層、過程層和表達層描述信息模型,分析元模型擴展機制與領域模型構建方法。但元模型方法在對信息的描述上不能體現出信息間的屬性包含關系。

概念格理論常用于知識發現、關聯分析、信息分類等領域"[12]。概念格是在概念內涵(屬性) 與概念外延(對象) 具有確定性關系條件下,研究和處理外延和內涵具有“是”或“非”的確定性關系,質量信息之間的繼承關系可以很好地在概念格中體現。大部分學者都在概念格合并的方向上進行研究"[13-14],關注重點在于如何快速對新概念進行合成,對概念格合成后內容進行組織建模的研究較少,應用概念格合并對航天裝備質量信息進行概念合并作為模型組成要素的研究更少。但在研究中發現,概念格理論可有效地對質量信息進行分類,且能夠描述其關系,概念格合并可將相似的概念合并為一個新的概念,從而減少概念的數量,提高表達能力和分類準確性"[15]。同時,概念格能消除質量信息分類后概念的重復性和不一致性,保信息模型的合理性、可實現性和單一源性,但概念格結構本身的復雜性,不可避免地會產生概念之間連線交叉的現象,導致概念紊亂、缺失的問題。沈夏炯等"[16]、Sawase等"[17]、Belohlavek等"[18]提出以樹形目錄結構表示格結構,解決了以上問題,而且構成的目錄子樹能夠滿足用戶的分類需求。以上研究僅將樹形結構概念格應用于信息檢索方面,鮮有能結合概念格合并和樹形表達對信息進行新概念的合成,并用于信息模型的構建。因此,本文通過概念格理論與概念格樹形結構相結合的方法來合成航天裝備工程研制質量模型組成要素,構建質量信息模型;提出航天裝備質量信息模型的構建源頭、組成、總體框架及其表達,并將此方法論應用于模型的構建工作,以解決數據源不統一、質量信息分散的問題。該方法旨在實現航天裝備多層次、多類別的質量信息組織與管理,有利于從提升航天單位質量決策,提高航天裝備工程研制階段產品質量水平。

1"航天裝備工程研制質量信息模型組成要素

1.1"明確質量信息管理范圍

航天裝備質量信息是對航天裝備特性滿足要求程度的描述,是對航天裝備質量狀況客觀事實的記錄與反映。工程研制質量信息以文檔和數據的形式存在于各研制任務中,本文以工業和信息化部發布的《質量大數據白皮書(2022年)》中質量大數據資源體系編目架構"[19]為基礎,參考GB/T 41272—2022"[20]中關于制造質量數據內容、QJ 3133—2001"[21]中對于航天產品項目階段劃分內容,形成了航天裝備工程研制質量信息資源編目框架,如圖1所示。

該框架即為航天裝備工程研制質量信息管理的范圍,概括了航天裝備工程研制的設計研制、試制、試驗的全階段,通過對各階段質量信息的細化,更清晰地表明了管理范圍。

1.2"應用概念格理論進行質量信息對象合成

通過應用概念格理論,對工程研制質量信息資源編目框架進行重新整理,對質量信息對象進行合成和逐層合并,消除質量信息對象重復性。

1.2.1"概念格理論基礎知識

概念格理論基礎知識如下:

定理1"[22]:對于給定形式背景K=(G,M,I);A1,A2∈G;B1,B2∈M,則有A1A2f(A2)f(A1),B1B2g(B2)g(B1)。

定義1"[22]:若(A1,B1)、(A2,B2)是某個形式背景K=(G,M,I)的兩個概念,而且A1A2,則稱(A1,B1)是(A2,B2)的子概念,(A2,B2)是(A1,B1)的父概念,并記作(A1,B1)≤(A2,B2),關系≤稱為是概念的“序層次”(簡稱“序”)。如果A1A2,且不存在概念(A3,B3)使得A1A3A2,則稱(A1,B1)是(A2,B2)的直接子概念,(A2,B2)是(A1,B1)的直接父概念,記作(A1,B1)lt;(A2,B2)。K=(G,M,I)的所有概念用這種序組成的集合稱為概念格,記作L(G,M,I)。

定理2:假設存在的概念C1=(A1,B1)和概念C2=(A2,B2),如果A1=A2,則B1=B2;如果B1=B2,則A1和A2之間的關系需要對以下三種條件進行討論:

(1)如果A1∈A2,則C1為冗余概念。

(2)如果A2∈A1,則C2為冗余概念。

(3)如果A1≠A2,則C1和C2均為冗余概念,因為沒有一個概念能覆蓋屬性集中的所有屬性對象,此時需要用新的概念進行替代Cnew=(A1∪A2,B1)。

1.2.2"質量信息對象合并的流程設計

概念格理論中的縱向合成是指將多個概念進行組合,生成新的更抽象的概念;概念格樹形轉換是指將復雜的樹形網絡結構轉換成樹形結構的過程。應用縱向合成結合樹形結構轉換的質量信息對象合并流程如下:

(1)定義質量信息屬性集合S。

(2)定義質量信息對象集合O,將質量信息對象全集定為F0,并將其初始化為空集。

(3)將所有需要合成的質量信息對象按照其屬性分別歸到不同的子集{G1,G2,…,Gn}中,形成概念和屬性的二維形式表格。

(4)對于每個子集Gi(1≤i≤n),構建一個原子概念Ci,它由屬于Gi的所有對象所構成。

(5)對于每一對原子概念Ci和Cj(1≤ilt;j≤n),如果它們具有共同的屬性,則定義一個新概念Cij,它由屬于Ci和Cj的所有對象所構成。

(6)對于每一組抽象概念Cij,按照其包含關系,確定它們在概念格上的位置,并進行編號,通過逐層合并已經確定位置的概念,生成更高級別、更抽象的概念,直到生成全集概念F0形成哈斯圖。

(7)對于需要合成的每個信息對象O,按照其所屬的最小概念進行合成,即找到一個概念C,使得O屬于C,并且C是所有包含O的概念中最小的一個,并對這些最小概念進行定義。

(8)概念按照屬性升序排列概念格,子概念不斷對父概念進行屬性求差集,形成樹結構。

(9)概念格中每一個概念對應到樹結構。

(10)將概念格編號與樹形節點編號對應,生成樹形結構概念格。

在上述流程中,縱向合成主要體現在第(5)步和第(7)步。第(5)步將多個原子概念通過共同屬性進行組合,生成更高級別的抽象概念;第(7)步則不斷將已確定位置的概念進行合并,直到生成全集概念F0;概念格的樹形結構轉換體現在第(9)步和第(10)步;根據定理1和定義1,在概念格結構中,每個格節點代表一個概念,每條邊代表一對父子關系,通過將概念格中的每個概念映射到樹形結構中對應的節點上,并將代表父子概念關系的邊映射到樹形結構中節點和子節點的包含關系,實現了從格結構到樹形結構的轉化。

1.3"明確模型組成要素

在質量信息對象流程設計中,合并流程第(7)步中所定義的概念,即為質量信息模型的組成要素,本文通過應用以上質量信息合成方法,通過多個原子概念,結合分類后的質量信息屬性,抽象出了五大質量信息對象類作為質量信息模型組成要素,包括產品層次質量信息對象類、設計質量信息對象類、工藝質量信息對象類、資源質量信息對象類和檢驗評審質量信息對象類。

由于航天裝備工程研制是嚴格工程研制活動進行的,將研制流程及研制任務作為質量信息模型的另外組成要素,由此構成質量信息模型六大組成要素,其可消除質量信息對象類內容的重復性,確保數據的單一源性。

1.4"模型組成要素的內涵及表示形式

基于航天裝備工程研制質量信息模型的組成要素,對模型組成要素的內涵進行定義,并對模型組成要素進行如下形式化表達:

(1)工程研制流程及主要任務?!逗教飚a品項目階段劃分和策劃》中規定,航天裝備主要包括初、試樣的設計、試制和試驗等過程。而航天裝備工程研制流程是以任務為導向,故將工程研制流程進行內涵延伸,把工程研制主要任務含括在內。航天裝備工程研制主要任務是完成初樣、試樣裝備的設計、試制和試驗。初樣研制階段的任務是進行初樣設計、試制和試驗,要基本確定裝備的性能參數和結構狀態,試樣研制的任務是進行裝備設計、試制,完成性能精度和使用性能的研究試驗,全面驗證裝備設計和工藝的合理性。航天裝備工程研制過程嚴格按照上述研制流程執行,完成緊前任務才能去實現下一任務,每一研制階段都對應有相當的研制任務,由這些研制任務來組織各對象類信息。

(2)產品層次質量信息對象類?!堆b備環境工程術語》將產品層次分為系統、分系統、設備、組件、部件、零件6個層次。為了更好地描述航天裝備產品各層次間的配套關系,采用產品結構樹進行表達,因樹狀的產品層次鮮明、便于擴充,已被眾多學者驗證。從信息的組織角度分析,航天裝備信息樹可以看作為各階段產品信息樹中所存儲產品信息的交集,航天裝備信息樹如圖2所示。

(3)設計質量信息對象類。設計類質量信息對象包括質量設計需求、產品設計需求,其中,質量設計需求由功能性質量性質量需求、經濟性質量需求和社會性質量需構成;產品設計需求由設計方案信息、產品及部件設計質量性能構成。

(4)工藝質量信息對象類。工藝質量信息對象包括工藝流程信息和質檢卡信息。

(5)資源質量信息對象類。資源質量信息主要由人員信息、設備信息、材料信息和環境信息組成,設備、材料信息等資源實體通過名稱、編號、數量關系3個方面對研制資源進行靜態化的結構化描述。數量關系通過數量、單位對研制過程資源的數量和關聯關系進行描述。

(6)檢驗評審質量信息對象類。檢驗評審類質量信息包括評審信息、質量評估信息、產品質量檢測信息和試驗質量信息,其中,評審信息包含方案質量評審、設計缺陷閉環管理信息;產品質量檢測信息包括來料檢驗、半成品檢驗、成品檢驗和外包外協質量信息;產品質量檢測信息包括電子類、機械類部件質量性能、基礎輔料質量性能和供應鏈質量能力;試驗質量信息包括試驗參數、試驗技術途徑和試驗技術方案。

2"航天裝備工程研制質量信息建模

按照航天裝備的工程研制流程,質量信息模型的信息組織采用以工程研制任務為主線,各質量信息對象類為單元的信息組織結構。通過合成出的質量信息對象類的有機結合,集成不同的質量信息對象集進行有效統一管理,構成質量信息模型,實現對質量信息的分類管理;再進一步對產品層次上的質量信息模型的關系進行梳理,實現對質量信息的分層管理。

2.1"航天裝備工程研制質量信息模型

將各模型組成要素按照工程研制主要任務為核心進行組合,由此形成航天裝備工程研制質量信息模型,如圖3所示。

在使用過程中,首先,按照工程研制活動及工程研制主要任務進行劃定;其次,各類信息依據其所屬分類進行劃分填充;最后,實現了對航天裝備工程研制過程質量信息的分類管理。

2.2"航天裝備產品各層次質量信息模型的關系

由于航天裝備的工程研制過程是一個從無形到有形、從宏觀到微觀、從定性到定量的過程,因此,產品工程研制各階段質量信息模型的粒度和內容也不同。一般的,在航天裝備的工程研制過程中,裝備質量信息可以分為:型號產品級、分系統級、設備級、組件級、部件級和零件級6個層次。隨著工程研制的逐步深入,質量信息模型的粒度也由粗到細,內容越來越具體,產品層次上質量信息示意圖如圖4所示。

各層次質量信息模型之間不是孤立的,而是存在著繼承關系。繼承關系體現了上層質量信息模型對下一層質量信息模型在分解過程中的傳遞和約束關系。通過上層級質量信息模型的繼承,并對信息模型內容進行操作修改,可獲得下層級質量信息模型,由產品各層次質量信息模型的關系,可以實現對航天裝備工程研制質量信息的分層次管理。

3"案例分析

動力裝置是導彈

的“心臟”,是推動導彈升級換代的決定性因素,其性能直接決定著導彈的射程、速度、精度、機動、突防等實戰化效能,以及維護、貯存等使用效能。據統計,目前全世界90%以上的戰略導彈和80%以上的戰術導彈都采用固體發動機作為主動力系統,

我國商業航天火箭也大都采用固體動力系統。在軍民融合深入推進、商業航天蓬勃發展的背景下,固體發動機因其結構簡單、可靠性高、快速響應、高推力的優點,被廣泛應用于航天器的發射和航天任務中,是航天裝備的典型產品。燃燒室殼體是固體發動機極具代表性的組件,因此選用某型號固體發動機燃燒室殼體的工程研制質量信息為研究對象,對散布在工程研制各階段的質量信息進行建模。

3.1"燃燒室殼體質量信息模型要素提取過程

(1)定義燃燒室殼體質量信息屬性集合S。燃燒室殼體工程研制質量信息屬性可分為技術屬性、質量屬性、物理屬性、管理屬性、結構屬性和數據屬性。燃燒室殼體工程研制質量信息屬性見表1。

(2)將航天裝備工程研制質量信息資源編目框架的最右層內容表示為質量信息對象集合,用O表示;定義燃燒室殼體質量信息全集概念定為F0。第一個概念的對象集合為空,開發人員可以將此節點命名為“燃燒室殼體質量信息對象集”,將其作為樹形結構的根節點,作為概念格第一層的內容,并將其在樹形結構中的編號標記為T0,將其初始化為空集。

(3)將燃燒室殼體質量信息對象按照其屬性分別歸到不同的子集{G1,G2,…,Gn}。燃燒室殼體質量信息對象集合O為前文質量信息資源目錄框架中最右層次的內容,包含有26類質量信息,根據各類信息所包含的屬性知識,得出燃燒室殼體質量信息形式背景表見表2。

(4)對于每個子集Gi(1≤i≤n),構建原子概念Ci,其屬于Gi的所有對象所構成。根據概念格的基本知識,為簡化表示格中的每個原子概念及概念,用數字表示對象,字母表示屬性,如將共同擁有技術屬性的對象用(01234781116212223242526,a)來表示,其余各技術屬性的原子概念的表示依次所示;擁有質量屬性的原子概念為(0123478111213141517181920,b);具備物理屬性的原子概念為(569101213141517181920,c);具備管理屬性的原子概念為(0123567811,d);擁有結構屬性的原子概念為(4,e);擁有數據屬性的原子概念為(561516212223242526,f)。將這些原子概念作為概念格第二層的位置。

(5)對于每一對原子概念Ci和Cj(1≤i<j≤n),如果它們具有共同的屬性,則定義一個抽象概念Cij,它由屬于Ci和Cj的所有對象所構成。根據表1,將具有共同屬性的子概念進行向下合成,如擁有技術屬性和質量屬性的子概念進行向下合成,生成既具有技術屬性又具有質量屬性的新概念,用(012347811,ab)表示,其余擁有各屬性的子概念進行兩兩合成構成概念格第三層位置。

(6)通過逐層合并已經確定位置的概念,生成更高級別、更抽象的概念,直到生成全集概念F0?;谌紵覛んw形式背景構成的概念格如圖5所示。

按照屬性遞增的順序,背景的全部概念是:(0124…26,),(01234781116212223242526,a),(569101213141517181920,c),(561516212223242526,f),(0123567811,d),(0123478111213141517181920,b),(4,e),(012347811,ab),(01237811,ad),(01237811,bd),(4,ae),(56,cd),(5615,cf),(56,df),(1213141517181920,bc),(16212223242526,af),(01237811,abd),(4,abe),(56,cdf),(,abcdef),并且對應概念的順序,概念的編號為ID0~ID19。

(7)按照其所屬的最小概念進行分類,即找到一個概念C,使得O屬于C,并且C是所有包含質量信息全集O的概念中最小的一個。將生成的最小概念,也就是位于第四層的新概念,根據其所屬的整理信息對象,將(01237811,abd)所構成的抽象概念定義為設計質量信息對象類;(4,abe)定義為產品層次質量信息對象類;(1213141517181920,bc)定義為資源質量信息對象類;(56,cdf)定義為工藝質量信息對象類;(212223242526,af)定義為檢驗評審質量信息對象類。

(8)各概念按照屬性升序排列,構成樹根節點的子節點。子概念分別ID1、ID2、ID3、ID4、ID5、ID6,將它們的屬性集合分別與它們的父概念ID0的屬性集合求差集,生成樹根節點與其子節點的樹結構,如圖6所示。

(9)樹節點具備技術屬性的子概念對應概念編號,由生成的概念格可知其生成的子概念為ID7、ID8、ID10、ID17通過與概念ID1的屬性集合求差集,并轉化為樹形節點。具有技術屬性的子概念的子節點樹結構生成如圖7所示。

(10)按照內涵升序的方式繼續將概念格中每個概念映射到樹形結構的節點處,直到將概念格中所有概念轉化成樹形結構中的節點為止。當所有概念都被經歷后,總體樹形結構的生成如圖8所示。

將錯綜復雜的概念格結構轉換成為樹結構,可以清晰地得出燃燒室殼體對于質量信息的分類,在最終樹結構的生成時,重復的子概念即為合成的質量信息類別,這些合成的類別組合成新概念的質量信息,構成燃燒室殼體質量信息模型的重要組成要素。

3.2"燃燒室殼體質量信息模型構建與應用

以某航天企業下級供應商某型燃燒室殼體為應用對象,建立完整的燃燒室殼體研制質量信息質量信息模型,體現了航天裝備研制質量信息的相關性、多樣性和繼承性,解決了航天裝備研制質量信息的有效組織問題,用科學、形式化的表達方式,清晰地展示了航天裝備工程研制質量信息模型構建過程。質量信息模型為航天裝備質量信息實例化提供了模板。燃燒室殼體質量信息模型部分實例如圖9所示,它是對工程研制中質量信息類型的實例化、屬性的賦值和一些具體文檔的引用,形成了航天裝備工程研制的原始數據。實例化的產品層次質量信息對象類中虛線框的內容表示了燃燒室殼體的結構樹,其余各類質量信息根據工程研制階段不同、任務不同進行填充,根據此實例,可以系統性地將工程研制各質量信息進行有效的整合管理。型號產品層次信息模型表如圖10所示,其能夠表達出產品層次上各層次質量信息,根據產品研制過程中的需要,對各產品層次上的質量信息進行表達,節點類型包括根節點、研制階段、研制任務、產品、部組件等,以結構樹的形式進行組織,闡述了零部件、組部件等以及型號產品之間的繼承關系,應用某型燃燒室殼體進行表達,實現了層次化、結構化的信息組織,各類信息的層次結構更為清晰,能夠輔助決策者進行工程研制階段質量信息管理。

4"結語

本文針對由于數據源不統一所造成航天裝備質量信息管理不全面的問題,提出了航天裝備工程研制質量信息模型的構建方法;分析了航天裝備工程研制的質量信息資源編目框架,保證了研究對象的全面性和系統性;結合概念格理論的縱向合成和樹形結構轉換方式作為質量信息對象合成的方法,消除了質量信息的重復性和冗余性,保障了質量信息的單一源性;構建了質量信息模型,實現了對航天裝備工程研制質量信息的分類管理;給出了產品層次間質量信息模型之間的關系,實現了航天裝備工程研制質量信息的分層管理。選用典型的航天裝備固體發動機燃燒室殼體工程研制質量信息的實例將質量信息模型的實現過程進行驗證,使得多層次的質量信息模型能夠得以表達和描述、使得分散的質量信息得到統一的科學管理,有助于支持航天裝備工程研制的質量決策。雖然對質量信息模型在產品層次上的關系進行了簡要說明,但對于質量信息模型的信息演變仍需要進行研究,后續將對航天裝備全生命周期質量信息模型如何構建進行研究,質量信息模型如何與計算機系統進行融合也是值得探究的問題。

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收稿日期:2023-08-22

作者簡介:

謝小旋(1999—),男,研究方向:質量管理與可靠性工程。

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