从国际标准看产品设计质量的数字化控制 (李国平、李德伟)| 标准化建设

更新：2020-01-22 　点击：次

从国际标准看产品设计质量的数字化控制 (李国平、李德伟)

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在中国制造转型升级中，数字化是一个重要概念，但什么又是数字化呢？

也许我们会认为CAD、CAM、PLM、ERP、MES、MOM、CAT、CMM、MAA、或者现在最时髦的MBd、MBe、MBD、MBE、DigitTwin、DigitThread、LOTAR等等，甚至有人还在说数据中台就是数字化。这些是数字化，但确切地说，是数字化的一部分，相当一部分仅仅是数字化的工具。

而数字化的核心应该是决策过程的数字化，或者说是基于数字（数据和信息）的决策。对于设计而言，就是设计过程的数字化决策过程，一个工程目标的设计定义过程。对于过程，ISO 9000给出了整套解决方案，从“过程方法”、“循证决策”到“改进”，以及基于风险的思维等。其中的“循证决策”以前被称为“基于事实的决策方法”，它表述了“基于数据和信息的分析和评价的决策，更有可能产生期望的结果”的理念。那么这个数字化的决策到底应该怎么做呢？

结合着ISO提供的相关原则、PDCA方法、以及与产品几何精度相关的ISO标准和标准体系，我们应该能够看到产品几何质量的设计过程，也许真的需要结合了这一系列标准、理念、思路和方法才能看到这个基于数字化工具和数字化决策的设计与控制过程：

场景对偶：所谓设计，实际上就是精准描述基于真实应用场景的产品性能和操作过程的过程，对于几何质量而言，ISO 8015专门给出了控制原则和对偶原则，它可以理解为要求设计结果对偶于应用场景，控制（设计）描述的结果和过程，并经过充分和反复的验证（这就是作者谈及产品几何技术规范和验证系列标准（一般称为GPS标准）时，始终不放走验证（Verification）的原因，称之为GPS&V）
专业描述：质量的定义是一组固有特性的满足要求的程度，那么什么是固有特性呢？怎样定义固有特性呢？怎样描述固有特性呢？怎样规范固有特性的指标和过程呢，这一切都需要专业，包括专业的知识、专业的工具、专业的流程、专业的方法等。今天，标准几乎涉及了所有的领域，并提供了相应的工具、流程和方法，在这么多的“专业”下，不将各路标准融合着看就难以全面理解“专业“一词。
过程规范：质量控制，来源于规范的操作，设计同样如此，为此，ISO在全球工程师几何质量设计保障实践的基础上，给出了一系列的规范操作过程和方法，其核心同样是以“过程”为单位的分段和验证。从而进一步体现了可操作、可交付、可度量的特性。ISO 17450标准给出了几何质量的一系列规范操作，被称之为“操作集”，一组有序的操作。
工程底线：在工程图样上到底如何给出合理的公差值？，到底给出什么样的公差值？ISO 8015专门给出了“功能限”、“公差限”、“功能水平”等概念，明确规定功能限是工程底线，图样上的公差限就是功能限。公差限内100%满足功能要求。于是，质量自然满足了，产品的成本有相当的一部分自然就被考虑了（还有一部分与工艺和制造过程、供应链等有关）。
数字决策：循证决策，基于数据和信息的决策，这就需要通过全指标、全过程、全结果的数字化来实现，但考虑到各种因素造成的影响，ISO 17450专门给出了模糊度和不确定度的概念，用以评估设计结果并进行基于数字（数据和信息）的决策
规范的语言：最后用工程语言承载设计的要求和信息，这就需要用到产品技术文件系列标准（TPD），产品几何技术规范和验证系列标准（GPS&V），基于模型的定义（MBd）/基于模型的定义（MBD）等标准。

上述的六点要求，ISO通过GPS&V系列标准完整地表述了出来。为了能够对设计过程和结果进行有效的基于数字（数据和信息）的控制，早在《GB/Z 23637.2-2009 产品几何技术规范（GPS）通用概念第2部分：基本原则、规范，操作和不确定度（idt. ISO/TS 17450-2:2002）》中，ISO针对几何质量设计过程，已专门明确给出给出了一系列的不确定度概念，它们包括：

不确定度（uncertainty）表征合理地赋予预定值或相关值的分散性，与预定值或相关值相联系的参数。
测量不确定度（measurement uncertainty），表征合理地赋予被测量之值的分散性，与测量结果相联系的参数。
规范不确定度（specification uncertainty），用于实际要素/要求的实际规范操作集内在不确定度。
相关不确定度（correlation uncertainty）由实际规范操作集和规定工件设计功能的功能操作集之间的差异引起的不确定度，用来表述实际规范操作集的术语和单位。
符合性不确定度（compliance uncertainty），测量不确定度和规范不确定度之和（参考GUM）。
总不确定度（total uncertainty），总不确定是相关不确定度、规范不确定度和测量不确定度之和。

注：上述概念直接摘自GB/Z 24637.2-2009标准

下图（图1）是ISO/TS 17450-2:2002给出的这些不确定度和规范操作（操作集）的关系。

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这些"度"的出现，就是用数字来表述和评价这些“过程”的结果，这里可以引伸几个概念：

设计的结果是一系列规范操作集的实际操作结果，它与输入和期望会存在差异。
按规范操作集开展的操作会得到结果，它与规范和期望会存在差异。
构建规范操作集是一个建模过程，开展和控制规范操作，是一种基于“对偶”的操作，用数字化将其融合在一起就是一个Digit Twin。

综上，我们看到了用数字去验证设计结果、控制设计过程、规范设计结果的设计过程。但我们也看到了这一过程的实施难度，尽管ISO明确给出了思路，但在实际操作中，但其可操作性并不强，当然，其提供的思路和方法的力量还是不可忽视的。

事实上，ISO持续对这个过程进行了深化研究，经过10年的努力，ISO于2012年发布了新的 ISO 17450-2:2012，表面上看，改动似乎并不大。而实际上是有实质性变化的。首先ISO将该标准从技术文件升格为正式标准，这表明经过多年实际应用，该标准已具有实际应用价值，其次则进一步梳理了几何质量的设计与控制过程，特别是明确给出了模糊度（ambiguity）的概念，并将其作为标准题目的一部分。下图（图2）是《ISO/TS 17450-2:2012 Geometrical productspecifications (GPS) — General concepts — Part 2: Basic tenets, specifications, operators,uncertainties and ambiguities（产品几何技术规范（GPS）通用概念第2部分：基本原则、规范，操作、不确定度和模糊度）》标准给出的几何质量设计、验证的数字化操作、验证过程的控制架构。

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两版标准在内容之间最明显的差异就在模糊度的出现。早在ISO/TS 17450.2:2002版中的也讨论了模糊性问题，并认为“规范不确定度”量化了规范操作集的模糊性。但在ISO17450.2:2012则给出了明确的定义：

规范模糊度（ambiguity of specification），用于实际要素的实际规范操作集固有的不确定度。
功能描述模糊度( ambiguity of the description of the function),由实际规范操作集与功能操作集之间的差异造成的不确定性。功能操作集定义了工件的预期功能，并用实际规范操作集的术语和单位表示。
删除了符合不确定度度的概念，事实上，它已包含在其他几个不确定度中了

注：上述概念作者译自ISO 17450.2:-2012标准

从标准的原文看，这二个定义分别与ISO/TS17450.2:2002版中的“规范不确定度”和“相关不确定度”完全一样，但所定义的术语名字却改了，这就值得探讨。从某种角度讲，新的ISO 17450标准对设计过程的理解更精准了，定义也就更为准确了：

首先不确定度和模糊度应该，而且确实是二个完全不同的概念，这种不同体现在产生的原因、过程和控制方法的不同。
不确定度源自明确的目标和不理想的操作之间的差异，后续操作需要对过程进行有效控制，包括不确定度优化（PUMA）流程和验证迭代。
模糊度源自固有的理解模糊性与理想/不够理想的操作之间的差异，整个操作需要对设计全过程的有效控制，包括知识体系/知识工程、假设/假设修正、规范过程控制和验证迭代等，当智能化技术介入这一过程，基于数字和模型的迭代就能完整地开展、甚至自动地智能开展，于是，模糊度也将被有效控制。

关于几何质量设计风险的控制标准，ISO也正在制订中，这会从另一个角度，同样采用基于数字（数据和信息）的方法进行风控和设计辅助。

通过对ISO 17450标准的深度解读和对ISO相关标准的融合研读，我们可以看到全球先进设计理念的思路和方法，这一种全新的，可操作的数字化方法。我们从中还可以看到其进化路径和发展方向。而定义的精细、过程的精准、数字化和模型化过程的建立，都将为大数据和人工智能的介入提供基础和条件，设计的智能化时代已经来临了。

来源：李明（上海大学）

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