一、TDM系統(tǒng)的產(chǎn)生背景
試驗是產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)制造、直至維修保障過程中必不可少的重要技術手段,在優(yōu)化產(chǎn)品的性能、壽命、質(zhì)量以及成本方面都起著至關重要的作用。試驗技術和試驗管理水平的高低,是一個企業(yè)或科研單位核心競爭力的重要體現(xiàn)。
在企業(yè)試驗部門,長期的設計、仿真、試驗會產(chǎn)生并積累了大量試驗數(shù)據(jù),以往這些試驗數(shù)據(jù)多以數(shù)據(jù)文件或印刷文檔方式保存和管理的,對于缺乏結構化的、格式不統(tǒng)一的文件資料,管理人員往往難以使用,更談不上對信息進行二次處理。同時試驗工具的更新?lián)Q代和試驗手段的不斷改進,從試驗中獲取的數(shù)據(jù)模式也不斷發(fā)生變化,因而要求能夠統(tǒng)一管理這些模式相異,隨時間變化的數(shù)據(jù)。隨著試驗的不斷推進和研究的進一步深入,試驗人員又提出了新的要求,要能夠從大量的歷史試驗數(shù)據(jù)中分析、挖掘出一些隱藏在數(shù)據(jù)中的規(guī)律,并利用這些信息和經(jīng)驗來指導進一步的產(chǎn)品設計和試驗。
相對于商業(yè)或者其它領域的數(shù)據(jù),試驗數(shù)據(jù)有著其特別之處:
- 數(shù)據(jù)信息組織分散,數(shù)據(jù)往往以數(shù)據(jù)文件、印刷文檔形式保存;
- 數(shù)據(jù)類型復雜,格式多樣且模式變化;
- 數(shù)據(jù)處理與管理緊密耦合;
- 數(shù)據(jù)的專業(yè)性;
- 數(shù)據(jù)的海量性。
基于這些特點,傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理方式很難滿足人們管理試驗數(shù)據(jù)的需求。首先是難以管理復雜的模式,模式的變化使得很難實現(xiàn)數(shù)據(jù)組織管理的擴充。其次是難以實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的有效管理以及數(shù)據(jù)處理與管理間的耦合導致難以提供高效的訪問接口。
此外還存在一些問題,比如試驗規(guī)劃較為粗糙,試驗流程和試驗資源占用情況無法實時監(jiān)控和把握,試驗數(shù)據(jù)無法高效共享、利用、反饋于設計系統(tǒng),更加談不上數(shù)據(jù)挖掘。試驗資源與試驗數(shù)據(jù)上缺乏有效統(tǒng)一的管理導致容易出錯、安全保密性差、數(shù)據(jù)利用率低、無法進行有效系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析及容易造成數(shù)據(jù)的丟失和浪廢、信息傳輸和共享困難。
企業(yè)需要建立一個平臺把企業(yè)所有的試驗數(shù)據(jù)和所有與試驗相關的信息和業(yè)務流程進行統(tǒng)一管理,在這種背景下TDM系統(tǒng)應運而生。TDM是Test Data Management的縮寫,其中文含義是試驗數(shù)據(jù)管理,是指物理樣機驗證設計的數(shù)據(jù)管理平臺,它包括試驗前準備、試驗執(zhí)行和試驗結果評估三個階段,為試驗業(yè)務用戶提供從業(yè)務流程、試驗資源、試驗數(shù)據(jù)(原始、過程、結果)、知識和標準、與其他信息系統(tǒng)接口集成等服務,以業(yè)務管理和數(shù)據(jù)管理為核心,通過與專業(yè)的數(shù)據(jù)處理、分析工具進行整合,實現(xiàn)試驗業(yè)務便利,提高試驗業(yè)務效率。
與LIMS(實驗室信息管理系統(tǒng))不同,TDM系統(tǒng)是企業(yè)級的平臺解決方案,主要針對研發(fā)性試驗應用于制造業(yè)。而LIMS則是遵循特定的標準,針對檢驗性實驗應用于石油、環(huán)境、化學、材料、食品安全等行業(yè)。
二、推動TDM系統(tǒng)發(fā)展的因素
試驗數(shù)據(jù)管理問題最近幾年才為國內(nèi)企業(yè)所注意,但發(fā)展和應用非常迅速,目前市場上已經(jīng)出現(xiàn)了商品化的TDM系統(tǒng),典型的有Hi-key TDM、Newtera TDM、神鷹TDM、TDM 3000和APP TDM等。
現(xiàn)階段TDM系統(tǒng)的應用主要集中在航空航天、船舶、兵器等軍工相關企業(yè),由于軍工行業(yè)走在科技領域前端,對研發(fā)的投入多,信息化程度高,所以TDM系統(tǒng)最早在這些企業(yè)得到應用。其次是高鐵、汽車和重型裝備等民用制造企業(yè),這些企業(yè)逐漸開始重視研發(fā),信息化水平也會越來越高,而且民用企業(yè)占整個制造業(yè)的市場份額較大,所以以后TDM系統(tǒng)更多的會在這些企業(yè)應用。
推動TDM系統(tǒng)發(fā)展的主要因素有以下幾點:
1)隨著制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級,越來越重視研發(fā)水平的提升,而設計、仿真和試驗作為整個產(chǎn)品研發(fā)周期,試驗也逐步成為企業(yè)研發(fā)部門不可或缺的一個環(huán)節(jié)。
2)企業(yè)試驗密度提高,試驗種類不斷增多,傳統(tǒng)的原始Excel、獨立數(shù)據(jù)庫或者基于PDM的簡單二次開發(fā)等落后的試驗數(shù)據(jù)管理方法已經(jīng)不能滿足要求。
3)ERP、PDM、MES等信息化系統(tǒng)的實施之后,試驗業(yè)務信息化也必然是企業(yè)信息化深化的發(fā)展方向,而要實現(xiàn)試驗信息化TDM系統(tǒng)則是必不可少的。
4)科研水平高、信息化投入大的軍工企業(yè)敢于首先嘗試搭建TDM系統(tǒng)并取得成功,為民用制造企業(yè)起到了良好的帶頭作用,越來越多的民用制造企業(yè)會學習經(jīng)驗引進TDM系統(tǒng)。
三、TDM系統(tǒng)的體系結構
TDM系統(tǒng)的體系結構可以分別用物理結構和邏輯結構來描述,物理結構便于了解系統(tǒng)在物理部署方面是如何分解的。而邏輯結構可以更好的了解系統(tǒng)功能模塊間的依賴關系。
1 物理結構
現(xiàn)階段TDM系統(tǒng)的物理結構普遍采用基于B/S和C/S的三層體系結構。三層結構分別為數(shù)據(jù)庫層、服務器層和客戶端層。這三層結構在物理上可以是隔絕的,分別運行在不同的電腦上。
TDM系統(tǒng)的物理結構
數(shù)據(jù)庫層可以采用Oracle/SQL Server關系數(shù)據(jù)庫,具有強大的數(shù)據(jù)存儲和查詢能力,適用于海量數(shù)據(jù)管理,并具有良好的穩(wěn)定性和擴充性。
服務器層由多個模塊組成,其中包括試驗數(shù)據(jù)管理應用服務器,系統(tǒng)流程應用服務器和MicrosoftIIS服務器。另外還包含試驗數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的集成接口。
客戶端層提供與用戶交互的可視化工具和操作界面。其中系統(tǒng)管理工具、流程設計工具和數(shù)據(jù)導入工具采用C/S架構的Windows客戶端,數(shù)據(jù)查詢編輯和后置處理界面采用B/S架構的Web客戶端。之所以將系統(tǒng)管理工具,流程設計工具和數(shù)據(jù)導入工具設計成C/S架構是因為這些工具需要強大的功能、靈活的交互性和快速反應性。這些工具的使用頻率不高,使用用戶為系統(tǒng)管理員和少數(shù)技術人員。大多數(shù)用戶所需要的功能為數(shù)據(jù)查詢編輯和后置處理等。因而采用Web客戶端作為多數(shù)用戶訪問本系統(tǒng)的主要窗口,可以讓用戶方便快捷地完成試驗規(guī)劃、試驗配置、查詢?yōu)g覽試驗數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)分析繪圖和試驗報告生成等工作。
2 邏輯結構
系統(tǒng)邏輯結構可大體分為基礎平臺軟件和應用子系統(tǒng)兩大部分。其中基礎平臺軟件由成熟的商業(yè)化軟件平臺構成,包括Microsoft NET技術以及數(shù)據(jù)庫。應用子系統(tǒng)數(shù)據(jù)在平臺基礎上進行擴展應用功能,是針對具體的軟件模塊,負責完成某一與試驗相關的具體業(yè)務功能。
TDM系統(tǒng)的邏輯結構
一般TDM系統(tǒng)需包括項目管理、流程管理、資源管理、數(shù)據(jù)管理、分析處理、知識中心、值班管理、系統(tǒng)管理等功能模塊。這些功能模塊下又有眾多的功能子模塊,確保實現(xiàn)以試驗流程為主線的試驗全過程數(shù)據(jù)管理的目標。通過試驗流程的流轉(zhuǎn)把試驗項目中涉及到的各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)銜接起來,從而實現(xiàn)試驗流程優(yōu)化和智能管理。
四、TDM系統(tǒng)的關鍵技術
1 元數(shù)據(jù)驅(qū)動的軟件架構
針對試驗數(shù)據(jù)的多變性和專業(yè)型,TDM在設計時是將與業(yè)務相關的元素從軟件中剝離出來,用外部的元數(shù)據(jù)來描述它們。從而允許試驗業(yè)務人員而不是軟件技術人員,通過使用TDM提供的簡單易用的圖形化工具,來直觀和靈活地定義符合自身需求的業(yè)務元素,比如試驗數(shù)據(jù)的存儲結構、分類方式、檢索方式、數(shù)據(jù)導入方式等。Design Studio自動將業(yè)務元素的定義轉(zhuǎn)換成可被系統(tǒng)識別的元數(shù)據(jù),并傳送到TDM的引擎。引擎在元數(shù)據(jù)的驅(qū)動下能自動對數(shù)據(jù)庫操作,自動更改業(yè)務邏輯和自動更新用戶界面等,而不需要修改軟件程序。元數(shù)據(jù)就像知識,引擎就像人的大腦,大腦可以學習知識,并能根據(jù)其所學到的知識進行思維和控制其它器官的行動。元數(shù)據(jù)驅(qū)動的軟件架構提供了強大的靈活性和適應性,這是試驗數(shù)據(jù)管理軟件不可或缺的特性。
2 面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫模型
為了使不同試驗業(yè)務人員創(chuàng)建的試驗數(shù)據(jù)庫既能滿足本試驗的需要,又能遵從一定的標準規(guī)范,以便更好的實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)的管理、共享和使用,TDM擬采用面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫模型技術,因為傳統(tǒng)的關系數(shù)據(jù)庫不能有效地解決好這個問題,它完全依賴于建庫人員是否遵從規(guī)范來建庫,這種方式既不可靠又難以操作,面向?qū)ο蟮慕◣旆绞侥芎芎玫亟鉀Q這一問題。利用面向?qū)ο蟮睦^承關系,可以建立符合一定規(guī)范的標準數(shù)據(jù)庫模板,該模板包含抽象數(shù)據(jù)類、公共屬性和抽象數(shù)據(jù)類之間的關聯(lián)關系等。試驗業(yè)務人員可通過添加子數(shù)據(jù)類的方式在該模板上進行擴展,從而確保了各專業(yè)的數(shù)據(jù)庫即具有統(tǒng)一性又具有特殊性。更重要的是,基于面向?qū)ο蟮哪0褰◣旆绞侥艽蟠蠛喕囼灅I(yè)務人員的建庫工作,為系統(tǒng)提供了良好的可操作性。TDM以關系數(shù)據(jù)庫為基礎,支持面向?qū)ο蟮慕◣旆绞,能自動將面向(qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型映射為關系數(shù)據(jù)庫的模型。
3 虛擬數(shù)據(jù)庫技術
對試驗數(shù)據(jù)管理的主要目的是為了更好和更方便地使用它們,而使用試驗數(shù)據(jù)中很重要的環(huán)節(jié)就是將試驗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成各種數(shù)據(jù)格式來滿足不同后置處理的要求。目前國際上流行的做法是用XML(可拓展標記語言)作為數(shù)據(jù)的通用表達格式。其好處有很多:XML相當于國際通用貨幣,很容易轉(zhuǎn)換成其它非標準的格式;XML從誕生到現(xiàn)在已經(jīng)很長時間了,已廣泛被大多數(shù)軟件廠家所采用,大多數(shù)的軟件都支持XML,也有許多現(xiàn)成的工具可供使用。TDM的另一個重要技術特色是通將關系數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)映射成虛擬的XML數(shù)據(jù)。也就是說,從應用的角度來看,通過TDM平臺所獲取的數(shù)據(jù)都是以XML格式表示,而實際的數(shù)據(jù)則是以數(shù)據(jù)記錄的方式存儲在關系數(shù)據(jù)庫中。這樣既能充分利用關系數(shù)據(jù)庫的強大存儲和查詢功能,又極大方便了對試驗數(shù)據(jù)進行后置處理所需要的格式轉(zhuǎn)換。
虛擬XML數(shù)據(jù)庫
五、TDM系統(tǒng)的集成
TDM系統(tǒng)是整個企業(yè)信息化方案的重要組成部分,因此必然需要同其他IT系統(tǒng)實現(xiàn)信息集成。需要同TDM系統(tǒng)進行集成的系統(tǒng)主要包括產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)系統(tǒng)、辦公自動化(OA)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。
1 PDM集成
對于生產(chǎn)制造業(yè)的產(chǎn)品研制過程,產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(PDM)與試驗數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(TDM)是企業(yè)信息化建設的主要組成部分。PDM系統(tǒng)與TDM系統(tǒng)關注內(nèi)容各不相同,但是設計人員與試驗人員都會基于產(chǎn)品的設計結構,對設計任務與試驗任務進行開展。所以為了實現(xiàn)“產(chǎn)品設計——試驗檢測——改良設計——定型生產(chǎn)”的流程耦合,PDM系統(tǒng)與TDM系統(tǒng)需要進行集成,主要包括基礎數(shù)據(jù)集成、試驗數(shù)據(jù)集成和系統(tǒng)用戶集成。
1)基礎數(shù)據(jù)集成。在PDM與TDM的集成過程中,首先要實現(xiàn)的是產(chǎn)品結構(BOM)信息、零部件信息、零部件圖紙和試驗任務四類基礎數(shù)據(jù)的集成。使TDM系統(tǒng)可進行四類基礎數(shù)據(jù)的讀入,方便TDM系統(tǒng)用戶可基于產(chǎn)品結構信息進行試驗任務的開展,同時對于試驗相關的輔助信息進行查看。
TDM系統(tǒng)與PDM的集成
2)試驗數(shù)據(jù)集成。為了使試驗過程對設計過程起到數(shù)據(jù)支撐,需要將TDM系統(tǒng)中產(chǎn)生的試驗結果數(shù)據(jù)與試驗報告,通過系統(tǒng)集成方式提交至PDM系統(tǒng)中。使設計人員可基于下達的試驗任務,對試驗結果數(shù)據(jù)與試驗報告進行查看。
3)系統(tǒng)用戶集成。為了實現(xiàn)兩個系統(tǒng)中用戶信息的一致性,優(yōu)化系統(tǒng)間的登錄過程,通過集成方式,實現(xiàn)人員信息、組織結構、行政角色等用戶信息的集中管理,實現(xiàn)PDM系統(tǒng)、TDM系統(tǒng)間的單點登錄功能。
2 OA集成
OA系統(tǒng)是企業(yè)應用最為廣泛的信息系統(tǒng),也是企業(yè)員工登陸最頻繁的系統(tǒng)。為了方便用戶在OA系統(tǒng)中了解自己在TDM系統(tǒng)內(nèi)承擔的工作任務信息,并且從OA系統(tǒng)可以直接登錄到TDM系統(tǒng),實現(xiàn)TDM和OA之間的文件傳輸和轉(zhuǎn)發(fā),TDM與OA系統(tǒng)集成也很重要。
1)待辦任務集成。即將TDM系統(tǒng)中的待辦任務顯示在OA系統(tǒng)主界面中,用戶登錄OA系統(tǒng)即可查看TDM系統(tǒng)的待辦任務。用戶點擊TDM的待辦任務時,會從當前瀏覽器窗口跳轉(zhuǎn)到TDM系統(tǒng)的任務頁面而不需要再輸入TDM系統(tǒng)的賬戶及密碼。
2)文件傳輸集成。即實現(xiàn)TDM和OA系統(tǒng)之間的文檔傳輸。
3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)集成
對于試驗過程中采集數(shù)據(jù)的管理普遍存在以下問題,數(shù)據(jù)分散存儲、數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)容易丟失、數(shù)據(jù)可信度等問題。數(shù)采系統(tǒng)集成解決方案的核心思想是“自動上傳、集中管理”,也就是說將各個試驗臺采集的數(shù)據(jù)在無需人工干預的情況下通過網(wǎng)絡自動上傳到TDM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫,以結構化的方式集中管理,并通過Web瀏覽器供有權限的用戶進行遠程的訪問和后處理。
1)數(shù)據(jù)彈性存儲。實現(xiàn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫模型和結構化的方式存儲不同格式的采集數(shù)據(jù)。當數(shù)據(jù)格式發(fā)生變化時,無需修改數(shù)據(jù)庫結構。
2)采集數(shù)據(jù)自動上傳。安裝在數(shù)采計算機上的工具,負責從采集系統(tǒng)中獲得試驗項目和通道數(shù)據(jù),并按照試驗操作人員的設置將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡自動上傳到TDM的數(shù)據(jù)庫中。
3)自動數(shù)據(jù)歸類。將通道數(shù)據(jù)記錄歸類到相應的試驗項目,并將試驗項目自動歸類到相應的試驗任務,能夠通過查找試驗任務來訪問與試驗任務相關的試驗采集數(shù)據(jù)。
六、TDM系統(tǒng)的發(fā)展趨勢及面臨挑戰(zhàn)
1 發(fā)展趨勢
從傳統(tǒng)的試驗數(shù)據(jù)管理方法到現(xiàn)在的TDM系統(tǒng)管理,企業(yè)試驗數(shù)據(jù)管理經(jīng)歷了三個階段,在第一階段業(yè)務人員用獨立的數(shù)據(jù)庫去簡單的保存試驗結果數(shù)據(jù),這樣勢必造成試驗數(shù)據(jù)文件被孤立而不能充分利用;第二階段開始在數(shù)據(jù)的基礎上構建整個試驗業(yè)務,這里面包括了所有與試驗相關的信息,從試驗任務到人員設備調(diào)度,再到試驗數(shù)據(jù)的采集、分析處理以及評估,后來的質(zhì)量體系也會被包括進來形成有機整體;第三個階段則是在第二階段的基礎上通過人工智能如數(shù)據(jù)挖掘和設備綜合測控技術,總結行業(yè)經(jīng)驗形成知識庫,并與設計仿真結合形成研發(fā)試驗數(shù)據(jù)管理的一體化平臺。把試驗數(shù)據(jù)整理加工成信息并最終轉(zhuǎn)化成知識,進而輔助決策。試驗數(shù)據(jù)管理的變革正處于第三個階段,它的發(fā)展趨勢有以下幾點。
1)平臺化。企業(yè)管理軟件開發(fā)從早期的完全定制開發(fā)到形成標準產(chǎn)品并大規(guī)模應用,再到由用戶需求變化引發(fā)的標準產(chǎn)品+二次開發(fā)模式,最終形成了今天的產(chǎn)品平臺化的開發(fā)趨勢。平臺化可以使TDM系統(tǒng)具有極大的靈活性、良好的可擴展性,并易于業(yè)務組件升級和維護。
2)行業(yè)模板化。雖然試驗數(shù)據(jù)多樣多變,不同行業(yè)的專業(yè)試驗差異性很大,但是在同一行業(yè)試驗具有一定的相似性,軟件開發(fā)公司需要總結客戶案例,濃縮行業(yè)經(jīng)驗形成知識庫模版,這樣能讓行業(yè)內(nèi)其他用戶少走彎路,避免從零開始造成經(jīng)驗浪費。
3)工具集成。正如PDM系統(tǒng)與設計軟件的集成,TDM系統(tǒng)也需要與大型的試驗設備和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行集成,加強試驗數(shù)據(jù)在TDM系統(tǒng)中的高效流動,實現(xiàn)試驗信息系統(tǒng)的一體化。
4)設計、仿真、試驗協(xié)同。在產(chǎn)品研發(fā)周期中,設計、仿真和試驗會產(chǎn)生并積累了大量數(shù)據(jù),試驗數(shù)據(jù)可以用來驗證仿真指導設計,形成研發(fā)數(shù)據(jù)的閉環(huán)。所以設計、仿真、試驗應該在整個研發(fā)平臺之上形成協(xié)同。
2 面臨挑戰(zhàn)
TDM系統(tǒng)的應用帶來了試驗管理的變革,保障試驗數(shù)據(jù)的安全,實現(xiàn)多部門之間的數(shù)據(jù)共享和工作協(xié)同,提高試驗數(shù)據(jù)管理水平和利用效率,保存和積累經(jīng)驗知識,充分挖掘試驗數(shù)據(jù)的價值,改進和優(yōu)化產(chǎn)品設計,提高設計質(zhì)量。
目前國際和國內(nèi)的TDM市場尚處于起步階段,部分行業(yè)的一些單位已經(jīng)開始嘗試建立TDM系統(tǒng)。經(jīng)過一批軍工企業(yè)的成功試用之后,TDM系統(tǒng)已經(jīng)逐漸被其他民用行業(yè)的試驗和設計單位所關注,TDM市場也已經(jīng)呈現(xiàn)出了蓬勃的朝氣。但是隨著試驗數(shù)據(jù)的數(shù)量激增和數(shù)據(jù)應用形式的多樣化,以及TDM技術本身的特點,TDM系統(tǒng)的發(fā)展也會面臨著挑戰(zhàn)。
1)“平臺化”與“個性化”的矛盾。雖然平臺化可以使TDM系統(tǒng)具有極大的靈活性、良好的可擴展性,并易于業(yè)務組件升級和維護,但是企業(yè)還是希望能應用一個完全按照自己需求的而搭建的個性化TDM系統(tǒng),如何在最大程度上滿足企業(yè)試驗部門業(yè)務要求的基礎上,開發(fā)出一個靈活穩(wěn)定易擴展的平臺,是TDM廠商需要考慮的問題。
2)海量數(shù)據(jù)分析處理。現(xiàn)在制造業(yè)產(chǎn)品的科技含量越來越高,TDM系統(tǒng)將更多地應用到復雜產(chǎn)品的研發(fā)中,這樣必然會產(chǎn)生海量的專業(yè)性極強的試驗數(shù)據(jù),如何利用TDM系統(tǒng)來統(tǒng)一存儲各類型數(shù)據(jù),經(jīng)過處理分析從中快速獲得有價值的數(shù)據(jù)進而挖掘知識也是一個難題。
3)數(shù)據(jù)的共享與安全。企業(yè)各試驗業(yè)務單位的協(xié)同機制的會逐步完善,而試驗部門與設計、仿真等其他部門也必將形成一體化的研發(fā)體系,試驗數(shù)據(jù)的共享流通不可避免,但同時試驗數(shù)據(jù)是企業(yè)經(jīng)過大量投入的科研成果,它的安全性必須得要保障。如何同時保證試驗數(shù)據(jù)的共享與安全性,是企業(yè)和軟件供應商面臨的挑戰(zhàn)。
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本文標題:TDM系統(tǒng),引領試驗管理變革