產品設計質量控制系統的研究與實現
2009-01-01 00:00:00王國強張根保曾海峰任顯林
計算機應用研究 2009年5期
(重慶大學 機械工程學院 先進制造技術實驗室 重慶 400030)
摘 要：在分析現有產品設計質量控制集成研究局限性的基礎上，利用SOA技術方法對產品設計質量控制集成進行了研究。提出了基于SOA的產品設計質量控制系統應用支撐平臺架構，詳細闡述了如何利用設計質量BOM組織設計質量信息，介紹了利用Web service技術的具體實現過程，系統的開發與應用表明該方案很好地解決了信息孤島現象。
關鍵詞：產品設計質量控制；設計質量物料清單；應用支撐平臺；面向服務的架構
中圖分類號：TP391文獻標志碼：A
文章編號：1001-3695(2009)05-1785-04
Research and implementation of quality control system of product design
WANG Guoqiang ZHANG Genbao ZENG Haifeng REN Xianlin
(Advanced Manufacturing Technology College of Mechanical Engineering Chongqing University Chongqing 400030 China)
Abstract:Based on the analysis of the limitation of the existing research on integrated quality control of product design，used SOA technology in study of QCOPD.Proposed an architecture for SOAbased application supportive platform for quality control of product design.Discussed how to organize design quality information with design quality BOM in detail.Introduced specific procedures on realization of QCOPD system based on Web technology.The development and application of the system demonstrate that the solution solves the information island phenomenon successfully.
Key words:quality control of product design(QCOPD);design quality BOM;application supporting platform；SOA
近年來，許多高新技術企業已清楚地意識到：對產品質量的控制與保證必須追根求源。“產品質量首先是設計出來的，然后才是生產和制造出來的”的觀點已被廣泛接受[1]。大量研究表明，產品設計對最終的質量和成本都有極大的影響，產品的設計開發在生產中所占的成本只有6%，但對產品總成本的影響卻占了70%[1]。做好產品的設計質量工作可以以較高的性價比提高企業的競爭力，因此必須加強設計階段的質量控制，進一步提高產品的設計質量。設計質量控制就是采取一定的方法使設計出的產品的質量特征在規定的標準范圍內。隨著社會的進步、技術的發展，設計質量控制的一些缺點也暴露出來：a）產品設計過程缺乏有效的信息溝通；b)各部門、各環節的質量管理活動相對封閉和分散；c)設計質量控制多是事后把關的質量控制模式；d)設計質量控制的信息化程度不高；e)設計質量控制系統的集成程度不夠。
針對以上問題，本文探討了如何構建產品設計質量控制的計算機輔助系統，剖析了產品設計質量控制計算機輔助系統的技術細節。
1 系統功能結構
要實現產品設計質量控制系統(QCOPD)的開發，必須對其功能有全面的了解。產品設計質量控制的主要功能模塊結構[2，3]及其關系如圖1所示。功能模塊的主體是系統的核心功能，即實現產品設計質量控制的主要業務功能，包括設計質量策劃、設計過程質量控制、設計質量評估及分析、設計質量協調和設計質量控制輔助工具和方法集等功能模塊。每一個功能模塊對應系統中若干功能子模塊。
1）設計質量策劃模塊 設計質量策劃是產品設計質量控制的重要組成部分，為產品設計與開發制定不同層次和不同階段的質量目標、質量方針和計劃。采用相應的質量工具支持產品設計質量的策劃，通過資源分析、目標分解優化、措施排序和生成計劃等步驟來實現。其主要子功能項包括設計質量策劃組的成立、設計質量目標的確定、設計任務的分解與優化配置、設計質量策劃管理和設計質量計劃的生成；通過設計質量策劃，最后生成設計質量計劃。
2）設計質量過程控制模塊 設計過程質量控制是產品設計質量控制的核心，其主要子功能項包括方案設計、技術設計和工作圖設計。
3）設計質量評估與分析模塊 質量評估是控制產品設計質量的有效方法，在產品設計過程中設置關鍵質量評估點，按照評估程序和評估計劃對關鍵節點的輸出結果進行嚴格評估，并管理評估結果。其主要子功能項包括評估人員小組的確定、評估指標體系的確定、評估過程信息的管理和評估結果的確定和分析。
4）設計質量協調模塊 在產品設計過程中要進行設計質量輔助分析和設計質量評估，設計質量協調模塊就是將這兩個過程中所發現的質量問題、各種矛盾沖突以及問題解決方案等進行協調，加以管理，并統計分析，以促進設計質量的持續改進，其主要功能子項包括設計任務的協調、設計進度的協調、設計質量問題的協調和設計過程中各種問題的協調。
5）設計質量控制輔助工具和方法集模塊 它是設計質量控制系統的工具集，其主要工具類別如下：a）質量控制工具，包括QFD、DOE、TRIZ和田口方法等；b）設計開發工具，包括CAD、CAM、CAE和CAPP等；c)分析工具，包括FMEA、FTA和FRACAS等；d）評估技術和方法，最常用的是模糊分析法、層次分析法和綜合評價方法等；e）質量協調工具，是指協調質量問題過程中用到的各種工具。
6）各功能模塊之間的關系 設計質量策劃、設計過程質量控制、設計質量評估與改進和設計質量協調構成了PDCA循環的四個階段。設計質量策劃是P（計劃）階段，制定設計目標和設計質量計劃；設計過程質量控制就是D（執行）階段，執行設計操作；設計質量評估與分析就是C（檢查）階段，檢查設計結果是否符合要求：設計質量協調就是A（處理）階段，處理并總結設計過程中的質量問題，鞏固設計。這四個階段的不斷進行實現了設計過程質量控制的持續改進，實現了設計質量的持續提高，其循環示意圖如圖1所示。設計質量控制輔助工具和方法集是一個工具模塊，它為其他四個功能模塊提供各種工具支持。
2 系統總體框架結構
產品設計質量控制系統是一個龐大的信息系統，它通常包括大小十多個應用系統。設計人員必須將顧客利益與企業利益融為一體，全盤考慮產品設計及其物化過程中大量的、錯綜復雜的質量屬性和影響因素，對各種可能的設計方案進行綜合分析、優化和決策，不斷消解沖突、力求實現全局質量最優的設計宗旨。為了支持這一過程的有效進行，建立計算機輔助的產品設計質量控制系統是十分必要的。如何構建一個開放的和可擴展的、并適應業務需求動態變化的信息系統框架結構是實施設計質量控制系統重點解決的課題。
應用支撐平臺是信息系統框架結構中的關鍵部分，它作為信息系統應用軟件的承載平臺，提供設計質量控制系統所需的各種服務，如資源共享、信息交換、業務訪問和業務集成等。同時它也為應用軟件的開發、部署和運行提供基礎環境。早期的設計質量控制系統建設由于各種原因，各個子系統和質量控制工具采用了不同平臺技術體系，使得它們之間缺乏統一架構與接口標準，這樣的系統難以滿足設計信息之間的互通、互操作、業務協作以及數據共享等需求，出現了各種技術方案來解決這些問題，但每種方案都有其不可解決的難點。本文提出了采用基于SOA的應用支撐平臺來解決它們之間的互通、互操作等問題，其基本思想是通過采用一致結構的、基于標準服務的支撐平臺技術實現各子系統間的互連、互通和互操作以及數據共享與集成。本文的質量控制系統的總體框架結構設計如圖2所示。
設計質量控制系統總體框架分為四個層次：
a）系統基礎設施層。該層包括硬件支持系統、計算機操作系統、通信網絡、數據庫管理和應用服務配置五個部分。它們是產品設計質量控制系統的基礎設施，并提供產品設計質量控制系統運行環境。
b）應用支撐平臺層。該層作為產品設計質量控制系統的承載平臺，提供了跨平臺應用框架和底層通用服務，并為各個子系統的部署和運行提供支撐作用。其具體框架結構參見3.2.2節。
c）應用層。該層是產品設計質量控制系統的核心部分，包括設計質量輔助工具部分和設計質量控制系統控制功能部分。它利用應用支撐平臺提供的環境與服務實現各個子系統的業務邏輯處理和信息服務。
d）用戶層。該層為各類用戶（設計人員和管理人員）提供統一的產品設計質量控制系統訪問入口，獲得與其身份相應的人機界面和應用訪問權限。
3 關鍵技術
3.1 采用設計質量BOM組織設計質量信息
設計質量BOM（billof material）的思路是借鑒產品物料清單的概念，將企業內外的設計質量信息按照產品配置結構進行組織，形成設計質量信息清單，簡稱設計質量BOM。以設計質量BOM為主線，引導企業全方位設計質量信息的組織。設計質量BOM是一種用來描述產品在企業內外范圍內所有設計質量信息的全局視圖[4]。
本文不再單獨地來看待設計質量，而是把設計質量看做產品設計階段的一種屬性，把設計質量信息作為產品設計信息的一部分，實現產品設計過程每一環節中設計質量信息與產品設計信息的完美結合，使得在產品設計過程中的各種質量特性數據得以完整、準確地收集和組織[5]。設計質量BOM的結構與樹型結構相似，如圖3所示，它將每個節點看做一個對象，并按產品的組成結構配置，設計質量BOM中每個節點對象的屬性是對應零部件的設計質量信息，而且設計質量BOM中每個節點對象還具有行為，即針對該零部件的設計質量活動，如設計策劃活動和設計評審活動等。因此采用設計質量BOM組織設計質量信息時必須先對產品的設計質量信息進行規劃、分類整理和集成，總結出產品在設計過程中所涉及的質量屬性和質量活動。另外，設計質量BOM不僅需要記錄產品各零部件某一特定時間維度的質量信息，還必須能追蹤記錄零部件不同時間維度上所表現出來的質量信息，因此設計質量BOM還具有動態性[4，6]。
3.2 基于SOA的應用支撐平臺結構
3.2.1 SOA架構
SOA的概念最早由 Gartner Group 于 1996 年提出，旨在為企業級各種基于不同中間件、操作平臺、編程語言的異構系統間的集成提供一種面向服務的解決方案框架[7]。如圖4(a)所示，SOA 是一個分布式組件模型，將應用程序的不同單元封裝成服務，這些服務通過企業服務總線(ESB)進行通信、交互以及編排管理。接口采用中立的方式定義，使得構建在系統中的服務可以使用統一和標準的方式進行通信，從而實現在分布的環境下將軟件組件、系統的各種功能以服務的形式提供給最終用戶或其他服務[7]。
圖4(b)是SOA的服務協作圖，由三個參與者和三項基本操作組成。其中，服務提供者和服務請求者之間能夠進行動態綁定和直接交互，實現企業應用的邏輯。SOA 強調服務的封裝、重用以及服務間的互操作性，通過描述—發布—發現—交互的一系列標準操作，為構建大規模、資源可重用、松散耦合的分布式系統提供了一個開放的體系結構[7]。
3.2.2 產品設計質量控制系統應用支撐平臺
綜上可知，產品設計質量控制系統分系統較多，各個分系統操作平臺、編程語言等差異較大，不易實現互操作和互通信息。基于SOA技術的集成架構相比P2P和多代理等集成技術具有很好的可擴展性、適應性和靈活性，并且容易實現各應用之間的互操作和信息互通 ，能夠避免信息系統各應用之間形成信息孤島，因此SOA技術更適合于產品設計質量控制系統的集成。本文采用SOA技術來架構產品設計質量控制系統應用支撐平臺，其具體結構如圖5所示。
如圖5所示，產品設計質量控制系統應用支撐平臺分為支撐工具、基礎應用服務、應用服務三層結構[8]。采用SOA技術來架構產品設計質量控制系統應用支撐平臺的目的就是使基礎應用服務和應用服務兩層中的所有功能都成為ESB上可以實現互操作與互通信息的標準服務。通過ESB，任意應用服務之間都實現了互通和互操作，它們為應用的接入提供了方便靈活的方式[8]。
1）支撐工具層 該層是整個系統的基礎，它為系統提供所需的各個服務器，如應用服務器和Web服務器等。
2）基礎應用服務層 該層是系統實現的關鍵層，就是為產品設計質量控制系統的各種應用服務的實現提供基本環境，實現各個應用服務的互通和互操作。基礎應用服務包括ESB和各類適配器，如應用適配器、消息適配器、數據庫適配器、非結構化數據適配器等，各類適配器主要用于連接系統的各類應用系統和數據源；而如安全管理服務、消息通信服務、數據訪問服務、應用集成服務以及其他公用服務等主要負責處理服務管理、安全管理和通信傳遞等需要。
3）應用服務層 該層是對產品設計質量控制系統的各子功能進行抽象后得到的服務集合及其服務接口，如各種系統都需要的用戶管理、身份認證和權限管理以及產品設計質量控制系統所必需的文檔管理、產品配置管理、工作流程管理和項目管理和其他通用業務等服務。其中，文檔管理、產品配置管理、工作流程管理和項目管理是產品設計質量控制系統最重要和基礎的服務。
4 系統的開發及應用實例
4.1 系統的開發環境和Web service實現技術
系統的開發環境主要包括網絡結構、操作系統和開發平臺幾個方面。綜合考慮了系統的功能需求及開發特點，其具體開發環境如下：
a）以局域網為硬件環境。
b）B/S結構可以很好地實現數據服務和實用程序的共享，而且系統易擴充、很靈活，簡化了企業信息系統的開發，B/S結構滿足了系統需求，系統將采用B/S開發模式。
c）客戶端采用Windows 2000操作系統，數據庫服務器和Web服務器端選用Windows 2000 Server操作系統。
d）Java語言具有高度的可移植性、穩定性和安全性等優點，這些使它一經推出就獲得了廣泛的支持。Java是一種移動式的計算平臺，它的“一次編程，到處可用”的特點使它成為了編寫網絡環境下的移動式構件的最佳選擇，所以選擇Java作為本系統的開發工具。
e）基于SOA架構的實現技術目前主要有Web service和開放式網格服務體系（OGSA）兩種。在應用集成實現中Web service有著先天的優勢，目前服務是面向服務體系的一個最好實現，產品設計質量控制系統采用了Web service技術來實現。Web service組件的設計主要采用JBuilder 7.0等J2EE集成開發工具。
Web service是在分布式計算、XML等技術相互融合的基礎上，采用HTTP、SOAP等Internet標準協議與分布式Web組件進行交互的自包含、自適應和自描述的軟件組件。Web service采用SOA對資源進行統一描述、發布、發現以及動態綁定與調用，可以解決Internet環境下松耦合分布式異構問題。Web service的核心技術規范包括XML、SOAP、Web服務描述語言以及UDDI。
該原型系統以開放性、可拓展性和可移植性為目標進行了開發，實現了設計質量策劃、設計質量評審與分析、設計質量協調等功能，并建立了質量的綜合分析、優化和評價的支撐工具系統和信息處理平臺。
4.2 應用實例
利用上述支持產品設計質量控制的計算機輔助系統對某公司的汽車外觀造型設計的質量控制進行了應用。
為了保留企業原有的一些系統，同時又讓這些系統適應新系統集成的需要，在各個設計分部門部署了基于WebLogic Server 9.0的企業服務總線，以Web services中間件的形式從企業數據庫中提取數據對設計總部提供數據服務。在必要情況下，設計總部應用程序通過企業Web services組件實現對企業數據庫的讀寫操作。
在服務總線中為了完成對企業底層數據庫的訪問和對已有數據進行封裝，筆者開發了標準化接口。采用直接使用數據庫接口驅動API，如Java數據庫連接JDBC、ADO.NET，在此基礎上開發數據訪問對象DAO，將這些數據訪問對象置于服務總線中，供標準化的Web services組件調用。
將開發的設計質量控制系統應用于該企業，系統主要執行步驟與過程如下：根據設計任務選擇并確定產品設計流程，然后確定產品設計質量控制系統的工作流程，如圖6所示。
按所確定的工作流程進行產品設計的設計質量策劃、設計過程質量控制、設計質量評估及分析、設計質量協調等產品設計質量控制工作。
本文的設計質量控制系統應用平臺作為服務的提供者和請求者，高效整合了該汽車外觀造型公司的數據和業務流程。通過服務層和數據層將集成的應用系統和各種數據源以服務的形式提供給各分部門，各分部門只要提取所需服務，使其實現信息的實時性、一致性交換和共享。各機構或用戶根據權限的不同，訪問該平臺的不同部分，增加了平臺的安全性。同時，組件之間相對獨立，使該公司應用平臺穩定可靠且具有可擴展性。在該系統的支持下，圓滿地完成了對某汽車外觀造型的設計任務，保證了產品的設計質量，提高了產品的市場競爭力。
5 結束語
本文詳細地介紹了在國家自然科學基金資助下所開發的原型系統，該原型系統采用了基于SOA的應用支撐平臺，以開放性、可拓展性和可移植性為目標進行了開發，實現了設計質量策劃、設計過程質量控制、設計質量評審與分析、設計質量協調等功能。該系統為控制產品設計過程中的質量提供了一個可行的方案和解決途徑，對提高產品質量、降低成本、增強產品的市場競爭力等方面都有積極的現實意義。
參考文獻：
［1］張根保. 現代質量工程[M].北京:機械工業出版社，2000:1518.
[2]朱蘭J M.朱蘭論質量策劃[M].楊文士，譯.北京:清華大學出版社，1999:510.
[3]王美清，唐曉青.產品協同設計質量控制模型研究[J].計算機集成制造系統，2006，12(5):654658，664.
[4]楊朋.設計質量信息集成技術研究及原型系統開發[D].重慶:重慶大學，2007.
[5]劉明周，任蘭，張銘鑫.產品質量統計過程中的制造質量數據管理方法研究[J].計算機集成制造系統，2005，11(2):280283.
[6]王燦，張根保，黃忠全，等.基于質量BOM和整合條碼的質量信息系統的開發和實施[J].工業工程與管理，2001(5):2225.
[7]賈麗，張和明.面向服務的分布式建模仿真框架研究[J].系統仿真學報，2007，19(20):46804684.
[8]陸鑫，周明天.數字化校園統一應用支撐平臺系統研究與設計[J].計算機應用研究，2007，24(12):279281.
