一种改进的装备质量监督领域本体建模策略

李泽西,孟 晨,王 成

(1.陆军工程大学石家庄校区， 石家庄 050003； 2.陆军装备部驻西安地区军事代表局， 西安 710000)

装备质量监督(Quality Surveillance Of Equipment，QSE)是武器装备质量管理的一项重要内容，其效能高低对装备保持高性能质量影响重大。QSE的核心在于对过程中涉及的各类信息进行高效地组织和管理，最大限度地发挥信息对装备质量监督的调节和决策作用。

世界各国都非常重视对武器装备的质量监督工作。以美国为代表的世界发达军事国家，一方面率先运用新型项目管理组织模式IPT(Integrated Product Teams)优化装备采办的组织结构[1]，同时分阶段制定、扩充和完善相关标准，着力打造通用的装备质量信息传输处理平台和公共操作环境；另一方面长年致力于把信息网络技术融入装备质量监督工作，高度重视对装备数据信息的管理问题，先后提出持续采办和全寿命支持系统CALS战略计划[2]、面向服务体系结构的采办可视化工程[3]等，通过信息的集成和共享，实现对装备质量的全寿命周期监控。相比之下，我国目前的装备质量监督工作主要依靠少数军事代表亲临科研生产一线，采用协作监管的模式督导监控，大量的过程数据和结果信息以专用工装检测、人工记录上传和纸媒传输存储的方式进行，各单位已开发的信息管理系统倾向于部分监管文件的目录整理，远程监控、自动化装配等数字化质量监督功能的开发尚处于起步阶段，信息化水平整体不高，离实现信息的交互和共享还有很大的差距。

近年来，知识工程研究者常借助本体技术建立某个领域的概念模型——领域本体(Domain Ontology)，以此来形式化、规范化地表示该领域概念及概念间的相互关系。这种智能化的信息组织和管理方式，从根源上打通了基于统一语义的信息交互和共享渠道，避免了重复开发信息管理系统造成的资源浪费；同时，便于研究者之间的交流和协作开发，对计算机系统来说，可以实现不同领域、不同模型之间的跨平台的方法、数据、任务、工具的转换和共享[4]。

本文首先分析了QSE的整体思路，依据该领域的信息组成及内容特点，以现有的基于质量环的领域本体建模方法为基础，结合装备质量监督过程特点，提出了一种基于核心本体循环扩展的装备质量监督领域本体(Quality surveillance of equipment domain ontology,QSEDO)建模策略，给出了其具体的建模流程，并利用protégé软件对该本体中的检验验收类进行了模块建模和检测，验证了基于核心本体循环扩展的QSEDO建模策略的有效性，最后对比分析了改进后建模方法的优越性。

1 QSE整体思路及领域特点分析

随着武器装备现代化的发展，QSE从单纯的事后检验延伸到全系统全生命周期的质量把控、从只关注实体装备的质量状况拓展到把信息网络和军用软件也纳入监督范围、从仅满足检验测试的技术指标到能够经受住实战化的综合考量，目前主要涵盖了对装备承制单位资格、产品实现过程和产品质量三个方面的监督，QSE整体思路如图1所示。

目前，QSE包括5种质量监督形式、14种质量监督方法和3个方面质量监督范围。由此可见QSE过程具有形式多、方法杂、范围广的特点。总体而言，QSE主要以总部颁发的《装备采购质量监督国家军用系列标准》(简称《23项国军标》)为基础实施准则，并涉及到其他相关国家标准GB、国家军用标准GJB、企业标准、装备主管机关工作标准以及各军事代表局、室等单位的相关标准。

分析QSE的整个过程可以发现，QSE首先是一个以装备质量形成过程为核心的环环相扣、紧密相连的复杂过程，具有极强的环节依赖性，其领域本体建模策略需要按照领域本体的生命周期开发；其次，QSE的范围始终伴随着质量管理理论的发展和装备研制生产的实际情况而不断发展变化，质量环活动作为质量管理理论的一项重要内容，通过计划、执行、处理和检查的不断循环以实现质量的不断改进，将该思想融入领域本体建模策略，体现了QSE范围动态变化的特点；同时，QSE涉及的专业领域广泛多样，领域内部的各个子领域之间相互交叉，其信息数量和类型随着时间不断积累充实，因此，想要一次性建成一个包罗万象的本体几乎是不可能的，但是，QSE又是严格按照相关国家和军用标准的要求下执行的，其内容规律有章可循，故可通过先建模核心本体，再不断地循环改进扩展，以实现最终的领域本体建模。

图1 QSE整体思路框图

2 基于核心本体循环扩展的QSEDO建模策略

基于七步法和全面质量管理理念，刘琳娜[5]提出了一种基于质量环的领域本体建模策略，用于实现武器装备的本体建模，其建模策略如图2所示，包括7个步骤。

步骤1：本体规划。对领域进行需求分析，确定本体的专业领域和范畴，在此基础上制定本体建设的项目计划书和资源分配计划。

步骤2：本体分析设计。首先进行本体分析以考察是否有可复用的现有本体并收集相关领域知识，其次通过列举重要术语、定义类和类等级、类属性及属性分面、创建实例来进行本体设计。

步骤3：本体实现。用形式化的方法将已定义好的本体从自然语言的表示格式转化为机器可理解的逻辑表达格式。

步骤4：本体评价。采用常用的本体评价指标：正确性、一致性、可扩展性、有效性、本体的规模及描述能力等来定性评价本体是够满足开始提出的需求。

步骤5：本体建立。用步骤4中的标准进行检验，如不符合返回步骤2，如符合则构建出该领域的核心本体。

步骤6：本体维护。主要指对相关详细文档资料的维护。

步骤7：循环改进与扩展。根据具体领域的发展变化获取新的领域知识，不断改进和扩展领域本体。

图2 基于质量环的领域本体建模策略示意图

该方法充分借鉴软件工程的经验和国外主流的本体建模方法，按照领域本体的生命周期开发，并结合美国质量管理统计学家戴明创立的质量环(PDCA)活动的思想，强调先建模领域核心本体，再进行循环改进以实现领域本体的不断扩展和充实完善。然而，该方法也存在核心本体的地位突出不足、部分工作交叉重复以及工程性不强等不足。

由QSE过程特点分析可知，现有的基于质量环的领域本体建模方法对QSEDO的建模具有很强的借鉴意义。结合装备全系统全寿命管理的阶段性特征，基于质量环的领域本体建模方法，提出一种基于核心本体循环扩展的QSEDO建模策略，如图3所示。

图3 基于核心本体循环扩展的QSEDO建模策略示意图

该策略主要由核心本体界定、本体扩展、本体实现、本体检测和循环改进五大步骤组成，基本步骤如下：

步骤1：核心本体界定。依据《23项国军标》中对QSE进行核心本体的界定。通过对QSE体系整体框架和内部关系的把握，并结合装备质量的形成特点，圈定核心本体的范围。抽取其中的关键环节，将核心本体划分为若干个小的子本体，各子本体之间相互关联，共同构成动态的QSEDO核心内容。

步骤2：本体扩展。本体扩展主要包括考察复用现有本体、收集获取QSE信息、本体内容设计三个方面。考察复用现有本体主要依据核心本体中各子本体的内容设置，寻找现存的相关本体进行整合复用；收集获取QSE信息是对QSE过程中实际产生的各类信息进行采集、存储和处理；本体内容设计是从标准规范的角度对QSE中的重要术语及其相互关系进行列举梳理，在此基础上定义类和类的等级体系、定义类的属性及其分面。

步骤3：本体实现。主要利用本体建模工具和本体描述语言对上述已经分析好的本体内容进行形式化的表达，以形成人和机器可读可理解的规范化文本。

步骤4：本体检测。主要借助相关工具(如：Protege5.2.0中的Debugger插件)检查形式化后的本体是否存在逻辑错误，检测通过则QSEDO建模完成；反之，进入步骤2。

基于核心本体循环扩展的QSEDO建模策略突出了核心本体和循环改进的作用，简化了原方法中冗余的步骤，缩短了开发周期，摒弃了原方法中重理论轻操作的弊端。

3 QSEDO建模

3.1 核心本体界定

依据《23项国军标》的相关规定，结合QSE工作的实际开展情况，QSEDO核心本体可以分为承制单位监督、合同监督、研制过程质量监督、生产过程质量监督、售后技术服务质量监督、装备质量基本信息6个子本体。这些子本体相互关联，共同构成QSEDO最基础的框架，其联系如图4所示。

图4 QSEDO核心本体构成框图

3.2 本体扩展

3.2.1考察复用现有本体

考察复用现有本体对于本体建模具有重要意义，可减少建模工作量，提高建模效率。如文献[6]基于系统六元本体的装备保障概念模型等都可以经过适当地裁剪后纳入QSEDO核心本体中部分子本体的建模。

3.2.2收集获取QSE信息

从装备全寿命周期来看，QSE信息涵盖了装备研制、生产、使用的各个阶段。从军事代表工作角度来看，QSE信息包括对装备承制单位的监督信息、对产品形成过程的监督信息和对产品成品质量的监督信息。从层次结构上来看，QSE信息向上关系到国防工业管理部门和各级装备管理部门，向下具体到各个厂所的军代室、处，甚至是掌握在每一个军代表手中。从信息类型角度考虑，包括纸制或电子的文档、图片、视频、音频等。

3.2.3本体内容设计

1) 列举重要术语

列举重要术语时应注重术语的覆盖面和权威性。QSE中的重要术语主要包含在现行的《GJB 1405A—2006装备质量管理术语》中，以装备采购合同监督子本体为例，与之相关的术语包括合同、产品成本、计划成本、实际成本、制造成本、质量成本、成本监督、产品审价、寿命周期费用等。

2) 定义类及类的等级关系

基于确定的6个QSEDO核心本体的子本体，通过和领域专家的交流和相关文献的参考，可确定各个子本体的概念层次结构如图5所示。

图5 QSEDO概念层次框图

3) 定义类的属性及属性分面

类的属性主要反应了内部类与类之间的关系。以检验验收类为例，其关系一方面通过“part-of(组成)”来体现，如：检验验收类由检验验收准备、检验验收实施、检验验收总结组成；另一方面通过“C(合格)”或“N(不合格)”来联系，如产品提交与提交条件审查之间的关系为Y，即表示产品提交内容全部具备时(C)，才可转入提交条件审查，而当提交条件审查不满足时(N)，则转入拒绝受理。属性分面表示对属性的约束，检验验收类的部分属性分面为：产品名称：String型、提交数量：int型、合同编号：ID型、检验结论：String型，其他属性的分面照此方法定义。

3.3 本体实现

本体实现就是将定义好的本体从自然语言的格式转化为本体描述语言表示的格式的过程。本文采用Protégé5.2.0软件进行本体建模，以核心本体中装备生产过程质量监督子本体的检验验收类为例进行本体实现，由于protégé不支持中文推理，下述将使用英文进行编写。包括定义类及类的层次结构、定义属性及属性分面和实例填充。

3.3.1定义类及类的层次结构

类的定义可利用Protégé软件中的class标签实现， OWL Viz插件可以以树形图的方式迅速遍历本体类及类的层次结构。最终得到检验验收类的概念层次结构如图6所示。

3.3.2定义属性及属性分面

属性代表一种二元关系，特征标签包含了对对象属性的7种约束和对数据属性的1种约束，正确利用这些约束来定义属性及属性分面对描述类的关系至关重要。检验验收类的对象属性有“Has Part”、“Has Procedure”、“Has Attribute”等，其数据属性则包括“Has Model”、“Has Lot”、“Has Quantity”等。

图6 检验验收类的概念层次结构

3.3.3实例填充

一个实例代表了一个类的成员，以某型制导炮弹(GP，Guided Projectile)的检验验收过程为例。定义实例GP-IAA，拥有数据属性“has Model”为“G”、“has Lot”为“001”、“has Quantity”为“100”；在检验验收准备中对其产品交验单(Product Inspection Order)等内容进行审查；审查合格进入检验验收实施环节，首先进行分组检验，将产品分为“A”组和“D”组进行检验，检验合格后，对其包装箱“Packing Chest”进行检验，全部合格则接收，并开具G产品合格证“G Product Qualification”，最后进行检验验收总结工作，整理G的产品履历书(G Product Log)等资料，最终效果如图7所示。

图7 检验验收类的最终效果框图

3.4 本体检测

在本体实现的基础上，使用Protégé软件中的Debugger插件进行本体检测。Debugger插件通过交互式的本体调试，帮助建模者发现和识别导致本体不一致和不连贯的公理，修复本体瑕疵。本体检测结果如图8所示，表明所构建的本体符合一致性和连贯性。

图8 本体检测结果

3.5 对比分析

在基于核心本体循环扩展的QSEDO建模策略有效性验证的基础上，以基于质量环的领域本体建模方法为对比对象，分别从本体建模基础能力和本体评价标准两个角度出发进行对比分析。

从本体建模基础能力出发，选取建模周期、构建方式、技术支持、生命周期、复用能力、优化能力、扩展能力和领域针对性等8个指标[7-8]进行对比，结果如表2所示。

表2 两种建模策略基于本体建模基础能力结果

从本体评价标准[8-9]出发，选取清晰性、一致性、完整性、可扩展性和兼容性等5个指标进行对比分析，结果如表3所示。

表3 两种建模策略基于本体评价标准的结果

由上述定性分析可知，基于核心本体循环扩展的领域本体建模策略相对基于质量环的领域本体建模策略，在建模周期、复用能力、优化能力和扩展能力上更具优越性，特别是针对已知体系架构的QSE领域，在使用基于核心本体循环扩展的领域本体建模策略进行QSEDO建模时，因现有标准已经明确了所建立的模型的核心架构，故所建立出的本体在清晰性、一致性和可扩展性上的表现更加优越。

4 结论

本文通过分析装备质量监督过程的特点，基于质量环的领域本体建模策略，提出了一种装备质量监督领域本体建模策略，并给出了该建模策略的基本步骤。以生产过程质量监督子本体中的检验验收类为例，利用protégé软件实现了该模块的建模和检测，实验结果表明：所提出的建模策略能有效建立装备质量监督领域本体模型，为实现装备质量监督信息的共享，建立装备质量监督领域知识库打下坚实的基础。