基于本體的裝備質量監督信息共享與應用系統框架

李澤西， 孟 晨， 王 成

(1. 陸軍工程大學石家莊校區導彈工程系，河北 石家莊 050003； 2. 陸軍裝備部駐西安地區軍事代表局， 陜西 西安 710000)

以“數字化軍檢”和“遠程質量監控”為代表的裝備質量監督信息化的發展極大地依賴于該領域信息的全維共享和高效應用。裝備質量監督信息具有總量大、分布廣泛、格式多樣、時間跨度長等特點。為加強對該領域信息的有效管理，多年來，相關單位和組織開發了不同規模和應用范圍的信息系統[1-3]，以期促進裝備質量監督信息的共享與應用，提升質量監督的工作效率。然而，由于缺乏裝備質量監督信息統一標準和規范化的信息描述，已開發的信息系統只能滿足本部門、本專業領域的需求，導致信息系統多但管理信息的能力不足，信息冗余、異構、共享困難的問題依舊存在。同時，這些信息系統多以縱向樹狀結構為主要應用模式，很難進行橫向的信息交互、集成與共享，無法滿足裝備質量監督對其信息實現跨部門共享的迫切需要，使質量監督者難以實時掌握連續完整的裝備質量發展狀況。另外，裝備質量監督信息異構問題也增大了信息處理的難度，阻礙了對信息的深度應用，制約了裝備質量監督信息化的進一步發展。

本體技術是實現信息在語義層面上共享和應用的基礎。STUDER等[4]將其定義為“共享概念模型明確的形式化規范說明”，表明了本體在解決信息異構問題上的重要地位。本體通過構建概念模型實現對信息在語義層面上明確的、形式化的規范描述。基于這種描述，不僅可以打破現有信息系統之間的壁壘，還能為今后信息系統的規劃奠定基礎。同時，相比傳統的數據庫，以本體作為信息的組織形式更具智能化[5]。基于本體的語義檢索作為一種更為豐富的語義表示途徑，可實現信息在語義層面上的匹配，幫助計算機理解用戶檢索意圖，能較好地處理一義多詞和一詞多義等問題，進而準確定位目標信息，高效地解決涉及信息語義層面的相關應用。

筆者通過分析裝備質量監督信息的共享與應用需求，設計了基于本體的裝備質量監督信息共享與應用的系統框架，詳細闡述了該系統框架的結構組成及關鍵技術，從裝備質量監督信息的處理程序出發，對系統框架的可行性和優越性進行了分析，為下一步系統的實現奠定了基礎。

1 裝備質量監督信息共享與應用的需求分析

裝備質量監督是指軍事代表及其裝備主管機關(部門)對裝備承制單位資格、產品實現過程以及產品質量所實施的一系列監督活動，其目的在于督促承制單位對軍工產品提供質量保證、保證裝備質量符合規定的要求[6]。

傳統的裝備質量監督主要依靠軍事代表采用專人、專機、專管的工作模式進行，這種封閉式監管模式，雖然能在一定程度上增強質量監督工作的執行效力，但是依然存在諸多問題：一是質量監督的水平依賴于監督者的能力高低和經驗積累；二是隨著裝備組成的復雜性不斷提高，裝備質量監督工作需要多人協作完成，在這種情況下往往因為對裝備質量信息理解的差異和反饋滯后等，極易造成監督過程和要求不一致、監督流程相互脫節、裝備質量問題排查和歸零困難等現實矛盾；三是隨著裝備質量監督信息化建設的不斷發展，傳統信息“孤島”式的監督模式勢必成為發展的桎梏。因此，打造開放式的裝備質量監督協作平臺，是打破傳統的封閉式監督模式的基礎，而實現裝備質量監督信息的全維共享和高效應用則是前提[7]。裝備質量監督信息共享與應用的需求分析通過對裝備質量監督領域分析和信息分析來實現。

1.1 裝備質量監督領域分析

裝備質量監督領域分析包括裝備質量監督內涵分析和裝備質量監督工作過程分析2個方面。

裝備質量監督的內涵如圖1所示，主要涉及裝備質量監督的范圍、重點、內容和形式。其中：裝備質量監督的范圍包括裝備承制單位資格、產品實現過程和產品質量3個方面；裝備質量監督的重點包括裝備承制單位資格審查、過程質量控制和裝備檢驗驗收3項內容；裝備質量監督的內容包括對質量保證體系、承制資格、合同落實過程、研制過程、生產過程、售后技術服務過程、檢驗驗收、外購器材和裝備貯存保管交接發運的監督9個部分；裝備質量監督的形式包括質量管理體系審核、資格審查、過程監督、體系監督和檢驗驗收5種形式[8]。

從整體上看，裝備質量監督范圍的3個方面相互滲透，互相影響。對裝備承制單位資格的監督是實施產品實現過程和產品質量監督的基礎，對產品實現過程的監督是開展產品質量監督的前提，而產品質量的監督結果則反映了對裝備承制單位資格監督和對產品實現過程監督的整體效能。

圖1 裝備質量監督的內涵

裝備質量監督工作過程如圖2所示，該過程始終以裝備質量形成過程為主線，包括裝備研制過程質量監督、裝備生產過程質量監督、裝備檢驗驗收和裝備售后技術服務質量監督4個階段，裝備質量監督范圍的3個方面則融入了這條主線當中。

圖2 裝備質量監督工作過程

1.2 裝備質量監督信息分析

從裝備質量監督領域分析出發，可將裝備質量監督信息分為裝備基本信息、裝備研制監督信息、裝備生產監督信息、裝備檢驗驗收信息和裝備服務監督信息5個部分。

裝備基本信息描述了與裝備質量監督有關的裝備基本特征，主要包括裝備類別信息、裝備軍種信息、裝備結構信息、裝備承制單位信息以及裝備合同信息。裝備研制監督信息描述了與裝備質量監督有關的裝備研制過程及結果信息，主要包括裝備研制階段信息和裝備研制監督內容信息。裝備生產監督信息描述了與裝備質量監督有關的裝備生產過程及結果信息，主要包括裝備生產環節類型信息和裝備生產監督內容信息。裝備檢驗驗收信息描述了在產品檢驗驗收中所獲得的質量信息，主要包括產品基本信息、產品規范信息、檢驗驗收階段信息以及檢驗驗收結果信息。裝備服務監督信息描述了對裝備售后技術服務監督所產生的相關信息，主要包括服務項目信息以及服務反饋信息。

2 基于本體的裝備質量監督信息共享與應用系統框架設計

2.1 設計目標

基于本體的裝備質量監督信息共享與應用系統是解決裝備質量監督領域信息異構問題、輔助裝備質量監督者高效開展產品檢驗驗收、過程監督和承制單位資格審查的信息系統，它應能夠實現如下2大功能：

1) 能對裝備研制、生產、交付和售后技術服務過程中的質量監督信息進行標準化描述；解決制約該領域信息共享的信息異構問題，促進不同單位間質量監督信息的融合，實現質量信息的共享。

2) 能對裝備質量監督信息進行深度應用；輔助裝備質量監督者快速判定裝備質量狀態，高效獲取目標信息，全面分析裝備質量的發展變化，提高對裝備質量問題的預警能力，增強質量信息對裝備質量監督的調節和促進作用。

2.2 設計思路

基于本體的裝備質量監督信息共享與應用系統框架(簡稱“系統框架”)設計思路如下：

1) 應明確需要標準化描述的裝備質量監督信息，為后續的信息描述和應用奠定基礎。

2) 應利用本體建模技術解決信息異構問題，對裝備質量監督領域內的概念和術語進行高度抽象和形式化表達，構建包含該領域內共享和公認的領域概念集合的裝備質量監督領域本體模型。該模型能提供有效的信息交流機制和統一規范的信息描述標準，消除領域內不同主體對同一信息的語義歧義，促進信息的融合與交互。

3) 應利用基于本體的語義檢索技術，提升裝備質量監督者對信息的檢索效率，幫助其快速獲取目標信息及其關聯語義信息，進一步挖掘標準化描述的裝備質量監督信息之間的潛在語義關系，輔助其建立基于信息的決策分析模型，從而為裝備質量監督工作提供科學指導。

2.3 系統框架的結構組成及關鍵技術

根據上述設計目標及思路，基于本體的裝備質量監督信息共享與應用系統框架應包括信息描述層和信息應用層，具體的結構組成如圖3所示。

2.3.1 信息描述層

信息描述層是系統框架的基礎，包括裝備質量監督信息共享與應用的需求分析、裝備質量監督領域本體建模2個階段。其中：裝備質量監督領域本體建模包括裝備質量監督領域本體建模方法選擇、裝備質量監督領域本體建模與驗證2個階段。

目前，主流的本體建模方法均是在總結具體工程實踐經驗的基礎上提出來的，尚不存在統一、通用的本體建模方法。這就要求在進行裝備質量監督領域本體建模時，應根據該領域的特點，選擇適用的本體建模方法。選擇思路一般有2種：一種是直接選擇與該領域特點相近的現有建模方法；另一種是將現有建模方法按照建模需求進行相應的調整再選用。

圖3 基于裝備質量監督信息共享系統與應用系統框架的結構組成

裝備質量監督領域本體建模是按照所選擇的本體建模方法，采用合適的本體描述語言對裝備質量監督領域本體進行標準化描述，再借助本體編輯工具對標準化描述進行形式化編碼的過程。進行裝備質量監督領域本體建模的過程，也就是對裝備質量監督信息進行標準化描述的過程，通過形式化定義該領域共享的概念及其相互關系，使多源異構的裝備質量監督信息以實例的形式被整合到所描述的標準化的概念中，進而解決制約該領域信息共享的信息異構問題。由于裝備質量監督領域涉及很多復雜的概念定義及屬性關系，在選擇本體描述語言時，應充分考慮該本體描述語言在語義方面的表達能力；同時，鑒于后續對裝備質量監督領域本體模型推理的需要，所選擇的本體描述語言還需具備有效的推理支持。本體網絡語言(Ontology Web Language,OWL)是現階段萬維網聯盟(World Wide Web Consortium,W3C)主推的本體描述語言，其子語言(Ontology Web Language Description Logic，OWL DL)在保證較強語義表達能力的同時提供了描述邏輯的推理功能，故可以選擇OWL DL本體描述語言來描述裝備質量監督領域本體。目前主流的本體編輯工具主要分為可視化手工編輯工具和半自動化編輯工具2類[9]。其中，由于Protégé本體編輯器使用簡單、可擴展性強、插件豐富且幾乎支持所有本體描述語言，故其是目前大部分本體建模者的首選工具，筆者選擇該建模工具開展裝備質量監督領域本體建模。

完成裝備質量監督領域本體建模后，還應借助本體推理機等工具對該本體模型進行驗證，以確保所構建的模型具有一致性和連貫性，保證模型后續使用的可靠性和有效性。通常在選擇合適本體推理機的基礎上，驗證所建立本體的連貫性和一致性。通過驗證的裝備質量監督領域本體可以.owl格式的文件形式進行存儲，方便后續的使用。

2.3.2 信息應用層

信息應用層是系統框架的重點，其核心思想是利用基于本體的語義推理和基于本體的語義相似度計算，實現對裝備質量監督信息的高效應用。

1) 基于本體語義推理的裝備檢驗驗收信息應用

裝備檢驗驗收是裝備質量監督中經常的、大量的和重要的內容，也是裝備質量監督的重點和難點。裝備檢驗驗收兼具“事后把關”和“事前預防”的雙重作用，其“事后把關”的作用體現在能對裝備質量作出正確、客觀的符合性判定，確保接收合格裝備的同時拒收不合格裝備，嚴控不合格裝備進入下一道工序；其“事前預防”作用體現在利用已有的裝備檢驗驗收結果，分析裝備質量的發展變化，并據此及時調整裝備的研制和生產工作，防止裝備質量問題的發生。因此，基于本體語義推理的裝備檢驗驗收信息應用包括2個方面。

一是利用基于本體語義推理的裝備檢驗驗收信息應用發揮“事后把關”的作用。通過將裝備檢驗驗收涉及的監督依據轉化為自定義的推理規則，在相關推理引擎的幫助下，將基于人工審查的傳統裝備檢驗驗收方法轉化為基于本體語義推理的裝備質量自動審查和符合性判定，降低人為因素對裝備檢驗驗收結論的影響，提高裝備檢驗驗收的工作效率，確保裝備檢驗驗收結論的正確性和有效性。上述自定義推理規則可采用語義網絡規則語言(Semantic Web Rule Language,SWRL)進行描述，通過將裝備檢驗驗收涉及的依據轉化為基于SWRL的產生式規則，配合使用相應的本體推理機，即可實現對自定義規則的語義推理功能。在本體推理機選擇方面，在基于規則的本體推理機Drools上疊加基于描述邏輯的Pellet的推理機是一個很好的選擇。Drools推理機可實現基于自定義規則的推理，Pellet本體推理機是一個較為完善的OWL-DL推理機，當只進行個體推理時可優先選用[10]。由于裝備檢驗驗收過程中既涉及到大量的裝備檢驗驗收實例，又涵蓋了復雜的質量約束規則，因此，可在Drools推理機上疊加Pellet推理機，以提高本體語義推理的綜合效能。

二是利用基于本體語義推理的裝備檢驗驗收信息應用發揮“事前預防”的作用。在查詢已有裝備檢驗驗收結果時使用基于本體語義推理的查詢方法，可有效提高查詢的“查全率”。首先，這種查詢方式可將傳統基于關鍵詞匹配的信息查詢提升到基于概念匹配的語義查詢[11]，能盡可能全面地將已有裝備檢驗驗收結果信息與給裝備質量監督者共享；同時，它還能根據用戶的需求，依據本體中定義的概念及其相互關系，對裝備質量監督者輸入的查詢詞進行語義層面的準確縮放，幫助裝備質量監督者找到與所輸入的查詢詞具有關聯語義關系的信息內容，為指導裝備研制和生產實踐提供科學的信息決策支持。

2) 基于本體語義相似度和相關度計算的裝備質量問題定位分析

裝備質量問題處理是裝備質量監督的重要環節，與裝備質量監督全過程息息相關。在裝備研制、生產和使用等各階段進行質量監督時，或多或少都可能涉及到裝備質量問題處理，而裝備質量問題處理的核心在于對裝備質量問題準確、快速的定位分析。

基于本體語義相似度和相關度計算是一種定量處理信息語義的方法，其依據裝備質量監督領域本體中對該領域概念間層次關系及其對象屬性關系的定義，對從裝備質量監督者輸入的裝備質量問題案例中的關鍵詞進行語義擴展，計算裝備質量監督者輸入的裝備質量問題案例與已發生問題案例之間的語義相似度，然后按照與所輸入案例的語義相似度和相關度大小進行排序，輔助裝備質量監督者快速找到產生過類似問題的裝備案例，為裝備質量問題的定位分析提供指導，使裝備質量監督者利用信息作出的裝備質量問題定位分析更加科學高效，從而發揮裝備質量監督信息對裝備質量監督工作的指導和促進作用。

3 構建裝備質量監督信息共享與應用系統框架的優越性分析

裝備質量監督信息處理程序一般分為信息收集、信息處理、信息傳遞、信息存儲和信息反饋5個階段[12]，如圖4所示。

圖4 裝備質量監督信息處理程序

信息收集通過明確信息來源、分類和內容來選擇相應的信息收集方式，常見的信息收集方式包括電話傳真外訪、相關工作會議和報表匯報總結3種類型。通過明確信息來源，可從宏觀上把握裝備質量監督的范圍、重點、內容和形式，實現裝備質量監督領域分析。通過明確信息分類和內容，可按照裝備質量的形成過程和影響因素劃分裝備質量監督的工作階段，并據此對裝備質量監督信息進行分析。

信息處理需要對信息進行審查篩選、分類匯總、統計分析和綜合分析，可采取定量處理和定性處理2種方式。通過對信息進行審查篩選，可以保證信息的真實性和實用性，以便更加合理地選擇適用于裝備質量監督領域的本體建模方法。通過對信息的分類匯總，可以將信息按照分析和處理的需要進行劃分，輔助裝備質量監督領域本體建模過程中基于信息分類的概念及其關系的劃分，提高信息標準化描述的效率。通過對信息進行統計分析和綜合分析，可將分散、多源的信息整合成易于使用、添加的信息資源，進而實現基于裝備質量監督領域本體的語義推理以及語義相似度和相關度計算。

信息傳遞包括橫向傳遞、縱向傳遞和反向傳遞，反映了信息共享和交互的需求。通過信息傳遞可提升信息的利用率、增強信息的流動性、促進信息的融合與重用，為裝備質量監督領域本體建模奠定信息基礎，使建模過程更加高效，所建立的本體更加全面和準確。

信息存儲分為永久存儲、長期存儲和短期存儲。通過信息存儲可對信息處理的結果進行管理，便于信息的檢索和再次使用，從而促進對裝備質量監督領域本體的驗證。

信息反饋是一種反向的信息傳遞方式。通過信息反饋可以進行反向的裝備質量監督領域本體推理，并從結果的角度判斷基于裝備質量監督領域本體語義相似度和相關度計算的準確性。

利用基于本體的裝備質量監督信息共享與應用系統框架，可以高效完成裝備質量監督信息處理，其優越性體現在如下2個方面：

1) 通過裝備質量監督領域分析和裝備質量監督領域信息分析，可以更加清晰地確定以信息來源、分類和內容為導向的信息收集方式，提高信息收集的正確性和有效性。這是因為：一是通過裝備質量監督領域本體建模方法選擇可以進一步對信息進行審查篩選，以剔除錯誤和不符合要求的信息對裝備質量監督的負面影響；二是通過裝備質量監督領域本體建模，可從本質上對信息進行分類，消除信息冗余，降低對信息的處理難度；三是通過定義概念及其相互關系明確規定出信息的分類情況，使異構信息具有統一的語義，消除目前制約信息傳遞的信息異構問題，提高信息的處理效率、打通信息的橫向傳遞渠道；四是通過裝備質量監督領域本體驗證，將信息以本體的形式進行存儲，升級信息存儲方式，實現信息由傳統文檔的存儲形式向智能文檔的存儲形式進行轉化，可減少信息冗余，并為實現信息語義層面的應用奠定基礎。

2) 通過基于本體語義推理的裝備檢驗驗收信息化應用，將監督依據轉化為自定義的推理規則，可對信息做出合格與否的判斷，間接判斷信息收集的準確性。通過基于本體語義相似度和相關度計算的裝備質量問題定位，能優化信息處理能力、提升信息反饋效率，發揮信息對裝備質量問題處理的指導作用，幫助用戶作出科學的定位決策。

4 結論

筆者以實現裝備質量監督信息共享與應用為目標，在分析裝備質量監督信息共享與應用需求的基礎上，設計了基于本體的裝備質量監督信息共享與應用系統框架。由于裝備質量監督工作涉及面廣、程序過程龐雜，若想通過領域信息共享實現裝備質量監督領域全方位信息化應用，還需要開展大量研究。目前，利用本體技術解決民用領域質量監督的信息共享與應用問題的研究已有很多成功的案例，但由于裝備質量監督領域的特殊性，國外鮮有基于本體技術的應用研究方面的文獻報道，而國內本體技術在該領域也沒有得到廣泛應用。因此，筆者提出的系統框架對實現裝備質量監督領域信息的共享與應用具有一定的參考價值和借鑒意義。本文研究尚處于理論階段，在后續研究中，將通過開發裝備質量監督信息共享與應用系統對提出的系統框架開展進一步的驗證。