（航空宇航制造工程专业论文）制造网格资源管理与配置关键技术研究.pdf

摘要 制造全球化和制造网络化是当前制造领域的研究热点，作为网络化制造的 关键技术支撑和基于网络集成和共享制造资源的基础设施，制造网格利用网格 技术和信息技术将制造资源封装成标准、开放的网格服务节点，向用户提供优 质的制造服务。为了有效地实现制造网格环境下资源的共享与优化配置，本文 在制造网格现有研究的基础上，对制造网格的体系结构、资源建模、服务节点 构建、资源服务能力评价和资源优化配置等关键技术展开深入研究。全文的主 要研究成果如下： ( 1 ) 基于- 丌放网格服务体系结构o g s a 提出了种制造网格的多层次体系 架构，从下至上由物理资源层、资源连接层、虚拟资源层、服务管理层和制造 服务应用层组成。该架构中，物理资源层的资源实体被映射为虚拟资源层的网 格服务，以服务的形式将本地资源共享为网络上的全局资源，充分体现网格以 服务为核心的精髓。 ( 2 ) 提出了用功能视图、资源视图、信息视图和过程视图描述体系结构的 功能结构、资源构成、信息来源和系统运行方式，过程视图将前三个视图连接 为一个整体，构成制造网格体系结构全局关系的多视图模型，全面描述制造网 格体系结构的特征。 ( 3 ) 研究了制造网格资源管理的典型过程和基本操作，包括资源注册、资 源描述、资源发现、资源评价、资源分配和资源状态监控等环节。构建了制造 网格资源管理模型，基于o g s a 中基本的管理接口实现制造网格资源管理功能。 提出了制造网格环境下的资源统一抽象模型，用于描述资源属性信息和定义访 问接口。基于w e b 技术实现了服务节点的信息描述，操作接口定义，服务实现 和部署，并实例化封装了标准件库网格服务节点。 ( 4 ) 研究了基于任务驱动的制造网格资源配置过程，对该过程的任务建模、 任务分解、资源检索、资源服务能力评价、任务分配及任务状态监控等环节进 行了深入研究。资源服务能力评价是该过程的关键和难点，提出了基于遗传算 法的资源服务能力多属性综合评价方法，建立了多属性优化模型，设计了遗传 算法的适应度函数、具有自适应能力的交叉概率和变异概率、选择、交叉、变 异算子，以及保优操作和终止条件，并对算法的有效性进行了验证。 ( 5 ) 研究了制造网格中的经济学问题，阐述了在制造网格资源配置中引入 经济模型的优点。基于市场供求关系理论建立了制造网格资源市场模型和基于 市场机制的资源配置框架。研究了基于市场机制的制造网格资源配置原理和过 程，在市场供需均衡状态下达到资源配置的帕雷托( p a r e t o ) 最优。资源配旨过 塑! l 三些查耋堡主堂堡丝耋 垫矍 程的关键是资源均衡价格的确定，引入了确定资源均衡价格的快速迭代算法 并验证了算法的有效性。 ( 6 ) 依托相关项目研究背景，基于w 曲技术和网格软件开源工具包g l o b u s t 0 0 1 k i t 开发了一个面向资源共享的制造网格服务平台，包括一个制造资源管理 子系统和制造任务管理子系统。封装了加工资源数控机床( 硬件资源) 和设计 资源标准件库系统( 软件资源) 的网格服务节点，并以某型号航空发动机叶片 加工为制造任务，将论文所研究的理论、方法进行了验证和应用。 关键词；制造网格，开放网格服务体系结构，多视图模型，资源抽象模型、资 源配置、遗传算法、市场机制，迭代算法。 i l 塑：l ! ；些叁：兰堕土耋丝丝塞 些! ：! ! ! ， a b s t r a c t 0 l o b a l i z a t i o nm a l l u f 犯t 1 | r i n g孤dn e 柳o r km a n u f a c m r i n gh a v eb e c o m ea r e s e a r c hf o c u si nm o d e r nm a 妇删沁耐n gf i e l d m a l l i l f 犯t u r i n gg r i di s t h ek e y t e c h n o l o g ys u s t e n t i o no fn e t w o r km 锄a c t l 】r i n ga n da l li 1 1 f h s t n l c t l j r eo fi n t e g r a t i o n a 1 1 ds h a r i n go fm a n u f a c t 嘶n gr e s o u r c e st h r o u 曲n e t 、 ，o r k m a n u f 犯u r i n gr e s o l l r c e s a r ee n c a p s u l a t e da ss t a n d a r da j l do p e ng r i ds e n ，i 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nt l l em o d e l ，an m c t i o n a lv i e w ，a r e s o l l r c ev i e w a ni i l f o n n a t i o nv i e wa r l dap r o c e s sv i e w 、v c r ep r e s e m e dt od e s c r i b e r e s p e c t i v e i y t i l ef i l n c t i o n a lf a b r i c ，r e s o l l r c ec o m p o s i n g ，i n f o 皿a t i o ns o u r c ea n d s y s t e mm nm o d eo fm a l l u f a c 砌n gg r i d t h e 丘o n tt l l r e ev i e w sw e r ec o n n e c t e da sa 1 1 o r g a i l i c w h o l eb yt l l e p r o c e s sv i e w ，w h i c hc o n s t i t u t c s 也ew h o l er e l a t i o n s h i p m u l t i v i e wm o d e lo f m a i l u f a c t u r i n gg r i d ( 3 ) t h e 僻p i c a lp r o c e d i | r e 锄db a s i co p e r a t i o i l so fr c s o l l r c em a n a g e m e mf o r m a i l u f 如t l l r i n gg r i dw e r ei n v e s t i g 砷e d ，w l l i c hi r l c l u d e st h er e g i s t r a t i o n ，p r e s e m a t l o n ， d i s c o v e r v _ e s t i m a t i o n a l l o c a t i o ms t a m sm o l l i t o ro fr e s o u r c e sa n ds o f o r t h a m a l l u f k t u r i n gg r i dr e s o u r c em a i l a g e m e n ti n o d e lw a sc o n s t r u c t e d ，i nw h i c ha h r e s o l l r c em a n a g e m e n t 胁c t i o n sa r ei m p l e m e m e dt h r o u g hi r l l l e r i t i n g 也em a n a g e m e m i m e r f a c e si i l0 g s a ar c s o u r c e a b s t r a c tm o d e ll l n d e r m a j l u f k t u r i n g g r i d e n v i r o 砌e n tw 勰p u tf b n a r dt 0p r e s e n tr e s o u r c e 枷b u t ei t l f o r i l l a t i o na n dt od e f i n e i i l 塑j l 士些盔耋堡圭兰垡丝苎些! ! ： a c c e s si n t e r f a c e s t h r o u 曲也em o d e l ，t h es e i c ei l l f o 咖a t i o nd e s c r i p t i o n ，o p e m t i o n i m e r f 如ed e f i l l i t i o n ，s e i c ei m p l e m e n ta 1 1 dd e p l o y m e ma r er e a l i z e dd 印e n d i n go n w 曲t e c l l i l o i o g i e s a sa ni n s t a n c e ，as o r to fs t a i l d a r dp a r tl i bs y s t e m sw a s e n c a p s u l a t e da s 鲥ds e i c en o d e s ( 4 ) t h er e s o u r c ea u o c a t i o np r o c e s sd r i v e nb yt a s k si i lm a n u f k t i l r i n gg r i dw a s d i s c u s s e d i nm e p r o c e s s ，k e y印p r o a c h e si n c l u d i n g t a s k m o d e l i n g ， t a s k d e c o m p o s i r 培，r e s o l l r c es e a r c h ，r e s o l l r c es e n ，i c ec 印a b i l i t ye s i t i r l l a t e ，t a s ks t a t l l s m o n i t o rw e r es t u d i e d i 1 1 t e n s i v e l y a m o n gt l l o s e ，r c s o u r c e s e i c e c 印a b i l 时 e s t i m a t i o ni st h ek e ya i l dd i 伍c u l t y ，s oam u t i o b j e c t i v e i n t e g r a t i v ee v a l u a t i o n m e t h o db a s e do ng e m 廿ca l g o r i t h i r l sw a sp r e s e n t e d am u l t i o b j e c t i v eo p t i i i l i z a t i o n m a t h e m a t i c a lm o d e lw 孵e s t a b l i s h e d ；af i n l e s s 如n c t i o n ，c r o s s o v e r 锄dc o p y p r o b a b i l i 饥as e l e c t ，c r o s s o v e ra n dv a r i a t i o no p e r a t o r ，ak e e po p t i m a z a t i o no p e m t i o n a n da ne n dc o n d i t i o no fg e n e t i ca l g o r i t h m sw e r ed e s i g n e d l a s t l yt h ev a l i d i t yo f 也e m e m o dw a sp r o v e d ( 5 ) t h ee c o n o m i cp r o b l e m si nm 籼f a c t u r 沁g r i dw e r es t u d i e da n dt h e a d v a i l t a g e so fi n 仃o d u c i n ge c o n o i i l i cm o d e l st or e s o u r c ea l l o c a t i o no fm a i l u f a c t i l r i l l g g r i dw e r ee x p a t i a t e dar e s o u r c em a r k e tm o d e lf o rm 舢f a c t u r i n gg r i da c c o r d i n gt o m a r k e ts u p p l ya n dd e m a n dr e l a t i o l l s h i pt h e o r ya n dar e s o u r c ea l l o c a t i o n 厅锄e w o r k b a s e do nm a r k e tm e c h 8 n i s m 、v e r ee s t a b l i s h e d am a r k e tm e c h a n i s mb a s e dr e s o u r c e a l l o c a t i o n p r i n c i p l e 甜l dp r o c e s sw e r ed i s c u s s e d ，w h i c ha c l l i e v e st h e p a r e t o o p t i m i z a t i o no f r e s o u r c ea l l o c a t i o na tt h em a r k e ts u p p l ya n dd e m a j l de q u i l i 晰啪s t a t e a r a p i di t e r a t i v ea l g o r i t h i nw 髂i n t r o d u c e dt oc o n j m lt h er e s o u r c ee q u i l i b r i u mp r i c e w h i c hi st h ek e yo fr e s o u r c ea 1 1 0 c a t i o np r o c e s s ，她da i li i l s t a i l c ew a sg i v e nt ov a l i d a t c t l l ea l g o r i 吐l m ( 6 ) ar e s o u r es h a r eo d e m e ds e i c ep l a t f o r mo fm a n u f k t u r i n gg r i dw 笛 d e v e l o p e d 吼d e r l er e s e a r c hb a c k g r o 岫do ft h i s d i s s e r t a t i o nb a s e do nw 曲 t e c h n 0 1 0 9 i e sa n dg l o b u st o o l k i t ，w h i c hi sa 鲥do p e ns 0 1 l r c es o 觚，a r e1 1 1 i d d l e w a r e t o o l k i t t h ep l a l 重o n ni n c l u d e sar e s o u r c em a n a g e m e n ts u bs y s t e ma n dat a s k m a n a g e m e n ts u bs y s t e m ，t h en u m 鲥c a lc o n t r o lm a c l l i n et o o l 鹊am a c h i l l i n g r e s o i l r c ea m o n gh a r d w a r e 柚das t a n d a r dp a r tl i bs y s t e m 勰ad e s i g na i l ds o r w a r e r e s o u k ew e f ee n c 印s u l a t e d 船g r i ds e r v c en o d e s a l s oam a i l u n l r i n gt a s k m 蝴g e m e n tp r o c e s sa c r o s st l l ep l a t f o 衄w a ss i i n u l a t e dt h r o u g hm a c h j n i n gab l a d e o f a e r o c n g 妇，w l l i c hv a l i d a t e sn l e o r i e sa i l dm e m o d sp r e s e n t e di nt t l i sd i s s e r t a t i o n k e y w o r d s ：m a n u 嘶n g 嘶d ；0 p e ng r i ds e i c e sa r c h i t e c t u r c ；m l l l t i - v i e w m o d e l ；r e s o l l r c e 曲s t r a c tm o d e i ；佗s o u r c ea l l o c a t i o n ；g e n e t i ca l g o r i m m s ；m a r k e t m e c h a l l i s m ；i t c r 砒i v ea l g o r i m m s i v 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论 文工作的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构 送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的 文章一律注明作者单位为西北工业大学。 保密论文待解密后适用本声明。 n、 学位论文作者签名：廷监指导教师签名：兰鱼魁 p 口雷7 年f 月f 啦日b 0 7 年，月乒日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文， 是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引 用的内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写 过的研究成果，不包含本人或他人已申请学位或其它用途使用过的成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：棚嗾 枷1年f 月他日 州北i ：业人学博十学侍论文第一章绪论 第一章绪论 本文以网格和网络化制造理论研究为基础，深入研究制造网格的体系结构、 资源管理与配置等关键技术。本章介绍全文的研究背景、选题来源、国内外研 究现状、主要研究内容和全文章节的逻辑结构安排。 1 1 研究背景与研究意义 1 1 1 研究背景 制造业是创造人类财富的重要支柱，也是国民经济和综合国力的重要体现， 随着时代变迁，制造业发展重点已发生了很大的变化，信息时代企业所处的环 境是不断改变与不可预测的，本质上是一种湍流、混沌的环境。为了适应这种 复杂的非平稳环境，企业必须适时、快速地设计新产品、重构制造系统，再造 经营过程。目前提出的各种新的制造与管理模式是从不同学科、不同角度，解 决提高企业敏捷性，实现同混沌环境同步的问题。面向2 l 世纪的产品，受到 生念环境、技术标准和法律等制约，其生产周期大大缩短，结构和功能同趋复 杂，交货期已成为全球化技术市场竞争的首要目标。多品种、小批量生产方式 的比重同益增大，并要求制造业具有高度柔性与应变能力。 i m e m e t 将地球变成了“全球村”，经济全球化使得自然资源、资会、技术以 及劳动力等生产要素和产品以及服务在全世界流动，市场的竞争从区域性走向 全球化，制造资源从局部的组织优化与利用转向在全球范围内的组织优化与利 用。在全球化的经济竞争环境下，组织结构相对固定、相对集中地利用制造资 源、以区域经济为主导、以面向产品为特征的传统制造系统模式已不适应环境 的要求，全球性的、灵活敏捷的组织结构、形态与控制机制，以及快速响应生 产需求变化的新一代制造系统模式正在形成。随着产品制造、销售全球网络的 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。全球化带来了制造业的巨大变革，制造业从相对封闭的制造模式向网 络化制造发展。 制造资源应被集成起来发挥作用早已是人们在制造生产中得到的共识结 论，但是，在网络环境下，如何进行制造资源的快速、高效集成以实现生产的 最大有效性是一个亟待解决的问题。网络化制造就是在这种时代背景下逐步发 展起来的。然而，通过对网络化制造目前发展的情况进行总结和分析，发现网 络化制造带来的优势和存在的不足，寻求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，建立规范化、开放性的网络化制造平台，已迫在眉睫， 势在必行。 西北工业大学博士学位论文第一章绪 论 和网络化制造一同发展起来的还包括虚拟制造、动态联盟、绿色制造、敏 捷制造等，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，充分应用现有的制造资源，通过企业问在技 术、设备、人员等方面的合作，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。这些制造模式在推进制造业信 息化的进程中在各行各业发挥着不同程度的作用，同时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，每个制造模式都有特 定的体系框架和应用领域，采用一定的技术实现，其中应用于某种产品或某个 领域的制造模式很难应用到别的产品或领域中，这阻碍了制造模式的扩展，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，在这样的 背景下，制造网格o 讧a i l u t u 咖gg r i d ，m g ) 就应运而生。 回顾互联网发展的历史，可以发现，在经历了以t c p i p 技术为主导的大规 模网络互联阶段之后，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，形成了通过w 曲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。传统因特网实现了计算机硬件的连通，w 曲实现了网页的连通， 而网格则试图实现互联网上资源包括计算资源、存储资源、通信资源、软件资 源、信息资源、知识资源等的全面连通。 随着开放式的操作系统l i n u x 的深入发展，厂商共同开发_ 丌：放的标准已成 为大势所趋，而自主计算系统、开放式的w 曲服务、模块化网络等概念的提出， 为网格实施奠定了技术基础。 i t 技术发展到了今天，如何管理日渐复杂的i t 环境成了企业管理者最为 头疼的问题。人们希望用更简便、更智能化的方式来管理i t 系统，许多大型企 业开始考虑如何更好地管理和应用分布在不同区域的计算资源。很多科研机构、 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，并且实现不同地域 计算能力的共享。有些商业用户也开始注意到此计算的优越性和巨大潜力，开 始尝试建立商业网格系统。这些为网格技术创造的市场空间是相当广阔的。 网格技术是在这种时代背景下，参考电力网( p o w e r 酣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那样方便，即 只要你能够接触到网格，就可以根据自己的需要，“按需”在网格上获取各种资 源与服务，而不需要关心资源与服务所在的具体位置。 在现有阶段，网格应用的主流基本停留于整合分散的计算能力，这些应用 都更侧重于科学研究领域，而在其他行业，比如商业、甚至工业中，却较少见 到网格应用的成果，网格的应用潜力尚未得到充分的发挥。 制造业已进入经济全球化的国际大市场中，面临着严峻的挑战，只有加速 制造业的信息化进程，才能适应这个动态、竞争的时代。网络化制造是制造业 信息化的主要手段之一，而网格技术提供的支持与网络化制造系统的需求之问 2 两北i 业人学博七学位论文 第一章绪论 恰好存在着极强的吻合特性，因此，探索将网格技术应用于网络化制造，基于 网格技术构建支持制造企业协同的制造网格是一个非常有意义和具有发展静景 的研究方向。 ， 制造网格以现有的制造业信息化技术和方法为基础，充分应用网格技术丌 放的体系框架、通用的标准和规范、统一的开发平台和工具，将分散在全球范 围内的闲散资源和优势资源以网格节点的形式进行统一的封装，并向用户提供 统一的资源访问入口和透明的资源服务，在全球范围内快速形成资源配置系统。 作为先进制造技术的发展方向，相比网络化制造模式，制造网格在资源的共享 与管理、服务系统的提供方式等方面均能提供更好的解决方案。 1 1 2 研究意义 网格技术在制造业的应用必将极大地推动制造业信息化的进程。制造网格 是先进的网格技术与传统制造业的结合应用，是制造业信息化，特别是网络化 制造发展的崭新阶段。 制造问题与计算问题的最大区别在于制造活动不仅涉及到计算、信息、软 件等资源，更重要的是还涉及到实物形式的零件、物料等问题，相比计算网格 中的资源管理和调度，跨企业虚拟组织的制造网格资源之| b j 的组织管理和调度 更加复杂和困难，是制造网格研究的重点也是难点。本文在制造网格现有理论 研究的基础上，着重研究制造网格的体系结构、资源组织管理和基于制造任务 驱动的资源配置，并引入经济学原理和经济模型，考虑制造网格技术应用的市 场驱动，基于市场机制研究制造网格中的资源配置等关键技术，构造制造网格 原型系统，探索基于网格实现全球制造资源共享和制造能力集成的新模式。论 文的研究及成果能够为先进制造技术的应用提供更为便利的基础组织，支持用 户随时随地利用跨地域分布的制造资源，避免企业“重新发明”，缩短产品研制 周期，降低成本：研究成果将有助于改变制造业中制造资源相对分散、知识和 信息资源帽对孤立的局面，提高制造企业的技术创新能力和市场反应能力，推 动敏捷制造、全球制造、网络化制造等先进制造模式和系统的发展和应用。 1 2 选题来源 本论文选题来源于国家十五“八六三”计划项目“面向资源共享的制 造网格方法研究”( 项目编号：2 0 0 3 a a 4 1 4 3 2 0 ) 和航空科学基金( 0 5 h 5 3 0 8 0 ) “面向快速扩散制造的制造单元关键技术研究”。 1 3 制造网格概述 西北1 j 业大学博士学位论文第一章绪论 1 3 1 制造网格的概念 文献( 1 卜 6 】给出了制造网格的定义，【1 卜【4 】认为制造网格是实现企业和社 会资源共享和集成，支持企业群体协同运作和管理的集成支撑环境，它基于网 格和相关先进的计算机与信息技术，通过网络将分散在不同企业和社会群体( 包 括高校、研究院所、专家、中介服务机构) 中的设计、制造、管理、信息、技 术、智力和软件资源通过封装和集成，屏蔽资源的异构性和地理分布性，以透 明的方式为用户提供各类制造服务，使企业或者经营个体能够以请求服务的方 式方便地获得所有与制造相关的服务，能够像使用本地资源一样方便地使用封 装在制造网格中的所有资源，实现各类资源的集成和优化运行，并为构建面向 企业协同制造特定需求的制造网格应用系统提供协同工作支持环境，从而实现 企业间的商务协同、设计协同、制造协同和供应链协同，使基于制造网格支撑 环境运行的制造企业群体能够以低的成本和短的开发周期，制造出符合市场需 求的高质量产品。 文献 5 】通过类比、借鉴和分析计算网格和电力网格的本质特征，结合制造 活动及制造资源共享的特点，认为制造网格是将不同企业生产经营活动需要的 资源封装成标准的、规范的、开放的网格节点，将不同网格节点互连互通形成 的一体化制造资源环境虚拟工厂，并向用户提供透明、一致、优质的制造 服务，实现制造资源的社会化共享和优化配置。 文献【6 】【7 】基于对快速制造加工工艺过程的分析，提出了快速制造网格 ( r a p i dm a n u f 她t 嘶n gg r i d ，r m g ) 的概念，目的在于为跨地域、跨企业的分布、 异构快速制造资源提供一种资源共享和协同工作的环境，使得用户提交的加工 任务能够在动态组成的虚拟组织中完成。 可见，制造网格概念的核心是资源的集成与共享，最终目的是实现企业间 的商务协同、设计协同、制造协同和供应链协同。 1 3 2 制造网格的特征 制造网格作为制造资源共享和制造问题协同解决的基础设施，其内在的特 征包括自相似性、自组织性、标准与开放性、健壮性等【5 l ；制造网格的最终目 的是向制造企业或用户提供制造服务，与i n t e m e t 提供的信息服务相比，制造 服务又具有动态性、实时性、便捷与经济性、数据量大、功能与结构复杂、专 业化程度高、知识密集等特性【8 】；相比计算网格，制造网格还具有资源种类丰 富、资源共享呈现多层次特性，资源在线与离线共享形式并存，业务协同目标 复杂多变，具有丰富的调度内涵，实体物流环境下制造网格服务在线与离线交 互方式并存等特征【9 】【1 0 】。 多层次的异质资源共享 4 两北i ：业人学博十学位论文 第一章绪论 资源共享体现了网格的本质思想，计算网格只是集中于单一性质的计算能 力的共享。而制造网格作为一个复杂的系统，共享资源可分为软资源和硬资源： 软资源包括软件和其他业务；硬资源具有从设备、生产线、车i 日j 和工厂等不同 共享层次的资源，因此在资源节点方面存在层次和程度上的差异。 离线形式的资源共享 不同于计算网格单一计算资源的在线共享，制造网格中不同层次的制造资 源更多的以离线的形式共享。随着具有网络交互能力的制造资源的出现和技术 的发展，虽然己经存在具有在线共享能力的生产设备、制造单元、生产线甚至 车间和无人工厂等，但实际情况中大量存在的仍然是只能通过离线形式共享的 资源。 丰富的资源调度内涵 制造过程的业务协同包括设计的协同、制造的协同、供应链的协同等。不 管是制造网格还是计算网格，都是提供一定形式的资源共享以实现对业务协同 的支持，其中的核心是基于资源调度的业务解决方案。制造网格的目标就是将 业务协同作为应用接口暴露给用户，屏蔽底层的资源共享及其调度交互过程。 制造网格资源节点链的构建源于对业务目标的分解，由于业务协同目标的复杂 多变导致了资源组织上的差异，从而同计算网格所具有的单一性质的面向任务 的计算资源调度相比，制造网格具有更为丰富的调度内涵。 离线形式的服务交互 计算网格的处理过程都是通过在线形式实现任务的接收和提交，但制造网 格的应用除了信息的在线交流以外，还存在现实中的实体交流。如设计阶段的 业务协同由于完全可以建立在电子化的基础之上展开，具有同计算网格类似的 模型，可完全在网格环境下展开。但对于制造、采购、运输和服务等，除了网 格信息交流，还需要考虑到底层实体在供应链和物流环境中的离线交互。 1 3 3 制造网格要解决的关键问题 制造网格要解决的关键问题包括其体系结构、制造资源的建模、组织和管 理、制造任务的调度、支撑资源库的建设和制造网格的应用等【5 】【9 】【1 0 1 。 制造网格的体系结构 制造网格的体系结构研究，应参照国际标准或标准的网格体系结构，重点 考虑网络化制造系统的应用需求。这一需求表现为企业内业务流程和企业间协 作以及广域范围内、跨管理域的信息和服务资源的有偿共享和即时组合等特征。 西北工业大学博士学位论文 第一章绪论 制造网格系统是一个一体化的、包含制造业行业协作业务逻辑的、有知识的人 参与的、由多个业务网格( 物流网格、销售网格、客户网格、伙伴网格和设计网 格) 系统组成的应用系统。制造网格的基础设施建设实现制造资源在网络层面 的连通，这种连通可以在物理上保证地理上分布的各个制造资源节点之间使用 标准的i n t e r n e t 网络协议进行通信。 制造资源的建模、组织和管理 要充分、合理地利用大量的制造资源，首先需要对其进行统一的组织和管 理。制造网格应研究一体化的、开放式的制造业资源建模、命名、表示、组织、 存储、索引和访问技术，以便为资源的动态加盟、定位及协同使用提供支持。 1 ) 资源的建模、封装与描述如何对资源进行描述是基于制造网格的资源 共享及增值使用的关键问题之一。制造网格中的资源将采用网格服务的形式进 行封装，为此，需要对各种资源进行建模，根据其特点构造相应的服务。 2 ) 资源的组织与管理资源的组织与管理是制造网格中资源共享与协同 使用的保障，管理好各类资源不仅要有一个很好的资源描述手段，也要有一个 适宜的组织结构，即要有一个合适的分类体系和管理架构。为此，需要对资源 的概念结构进行建模，抽取相应的结构元数据，在此基础上设计资源的存储和 索引模式。 3 ) 资源的查找与定位制造网格中包含，了公共制造资源、软件工具、硬件 资源、企业运营服务和企业信息等多种资源，在协同产品设计过程中需要对设 计活动进行分解，并分配有效的资源。如何迅速、合理地查找、定位、绑定资 源对完成上述任务至关重要。为了实现资源的查找、定位、绑定，需要研究有 效管理资源元数据的方法。由于制造网格资源复杂多样，该方法要既能满足资 源异构性的要求，又能保证在分布式环境中元数据访问的效率。 制造任务的管理和调度 制造网格平台通过对分散、异构资源进行封装向用户提供统一的访问入口。 用户利用统一的平台入口输入制造任务，网格平台将进行任务分解、任务调度、 资源分配和任务执行过程控制等过程，这些过程对用户来说都是透明的。 制造网格中任务的分解具有层次式的特点，分解的最终粒度取决于资源的 可用性和经济性，因此，要研究基于特定产品的任务分解规则和粒度。网格环 境下制造任务调度与资源分配包括产品协同设计任务的调度算法、供应链物流 路径优化调度算法和资源使用的市场模型机制等。 制造网格的应用 应用模式是制造网格应用能否成功的关键性问题之一。需要深入挖掘用户 对制造网格的需要，详细分析制造资源共享和制造活动的特点，研究能够普遍 6 两北l ：业人学博+ 学位论文 第一章绪论 适应、方便、经济的制造网格应用模式。制造网格必须能够为资源提供商、资 源消费者以及网格运营商谋求利益，使得三方取得一定的利润平衡点，达到多 赢的目的，为此，需要研究市场经济理论在资源合理优化配置中的运用。 1 4 国内外研究现状综述 本文研究以网格技术为基础的制造网格中资源组织管理和任务调度的关键 技术，以下分别阐述网格、制造网格以及网络化制造相关技术的国内外研究现 状。 1 4 1 网格技术 网格是构筑在互联网上的一组新兴技术，它将互联网、计算机、大型数据 库、传感器、远程设备等融为一体，为科技人员和普通老百姓提供更多的资源、 功能和服务。互联网主要为人们提供电子邮件、网页浏览等通信功能，而网格 则能提供更多更强的功能，它能让人们共享计算资源、存储资源和其他资源。 网格概念的核心是如何在_ 个动态、多机构参与的虚拟组织内实现资源共享和 协同工作垃】，可见资源共享是网格的根本特征，而实现所有资源的全面连通， 消除信息孤岛是网格奋斗的目标。 目前，网格的研究已经从美国和欧洲推广到了世界各个大洲，各个国家和 地区都投入了大量的资会进行网格技术研究和网格基础设施建设。英国政府已 投资超过l 亿英镑，建设英国国家网格；美国政府用于网格技术基础研究经费 已超过5 亿美元：欧盟也投入巨资建设欧洲数据网格和欧洲网格：亚洲的中国、 同本、泰国、韩国、马来西亚等国也开始了的网格研发和建设工作“。 图1 1 网格的发展 网格的发展经历了三个阶段【1 4 1 ，如图1 1 。第一阶段的网格是从连接超级 计算点的项目开始的，当时这种方式被称为元计算( m e t a c o i n p u t 啦) 【1 5 1 。早期 7 西北“ 业大学博七学位论文 第一章绪论 的元计算或者网格环境出现在2 0 世纪9 0 年代早期到中期。这些早期的元计算 项目有一个共同的目标，就是为广泛领域的高性能应用提供计算环境。这种类 型的技术有两个主要分支项目，分别是f a f n e r 【坳i w a y 【l ”。这两个项目有 着很大的不同，但又需要克服许多类似的困难，如通信、资源管理以及对远程 数据的操纵能力，只有这样才可以有效和高效地工作。这两个分支都试图提供 元计算资源，只不过它们分别是从计算图谱的两个相反方向努力。第一代网格 系统的特性主要是共享高性能的计算资源。 第二代网格的目标是在网格计算早期工作的重点基础上，通过一些重要技 术，比如采用更高带宽的网络技术，建立网格标准，将网格看作是全球范围的 更具活力的分布式基础设施，已经使网格更具普适性。第二代网格有三个主要 的问题需要解决，即异构性、扩展性和适应性。在第二代网格中，中间件作为 一种集成的软件应用运行在分布的异构环境上，中间件通过提供一系列标准的 服务接口，可以隐藏资源的异构性，为用户以及应用提供一个同构和无缝的环 境。第二代网格具有代表性的项目和系统包括：g l o b i l s 、l e g i o n 【l 、c o n d o r 弘u j 、 u n i c o r e 【2 、c a c t u