（机械制造及其自动化专业论文）制造网格中基于qos的资源调度系统研究.pdf

上海大学硕士学位论文用纸 摘要 i t 技术的快速发展，促进了制造业向全球化、标准化、数字化、虚拟化、开放 化方向的发展。近几年，网格技术的出现及其发展应用，导致了制造网格概念的提 出。制造网格以网络化制造为基础，充分利用网格技术开放的体系框架、通用的标 准和规范、统一的开发平台和工具，致力于为制造业建立一种通用的、标准的和规 范的网络化制造模式。该模式的实现不仅能够达到资源共享、协同工作、降低制造 成本、提高资源利用率、加快产品上市时间的目的，同时又具有极大的柔性和开放 性，可以扩展到世界的每一个角落，覆盖所有的现代制造资源和制造系统，并最终 形成全球性的制造网格。 网格技术的应用主要是在不同条件和环境下对各种分布的、异构的资源进行平 等地调度，因此，资源调度在网格技术的应用中占据举足轻重的位置。同时，由于 制造资源的特殊性、分布性和异构性，制造任务的多样性和广泛性，使得资源调度 技术成为制约制造网格从研究到应用的瓶颈。 本论文在充分考虑制造业非技术因素影响的基础上，将服务质量( q o s ) 的理 念引入制造网格，建立了基于q o s 的资源调度系统( m g r s ) 。在给出相关理论、 技术和必要定义的基础上，采用横向结构与纵向功能相结合的任务分解方法、基于 邻接矩阵( a d m ) 和a o n 活动网络图的任务规划方法、以及基于分层约束网 ( h i e r c o n ) 的q o s 约束分解方法，实现了制造网格中基于q o s 的任务分解与规划。 同时，引入模糊层次分析法( f a h p ) 和群决策( g d m ) 方法，建立了群决策模糊 层次分析模型( g f a h p ) ，并用具体实例详细说明了该模型在制造网格中的实际应 用过程。m g r s 的建立为制造业中的任务分解与规划、资源选择与调度等难题提供 了一种新的解决方案。 最后，对本文研究内容进行了开发和实现，并通过在快速成型制造中的试验性 应用，获得了很多有价值的经验和数据，为制造网格资源调度的进一步完善和推广 实施奠定了坚实的基础。 关键词：开放网格服务架构( o g s a ) ，制造网格，服务质量( q o s ) ，任务分 解与规划，资源调度，群决策模糊层次分析模型 上海大学硕士学位论文用纸 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fi tp r o m o t e st h e p r o g r e s so fm a n u f a c t u r i n g i nt r e n do f g l o b a l i z a t i o n ，s t a n d a r d i z a t i o n ，d i g i t i z a t i o na n dv i r t u a l i z a t i o n d u r i n g c u r r e n ts e v e r a l y e a r s ，t h ec o n c e p to fm a n u f a c t u r i n gg r i d ( m g ) i so w e dt o t h ed e v e l o p m e n ta n d a p p l i c a t i o no fg r i dt e c h n o l o g y w i t hn e t w o r k e dm a n u f a c t u r i n g ( n m ) a st h ew o r k i n g b a s i s ，a n do p e ng r i ds e r v i c ea r c h i t e c t u r e ( o g s a ) a st h es y s t e mf r a m e w o r k ，m gc a n n o to n l yp r o v i d en e c e s s a r ye n v i r o n m e n tf o rr e s o u r c es h a r i n ga n dc o l l a b o r a t i v ew o r k i n g ， b u ta l s op r o v i d ee x c e l l e n tf l e x i b i l i t ya n de x t e n s i b i l i t y t h e r e f o r e ，m gw o u l du l t i m a t e l y b ea g l o b a lg r i d b a s e dm a n u f a c t u r i n gp l a t f o r m t h e a p p l i c a t i o n o f g r i dt e c h n o l o g y i s e q u a l s c h e d u l i n g o fd i s t r i b u t e da n d h e t e r o g e n e o u s r e s o u r c e si nd i f f e r e n te n v i r o n m e n ta n dc o n d i t i o n s o ，r e s o u r c e s s c h e d u l i n gi sav e r yi m p o r t a n ti ng r i da p p l i c a t i o n a st h eb o t t l e n e c ko fi n t r o d u c i n gg r i d t e c h n o l o g yt om a n u f a c t u r i n g r e s o u r c es c h e d u l i n gs y s t e mi st h ek e yp r o b l e mi nm g w i t ht h ec o n s i d e r a t i o no nn o n t e c h n i c a lf a c t o r s ，t h i sd i s s e r t a t i o ng i v e sd e t a l l e d d e s c r i p t i o n st ot h eq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) 一b a s e dr e s o u r c es c h e d u l i n gs y s t e m m o r e o v e r , aq o s b a s e dm gr e s o u r c es c h e d u l i n g ( m g r s ) i sp r e s e n t e di nt h i sr e s e a r c ht or e s o l v e t h ec o m m u n i t yr e s o u r c es c h e d u l i n gp r o b l e m ，w h i c hi st h ek e yt ot h ea p p l i c a t i o no fm g t h ef u n c t i o nm o d u l e s s u c ha st a s ka n a l y s i sa n dd e c o m p o s i t i o nb a s e do nt h ec o m b i n a t i o n o fh o r i z o n t a ls t r u c t u r ea n dv e r t i c a lf u n c t i o n ，t a s kr e c o n f i g u r a t i o nb a s e do nt h ea d m ( a d j a c e n tm a t r i x ) a n da o n ( a c t i v i t yo nn o d e ) n e t w o r k ，a n dq o sd e c o m p o s i t i o n b a s e d o nt h eh i e r c o n ( h i e r a r c h i c a lc o n s t r a i n t sn e t w o r k ) ，a r ep e r f o r m e di nt h em g r s ，w h i c h a c c o r d i n g l yp r o v i d e san e we f f e c t i v es o l u t i o nt od e a lw i t ht h er e s o u r c es c h e d u l i n g p r o b l e m s a tt h es a r n et i m e ，ag r o u pd e c i s i o n m a k i n gf u z z ya n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s m o d e l ( g f a m ) i sp r o p o s e db yg a t h e r i n gt o g e t h e rt h ef u z z ya n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ( f a h p ) a n dt h eg r o u pd e c i s i o n m a k i n g ( g d m ) a l g o r i t h m s a n d ，ap r a c t i c a l c a s ei s d e s i g n e dt oi l l u s t r a t et h ea p p l i c a t i o no fg f a m f i n a l l y , q o s b a s e dr e s o u r c es c h e d u l i n gs y s t e mi sd e v e l o p e da n di m p l e m e n t e d i t s f e a s i b i l i t ya n dr m i o n a l i t yi sv a l i d a t e db yb u i l d i n gu pat e s t - b e di nr a p i dp r o t o t y p i n g m a n u f a c t u r i n g ，a n dt h ee x p e r i e n c e so b t m n e df r o mw h i c ha r eq u i t eu s e f u lf o r f u r t l l e r r e s e a r c h e s k e y w o r d s ：o p e ng r i d s e r v i c ea r c h i t e c t u r e ，m a n u f a c t u r i n gg r i d ，q u a l i t yo f s e r v i c e ，t a s kd e c o m p o s i t i o na n dr e c o n f i g u r a t i o n ，r e s o u r c es c h e d u l i n g ，g r o u p d e c i s i o n m a k i n gf u z z ya n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s sm o d e l 一百 上海大学硕士学位论文用纸 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。除 了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表或撰 写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留论文及送交论 文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守 签名：导师签名 日期： 上海大学硕士学位论文用纸 1 1 课题研究背景及意义 第1 章绪论 1 1 1 制造业背景 制造业是创造人类财富的重要支柱，也是一个国家或地区国民经济和综合国力 的重要体现。随着信息时代的来临，新思想、新技术不断涌现，现代制造业正在向 如下趋势发展【jj ： 1 市场的多样化和个性化。技术革命改变了传统的生产方式和生活方式，主要表 现为市场的多样化、分散化和个性化，产品的内涵从单一的满足发展到为用户 提供全面解决方案。 2 制造业的全球化发展。制造业的资源配置由一国范围扩大到世界范围，制造业 正向生产全球化、销售全球化、融资全球化、服务全球化和研发全球化方向发 展。 3 产业高技术化。制造业向智能化、网络化、虚拟化、敏捷化、清洁化和集成化 等方向发展。 4 制造业的集群化发展。在全球经济中，一国制造欲获得竞争优势，仅靠本国的 企业是不够的，更需要扎根于全球的中小企业集群，集群发展是现代制造业提 升国际竞争力的重要手段。 5 制造业的服务化。今天的制造业所考虑的绝不只是产品设计和制造，而应包括 从市场调研开始到售后服务直到产品报废回收的全过程，体现全方位为顾客服 务。 6 重视发展制造业技术，全面提高基础零部件技术水平。零部件、元器件是制造 业发展的重要领域，没有一个强大的零部件产业的存在，制造业就难以发展。 7 制造业的可持续发展。制造业所提供的产品必须具有全生命周期无污染、资源 低耗及可回收、可重用的特征，它涉及到环境、社会、经济综合性等问题。 8 世界制造业调整和转移规模加大。随着经济全球化趋势越来越强劲，发达国家 由于劳动力成本不断上涨，不得不放弃传统产业，专心从事高科技、金融、服 务业发展，而发展中国家利用自己廉价劳动力的优势，接纳发达国家产业的转 移，加快经济的发展。 在这种时代背景下，国内许多高校和科研机构都开始了网络化制造的研究，提 出自己的理论体系和平台结构，用以解决制造业信息化过程中存在的异地资源共享 和协同工作问题。例如，华中科技大学杨叔子院士提出了“基于a g e n t 的网络化制 造”模式和“分布式网络化制造系统【2 ，( d i s t r i b u t e dn e t w o r k e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ， d n m s ) ”。香港理工大学李荣彬教授和同济大学张曙教授联合提出了“分散化网 上海大学硕士学位论文用纸 络制造系统1 4 1 。重庆大学刘飞教授提出了“区域性网络化制造系统【锚1 ( r e g i o n a l n e t w o r k e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，r n m s ) ”。清华大学吴爱萍博士提出了“网络 化敏捷制造”模式【9 “】。上海大学俞涛教授提出了“基于s m v p n 的公共技术及服务 平台系统建立及其在快速制造中的应用”1 1 2 10 上海交通大学提出了“上海敏捷制造 网络集成平台”1 1 3 q5 1 。在网络化制造应用研究方面，美国p t c 公司2 0 0 0 年推出了 产品协同商务( c p c ) 的w i n d c h i l l 软件系统，旨为制造业提供通过i n t e m e t 和w e b 技术在任何地方设计产品和任何地方制造产品的解决方案。美国s d r c 公司2 0 0 1 年5 月推出了名为s d r ct e a m c e n t e r 协同产品管理解决方案。 w i s c o n s i n - m i l w a u k e e 大学j a yl e e 教授主持的i m s 中心则提供了一种网络化制造 的实验平台，它将大量的系统如c r m 、e r p 、m e s 、s c m 等利用该实验平台进行 集成，以获得高效的执行度和接近零停工期的产品。国内对网络化制造的应用研究 也在不断深入，如深圳市模具网络化制造系统以深圳市生产力促进中心为盟主，建 立起了面向本地区、内地、香港和海外等地区模具客户的互联网信息门户网站。广 东、重庆、香港、陕西四个地区正在联合研究开发粤渝港陕网络化制造系统，以实 现区域问的网络化制造 1 6 】。 作者对网络化制造目前的发展情况进行了总结和分析，其优势和不足如表1 1 所示。 网络化制造的优势网络化制造的不足 基于网络的数据传输没有通用的体系结构 有权限控制的信息和数据共享没有公认的标准和规范做基础 集中式或分布式的数据管理缺乏有效的安全管理 基于模板的工作流管理实现了数据共享，而非资源共享 可视化协同设计缺乏动态的分布式资源管理 项目管理和b o m 管理采用集中管理机制，需要管理中心 动态组成虚拟企业采用专用技术实现，难于集成和推广 缺乏必要的柔性和开放性 未形成任何标准或规范 从以上列表中可以看出，由于没有开放的体系结构做支撑，没有通用的标准和 规范做基础，使得网络化制造缺乏必要的柔性和开放性，限制了网络化制造的集成 推广应用，违背了网络化制造理念提出的初衷。因此，寻求一种基于国际通用标准 的体系结构作为网络化制造的技术支持，建立一种规范的网络化制造平台，已经迫 在眉睫，势在必行。 1 1 2 网格技术背景 网格是借鉴于电力网( p o w e r g r i d ) 的概念发展起来的，其最终目的是希望用户 在使用网格资源时，就如同现在使用电力一样方便，即只要你能够接触到网格，就 2 上海大学硕士学位论文用纸 可以根据自己的需要，“按需”从网格获取各种资源与服务，而不必关心资源与服务 所在的具体位置【l “。 自网格诞生以来，其定义一直处于不断发展变化中，目前最有影响力的是2 0 0 1 年i a nf o s t e r 与c a r lk e s s e l m a n 在t h ea n a t o m yo f t h eg r i d ) ) 中对网格的定义：动态 分布式虚拟组织中的资源共享和协同问题解决( c o o r d i n a t e dr e s o u r c es h a r i n ga n d p r o b l e ms o l v i n gi nd y n a m i c ，m u l t i i n s t i t u t i o n a lv i r t u a lo r g a n i z a t i o n s ) ，并在2 0 0 2 年7 月的w h a ti st h eg r i d ? at h r e ep o i mc h e c k l i s t ) ) 一文中对网格的定义进行了界定， 认为可以从以下三个方面判断一个系统是否为网格系统： 协调非集中控制的资源( c o o r d i n a t e sr e s o u r c e st h a ta l en o ts u b j e c tt oc e n t r a l i z e d c o n t r 0 1 ) 使用标准的、开放的、通用的协议和接口( u s i n gs t a n d a r d g e n e r a l - p u r p o s e p r o t o c o l sa n di m e r f a c e s ) 获得非平凡的服务质量( t od e l i v e rn o n t r i v i a lq u a l i t i e so f s e r v i c e ) 从网格的定义中可以看出，网格概念的核心是“资源( 包括服务) ”以及对“资 源的使用”，通过将资源封装为服务，打破传统的强加在“资源”之上的种种限制， 为使用者提供一种前所未有的“高级服务”。这包括如下几个方面的含义【1 7 】：资源 的网络化，即通过将资源加入到网格中，使得位于任何地理位置的用户都可以通过 网格利用该资源：资源的规范化，即通过将资源封装为服务，屏蔽了资源的多样 性和异构性，各种资源对用户都是透明的：资源的相互协调，即对任何网格资源， 在开放网格服务架构( o p e ng r i ds e r v i c e a r c h i t e c t u r e ，o g s a ) 提供的一定规则的约 束和管理下，都可以实现相互协作：资源的动态融合，因为单个资源往往不能满 足用户的要求，这时可以通过网格，将众多的资源集中起来，动态形成虚拟组织， 形成具有超级能力的虚拟资源。 基于以上对制造业现状和发展趋势、网络化制造的优势和缺陷的分析，以及对 网格的定义和特点的描述，可以看出，网格技术在制造业的应用必将是制造业发展 史上的又一个里程碑，极大推动制造业信息化的进程。 1 i 3 课题来源 本课题来源于上海市科委2 0 0 2 年重点攻关项目“基于s m v p n 的公共技术和服 务平台系统建立及其在快速制造中的应用”，以及上海市教委网格e 研究院2 0 0 3 年 的“上海高校网格制造网格应用及其相关中间件的研制”项目。 1 1 4 课题研究的目的和意义 当前，产品制造、销售的全球网络正在逐步形成，现代制造业正在向全球化、 标准化、数字化、虚拟化、开放化的方向发展，网络化制造、虚拟制造、动态联盟、 绿色制造、敏捷制造已成为业界熟知的术语和制造模式。通过分析不难发现，这些 制造模式采用不同的技术，实现相同的功能，达到相同的目的：以某一市场机遇或 需求为驱动，通过不同企业间在技术、设备、人员等方面的合作，充分利用现有制 上海大学硕士学位论文用纸 可以根据自己的需要，“按需”从网格获取各种资源与服务，而不必关心资源与服务 所在的具体位置【l ”。 自网格诞生以来，其定义一直处于不断发展变化中，目前最有影响力的是2 0 0 1 年 a nf o s t e r 与c a r lk e s s e l m a n 在t h ea n a t o m yo f t h eg r i d ) ) 中对网格的定义：动态 分布式虚拟组织中的资源共享和协同问题解决( c o o r d i n a t e dr e s o u r c es h a r i n ga n d p r o b l e ms o l v i n gi nd y n a m i c ，m u l t i - i n s t i t u t i o n a lv i r t u a lo r g a n i z a t i o n s ) ，并在2 0 0 2 年7 月的( ( w h a ti st h eg r i d ? at h r e ep o i n tc h e c k l i s t ) 一文中对网格的定义进行了界定， 认为可以从以下三个方面判断一个系统是否为网格系统： 协调非集中控制的资源( c o o r d i n a t e sr e s o u r c e st h a ta l en o ts u b j e c tt oc e n t r a l i z e d c o n t r 0 1 ) 使用标准的、开放的、通用的协议和接口( u s i n gs t a n d a r d g e n e r a l - p u r p o s e p r o t o c o l sa n di n t e r f a c e s ) 获得非平凡的服务质量( t o d e l i v e r i o n t r i v i a lq u a l i t i e s o f s e r v i c e ) 从网格的定义中可以看出，网格概念的核心是“资源( 包括服务) ”以及对“资 源的使用”，通过将资源封装为服务，打破传统的强加在“资源”之上的种种限制， 为使用者提供一种前所未有的“高级服务”。这包括如下几个方面的含义i ”】：资源 的网络化，即通过将资源加入到网格中，使得位于任何地理位置的用户都可以通过 网格利用该资源；资源的规范化，即通过将资源封装为服务，屏蔽了资源的多样 性和异构性各种资源对用户都是透明的：资源的相互协调，即对任何网格资源， 在开放网格服务架构( o p e ng r i ds e r v i c e a r c h i t e c t u r e ，o g s a ) 提供的一定规则的约 束和管理下，都可以实现相互协作；资源的动态融合，因为单个资源往往不能满 足用户的要求，这时可以通过网格，将众多的资源集中起来，动态形成虚拟组织， 形成具有超级能力的虚拟资源。 基于以上对制造业现状和发展趋势、网络化制造的优势和缺陷的分析，以及对 网格的定义和特点的描述，可以看出，网格技术在制造业的应用必将是制造业发展 史上的又一个里程碑，极大推动制造业信息化的进程。 1 1 3 课题来源 本课题来源于上海市科委2 0 0 2 年重点攻关项目“基于s m v p n 的公共技术和服 务平台系统建立及其在快速制造中的应用”，以及上海市教委网格e 研究院2 0 0 3 年 的“上海高校网格制造网格应用及其相关中间件的研制”项目。 1 1 4 课题研究的目的和意义 当前，产品制造、销售的全球网络正在逐步形成，现代制造业正在向全球化、 标准化、数字化、虚拟化、开放化的方向发展，网络化制造、虚拟制造、动态联盟、 绿色制造、敏捷制造己成为业界熟知的术语和制造模式。通过分析不难发现，这些 制造模式采用不同的技术，实现相同的功能，达到相同的目的：虬某一市场机遇或 需求为驱动，通过不同企业间在技术、设备、人员等方面的合作，充分利用现有制 需求为驱动，通过不同企业间在技术、设备、人员等方面的合作，充分利用现有制 上海大学硕士学位论文用纸 可以根据自己的需要，“按需”从网格获取各种资源与服务，而不必关心资源与服务 所在的具体位置【l “。 自网格诞生以来，其定义一直处于不断发展变化中，目前最有影响力的是2 0 0 1 年i a nf o s t e r 与c a r lk e s s e l m a n 在t h ea n a t o m yo f t h eg r i d ) ) 中对网格的定义：动态 分布式虚拟组织中的资源共享和协同问题解决( c o o r d i n a t e dr e s o u r c es h a r i n ga n d p r o b l e ms o l v i n gi nd y n a m i c ，m u l t i i n s t i t u t i o n a lv i r t u a lo r g a n i z a t i o n s ) ，并在2 0 0 2 年7 月的w h a ti st h eg r i d ? at h r e ep o i mc h e c k l i s t ) ) 一文中对网格的定义进行了界定， 认为可以从以下三个方面判断一个系统是否为网格系统： 协调非集中控制的资源( c o o r d i n a t e sr e s o u r c e st h a ta l en o ts u b j e c tt oc e n t r a l i z e d c o n t r 0 1 ) 使用标准的、开放的、通用的协议和接口( u s i n gs t a n d a r d g e n e r a l - p u r p o s e p r o t o c o l sa n di m e r f a c e s ) 获得非平凡的服务质量( t od e l i v e rn o n t r i v i a lq u a l i t i e so f s e r v i c e ) 从网格的定义中可以看出，网格概念的核心是“资源( 包括服务) ”以及对“资 源的使用”，通过将资源封装为服务，打破传统的强加在“资源”之上的种种限制， 为使用者提供一种前所未有的“高级服务”。这包括如下几个方面的含义【1 7 】：资源 的网络化，即通过将资源加入到网格中，使得位于任何地理位置的用户都可以通过 网格利用该资源：资源的规范化，即通过将资源封装为服务，屏蔽了资源的多样 性和异构性，各种资源对用户都是透明的：资源的相互协调，即对任何网格资源， 在开放网格服务架构( o p e ng r i ds e r v i c e a r c h i t e c t u r e ，o g s a ) 提供的一定规则的约 束和管理下，都可以实现相互协作：资源的动态融合，因为单个资源往往不能满 足用户的要求，这时可以通过网格，将众多的资源集中起来，动态形成虚拟组织， 形成具有超级能力的虚拟资源。 基于以上对制造业现状和发展趋势、网络化制造的优势和缺陷的分析，以及对 网格的定义和特点的描述，可以看出，网格技术在制造业的应用必将是制造业发展 史上的又一个里程碑，极大推动制造业信息化的进程。 1 i 3 课题来源 本课题来源于上海市科委2 0 0 2 年重点攻关项目“基于s m v p n 的公共技术和服 务平台系统建立及其在快速制造中的应用”，以及上海市教委网格e 研究院2 0 0 3 年 的“上海高校网格制造网格应用及其相关中间件的研制”项目。 1 1 4 课题研究的目的和意义 当前，产品制造、销售的全球网络正在逐步形成，现代制造业正在向全球化、 标准化、数字化、虚拟化、开放化的方向发展，网络化制造、虚拟制造、动态联盟、 绿色制造、敏捷制造已成为业界熟知的术语和制造模式。通过分析不难发现，这些 制造模式采用不同的技术，实现相同的功能，达到相同的目的：以某一市场机遇或 需求为驱动，通过不同企业间在技术、设备、人员等方面的合作，充分利用现有制 上海大学硕士学位论文用纸 造资源，达到制造资源的共享和技术资源的优势互补，实现快速响应市场和降低制 造成本的双重目标。 自出现之日起，这些制造模式就在各行各业发挥着不同程度的作用，对推进制 造业信息化进程具有不可磨灭的地位。然而同时，我们也应该注意到，正是由于这 种百家争鸣制造模式的存在，造成了国家人力、物力、财力的过度浪费，每个制造 模式都有自己特定的体系框架和应用领域，采用一定的技术实现，应用于某种产品 或某个领域的制造模式很难甚至不可能应用到其它的产品或领域中。这种局限性不 仅限制了制造模式的扩展，不符合国家的长远发展规划，同时也违背了制造业全球 化的发展趋势。 制造网格( m a n u f a c t u r i n gg r i d ，m g ) 就是在这种时代背景下出现的，上海大 学俞涛教授于2 0 0 2 年6 月提出了“制造网格”的概念。定义如下：制造网格是面向 制造业领域，以现有的制造业信息化技术和手段为基础，充分利用网格技术先进的 思想和理念、开放的体系和架构、通用的标准和规范、统一的平台和工具，为分布、 异地、动态的制造资源提供资源共享和协同工作的服务平台，制造网格事网络化制 造的标准模式和范式。 该平台以现有的制造业信息化技术和手段为基础，充分利用网格技术开放的体 系框架、通用的标准和规范、统一的开发平台和工具，致力于为制造业建立一种通 用的、标准的和规范的网络化制造模式。该模式的实现不仅能够达到资源共享、协 同工作、降低制造成本、提高资源利用率、加快产品上市时间的目的，同时又具有 极大的柔性和开放性，可以扩展到世界的每一个角落，覆盖所有的现代制造资源和 制造系统，并最终形成全球制造网格。 由于对网格的应用主要就是在不同环境下对各种资源( 分布的、异构的) 进行 平等地调度，所以对资源的调度在网格的应用中占据举足轻重的位置，本课题在对 国内外相关文献充分研究和分析的基础上，提出了“制造网格中资源调度系统研究” 的概念，目的在于利用网格开放的思想和理念，为共享的分布、异构快速制造资源 寻求一种有效的符合制造业标准的调度策略和技术，然后推广于整个制造业，为制 造网格平台提供相应的功能和服务。 1 2 课题研究现状和发展趋势 1 2 1 制造资源调度研究现状和发展趋势 网络经济使得制造环境与传统经济时代相比发生了根本性的变化。制造业已不 再局限于区域性经济，而是面临全球性的市场、资源、技术和人员的竞争，市场需 求更具个性化和多样化，而制造资源市场也已发展成为一个开放型的全球大市场， 制造不再是传统意义上的制造，而是一个跨国界、全球性大制造的概念。在这种环 境下，如何根据市场需求，快速、高效地选择制造资源，动态组成虚拟企业( v i r t u a l e n t e r p r i s e ，v e ) 或虚拟组织( v i r t u a lo r g a n i z a t i o n ，v o ) ，不仅获得整体目标最优， 4 上海大学硕士学位论文用纸 同时还兼顾每个制造资源，达到双赢，是一个亟待解决的问题。 经作者调查分析，目前制造资源调度的方法主要有如下几种，如表1 2 所示。 表1 2 制造资源调度方法 编号 名称方法 1 网络化制造资源集成研究 宏观数学模型 2 虚拟企业伙伴选择中的多目标决策问题 整数规划法、a h p 法 基于产品结构的动态联盟盟员选择算法 a h p 算法、贪心算法 敏捷供应链中供应商选择的a h p d e a 方法a h p 、数据包络法( d e a ) 3 面向敏捷制造的可制造性评价和合作伙伴选择研究工艺评价 4 虚拟企业资源调度的灰色机会约束规划灰色模拟、遗传算法 用g a 求解动态联盟中伙伴选择德多目标优化模型 遗传算法 5 动态联盟企业合作伙伴选择模型和软计算方法模糊逻辑、遗传算法 6 基于群决策的供应链伙伴选择与评价过程群决策 7 敏捷虚拟企业伙伴选择的多维决策模型多维决策模型 8 虚拟企业伙伴选择的多目标方法新探多目标决策改进 9 虚拟企业伙伴选择问题领域的目标本体论目标本体论、知识交换格式 l o 网络化制造资源优化配置d s s 的优化模型研究遗传算法、e m p 模型 在制造网格中，企业可以作为一个资源节点，因此，上表中的伙伴选择、盟员 选择等都属于制造资源调度的范畴。 1 2 1 1 国外制造资源调度研究现状 国外网格的应用目前主要应用于计算网格，由于起步的较早，所以相对比较成 熟，而且已经有好多已经应用和正在实施的计算网格项目，例如美国国防部的 s y n t h e t i cf o r c e se x p r e s s ，s fe x p r e s s ，德国的c a c t u s 平台的开发等，都取得了不小的 成果。图i - 1 是一般计算网格的资源管理体系结构框图： 图1 - 1g l o b u s 资源管理体系结构 在上面这个图中，对资源的调度主要由资源b r o k e r 这个模块来完成，它主要用 来完成四个任务： 1 、资源发现：确定一系列经过审定的资源给使用者。在索引服务( i n d e x s e r v i c e ) 支持下，通过某些预算法则进行资源的发现。 2 、资源选择：考虑使用者的一些要求( 时间，价格等) 在被选资源中进行选择。 3 、任务调度：将待解决的任务分配给特定的一个资源来完成，以期达到使用者 5 上海大学硕士学位论文用纸 的某种要求和意图。 4 、任务的监控和移动：网格的一个重要特征就是环境时时更新和变化。 目前，在已经应用的网格项目中所用的调度方法主要分为基于性能的调度器和 基于经济的调度器两大类。其中，绝大多数计算网格和数据网格都属于第一种类型， 调度的目的是寻求最短的运行时间( 最优性能) 。随着网格技术向其它领域的应用， 除了运行时间，用户对成本预算也开始有越来越高的要求，基于经济的调度器就是 在这种情况下发展起来的，在基于经济的调度过程中进行资源匹配时，同时考虑时 间和成本两种因素，这种方法在一定程度上满足了网格项目的要求。 在网格环境下，资源的管理和调度是一个复杂的过程，这是因为这些资源处于 不同的地理位置，属于不同的企业，不同的使用方针，不同的计费模式，还有装载 和有效的模式等。有了这个体系结构，在虚拟组织( v o ) 和虚拟企业( v e ) 中， 为了加工产品，制造网格使资源平等和聚合的使用变为可能。 1 2 1 2 国内制造资源调度研究现状 国内的网格研究情况，稍晚于国外，但进步明显。目前主要应用的领域也是计 算网格，不过最近清华大学和上海交通大学也已经开始制造网格的探索。已经完成 的网格研究项目主要有清华大学的先进计算基础设施a c i ( a d v a n c e dc o m p u t a t i o n a l i n f r a s t r u c t u r e ) 和以中科院计算为主的国家高性能计算环境n h p c e ( n a t i o n a lh i i g h p e r f o r m a n c ec o m p u t i n ge n v i r o n m e n t ) 。另外，全国还有几十所大学和研究机构已经开 始开展各种网格研究。但是，基于计算网格的资源调度系统都是大同小异，而制造 网格中的资源调度系统由于都处于刚刚开始阶段，暂时还都没有形成自己的理念。 目前，在非网格下的资源调度系统的应用比较多，我们可以将之分为定性和定量两 大类： 1 、定性方法 直观判断法。根据征询和调查所得的资料并结合人们的分析判断，对资源作出 分析、评价： 招标法。由某个中性组织提出招标条件，各个资源所在企业进行竞标，然后由 该组织决定与最有利的资源签订合同或协议； 协商选择法。由中性组织选出条件较好的几个资源，由他们所在企业分别进行 协商，再确定适当的资源。 从以上可以看出，这几种方法都需要人工干预，需要由某个组织专门负责，然 而，制造网格是一种分散管理机制，没有专门组织负责任务的管理，因此，均不满 足要求。 2 、定量的方法 线性权重法。这是目前制造业常用的方法。其基本原理是给每个准则分配一个权 重，每个资源的定量结果为该资源各项准则的得分与相应准则权重的乘积之和， 通过对各资源定量结果的比较，实现选择； a b c 成本法( a c t i v i t yb a s e dc o s t i n ga p p r o a c h ) 。通过计算资源的总成本来进 6 上海大学硕士学位论文用纸 行选择o 数据包络分析法。这是在相对效率评价概念的基础上建立起来的一种新的系统分 析方法； 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m s ，g a ) 。模拟自然过程，特别是模拟生物界自然 进化和遗传过程的随机搜索算法，具有在复杂空间求解问题近似最优解的能力： 层次分析法( a h p ) 。基本思想是把一个复杂问题分解成若干个组合因素，然后将 这些因素按其支配关系，分组形成递阶层次结构，通过两两比较的方式确定层次 中诸因素的相对重要性，然后综合人的经验判断以决定诸因素相对重要性的顺序 和权重。 从以上对国内外研究现状的分析可以看出：对于网格中资源的调度，国外起步 较早，已经进入了实际应用阶段，并取得了一定成效，但大都应用于计算网格中； 国内虽然对资源的调度系统和方法有许多研究，但大都没有在网格中实施和应用， 所以，如何将这些已经比较成熟的资源调度系统和方法应用于制造网格，或者结合 制造业的实际情况，开发出基于制造网格的资源调度系统和方法，是我们目前面临 的一个全新的挑战。 1 2 2 q o s 管理研究现状与发展趋势 服务质量q o s ，是指决定用户满意程度的服务性能的综合效果【l 。q o s 主要研 究发送和接收信息的用户之间，以及用户与传输信息的集成服务网络之间关于信息 传输的质量约定。该约定可被解释为服务提供者与用户之间的一份服务契约，即当 且仅当服务使用者按照约定的信息流量特征提供数据时，服务提供者承担支持给定 的服务质量层次的义务。服务质量包括用户请求和网络集成服务提供者的行为两个 方面，其中，用户请求指用户所要求的服务类型以及相应的服务性能和质量等，而 集成服务提供者的行为则指因特网上某一类服务所能提供和达到的服务性能和质量 【l 。q o s 与用户，服务提供者以及i n t e m e t 之间的关系如图1 - 2 所示。 参数) 图1 - 2q o s 系统关系示意图 由上图可以看出，q o s 不是网络中某个个体或元素的行为描述，它涉及用户与 服务提供者，以及他们与网络、网络内部节点的整体行为。用户与服务提供者进行 相互通信时，事先必须相互协调通信时的服务类型以及相应的性能参数。以多媒体 网络通信为例，服务使用者接收服务提供者的实时多媒体信息。服务提供者以每秒 3 0 帧的速率传输信息，如果服务使用者只有每秒2 0 帧的接收能力，则信息会由于 7 上海大学硕士学位论文用纸 服务使用者的接收能力不够而丢失，从而无法进行满意的实时通信。相反，如果经 过事先协商，服务提供者降低传输速度，满足服务使用者的接收能力，则服务使用 者会获得较好的服务质量，且网络负载也会相应减轻。 除了服务使用者与服务提供者之间的协商外，两者与网络、网络中各元素之间 也存在着q o s 协商和管理问题。当用户的q o s 要求太高，网络无法提供相应的集成 服务时，将需要用户降低要求，甚至拒绝用户的q o s 请求。 一般地，q o s 可以分为三个层次：应用层q o s ，中间件q o s 和网络q o s t 2 0 】： 应用层q o s 主要侧重于用户与服务之间的关联，包括从用户提出服务请求，到 服务发现，资源预留，q o s 协商，到最后在用户和服务之间建立s l a 协议。应 用层q o s 主要是根据用户提出的q o s 请求，搜索最符合要求的服务，服务提供 者必须承担提供满足用户要求的服务。 中间件q o s 是指基于中间件的q o s 。确保中间件提供可靠的服务。 在分布式应用中，必将涉及到用户与服务，以及服务与服务之间的网络连接， 如消息传递和数据传输等，从而要求用户或服务在规定的时间片内作出响应， 以及相应的带宽等，这就需要网络q o s 。 1 2 2 1 网格q o s 的研究现状与发展趋势 随着网格技术在各个领域的不断应用和推广，网格服务质量的保证成了一个迫 切需要解决的问题，尤其是将网格应用推向商业化，q o s 将成为一个关键因素。 早在1 9 9 9 年，i a n f o s t e r 就提出了基于g l o b u s 的q o s 框架一g a r a ( g l o b u s a r c h i t e