（机械设计及理论专业论文）多agent技术及蚂蚁算法在制造网格系统中的应用.pdf

摘要 随着计算机技术、网格( g r i d ) 技术的发展，制造业信息化的深入，制 造网格( m a n u f a c t u r i n gg r i d ，m g ) 作为信息技术和制造技术结合的产物应 运而生，为网络化制造提供了一个通用的协作平台。制造网格系统是分布式 异构平台，是网格技术在制造业的具体应用，其复杂性主要体现在资源的异 构性和多样性以及活动的复杂性。在制造网格的应用过程中，制造资源的调 度问题越来越举足轻重。为保证制造网格系统中的各种异质资源，乃至整个 系统能够稳定地、持续地、高速地提供服务，本文提出了将多a g e n t 技术以 及蚂蚁算法应用于制造网格系统中对其资源管理及调度过程进行优化的方 案，并对相关技术和理论进行了阐述。 本文介绍了制造网格体系结构，并对制造网格资源调度模块进行功能分 析。根据制造业的特点，探讨了制造网格系统在进行资源调度时所应该遵循 的准则，确定了制造资源的服务质量参数。分析了制造网格资源调度模块结 构及其运行方式，得到其调度模块功能图。 在对制造网格体系结构进行功能分析的基础上，引入了多a g e n t 技术， 制造系统网格环境可以视为各种制造资源的a g e n t 模型组成的分布式网络化 虚拟协同制造系统，用来运行各种制造方案。在网络环境中，a g e n t 不只是 对系统功能进行描述，而且注重于底层的物理行为描述。因而要在有限的时 间内处理大量的实体消息。这就需要强大计算能力的支持，而网格计算是有 效的网络制造系统实时处理的方法。这就为多a g e n t 技术在制造网格系统中 的应用打下了坚实的基础。根据多a g e n t 技术的思想，制造网格系统中的多 个制造资源可以看作是多个封装好的a g e n t 服务，从制造资源的物理配置考 虑，又可以将具体的某一个制造资源划分为多个a g e n t 。制造网格系统使得 制造资源的分布性表现得更加突出，迫切需要有效的技术手段来解决这个问 题，而a g e n t 作为。种软件模块，把它应用于制造网格资源管理系统中，具 有许多优点，在本文中具体论述了这些优点。 蚂蚁算法( a n ta l g o r i t h m ) 是由意大利人m d o r i g o 等人首先提出的， 该算法模仿蚂蚁觅食时的行为，按照启发式思想，通过信息传媒 ( p h e r o m o n e ，信息素) 的诱导作用，逐步收敛到问题的全局最优解，是求 解适应性计算问题的一种有效方法。由于制造网格系统中的资源调度问题是 众所周知的n p 问题，而大量的实验表明，蚂蚁算法是一种有效的求解n p 类问题的新型算法，具有较强的鲁棒性和内在的分布并行性，且易于和其他 方法相结合。本文阐述了蚂蚁算法的具体特性，并将其应用于制造网格系统 中的资源调度模块中，对于适应制造网格的资源强动态性特点，提高制造网 格系统的可扩放性是很有帮助的。 最后，本文以j d k l 4 为编程环境，以软件形式实现了多a g e n t 技术在 制造网格资源管理系统中的应用。同时分析了具体的制造网格系统中资源调 度的目的和需求，结合蚂蚁算法的特点，实现了资源调度的优化，通过仿真 实验验证了理论的正确性和方法的可行性。 关键词制造网格，网络化制造，多a g e n t ，蚂蚁算法，资源管理，资源调度 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g yo fc o m p u t e ra n dg r i d ，a n dt h e c o n s t a n ta d v a n c eo fm a n u f a c t u r i n gi n f o r m a t i o n i z a t i o n ，m a n u f a c t u r i n gg r i d ( m g ) e m e r g e s a st h er e s u l t so f c o m b i n i n g t h ei n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y a n d m a n u f a c t u r i n g ，t op r o v i d eag e n e r a l p l a t f o r mf o rn e t w o r k e d m a n u f a c t u r i n g a sa g r i da p p l i c a t i o ni nm a n u f a c t u r i n g ，t h em gi sad i s t r i b u t e di s o m e r i cs y s t e m ，w h o s e c o m p l e x i t yl i e s i nt h eh e t e r o g e n e o u sa n dv a r i o u sr e s o u r c e sa n dt h ec o m p l e x a c t i o n s i no r d e rt o k e e pd i f f e r e n tk i n d so fr e s o u r c ei n t h em gs y s t e m ，a n d e v e nt h ew h o l es y s t e mi t s e l f r u n n i n gc o n t i n u a l l y a n d s t a b l y w i t h h i g h p e r f o r m a n c e ，t h i sp a p e rh a sa p p l i e dm u l t i a g e n tt e c h n o l o g ya n da n ta l g o r i t h m i n t ot h em gs y s t e ma n do p t i m i z e dt h ep r o c e s so fr e s o u r c em a n a g i n ga n d s c h e d u l i n ga n dd i s c u s s e dt h ec o r r e l a t i v et e c h n o l o g ya n dt h e o r i e s f i r s t l y ，t h i sp a p e rh a si n t r o d u c e dt h es t r u c t u r eo fm gs y s t e ma n da n a l y s e d t h ef u n c t i o no ft h em gr e s o u r c es c h e d u l i n gm o d u l e b a s e do nt h et r a i to ft h e m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y , t h i sp a p e rh a sd i s c u s s e dt h er u l e st h a tt h em gs y s t e m s h o u l df o l l o ww h e ni t c a r r yt h r o u g hr e s o u r c es c h e d u l i n g ，a n dc o n f i r m e dt h e s e r v i c eq u a l i t yp a r a m e t e r so fm a n u f a c t u r i n gr e s o u r c e s t h e ni th a sa n a l y s e dt h e s t r u c t u r ea n d f u n c t i o n i n gm o d eo ft h em gr e s o u r c es c h e d u l i n gm o d u l e ，g o t t h ef u n c t i o ns c h e m eo ft h em gr e s o u r c es c h e d u l i n gm o d u l e ，a n do f f e r e d t h e o r e t i cd i r e c t i o n so fi n t r o d u c i n gm u l t i a g e n tt e c h n o l o g ya n da n t a l g o r i t h m 。 b a s e do nf u n c t i o na n a l y s i n go ft h es t r u c t u r eo fm g s y s t e m ，a n di n t r o d u c i n g m u l t i a g e n tt e c h n o l o g y ，m a n u f a c t u r i n gs y s t e mg r i de n v i r o n m e n tc a nb et r e a t e d a sd i s t r i b u t e dn e t w o r k e dv i r t u a lc o l l a b o r a t i v em a n u f a c t u r i n gs y s t e mw h i c hi s m a d eu po fv a r i o u sm a n u f a c t u r i n gr e s o u r c ea g e n tm o d e l sa n db eu s e dt or u n d i f f e r e n tk i n d so fm a n u f a c t u r i n gp r o j e c t s i nt h en e t w o r k e de n v i r o n m e n t ，t h e a g e n td o e s n to n l yd e s c r i b es y s t e mf u n c t i o n s ，b u ta l s op a y sa t t e n t i o nt op h i s i c a l a c t i o n sd e s c r i b i n go fl o wl e v e l s ，s oi tm u s td e a lw i t hl a r g ea m o u n to fe n t i t a t i v e i n f o r m a t i o ni nl i m i t e dt i m e t h i sn e e d st h es u p p o r to fp o w e r f u lc a l c u l a t i n ga b i l i t y ， a n dg r i dc o m p u t i n gi st h ev e r ye f f e c t i v em e t h o do fn e t w o r k e dm a n u f a c t u r i n g s y s t e mr e a l t i m ep r o c e s s i n g s o i ts e tu pt h es t r o n gb a s ef o rt h ea p p l i c a t i o no f m u l t i a g e n tt e c h n o l o g yi nm gs y s t e m f o l l o w i n gt h ei d e a o fm u l t i a g e n t - 1 1 1 - t e c h n o l o g y , v a r i o u sm a n u f a c t u r i n gr e s o u r c e si nm gs y s t e mc a nb et r e a t e da s v a r i o u se n c a p s u l e da g e n ts e r v i c e s ，w h i l ec o n s i d e r i n gt h ep h i s i c a lc o n f i g u r a t i o no f m a n u f a c t u r i n gr e s o u r c e s ，w ec a nd i v i d eo n em a t e r i a lm a n u f a c t u r i n gr e s o u r c ei n t o v a r i o u sa g e n t s m gs y s t e mm a k e sd i s t r i b u t i n g p r o p e r t y o f m a n u f a c t u r i n g r e s o u r c e sm a r k e d ，s oi tn e e d su r g e n t l ye f f e c t i v et e c h n o l o g i c a lm e t h o d st os o l v e t h i sp r o b l e m a g e n t ，a sas o r t w a r em o d u l e ，a p p l i e di nm gr e s o u r c em a n a g i n g s y s t e m ，h a sm a n ya d v a n t a g e s i td i s c u s s e sd e t a i l e d l yt h e s ea d v a n t a g e si n t h i s p a p e r a n ta l g o r i t h mi sb r o u g h tf o r w a r df i r s t l yb yt h ei t a l i a nm d o r i g oa n do t h e r p e o p l e ，i ti m i t a t e st h ea c t i o n sw h e na n t sl o o kf o rf o o d ，f o l l o w i n gt h eh e u r i s t i c i d e a ，b yt h ed e r i v a t i o n a le f f e c to ft h ei n f o r m a t i o ni n t e r m e d i u m p h e r o m o n e ， a n dg r a d u a l l yc o n v e r g e st ot h eg e n e r a lo p t i m u mm e a s u r eo ft h ep r o b l e m s oi ti s a ne f f e c t i v em e t h o dt os o l v ef l e x i b i l i t yc o m p u t i n gp r o b l e m s a sr e s o u r c e s c h e d u l i n gp r o b l e mi nm gs y s t e mi s aw e l l k n o w nn pp r o b l e m ，a n dm a n y e x p e r i m e n t si n d i c a t et h a ta n ta l g o r i t h mi san e w e f f e c t i v ea l g o r i t h mt os o l v en p p r o b l e m s i th a ss t r o n gr o b u s tp r o p e r t ya n di n t e r n a ld i s t r i b u t e d c o l l a b o r a t i v e p r o p e r t y , a n dc a nc o m b i n ew i t ho t h e ra l g o r i t h m se a s i l y t h i sp a p e re x p l a i n st h e d e t a i l e dt r a i to fa n ta l g o r i t h m ，a n da p p l y si ti nt h er e s o u r c es c h e d u l i n gm o d u l e i nm gs y s t e mt oh e l pi ta d a p tt ot h es t r o n gd y n a m i ct r a i to fm gr e s o u r c ea n d i m p r o v et h ee x t e n s i b l et r a i to fm gs y s t e m f i n a l l y ，t h i sp a p e rc h o o s e sj d k l 4 a st h ep r o g r a m m i n ge n v i r o n m e n t ， i m p l e m e n t s t h e a p p l i c a t i o n o f m u l t i - a g e n tt e c h n o l o g y i nm gr e s o u r c e m a n a g i n gs y s t e mi ns o f t w a r ef o r m w h i l ei ta n a l y s e st h ed e t a i l e da i ma n dn e e d o fr e s o u r c es c h e d u l i n gi nm gs y s t e m ，a p p l i e sa n ta l g o r i t h mi nr e s o u r c e s c h e d u l i n gm o d u l ei n m gs y s t e m ，c a r r i e so u tt h eo p t i m i z a t i o no fr e s o u r c e s c h e d u l i n g ，a n dp r o v e s t h et h e o r e t i c a lc o r r e c t n e s sa n dt h em e t h o d o l o g i c a l f e a s i b i l i t yb ye m u l a t i o n a le x p e r i m e n t s k e y w o r d s ：m a n u f a c t u r i n gg r i d ，n e t w o r k e dm a n u f a c t u r i n g ，m u l t i a g e n t a n ta l g o r i t h m ，r e s o u r c em a n a g i n g ，r e s o u r c es c h e d u l i n g i v - 独创性声明 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及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的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。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，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，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 签名 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 导师签名期 ( 注：此页内容装订在论文扉页) 凇 一一 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文研究背景及意义 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。随着时代的变迁，制造业的发展重点已经发生了很大变化， 制造模式也从2 0 世纪6 0 年代追求生产规模，7 0 年代降低生产成本，8 0 年代 提高产品质量，9 0 年代加快市场响应速度，发展到了现在高度重视知识的2 1 世纪。图1 - 1 揭示了制造业的发展历程【l 】o 图1 - 1 制造业的发展历程 随着信息时代的来临、知识经济的挑战、全球化浪潮的冲击、网络经济的 影响、高速发展的高科技的推动、新思想、新技术的不断涌现，现代制造业发 展呈现如f 趋势j ： 市场的多样化和个性化。技术革命改变了传统的生产方式的生活方式，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 到为用户提供全丽解决方案。 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 武汉理工大学硕士学位论文 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。 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。 制造业的集群化发展。在全球经济中，一一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。 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。 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。 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。 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。 在这种经济全球化、全球信息化以及我国加入世界贸易组织( w t o ) 的 新形势下，利用信息技术与计算机网络技术，特别是突飞猛进发展的 i n t e r n e t e x t r a n e t i n t r a n e t 技术，改造现有的制造模式，已成为各国制造业研究 的主要内容。现代集成制造( c o n t e m p o r a r yi n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g ，c i m ) 、虚 拟制造( v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g , v m ) 、敏捷制造( a g i l em a n u f a c t u r i n g ，a m ) 、并 行工程( c o n c u r r e n t e n g i n e e r i n g ，c e ) 、 智能制造 ( i n t e l l i g e n t m a n u f a c t u r i n g , i m ) 、绿色制造( g r e e nm a n u f a c t u r i n g , g m ) 、网络化制造 ( n e t w o r k e dm a n u f a c t u r i n g ，n m ) 等，都是在这种时代背景下，为适应不断变 化的市场，满足客户f i i 益个性化、多样化的需求而逐步发展起来的1 3 】。 其中，自1 9 9 8 年美国( ( m a n u f a c t u r i n ge n g i n e e r i n g ) ) 杂志高级编辑j e a n v o w i n 专门撰文论述基于w e b 制造的重大意义和应用情况以来，网络化制造 以其独特的生命力吸引了国内外大量研究人员的重视。重庆大学刘飞教授在 2 0 0 2 年中国机械王程学会年会中【4 1 ，对网络化制造作了较规范的定义：网络化 2 武汉理上大学硕士学位论文 制造是指基于网络的制造企业的各种制造活动( 包括市场运作、产品设计与开 发、物料资源组织、生产加工过程、产品运输与销售、售后服务等) 及其涉及 的制造技术和制造系统，如图1 2 所示。 国 - l 制造i 大制造概念 制造系统 制造过程 图1 2 网络化制造定义 目前，对网络化制造的研究主要集中在两个方面：一个是网络化制造模式 的研究，另一个是网络化制造应用的研究。在网络化制造模式的研究中，国内 外各大高校和研究机构提出不同的理念，采用各不相同的技术实现，如表1 - 1 所示。 表1 - 1 网络化制造模式 机构网络化髑造平台名称 关键技术 基于a g e n t 的网络化制造 华中科技大学 5 分布式网络化制造系统 c o r b a 、m u l t i a g e n t ，网络技 术、数据库技术 ( d n m s ) j 刮济大学1 6 】 分散式网络化划造系统移动a g e n t 、w e b 技术、数据 香港理工大学 ( d n p m s )库、网络 a g e n t 、分靠式数姑库技术、 重庆大学1 7 1 网络化集成制造系统( n i m s ) w e b 技术、知识管理 网络、虚拟制造技术、计算机 清华大学1 8 】网络化敏捷制造 支持的| 办同工作( c s c w ) 、 安全技术 上海交通大学【q 上海敏捷制造网络集成平台 网络技术、数据库技术 基于上海制造虚拟网( s m v p n )虚拟专用网( v p n ) 、可视化 k 海大学 1 0 1 的公共技术及服务平台系统c s c w 、w e b 技术、数据库 对网络化制造目前的发展情况进行分析和总结，其优势和不足如表1 2 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 表1 2 网络化制造的优势和不足 网络化制造的优势 网络化制造的不足 基丁网络的数据传输 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 项目管理和料表( b o m ) 管理 采用集中管理机制，需要管理中心 采用专用技术实现，难以集成和推广 动态组成虚拟企业 缺乏必要的柔性和开发性 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 信息业背景 首先，回望互联网的发展历史，经历了以t c p i p 技术为主导的大规模网 络互联阶段，随后电子邮件的产生带来了传统通信方式的全新变革，而万维网 的迅速普及产生了通过w e b 发布与获得信息的方式。在技术发展潮流的推动 下，人们开始思考互联网技术的下一步将向何处去。这时网格计算模型开始浮 出水面。中国科学院计算所所长李国杰院士认为，网格实际上是继传统因特网 和w e b 之后的第三个大浪潮，可以称之为第三代因特网。简单地讲，传统因 特网实现了计算机硬件的连通，w e b 实现了网页的连通，而网格试图实现互联 网上所以资源的全面连通，包括计算资源、存储资源、通信资源、软件资源、 信息资源、知识资源等。互联网的发展历程如图1 - 3 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 图1 3 互联网发展历程 其次，随着开放式操作系统l i n u x 的深入发展，厂商共同开发开放的标准 已成大势所趋，而自主计算系统、开放式w e b 服务、模块化网络等概念的提 出，为网格设想的实施奠定了技术基础。 第三，r r 技术发展到今天，如何管理日渐复杂的i t 环境成了企业的管理 者最为头疼的问题。人们希望有更简便、更智能化的方式来管理l t 系统，许 多大型企业开始考虑如何更好地管理和利用分布在不同区域的计算资源。许多 科研机构、高等院校开始将网格技术应用在需要较高计算能力的领域，并实现 不同地域计算能力的共享。一些商业用户也开始注意到这一计算的优越性和巨 大潜力，开始尝试建立商业网格系统。这些都为网格技术创造了广阔的市场空 间。 网格技术就是在这种时代背景下，借鉴于电力网( p o w e rg 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i l ”。 网格的发展经历了三个阶段【1 2 】：第一阶段时网格的萌芽阶段开始于9 0 年代早期，研究内容是关于千兆网试验床以及一些元计算方面的：1 二作；第二阶 段是一些早期的试验，时问大概从9 0 年代中期到晚期，出现了一些比较重要 的丌创性和奠基性的研究项目，比如i - w a y ( i n f o r m a t i o nw i d ea r e ay e a r ) ， g l o b u s 1 3 】，l e g i o n ( 一种协同应用平台) 等；目前是网格技术的迅速发展阶 段，关于网格的研究、丌发和应用项目大量出现，出现了影响很大的全球网格 论坛g g f ( g l o b a lg r i df o r u m ) 1 1 4 l ，同时网格技术也不再仅仅局限于科学研 武汉理_ j = 大学硕士学位论文 究，工业界与学术界联盟，正致力于使网格技术在更广泛的领域得到推广和应 用。 自网格诞生以来，其定义一直处于不断发展变化中，2 0 0 1 年l 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 ft h eg r i d ) ) 中将网格定义为：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 cm 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 i n gr e s o u r c e st h a t a r en o ts u b j e c tt o c e n t r a l i z e dc 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( d e l i v e r i n gn 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 5 】： ( 1 ) 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； ( 2 ) 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； ( 3 ) 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 n g 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； ( 4 ) 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。 武汉理1 二大学硕士学位论文 1 1 3 课题来源 本课题来源于国家自然基金项目：“网络环境下的数字制造理论及关键 技术”，编号：e 0 55 0 3 3 5 0 2 0 。 1 1 4 论文研究的目的和意义 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，即：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，推进 了制造业信息化进程。然而也应该注意到，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 ) 的概念就是在这种时代背景下提出 的，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。 本论文研究的意义就在于尝试不仅从理论上分析并从技术上解决制造网格 系统存在的瓶颈问题，同时又从应用角度消除制造网格平台不实用的隐患。由 于制造资源的复杂性和特殊性，以及非技术因素的影响，导致网格技术在制造 业的应用比其它计算网格或数据网格困难的多，制造资源的管理与调度便成为 制约网格技术向制造业应用的瓶颈，而基于多a g e n t 技术和蚂蚁算法的制造网 武汉理工大学硕士学位论文 格资源管理与调度系统的实现为制造网格的顺利开展铺平了道路。 1 2 国内外研究现状和发展趋势 本文主要从网格技术的应用和制造资源的管理两个方面介绍国内外研究现 状和发展趋势。 1 2 1 网格应用研究现状和发展趋势 1 国外网格应用及研究现状 按照i a nf o s t e r 和g l o b u s 项目组的观点，网格应用领域目前主要有五 类：分布式超级计算、分布式仪器系统、数据密集型计算、远程沉浸和信息集 成“，如表卜3 所示。 表卜3 网格应用项目 类别 相关项目 美国军事仿真s f b = d r e s s 项目 分布式超级计算 德国基于o d l 】s 的叛字相对论 分布式仪器系统 英国剑桥大学与西英格兰癌症网联合进行的远程医疗试验 美国能源部的远稗访问贵重仪器恤项目 数据密集型计算 剿疆王熊研究机构的d a t a g r i d ) 网格物理网格g r i p h y n 粒子物理数据网格删 d a m t a g 试验床 远捌沉浸虚拟历史博物馆 协同学 u 环帅c e 数据可视化协同分析环境 信息集成美国军方的全球信息网* g g i g 2 国内网格应用及研究现状 在我国，网格正在成为中国i t 界跟踪世界先进技术潮流的一个主战场 【1 ”，已经完成的网格研究项目主要有两个：一个是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 li n f r a s t r u c t u r e ) ，建立了召开网络会议和“虚 拟实验室”的研究环境；另一个是中科院计算所联合十几家科研单位，从1 9 9 9 年底到2 0 0 1 年初的国家高性能计算环境n h p c e ( n a t i o n a lh i g hp e r f o r m a n c e c o m p u t i n ge n v i r o n m e n t ) ，该项目建立了一个分布式环境下支持异构平台的计 算网格示范系统，把我国8 个高性能计算中心通过i n t e m e t 连接起来，进行统 一的资源管理、信息管理和用户管理。 武汉理工大学硕士学位论文 2 0 0 2 年4 月5 日至6 日，国家科技部在北京召开“网格战略研讨会”，科 技部领导、应用领域专家、8 6 3 专家和国外专家一致强调：我国各行各业己经 对网格技术提出了实际需求，网格的商业应用就在眼前，国内r r 企业要加快 步伐，抢占先机。 此外网格研究项目还有：8 6 3 计划支持的“中国网格( c h i n ag r i d ) ”建 设，有多家单位参加；“上海高校网格”，由多所上海的大学参加；“仿真网 格”的研究，由航天二院和清华大学共同开展；“织女星网格”，由中科院计算 所领衔丌发；另外，全国还有几十所大学和研究机构已经开展各种网格研究。 可以看出，网格研究正在我国迅速展开。 3 网格技术发展趋势 由g l o b u s 联盟和i b m ，h p 等在g 1 曲u s w o r l d2 0 0 4 国际会议上联合发 布的w s r f ( w e bs e r v i c er e s o u r c ef r a m e w o r k ) 1 1 8 概念指明了网格技术的发展 方向。 如图1 - 4 所示，w s r f 是g r i ds e r v i c e 与w e bs e r v i c e 相结合的产物，它 将o g s ( o p e ng r i ds e r v i c ei n f r a s t r u c t u r e ) 规范分解为6 个新的可以重新组合 的规范1 ”j ，实现了g r i d 与w e b 的融合。表1 - 4 描述了w s r f 中的各个规 范。相对o g s i 而言，w s r f 具有两个优点： w s r f 更好地利用了现有的x m l 标准，以及新出现的w e bs e r v i c e 标准， 这使得w s r f 可以很轻易地借助于现有的或新出现的w e bs e r v i c e 工具来 实现； w s r f 更符合学究派的观点。o g s i 术语和构造引起了w e bs e r v i c e 领域中 一部分人的焦虑，他们误以为o g s i 会导致w e bs e r v i c e 的笨重。w s r f 澄 清了这一点，并晚明要用w e b 服务操作处理有状态的资源。 g r i d w s r f l 一m e a p h t p p c r a a e l 1 t r n s a 1 f 武汉理工大学硕士学位论文 图1 - 4 网格技术发展趋势 表1 - 4 w s r f 规范描述 名称 描述 w s - r e s o u r c e p r o p e r f i e s 描述如何来取得、更新和删除有状态资源的属性元素 w s r e s o u r c e l i f e t i m e 允许请求者立即或者在将来指定时间销毁w s r e s o u r c e 对w s a d d r e s s i n ge n d p o i n tr e f e r e n c e 进行注释，当其失效时， w s r e n e w a b l e r e f e f e n c e 可以通过该注释信息取得一个新的r e f e r c n c e w s s e r v i e e g r o u p 创建和使用异构的w e bs e r v i c e 集合 w s b a s e f a u l t描述了用于报错的基本故障类型 w s n o t i f i c a t i o n基丁主题的发布和预定的标准通知模式 1 2 2 制造资源管理技术的研究现状和发展趋势 制造是人类按照所需目的、运用主观掌握的知识和技能，借助于手工或可 以利用的客观物质工具，采用有效的方法，将原材料转化为最终物质产品、并 投放市场的全过程。因此，制造不是指单纯的加工过程，而要包括市场调研和 预测、产品设计、选材和工艺设计、生产加工、质量保证、生产过程管理、营 销与售后服务等产品生命周期内的一系列相互联系的活动。而制造资源是企业 完成产品整个生命周期所有生产活动的物理元素的总称，贯穿产品生产的全过 程，因此，对制造资源管理的研究也贯穿于整个制造业的进程。 制造资源可分为广义制造资源和狭义制造资源】。从广义上讲，制造资源 是对企业中的设备、材料、人员、以及产品生命周期所涉及的硬件、软件的总 称。根据企业层次管理的结构形式，制造资源可抽象为工厂层、车间层、制造 单元层和设备层等，如图1 5 所示。每个层次所代表的制造资源都具有一定 的属性和功能。企业层完成企