基于本体的装备质量监督信息共享与应用系统框架

李泽西， 孟 晨， 王 成

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

以“数字化军检”和“远程质量监控”为代表的装备质量监督信息化的发展极大地依赖于该领域信息的全维共享和高效应用。装备质量监督信息具有总量大、分布广泛、格式多样、时间跨度长等特点。为加强对该领域信息的有效管理，多年来，相关单位和组织开发了不同规模和应用范围的信息系统[1-3]，以期促进装备质量监督信息的共享与应用，提升质量监督的工作效率。然而，由于缺乏装备质量监督信息统一标准和规范化的信息描述，已开发的信息系统只能满足本部门、本专业领域的需求，导致信息系统多但管理信息的能力不足，信息冗余、异构、共享困难的问题依旧存在。同时，这些信息系统多以纵向树状结构为主要应用模式，很难进行横向的信息交互、集成与共享，无法满足装备质量监督对其信息实现跨部门共享的迫切需要，使质量监督者难以实时掌握连续完整的装备质量发展状况。另外，装备质量监督信息异构问题也增大了信息处理的难度，阻碍了对信息的深度应用，制约了装备质量监督信息化的进一步发展。

本体技术是实现信息在语义层面上共享和应用的基础。STUDER等[4]将其定义为“共享概念模型明确的形式化规范说明”，表明了本体在解决信息异构问题上的重要地位。本体通过构建概念模型实现对信息在语义层面上明确的、形式化的规范描述。基于这种描述，不仅可以打破现有信息系统之间的壁垒，还能为今后信息系统的规划奠定基础。同时，相比传统的数据库，以本体作为信息的组织形式更具智能化[5]。基于本体的语义检索作为一种更为丰富的语义表示途径，可实现信息在语义层面上的匹配，帮助计算机理解用户检索意图，能较好地处理一义多词和一词多义等问题，进而准确定位目标信息，高效地解决涉及信息语义层面的相关应用。

笔者通过分析装备质量监督信息的共享与应用需求，设计了基于本体的装备质量监督信息共享与应用的系统框架，详细阐述了该系统框架的结构组成及关键技术，从装备质量监督信息的处理程序出发，对系统框架的可行性和优越性进行了分析，为下一步系统的实现奠定了基础。

1 装备质量监督信息共享与应用的需求分析

装备质量监督是指军事代表及其装备主管机关(部门)对装备承制单位资格、产品实现过程以及产品质量所实施的一系列监督活动，其目的在于督促承制单位对军工产品提供质量保证、保证装备质量符合规定的要求[6]。

传统的装备质量监督主要依靠军事代表采用专人、专机、专管的工作模式进行，这种封闭式监管模式，虽然能在一定程度上增强质量监督工作的执行效力，但是依然存在诸多问题：一是质量监督的水平依赖于监督者的能力高低和经验积累；二是随着装备组成的复杂性不断提高，装备质量监督工作需要多人协作完成，在这种情况下往往因为对装备质量信息理解的差异和反馈滞后等，极易造成监督过程和要求不一致、监督流程相互脱节、装备质量问题排查和归零困难等现实矛盾；三是随着装备质量监督信息化建设的不断发展，传统信息“孤岛”式的监督模式势必成为发展的桎梏。因此，打造开放式的装备质量监督协作平台，是打破传统的封闭式监督模式的基础，而实现装备质量监督信息的全维共享和高效应用则是前提[7]。装备质量监督信息共享与应用的需求分析通过对装备质量监督领域分析和信息分析来实现。

1.1 装备质量监督领域分析

装备质量监督领域分析包括装备质量监督内涵分析和装备质量监督工作过程分析2个方面。

装备质量监督的内涵如图1所示，主要涉及装备质量监督的范围、重点、内容和形式。其中：装备质量监督的范围包括装备承制单位资格、产品实现过程和产品质量3个方面；装备质量监督的重点包括装备承制单位资格审查、过程质量控制和装备检验验收3项内容；装备质量监督的内容包括对质量保证体系、承制资格、合同落实过程、研制过程、生产过程、售后技术服务过程、检验验收、外购器材和装备贮存保管交接发运的监督9个部分；装备质量监督的形式包括质量管理体系审核、资格审查、过程监督、体系监督和检验验收5种形式[8]。

从整体上看，装备质量监督范围的3个方面相互渗透，互相影响。对装备承制单位资格的监督是实施产品实现过程和产品质量监督的基础，对产品实现过程的监督是开展产品质量监督的前提，而产品质量的监督结果则反映了对装备承制单位资格监督和对产品实现过程监督的整体效能。

图1 装备质量监督的内涵

装备质量监督工作过程如图2所示，该过程始终以装备质量形成过程为主线，包括装备研制过程质量监督、装备生产过程质量监督、装备检验验收和装备售后技术服务质量监督4个阶段，装备质量监督范围的3个方面则融入了这条主线当中。

图2 装备质量监督工作过程

1.2 装备质量监督信息分析

从装备质量监督领域分析出发，可将装备质量监督信息分为装备基本信息、装备研制监督信息、装备生产监督信息、装备检验验收信息和装备服务监督信息5个部分。

装备基本信息描述了与装备质量监督有关的装备基本特征，主要包括装备类别信息、装备军种信息、装备结构信息、装备承制单位信息以及装备合同信息。装备研制监督信息描述了与装备质量监督有关的装备研制过程及结果信息，主要包括装备研制阶段信息和装备研制监督内容信息。装备生产监督信息描述了与装备质量监督有关的装备生产过程及结果信息，主要包括装备生产环节类型信息和装备生产监督内容信息。装备检验验收信息描述了在产品检验验收中所获得的质量信息，主要包括产品基本信息、产品规范信息、检验验收阶段信息以及检验验收结果信息。装备服务监督信息描述了对装备售后技术服务监督所产生的相关信息，主要包括服务项目信息以及服务反馈信息。

2 基于本体的装备质量监督信息共享与应用系统框架设计

2.1 设计目标

基于本体的装备质量监督信息共享与应用系统是解决装备质量监督领域信息异构问题、辅助装备质量监督者高效开展产品检验验收、过程监督和承制单位资格审查的信息系统，它应能够实现如下2大功能：

1) 能对装备研制、生产、交付和售后技术服务过程中的质量监督信息进行标准化描述；解决制约该领域信息共享的信息异构问题，促进不同单位间质量监督信息的融合，实现质量信息的共享。

2) 能对装备质量监督信息进行深度应用；辅助装备质量监督者快速判定装备质量状态，高效获取目标信息，全面分析装备质量的发展变化，提高对装备质量问题的预警能力，增强质量信息对装备质量监督的调节和促进作用。

2.2 设计思路

基于本体的装备质量监督信息共享与应用系统框架(简称“系统框架”)设计思路如下：

1) 应明确需要标准化描述的装备质量监督信息，为后续的信息描述和应用奠定基础。

2) 应利用本体建模技术解决信息异构问题，对装备质量监督领域内的概念和术语进行高度抽象和形式化表达，构建包含该领域内共享和公认的领域概念集合的装备质量监督领域本体模型。该模型能提供有效的信息交流机制和统一规范的信息描述标准，消除领域内不同主体对同一信息的语义歧义，促进信息的融合与交互。

3) 应利用基于本体的语义检索技术，提升装备质量监督者对信息的检索效率，帮助其快速获取目标信息及其关联语义信息，进一步挖掘标准化描述的装备质量监督信息之间的潜在语义关系，辅助其建立基于信息的决策分析模型，从而为装备质量监督工作提供科学指导。

2.3 系统框架的结构组成及关键技术

根据上述设计目标及思路，基于本体的装备质量监督信息共享与应用系统框架应包括信息描述层和信息应用层，具体的结构组成如图3所示。

2.3.1 信息描述层

信息描述层是系统框架的基础，包括装备质量监督信息共享与应用的需求分析、装备质量监督领域本体建模2个阶段。其中：装备质量监督领域本体建模包括装备质量监督领域本体建模方法选择、装备质量监督领域本体建模与验证2个阶段。

目前，主流的本体建模方法均是在总结具体工程实践经验的基础上提出来的，尚不存在统一、通用的本体建模方法。这就要求在进行装备质量监督领域本体建模时，应根据该领域的特点，选择适用的本体建模方法。选择思路一般有2种：一种是直接选择与该领域特点相近的现有建模方法；另一种是将现有建模方法按照建模需求进行相应的调整再选用。

图3 基于装备质量监督信息共享系统与应用系统框架的结构组成

装备质量监督领域本体建模是按照所选择的本体建模方法，采用合适的本体描述语言对装备质量监督领域本体进行标准化描述，再借助本体编辑工具对标准化描述进行形式化编码的过程。进行装备质量监督领域本体建模的过程，也就是对装备质量监督信息进行标准化描述的过程，通过形式化定义该领域共享的概念及其相互关系，使多源异构的装备质量监督信息以实例的形式被整合到所描述的标准化的概念中，进而解决制约该领域信息共享的信息异构问题。由于装备质量监督领域涉及很多复杂的概念定义及属性关系，在选择本体描述语言时，应充分考虑该本体描述语言在语义方面的表达能力；同时，鉴于后续对装备质量监督领域本体模型推理的需要，所选择的本体描述语言还需具备有效的推理支持。本体网络语言(Ontology Web Language,OWL)是现阶段万维网联盟(World Wide Web Consortium,W3C)主推的本体描述语言，其子语言(Ontology Web Language Description Logic，OWL DL)在保证较强语义表达能力的同时提供了描述逻辑的推理功能，故可以选择OWL DL本体描述语言来描述装备质量监督领域本体。目前主流的本体编辑工具主要分为可视化手工编辑工具和半自动化编辑工具2类[9]。其中，由于Protégé本体编辑器使用简单、可扩展性强、插件丰富且几乎支持所有本体描述语言，故其是目前大部分本体建模者的首选工具，笔者选择该建模工具开展装备质量监督领域本体建模。

完成装备质量监督领域本体建模后，还应借助本体推理机等工具对该本体模型进行验证，以确保所构建的模型具有一致性和连贯性，保证模型后续使用的可靠性和有效性。通常在选择合适本体推理机的基础上，验证所建立本体的连贯性和一致性。通过验证的装备质量监督领域本体可以.owl格式的文件形式进行存储，方便后续的使用。

2.3.2 信息应用层

信息应用层是系统框架的重点，其核心思想是利用基于本体的语义推理和基于本体的语义相似度计算，实现对装备质量监督信息的高效应用。

1) 基于本体语义推理的装备检验验收信息应用

装备检验验收是装备质量监督中经常的、大量的和重要的内容，也是装备质量监督的重点和难点。装备检验验收兼具“事后把关”和“事前预防”的双重作用，其“事后把关”的作用体现在能对装备质量作出正确、客观的符合性判定，确保接收合格装备的同时拒收不合格装备，严控不合格装备进入下一道工序；其“事前预防”作用体现在利用已有的装备检验验收结果，分析装备质量的发展变化，并据此及时调整装备的研制和生产工作，防止装备质量问题的发生。因此，基于本体语义推理的装备检验验收信息应用包括2个方面。

一是利用基于本体语义推理的装备检验验收信息应用发挥“事后把关”的作用。通过将装备检验验收涉及的监督依据转化为自定义的推理规则，在相关推理引擎的帮助下，将基于人工审查的传统装备检验验收方法转化为基于本体语义推理的装备质量自动审查和符合性判定，降低人为因素对装备检验验收结论的影响，提高装备检验验收的工作效率，确保装备检验验收结论的正确性和有效性。上述自定义推理规则可采用语义网络规则语言(Semantic Web Rule Language,SWRL)进行描述，通过将装备检验验收涉及的依据转化为基于SWRL的产生式规则，配合使用相应的本体推理机，即可实现对自定义规则的语义推理功能。在本体推理机选择方面，在基于规则的本体推理机Drools上叠加基于描述逻辑的Pellet的推理机是一个很好的选择。Drools推理机可实现基于自定义规则的推理，Pellet本体推理机是一个较为完善的OWL-DL推理机，当只进行个体推理时可优先选用[10]。由于装备检验验收过程中既涉及到大量的装备检验验收实例，又涵盖了复杂的质量约束规则，因此，可在Drools推理机上叠加Pellet推理机，以提高本体语义推理的综合效能。

二是利用基于本体语义推理的装备检验验收信息应用发挥“事前预防”的作用。在查询已有装备检验验收结果时使用基于本体语义推理的查询方法，可有效提高查询的“查全率”。首先，这种查询方式可将传统基于关键词匹配的信息查询提升到基于概念匹配的语义查询[11]，能尽可能全面地将已有装备检验验收结果信息与给装备质量监督者共享；同时，它还能根据用户的需求，依据本体中定义的概念及其相互关系，对装备质量监督者输入的查询词进行语义层面的准确缩放，帮助装备质量监督者找到与所输入的查询词具有关联语义关系的信息内容，为指导装备研制和生产实践提供科学的信息决策支持。

2) 基于本体语义相似度和相关度计算的装备质量问题定位分析

装备质量问题处理是装备质量监督的重要环节，与装备质量监督全过程息息相关。在装备研制、生产和使用等各阶段进行质量监督时，或多或少都可能涉及到装备质量问题处理，而装备质量问题处理的核心在于对装备质量问题准确、快速的定位分析。

基于本体语义相似度和相关度计算是一种定量处理信息语义的方法，其依据装备质量监督领域本体中对该领域概念间层次关系及其对象属性关系的定义，对从装备质量监督者输入的装备质量问题案例中的关键词进行语义扩展，计算装备质量监督者输入的装备质量问题案例与已发生问题案例之间的语义相似度，然后按照与所输入案例的语义相似度和相关度大小进行排序，辅助装备质量监督者快速找到产生过类似问题的装备案例，为装备质量问题的定位分析提供指导，使装备质量监督者利用信息作出的装备质量问题定位分析更加科学高效，从而发挥装备质量监督信息对装备质量监督工作的指导和促进作用。

3 构建装备质量监督信息共享与应用系统框架的优越性分析

装备质量监督信息处理程序一般分为信息收集、信息处理、信息传递、信息存储和信息反馈5个阶段[12]，如图4所示。

图4 装备质量监督信息处理程序

信息收集通过明确信息来源、分类和内容来选择相应的信息收集方式，常见的信息收集方式包括电话传真外访、相关工作会议和报表汇报总结3种类型。通过明确信息来源，可从宏观上把握装备质量监督的范围、重点、内容和形式，实现装备质量监督领域分析。通过明确信息分类和内容，可按照装备质量的形成过程和影响因素划分装备质量监督的工作阶段，并据此对装备质量监督信息进行分析。

信息处理需要对信息进行审查筛选、分类汇总、统计分析和综合分析，可采取定量处理和定性处理2种方式。通过对信息进行审查筛选，可以保证信息的真实性和实用性，以便更加合理地选择适用于装备质量监督领域的本体建模方法。通过对信息的分类汇总，可以将信息按照分析和处理的需要进行划分，辅助装备质量监督领域本体建模过程中基于信息分类的概念及其关系的划分，提高信息标准化描述的效率。通过对信息进行统计分析和综合分析，可将分散、多源的信息整合成易于使用、添加的信息资源，进而实现基于装备质量监督领域本体的语义推理以及语义相似度和相关度计算。

信息传递包括横向传递、纵向传递和反向传递，反映了信息共享和交互的需求。通过信息传递可提升信息的利用率、增强信息的流动性、促进信息的融合与重用，为装备质量监督领域本体建模奠定信息基础，使建模过程更加高效，所建立的本体更加全面和准确。

信息存储分为永久存储、长期存储和短期存储。通过信息存储可对信息处理的结果进行管理，便于信息的检索和再次使用，从而促进对装备质量监督领域本体的验证。

信息反馈是一种反向的信息传递方式。通过信息反馈可以进行反向的装备质量监督领域本体推理，并从结果的角度判断基于装备质量监督领域本体语义相似度和相关度计算的准确性。

利用基于本体的装备质量监督信息共享与应用系统框架，可以高效完成装备质量监督信息处理，其优越性体现在如下2个方面：

1) 通过装备质量监督领域分析和装备质量监督领域信息分析，可以更加清晰地确定以信息来源、分类和内容为导向的信息收集方式，提高信息收集的正确性和有效性。这是因为：一是通过装备质量监督领域本体建模方法选择可以进一步对信息进行审查筛选，以剔除错误和不符合要求的信息对装备质量监督的负面影响；二是通过装备质量监督领域本体建模，可从本质上对信息进行分类，消除信息冗余，降低对信息的处理难度；三是通过定义概念及其相互关系明确规定出信息的分类情况，使异构信息具有统一的语义，消除目前制约信息传递的信息异构问题，提高信息的处理效率、打通信息的横向传递渠道；四是通过装备质量监督领域本体验证，将信息以本体的形式进行存储，升级信息存储方式，实现信息由传统文档的存储形式向智能文档的存储形式进行转化，可减少信息冗余，并为实现信息语义层面的应用奠定基础。

2) 通过基于本体语义推理的装备检验验收信息化应用，将监督依据转化为自定义的推理规则，可对信息做出合格与否的判断，间接判断信息收集的准确性。通过基于本体语义相似度和相关度计算的装备质量问题定位，能优化信息处理能力、提升信息反馈效率，发挥信息对装备质量问题处理的指导作用，帮助用户作出科学的定位决策。

4 结论

笔者以实现装备质量监督信息共享与应用为目标，在分析装备质量监督信息共享与应用需求的基础上，设计了基于本体的装备质量监督信息共享与应用系统框架。由于装备质量监督工作涉及面广、程序过程庞杂，若想通过领域信息共享实现装备质量监督领域全方位信息化应用，还需要开展大量研究。目前，利用本体技术解决民用领域质量监督的信息共享与应用问题的研究已有很多成功的案例，但由于装备质量监督领域的特殊性，国外鲜有基于本体技术的应用研究方面的文献报道，而国内本体技术在该领域也没有得到广泛应用。因此，笔者提出的系统框架对实现装备质量监督领域信息的共享与应用具有一定的参考价值和借鉴意义。本文研究尚处于理论阶段，在后续研究中，将通过开发装备质量监督信息共享与应用系统对提出的系统框架开展进一步的验证。