基于XML的水面舰船质量特性信息集成研究

方 强 吴 军 张 平 侯国祥

1 中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064 2 华中科技大学船舶与海洋工程学院，湖北武汉 430074

1 引 言

现代水面舰船设计开发模式日益趋向网络化、协同化、并行化、敏捷化和个性化，分散的设计地点、迅捷的反应时间和高效的交互协同是其主要特征［1］。另外，随着新型水面舰船结构和功能的日趋复杂，现代舰船设计需要涉及到多领域、多学科的知识集成，增加了设计过程的复杂性、综合性与系统性。在此背景下，如何控制与保证水面舰船的设计质量便成为一个迫切需要解决的关键问题。 Carnevalli［2］探讨了质量功能展开方法，将用户需求转换成为产品特征、零部件特征、工艺特征、质量与生产计划等技术要求，使所设计和制造的产品能真正满足顾客需求。该方法已被三菱重工神户造船厂成功地应用于船舶设计与制造中。Bordoloi［3］提出了面向质量的设计理论与方法，将用户需要的质量主动通过设计过程合成到产品中去，在实现高质量产品的同时还能达到低成本的目标。何益海和唐晓青［4-5］则主要研究了基于关键质量特性的产品保质设计方法。

不同于前人的研究，本文将探讨一种新的水面舰船设计质量顶层控制技术，即水面舰船质量特性综合设计。该技术的本质是系统化、模块化的设计过程，模块间通过前馈作用，模块内部通过反馈作用形成一个反复迭代过程，使每一步的输出都满足规定的质量特性要求。通过对水面舰船设计过程中质量特性的采集、表达、传输、交互、集成及存储进行综合管理，保证设计质量信息的完整性、一致性、可追溯性和安全性。基于此，本文将首先分析水面舰船质量特性信息的形成过程及其特性，并通过建立质量特性信息集成模型对水面舰船研制过程中的各类质量特性进行完整、有效、准确的收集与组织；接着采用可扩展标记语言（Extensible Markup Language，XML）对质量特性信息集成模型进行封装，以便于质量特性信息的传递与交互；最后，提出了水面舰船质量特性综合设计过程中质量特性信息集成模型的一种应用模式。

2 水面舰船质量特性综合设计信息集成模型

2.1 质量特性

质量是“一组固有特性满足需求的程度”。现代武器装备质量，其本质上是全系统、全特性、全过程的质量。水面舰船的质量特性包括通用特性和专用特性两大类：作为水面舰船通用质量特性的可靠性、维修性、保障性、安全性、测试性、兼容性、隐蔽性和生命力反映了各类水面舰船普遍具有的特征；而作为水面舰船专用质量特性的性能，反映的则是不同水面舰船的个性特征，包括静力特性、动力特性、作战能力特性和作战保障能力特性等。

图1所示为水面舰船质量特性信息的形成过程。根据水面舰船的设计过程，将质量特性综合设计过程划分为概念设计、方案设计、技术设计和施工设计4个阶段。在每个阶段，为实现相应的质量要求，需要开展质量目标制定、综合设计和评价决策3个质量活动，以便确定水面舰船的结构参数、容差及其工艺参数等，形成包括材料、外购件和工艺的技术规范、样机试验与试制规范，设计评审改进和完善方案等。由此可见，质量特性形成依附于设计方案，是具体的质量过程控制要求，包括了从功能实现到质量控制的复杂演化映射过程。因此，水面舰船质量特性具有如下特点：

1）结构性。质量特性必须沿着舰艇（系统）、设备、组件、部件、零件（结构要素）等结构层往下展开，列出各结构层及其结合部位的特征、功能、尺寸、材质及其它有关参数。

2）测量性。质量特性必须是可以用数量来表示的，可以检查、测量和考核的，以便对质量特性进行评价与控制。

3）分类性。质量特性可以按其重要程度分为关键的、重要的和次要的3类质量特性，以便从质量工程“关键少数，次要多数”的角度准确把握设计质量控制的重点。

4）失效性。质量特性与舰船失效模式紧密联系在一起，通过质量特性的缺陷分布描述舰船失效情况。

2.2 质量特性信息集成模型

物料清单（Bill of Material，BOM）是产品结构的技术性描述，被用于表示产品的组件、子件、零部件和原材料之间的结构关系。每个产品型号都有唯一的BOM，用于决定构成该产品的零部件及其装配结构关系，表明每个上属项由哪些下属项构成，以及每个组成元素的下属项零部件数量等。在现代产品研制中，BOM贯穿产品设计、工艺和制造的全过程，为工艺系统内部设计和管理的集成以及工艺与设计和制造的集成提供重要的数据依据［6-7］。借鉴BOM的概念，将水面舰船设计过程中质量特性设计信息按照舰艇配置结构进行组织，形成质量物料清单 （Quality Bill of Material，QBOM），在此基础上，建立舰船质量特性信息集成模型。

QBOM是一种面向水面舰船，由舰艇配置结构所引导的用来描述其生命周期内所有设计质量信息的全局视图。如图2所示，QBOM将每个节点看作一个对象，每个节点对象的属性是对应零部件的质量特性信息，每个节点对象的行为是针对该零部件的设计质量活动，如质量目标制定、质量特性综合设计和质量特性评价决策等。有些节点对象的属性是其对应行为的结果，例如，是否可以制造、制造成本等就是质量特性评价决策活动的结果。QBOM将质量特性作为舰艇设计信息的一部分，用于实现舰艇全生命周期每一环节质量信息与其它信息的无缝集成，并将舰艇研制过程中的各类质量特性完整、有效、准确地收集和组织，进而建立与QBOM相关联的质量特性信息集成模型，即

其中，QCi表示与舰艇设计BOM中与第i个节点相关的质量特性；PSi表示舰艇设计BOM中第i个节点的属性；DPi表示舰艇设计BOM中第i个节点的设计参数；QIi表示舰艇设计BOM中第i个节点的质量目标；RCi表示舰艇设计BOM中第i个节点质量保证的资源配置；QPi表示舰艇设计BOM中第i个节点的质量规范；Item表示质量指标项；Part表示相关的零部件；Style表示数据类型；Value表示该质量指标的合格值域范围。

3 基于XML的水面舰船质量特性信息集成方法

3.1 质量特性信息的XML表达

QBOM及其信息集成模型仅能实现水面舰船设计质量信息的规范化组织。为了将QBOM及其信息集成模型贯穿于水面舰船研制全过程，还需要对质量特性综合设计信息进行统一表达，以便设计质量信息能够在不同的应用系统 （或设计工具系统）之间传输与交互。

作为一种已被广泛接受的通用置标语言，XML通过创建的一组面向内容的数据表示和交换标准，能够实现数据表示和交换的规范性、简洁性和易读性［8-10］，具有良好的结构化功能和可扩展性等。由于用XML表达信息的层次性与QBOM的树形结构有很多相通之处，便为将XML与QBOM结合为实现质量特性信息的统一表达提供了一个非常合适的实施方案。因此，本文将运用XML实现对水面舰船质量特性综合设计信息的统一表达。

采用XML对质量特性信息进行统一表达，其实质就是运用XML对QBOM进行封装。封装QBOM的XML Schema文档是个性化设计质量信息表达的载体，不同型号的舰船对应不同的XML Schema文档，不同设计质量目标和要求都可以在XML Schema文档中体现出来，并作为统一的标准指导设计质量信息的表达。经XML Schema文档封装的设计质量信息，可以在整个舰船设计过程中顺畅地流通。

如图3所示，封装QBOM的XML Schema文档由元素及其属性组成，用于描述其文档树中零部件之间的关系。Header为标题元素，是文件顶层标签，用于记录相应文档的应用程序基本信息与声明 （如 Application、Annotation、Timestamp）以及Copyright、Description等内容。Component_Data表示相应的零部件结构数据，其后可以扩展相关的数据（如Quality_Data等）。Quality_Data表示的是与零部件相关联的质量数据内容，其后可进行多项扩展以完整表达该节点质量控制内容，包括数据类型和取值范围等。Dictionary表示对有关质量项数据进行相关处理 （如质量控制数据的标准化、离散化等）的质量规范和资源配置。

下面给出的是XML Schema文档核心元素质量元素（Quality_Data）的定义，即

3.2 质量特性信息的集成模式

水面舰船质量特性综合设计信息分散于不同的信息系统或设计工具系统，如产品数据管理系统 （PDM）、船舶辅助设计与制造信息系统（TRIBON）、企业资源计划系统（ERP）、有限元分析工具（NASTRAN）和船舶设计工具（CADDS）等［11］。

图4所示为一种水面舰船质量特性信息集成模式，其中：

1）适配器的主要功能可分为两部分：一是描述并注册服务，适配器将质量信息数据源中能够提供的操作和功能按照标准封装为服务，然后调用标准的UDDI API将服务注册到服务注册中心；二是当需要服务时自动执行服务，并将服务执行结果返回。

2）SOAP的主要功能分为两部分：一是接收由请求分析器发送来的SOAP调用请求，根据请求中的信息找出某个Web服务适配器的位置，然后将请求消息传递给指定的适配器，由适配器激活服务，实现客户调用；二是接收由适配器传送过来的服务执行结果，并将结果打包为SOAP消息形式的结果返回到结果整合器。

3）集成服务器的主要功能：一是存储水面舰船质量特性信息；二是负责服务请求的分解和请求结果的整合。

4）请求分析器负责对调用服务请求的客户进行身份验证并将客户提出的共享信息请求分发给SOAP，由SOAP负责将请求发送给具体的适配器，激活信息源上的具体服务，并将服务执行后的结果返回至集成服务器中的结果整合器。

5）结果整合器将各个信息源返回的具体信息进行整理，并将整理结果传递给调用信息共享服务的用户。

运用XML和Web服务等信息技术，将质量特性信息从各类信息源中提取出来，并运用质量特性信息XML表达模式进行统一管理，从而实现不同的信息系统或设计工具系统之间质量特性信息的集成，具体过程如下：

1）水面舰船设计人员需要获得某一质量特性信息时，可通过内部局域网登录查询水面舰船质量特性设计平台。若设计人员在该平台内搜寻不到所需的质量特性设计信息，可以将该信息请求发送至外部系统。

2）质量特性设计平台利用XML来组织表达质量特性信息，并根据需求返回对应的按照XML Schema文档完成封装的质量特性信息XML文档。该文档经B2B集成服务器的处理后，在网络平台的支持下通过XML-RPC或SOAP进行XML的请求与响应。

3）设计人员在获得所需的质量特性设计信息后，根据发布在服务器上的XML Schema文档对质量特性设计信息XML文档进行解析，即可获得所需的质量特性设计信息，完成质量特性设计信息的交换。经过XML封装表达后的质量特性设计信息能够被设计人员所共同理解，方便了质量特性设计信息的交换和集成。

由此可见，该集成模式实现了水面舰船质量特性综合设计过程中的质量特性信息集成，使得水面舰船设计过程中质量特性信息在不同的信息系统或设计工具系统之间无障碍流动成为可能，保证了设计质量信息的完整性、一致性、可追溯性和安全性。该集成模式的应用有助于提高水面舰船的设计质量控制能力。

4 结 语

面对水面舰船设计日益趋向网络化、协同化、并行化、敏捷化和个性化，控制与保证水面舰船的设计质量已成为一个迫切需要解决的关键问题。为此，本文系统地研究了一种水面舰船质量特性综合设计的质量特性信息集成方法。通过分析水面舰船质量特性信息形成过程，提出了基于QBOM的质量特性信息集成模型，按照舰艇配置结构对水面舰船设计过程中的质量特性设计信息进行了组织，并在此基础上，运用XML实现了水面舰船质量特性的统一表达，给出了一种水面舰船质量特性信息集成模式，从而在保证信息完整性、一致性、可追溯性和安全性的前提下，使得水面舰船质量特性综合设计过程中的各种信息都能得到充分共享，这对于提高水面舰船的设计质量至关重要。

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