從國際標準看產品設計質量的數字化控制
李明（上海大學）
在中國製造轉型升級中，數字化是一個重要概念，但什麼又是數字化呢？
也許我們會認為CAD、CAM、PLM、ERP、MES、MOM、CAT、CMM、MAA、或者現在最時髦的MBd、MBe、MBD、MBE、DigitTwin、DigitThread、LOTAR等等，甚至有人還在說數據中臺就是數字化。這些是數字化，但確切地說，是數字化的一部分，相當一部分僅僅是數字化的工具。
而數字化的核心應該是決策過程的數字化，或者說是基於數字（數據和信息）的決策。對於設計而言，就是設計過程的數字化決策過程，一個工程目標的設計定義過程。對於過程，ISO 9000給出了整套解決方案，從“過程方法”、“循證決策”到“改進”，以及基於風險的思維等。其中的“循證決策”以前被稱為“基於事實的決策方法”，它表述了“基於數據和信息的分析和評價的決策，更有可能產生期望的結果”的理念。那麼這個數字化的決策到底應該怎麼做呢？
結合著ISO提供的相關原則、PDCA方法、以及與產品幾何精度相關的ISO標準和標準體系，我們應該能夠看到產品幾何質量的設計過程，也許真的需要結合了這一系列標準、理念、思路和方法才能看到這個基於數字化工具和數字化決策的設計與控制過程：
- 場景對偶：所謂設計，實際上就是精準描述基於真實應用場景的產品性能和操作過程的過程，對於幾何質量而言，ISO 8015專門給出了控制原則和對偶原則，它可以理解為要求設計結果對偶於應用場景，控制（設計）描述的結果和過程，並經過充分和反覆的驗證（這就是作者談及產品幾何技術規範和驗證系列標準（一般稱為GPS標準）時，始終不放走驗證（Verification）的原因，稱之為GPS&V）
- 專業描述：質量的定義是一組固有特性的滿足要求的程度，那麼什麼是固有特性呢？怎樣定義固有特性呢？怎樣描述固有特性呢？怎樣規範固有特性的指標和過程呢，這一切都需要專業，包括專業的知識、專業的工具、專業的流程、專業的方法等。今天，標準幾乎涉及了所有的領域，並提供了相應的工具、流程和方法，在這麼多的“專業”下，不將各路標準融合著看就難以全面理解“專業“一詞
- 過程規範：質量控制，來源於規範的操作，設計同樣如此，為此，ISO在全球工程師幾何質量設計保障實踐的基礎上，給出了一系列的規範操作過程和方法，其核心同樣是以“過程”為單位的分段和驗證。從而進一步體現了可操作、可交付、可度量的特性。ISO 17450標準給出了幾何質量的一系列規範操作，被稱之為“操作集”，一組有序的操作。
- 工程底線：在工程圖樣上到底如何給出合理的公差值？，到底給出什麼樣的公差值？ISO 8015專門給出了“功能限”、“公差限”、“功能水平”等概念，明確規定功能限是工程底線，圖樣上的公差限就是功能限。公差限內100%滿足功能要求。於是，質量自然滿足了，產品的成本有相當的一部分自然就被考慮了（還有一部分與工藝和製造過程、供應鏈等有關）。
- 數字決策：循證決策，基於數據和信息的決策，這就需要通過全指標、全過程、全結果的數字化來實現，但考慮到各種因素造成的影響，ISO 17450專門給出了模糊度和不確定度的概念，用以評估設計結果並進行基於數字（數據和信息）的決策
- 規範的語言：最後用工程語言承載設計的要求和信息，這就需要用到產品技術文件系列標準（TPD），產品幾何技術規範和驗證系列標準（GPS&V），基於模型的定義（MBd）/基於模型的定義（MBD）等標準。
上述的六點要求，ISO通過GPS&V系列標準完整地表述了出來。為了能夠對設計過程和結果進行有效的基於數字（數據和信息）的控制，早在《GB/Z 23637.2-2009 產品幾何技術規範（GPS） 通用概念 第2部分：基本原則、規範，操作和不確定度（idt. ISO/TS 17450-2:2002）》中，ISO針對幾何質量設計過程，已專門明確給出給出了一系列的不確定度概念，它們包括：
- 不確定度（uncertainty）表徵合理地賦予預定值或相關值的分散性，與預定值或相關值相聯繫的參數。
- 測量不確定度（measurement uncertainty），表徵合理地賦予被測量之值的分散性，與測量結果相聯繫的參數
- 規範不確定度（specification uncertainty），用於實際要素/要求的實際規範操作集內在不確定度
- 相關不確定度（correlation uncertainty）由實際規範操作集和規定工件設計功能的功能操作集之間的差異引起的不確定度，用來表述實際規範操作集的術語和單位
- 符合性不確定度（compliance uncertainty），測量不確定度和規範不確定度之和（參考GUM）
- 總不確定度（total uncertainty），總不確定是相關不確定度、規範不確定度和測量不確定度之和
注：上述概念直接摘自GB/Z 24637.2-2009標準
下圖（圖1）是ISO/TS 17450-2:2002給出的這些不確定度和規範操作（操作集）的關係。
圖1 ISO/TS 17450.2:2002 給出的各類操作、操作變換及控制架構
這些"度"的出現，就是用數字來表述和評價這些“過程”的結果，這裡可以引伸幾個概念：
- 設計的結果是一系列規範操作集的實際操作結果，它與輸入和期望會存在差異
- 按規範操作集開展的操作會得到結果，它與規範和期望會存在差異
- 構建規範操作集是一個建模過程，開展和控制規範操作，是一種基於“對偶”的操作，用數字化將其融合在一起就是一個Digit Twin。
綜上，我們看到了用數字去驗證設計結果、控制設計過程、規範設計結果的設計過程。但我們也看到了這一過程的實施難度，儘管ISO明確給出了思路，但在實際操作中，但其可操作性並不強，當然，其提供的思路和方法的力量還是不可忽視的。
事實上，ISO持續對這個過程進行了深化研究，經過10年的努力，ISO於2012年發佈了新的 ISO 17450-2:2012，表面上看，改動似乎並不大。而實際上是有實質性變化的。首先ISO將該標準從技術文件升格為正式標準，這表明經過多年實際應用，該標準已具有實際應用價值，其次則進一步梳理了幾何質量的設計與控制過程，特別是明確給出了模糊度（ambiguity）的概念，並將其作為標準題目的一部分。下圖（圖2）是《ISO/TS 17450-2:2012 Geometrical productspecifications (GPS) — General concepts — Part 2: Basic tenets, specifications, operators,uncertainties and ambiguities（產品幾何技術規範（GPS） 通用概念 第2部分：基本原則、規範，操作、不確定度和模糊度）》標準給出的幾何質量設計、驗證的數字化操作、驗證過程的控制架構。
圖2 ISO 17450.2:2012 給出的各類操作、操作變換及控制架構
兩版標準在內容之間最明顯的差異就在模糊度的出現。早在ISO/TS 17450.2:2002版中的也討論了模糊性問題，並認為“規範不確定度”量化了規範操作集的模糊性。但在ISO17450.2:2012則給出了明確的定義：
- 規範模糊度（ambiguity of specification），用於實際要素的實際規範操作集固有的不確定度。
- 功能描述模糊度( ambiguity of the description of the function),由實際規範操作集與功能操作集之間的差異造成的不確定性。功能操作集定義了工件的預期功能，並用實際規範操作集的術語和單位表示。
- 刪除了符合不確定度度的概念，事實上，它已包含在其他幾個不確定度中了
注：上述概念作者譯自ISO 17450.2:-2012標準
從標準的原文看，這二個定義分別與ISO/TS17450.2:2002版中的“規範不確定度”和“相關不確定度”完全一樣，但所定義的術語名字卻改了，這就值得探討。從某種角度講，新的ISO 17450標準對設計過程的理解更精準了，定義也就更為準確了：
- 首先不確定度和模糊度應該，而且確實是二個完全不同的概念，這種不同體現在產生的原因、過程和控制方法的不同。
- 不確定度源自明確的目標和不理想的操作之間的差異，後續操作需要對過程進行有效控制，包括不確定度優化（PUMA）流程和驗證迭代
- 模糊度源自固有的理解模糊性與理想/不夠理想的操作之間的差異，整個操作需要對設計全過程的有效控制，包括知識體系/知識工程、假設/假設修正、規範過程控制和驗證迭代等，當智能化技術介入這一過程，基於數字和模型的迭代就能完整地開展、甚至自動地智能開展，於是，模糊度也將被有效控制
關於幾何質量設計風險的控制標準，ISO也正在制訂中，這會從另一個角度，同樣採用基於數字（數據和信息）的方法進行風控和設計輔助。
通過對ISO 17450標準的深度解讀和對ISO相關標準的融合研讀，我們可以看到全球先進設計理念的思路和方法，這一種全新的，可操作的數字化方法。我們從中還可以看到其進化路徑和發展方向。而定義的精細、過程的精準、數字化和模型化過程的建立，都將為大數據和人工智能的介入提供基礎和條件，設計的智能化時代已經來臨了。
