（航空宇航制造工程专业论文）制造网格环境下制造任务管理系统研究.pdf

摘要 摘要 企业市场竞争的生命力在于产品的技术刨新能力和对市场的快速反应能 力。作为网格技术在制造领域的应用，制造网格为实现企业和社会资源快速共 享和优化配嚣提供了新的集成支撑环境。目前，网络化制造、虚拟企业、敏捷 制造等先进制造模式取得了广泛的研究和发展。制造网格作为一种更新的、更 先进的制造模式，它不是试图取代这些先进制造模式，而是在现有基础上的有 益的补充和技术创新。在这些先进制造模式的系统实现过程中，任务管理系统 是一个关键的子系统。任务管理通过任务建模来降低任务执行难度；通过任务 分解和调度将任务分配给合适的制造资源；通过任务监控来掌握任务完成的进 度。在制造网格环境下，同样是这几个方面共同作用，以达到制造资源优化配 置的目的。本论文的主要研究工作如下： 1 研究了制造网格的概念和内涵，比较分析了制造网格与其它先进制造模 式在实现资源共享上的异同，阐述了网格技术、制造网格以及资源调度方法的 国内外研究现状，并在此基础上归纳了本文的研究意义。 2 分析了制造任务管理系统的需求分析，设计了系统的总体结构和工作流 程，建立了系统的功能模型，并详细设讦了各功能模块的处理流程和数据接口 定义。 3 分析了制造网格的资源共享方式的特点，建立了多目标优化资源调度模 型，并分别给出了基于层次分析法和遗传算法的资源调度算法详缅设计过程。 4 应用g t 3 2 工具集设计并实现了基于网格服务的制造任务管理系统服 务的开发和调用，验证了论文研究方法的有效性。 关键词： 制造网格任务管理资源调度网格服务 a b s t r a c t a b s t r a c t t h e1 i f e f o r c eo fe n t e r p r i s ec o m p e t i t i o ni st h ei n n o v a t i o no fp r o d u c t sa n dt h e q u i c kr e a c t i o nc a p a b i l i t yt ot h em a r k e t m a n u f a c t u r i n gg r i d ( m g ) ，a st h ea p p l i c a t i o n o fg r i dt e c h n o l o g yi nm a n u f a c t u r i n gf i e l d b r i n g san e wi n t e g r a t i o np a r a d i g mt o s o l v et h ep r o b l e mo fo p t i m i z i n gr e s o u r c es h a r i n ga n da l l o c a t i o n a tp r e s e n t ，m a n y a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gp a r a d i g m ss u c ha sn e t w o r k e dm a n u f a c t u r i n g ，v i r t u a l e n t e r p r i s e sa n da g i l em a n u f a c t u r i n gh a v eb e e nr e s e a r c h e dw i d e l y b yc o n t r a s t ，m g i san e w e ra n dm o r ea d v a n c e dp a r a d i g m i ti sn o ti n t e n d e dt os u p e r s e d et h eo t h e r s ， b u tau s e f u ls u p p l e m e n ta n dt e c h n i c a li n n o v a t i o n i nt h es y s t e mi m p l e m e n t a t i o n p r o c e d u r eo fa l lt h e s ea d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gp a r a d i g m s ，t h et a s km a n a g e m e n t s y s t e mi s ac r i t i c a ls u b s y s t e m i nt h i ss u b s y s t e m ，t h ed i f f i c u l t yo ft h et a s k s i m p l e m e n t a t i o n w i l lb er e d u c e db yt h et a s km o d e l i z a t i o n ；t h em a n u f a c t u r i n g r e s o u r c e sw i l lb ea p p r o p r i a t e l ya l l o c a t e db yt h et a s kd e c o m p o s i t i o na n dr e s o u r c e s c h e d u l i n g ；a n dt h et a s k ss c h e d u l ew i l lb ec o n t r o l l e db yt h et a s ks t a t u sm o n i t o r i n g o nt l l ec o m b i n e da c t i o no f t h e m a n du n i t e dw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i co f m g , t h ea i mo f m a n u f a c t o r i n gr e s o u r c eo p t i m i z i n ga l l o c a t i o nw a sr e a c h e d t h em a i nr e s e a r c hw o r k s a r ea sf o l l o w s ： 1 t h i sp a p e rp r o p o s e dt h ec o n c e p t i o no fm ga n dt h e nm a k e sac o m p a r i s o n b e t w e e nm ga n dt h eo t h e ra d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gp a r a d i g m si nr e s o u r c es h a r i n g a f t e rt h a t ，t h ep r e s e n tr e s e a r c hs t a t u so n 鲥dt e c h n o l o g y , m ga n dr e s o u r c e s c h e d u l i n ga l g o r i t h mw e r ed i s c u s s e d o nt h eb a s i s o ft h e s e ，t h ec o n t e n ta n dm e a n i n g o f t h i sp a p e rw e r es u m m a r i z e d 2 b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i co fm ga n dm a n u f a c t u r i n gt a s k ，t h er e q u i r e m e n t a n a l y s i so f t h em a n u f a c t u r i n gt a s km a n a g e m e n ts y s t e mw a sl i s t e d ，a n dt h es y s t e m s c o n t e n t sw e r es t u d i e d ，i n c l u d i n ga r c h i t e c t u r a ls t r u c t u r e ，p r o c e s s ，f u n c t i o n a lm o d e l ， a n dt h ei n t e r f a c ed e s i g no f e a c hm o d e l 3 t or e s o l v er e s o u r c es c h e d u l i n gp r o b l e me f f i c i e n t l yi nm gam u l t i o b j e c t i v e o p t i m i z a t i o nm a t h e m a t i c a lm o d e lw a sp u tf o r w a r d b a s e do n t h em o d e l ，b o t h a n a l y t i c a lh i e r a r c h yp r o c e s s ( a h da n dg e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) f o rr e s o u r c e s s c h e d u l i n gw e r ed e s i g n e ds e p a r a t e l y 4 am a n u f a c t u r i n gt a s km a n a g e m e n ts y s t e mb a s e do nt h eg r i ds e r v i c ew a s d e v e l o p e db yu s i n gt h et o o l k i t so fg t 3 2 t h ee f f i c i e n c ya n df e a s i b i l i t y o ft h e a p p r o a c hd i s c u s s e di nt h i sp a p e rw e r ep r o v e dw i t ht h ep e r f o r m a n c e o f t h es y s t e m k e yw o r d s ： m a n u f a c t u r i n gg r i d ；t a s km a n a g e m e n t ；r e s o u r c es c h e d u l i n g ；g r i ds e r v i c e i e 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 二十世纪九十年代以来，市场环境发生了巨大的变化。企业的技术创新能 力和对市场的快速反应能力已成为企业赖以生存的重要因素。要提高市场的快 速反应能力就必须采用先进制造模式实现产品设计和制造过程的数字化、智能 化、网络化和虚拟化，以及经营过程的全球化。“小而全、大而全”的制造模式 不能够适应变化迅速的市场环境和日趋激烈的竞争环境。 制造的活动空间已经从一个企业扩展到整个社会，面对全球经济、全球制 造的新形势，企业必须充分利用全球的制造资源( 包括智力资源) ，实现制造资 源的动态优化整合，以更快、更好、更省的方式响应市场。随着信息技术的发 展，利用计算机网络实现对跨企业分布的制造资源的快速调集与利用已经成为 可能。敏捷制造、全球制造、网络化制造、虚拟企业、协同产品开发等以“利 用外部资源”为特征的先进制造模式也得到了广泛的研究和应用。然而，通过 网络化制造和动态联盟的形式利用跨企业的资源和制造能力的手段还比较初 级，这使得企业之间的合作不够有效，、制约了企业的敏捷性和对市场的快速响 应能力，表现为以下几个方面： 分布的制造资源信息获取困难，存在过多的入为因素 支持形成合作联盟的手段比较原始，缺乏计算机系统环境的支持 协同制造过程协调困难，需要大量手工工作，无法实现自动化和智能 化 难以在区域范围内形成一个优化的资源配置环境 制造网格为解决上述阅题开辟了一条新的途径。它将分散在全球范围内的 闲散资源和优势资源通过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f l x n 和透明的资源服务，可以在全球范围内快速形成资源配置系统， 满足企业对资源共享的要求。 制造任务管理系统是制造网格的重要组成部分，它根据任务描述信息采用 适当的规则对任务进行分解，并将分解得到的子任务分配到相应的资源节点执 行。由于制造业是一个特殊的行业，制造不是指单独的加工过程，而是包括市 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、售后服务等产品生命周期内一系列相互联系的活动的总称。因此， 完成这些生产活动的制造资源也就存在着相应的特殊性、多样性和异构性，增 西北工业大学硕士学位论文 加了制造任务管理的难度。制造网格任务管理系统，通过将任务执行过程的各 功能封装、共享为两格服务，提供一致的服务访问接口，以透明的网格方式共 享制造资源和协作过程，从而实现制造资源的共享与协作。同时，基于网格服 务的制造任务管理过程可以方便地实现蒂8 造资源的远程调用与监控，快速地将 任务完成情况反馈给任务管理者，从而大大降低了任务执行的难度。所以说， 本系统的研究有利于促进网格技术在散 造领域的应用，对于提高带4 造资源的利 用率、提升企业的核心竞争力以及推动网络化制造的发展和应用都具有理论意 义和实用价值。 1 2 制造网格的概念和内涵 1 2 。1 网格的概念 网格概念【l ，2 】是借鉴电力网提出来的，网格的最终目标是希望用户在使用网 格时，就如同现在使用电力一样方便。网格( g r i d ) 技术是近年来国际上兴起 的一种重要信息技术，它的目标是实现网络虚拟环境上的高性能资源共享和协 同工作，消除信息孤岛和资源孤岛。 全球网格研究的领军人物、美国a 玛o n n e 国家实验室的资深科学家、美国 g l o b u s 项目的领导人i a nf o s t e r 3 】曾在1 9 9 8 年出版的网格：2 l 世纪信息技术 基础设施的蓝图一书中这样描述网格：“网格是构筑在互联网上的一蕴新兴技 术，它将高速互联网、高性能计算桃、大型数据库、传感器、远程设备等融为 一体，为科技人员和营通老百姓提供更多的资源、功能和交互性。互联网主要 为人们提供电子邮件、网页浏览等通信功能。雨网格功能则更多更强，让人们 透明地使用计算、存储等其它资源。”在2 0 0 0 年，i a nf o s t e r 又进一步把网格描 述为“在动态变化的多个虚拟机构间共享资源和协同孵决问题”。 总之，网格的目的就是要利用互联网，把分散在不同地理位最的各种资源 组织成一台“虚拟组织”，实现计算资源、存储资源、信息资源、软件资源、知 识资源、设备资源等的全面共享。传统的互联网实现了计算机硬件的连通，w e b 实现了网页的连通，w e b 服务实现了程序和程序之间的共享，而网格则试图实 现互联网上所有资源的全面连通。 1 2 2 制造网格的概念 制造网格4 1 的研究起源于网格，通过类比、借鉴和分析计算网格( c o m p u t i a g g r i d l 和电力网格( e l e c t r i cp o w e rg r i d ) 的本质特征，结合制造活动及制造资源 共享的特点提出的。它是将不同企业生产经营活动需要的资源封装成插准的、 2 第一章绪论 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 的社会化荚享和优化配置，并为构建面向企业协同制造特定需求的制造网络应 用系统提供协同工作支持环境，从而实现企业问的商务协同、设计协同、制造 协嗣和供应链协同，使基于制造网络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。 制造网格是动态多机构虚拟组织中的制造资源共享和制造问题的协同鳃决 方法，它有着深刻的内涵。第一，制造网格中的资源指涉及到企业生产经营的 一切活动和产品全生命周期中所需的所有资源，它包括：物化的资源和解决制 造问题的能力。而物化的资源包括：软件( 设计、制造、管理、销售、维护等 软件) 、生产设备、加工单元、生产线、场地、特种工具、物料、产品信息、知 识资源等；解决制造问题的能力，比如复杂零件的设计能力、复杂零件的工艺 能力或加工能力等。第二，制造网格通过标准化封装、规范化整合制造资源形 成巨大的虚拟工厂，实现对社会范围内所有资源可靠的、一致的、普遍的访问， 为用户提供个分布、共享、透明、安全和容错的制造服务环境。第三，通过 制造网格环境，将物化资源和求解制造问题的能力以服务( s e r v i c e ) 的形式提供 给用户，用户通过单一入口共享访问制造资源和求解制造问题。可见，在制造 网格环境下，制造任务的完成是分布的、协作的和智能化的。 1 2 3 制造网格与计算网格及其它先进制造模式的比较 制造网格与计算网格在原理土非常相似，都是资源共享和协同问题求解的 方式。计算网格的体系结构、资源管理和任务调度方法，对制造网格都有可借 鉴之处。但由于所封装的资源不同以及所解决问题的特点，制造网格和计算网 格存在非常大的不同之处。首先，网格节点的资源不同，制造网格中的资源除 了包括软件、大型计算机、存储空间等计算网格可能包含的资源外，还包括加 工设备、特种工具、产品信息及设计、加工等制造能力。其次，由于制造系统、 产品研发过程的复杂性及产品的实物性等固有特点，制造问题求解远比计算问 题求解复杂得多。因此，一方面，制造网格和计算网格具有相似的内涵，计算 网格可以作为构建制造网格的关键技术支撑之一，而制造网格的体系、框架、 关键技术等都可以直接使用和借鉴计算网格的研究成果；另一方面，制造问题 远比计算问题复杂的多，制造网格的体系也更复杂，制造网格具有更宽的外延。 随着信息技术的发展j 利用计算机网络实现对跨企业分布的制造资源的快 速调集与利用已经成为可能。网络化制造、动态企业联盟和基于a s p 的制造服 务等面向企业间资源共事的先进制造模式得到了广泛的研究与应用。动态企业 联盟和网络化制造集中在联盟企业间的资源整合和共享，未能充分利用非盟 堕苎三些盔堂堡圭堂垡鲨塞 员的闲置或优势资源。此外，在动态企业联盟内部缺乏标准化的建模手段对 资源进行封装，而且资源的调度、管理过程也相对复杂。a s p 模式聚集了面 向具体行业或区域的制造资源，但采用集中式的资源管理，缺乏资源调度管 理的动态性、层次性和有效性，未能共享更大范围内的资源。动态企业联盟 与a s p 模式能够在定范围内将有艰的资源整合起来，在定的企业范围内 共享，却未能将更大范围内分散在各个企业内部的闲置或优势资源以标准化 模块的形式进行封装，不能以动态“热插拔”的方式进行配置，更不能让用 户以经济便捷的方式共享使用这些资源。而面向资源共享的制造网格是种 新的理念与模式，用新的途径和手段来共享和优化配置社会范围内的制造资 源，使企业能“随机应变”地经济地使用经过整合和模块化封装过的闲散的 优势资源。制造网格中关键技术的研究借鉴先进的网格理论方法，是在现有 标准的w e b 服务技术、协议和规范基础上的扩展，紧跟先进的网格技术和w e b 服务技术，尽量与国际w e b 服务标准技术融合，技术的先进性是不容置疑的。 总之，各种先进制造模式的内涵存在一定程度上的交叉和重叠，但是各自 的技术手段、支撑技术及资源共享的方式和特点都各不相同，如表1 1 所示。 表卜1 制造网格与其他网络化制造资源共享方式的比较 项目 制造网格网络化制造动态联盟a s p 模式 资源类型 企业生产经营的一切活动和产品全生命周期中所需的所有资滚 资源范围全社会区域或行业 联盟企业中区域或行业 资源共享方服务形式产业链或协同产品协作的方式 服务的形式 式商务( c e c )( c o i a b o r a t i o n )( s e r v i c e ) 支撑技术 v e bs e r v i c e ，网格企业应用集成( z a i )分布式项目管理和分布式计算技术， 技术和网络数据序技术工作流技术w e b 应用服务 资源共享特瓷源标准化封装；集中控制；非标准动态性差：集中控集中式资源管理；缺 点服务的形式；动态化；资源可替代性差制：非标准化乏共享的层次性、动 插拔；非集中控制态性 基础理论网格原理、分形理协同论、分布式人工协调论、分布式人信息论、a s p 服务理 论、自组织理论智能工智能论 目标重点 整合闲散社会资提升区域整体竞争联合竞争，双赢或提升区域整体竞争 源，优化配置优势力或行业整体竟争多赢力或行业摧体竞争 资源 力力 1 3 国内外研究现状 1 3 1 网格技术 网格技术研究发源于美国，至今，美国的网格研究仍然走在世界前列。网 格可以连接广域范围内异构的资源“孤岛”，形成功能强大的全球性网格体系。 4 第一章绪论 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 了大量的资金进行网格技术研究和网格基础设施建设。目前全球已经建立了许 多有关网格技术的论坛、实验环境和研究项目，其中较有代表性的网格研究项 目包括美国的g l o b u s 飘。l e g i o n f 矾，c o n d o r l ，由多个国家参加的研究项目欧洲 数据网格( e u r o p e a nd a t ag r i d ) 【8 】亚洲和太平洋地区网格研究项目亚太网格 ( a p g r i d ) f 9 】，澳大利亚的n i m r o d g 1 0 、还有德国、英国、荷兰、日本、印度、 加拿大等国家也都进行了网格技术方面的研究【。从目前来看，国际网格技术 的研究呈现出三大趋势：标准化趋势、大型化趋势和商业化趋势。在我国，网 格研究已经列入“8 6 3 计划”。其中，著名的五大网格项目有：中国国家网格( c h i n a n a t i o n a lg r i d ) ，中国教育科研网格( c h i n ag r i d ) ，8 6 3 空间信息网格，国家自然 科学基金委网格( n s f cg r i d ) 和上海网格( s h a n g h a ig r i d ) 。目前网格技术的 研究和应用主要集中在高性能计算、海量数据处理、仿真、离能和核物理研究、 虚拟化应用、气象预测、教育培训等科学研究领域，而网格技术在商业、制造 业或其他行业中的应用研究才刚刚起步。 1 3 2 制造网格技术 网格技术在制造业的应用，可以实现资源共享、协同设计和协同制造的同 标，达到降低制造成本、提高资源利用率、。加快产品上市时间的目的，从而为 社会化资源共享、集成和优化配置提供了新思路和新方法。 国外有关网格技术在制造业中的研究较早，c a c r e s e a r c h 的s a v o l a i n e n 等 人在1 9 9 5 年发表了文献 p o s i t i o n i n go f m o d e l i n ga p p m a c h e s ，m e t h o d sa n dt o o l s ” 介绍了网格技术在计算机集成制造( c v i ) 中的应用，并蓿重强调为网格建立 一个公共的框架，且该框架可以兼容现有c i m 系统的各种不同的步骤、方法和 工具 1 2 1 。t u c k e r 等发表的文献“r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no fc o o p e r a t i v e p r o d u c td e v e l o p m e n tp l a t f o r mb a s e do i li n t e m e t 介绍了g r a i 网格，提供了一个 分析和解挟协作商业过程的高效的模型【1 3 l 。美国的x 射线设备的科学门户 ( x p o r t ) ，利用网格技术提供的手段和功能满足用户通过网络对远程仪器设备的 操作需求，使远程使用仪器设备“比到那儿用还方便，【”j 。总的来说，目前国 外直接介绍制造网格的文献还很有限，而对敏捷制造、虚拟企业、网络化制造 等先进制造模式的研究比较深入，这些都为制造网格中的资源管理和任务管理 等关键技术的研究和发展提供了有益的参考和技术基础。如麻省理工学院的“下 一代制造”报告提出了网络化制造的概念并充分强调了服务机制的重要性f l ”。 马里兰大学计算机集成制造实验室对支撑网络化制造的关键使能技术，如基于 w 曲的协同设计和协同制造、基于w e b 的可制造性分析、面向敏捷制造的合作 伙伴优化选择、基于p e t r i 网的网络化制造系统建摸等进行了深入的研究1 1 ”。 西北工业大学硕士学位论文 目前国内研究院所对制造网格进行了较多的探索性研究，其中有代表性的 包括：上海大学、清华大学、广东工业大学和西北工业大学等。发表的文献针 对制造网格的系统架构、平台建设、资源共享等问题进行研究和实现，其主要 研究成果包括：清华大学国家c i m s 中心的范玉顺教授等对制造网格的概念和 管理技术进行了阐述，并在分析制造网格出现的背景和需求的基础上，提出了 一个可支持基于i n t e m e t 的远程设计、制造和资源共享的制造网格多层次结构模 型” ”j 。上海大学c i m s 和机器人中心的刘丽兰博士等结合快速制造资源，构 造了快速制造网格的体系结构，并对快速制造网格系统中的服务节点建设、资 源管理和调度、服务质量管理等技术进行了较深入的研究 1 9 , 2 1 j 。广东工业大学 机电学院的陈庆新教授等借鉴计算网格的理念，探讨了模县特许连锬制造网格 系统的基本架构，并构造了模具特许连锁制造网格体系之物料供应系统呸2 3 】。 疆北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室的莫蓉教授等发表的 多篇文献针对网络化制造和虚拟制造等制造模式在资源动态配置和共享中存在 的不足，结合制造活动和制造资源共享的特点，详细分析了制造网格的内涵及 特点，构造了面向资源共享的、以服务为核心的制造网格系统，并对其中的资 源建模、软件系统封装与集成、资源管理、任务管理与调度等关键技术进行了 探讨 2 4 - 2 7 】。 总之，网格技术在制造领域的应用研究还处在初步探索阶段，多数仅是借 鉴计算网格的思想提出了制造网格的概念和框架模型，并结合网络化制造的研 究成果对制造网格中涉及到的关键技术进行了初步的研究，还没有建立起一个 完善的制造网格任务管理系统。因此，本文通过研究制造网格中任务管理和资 源调度的关键技术，建立制造任务管理系统，探索制造网格中制造资源共享的 新模式，促进制造网格的发展和应用。 1 3 3 制造资源调度方法 针对网络化环境下制造资源的动态优化配置与共事问题，国内外开展了以 “利用外部资源而不必拥有”为特征的虚拟企业、网络化青造、基于a s p 的制 造资源共享、e 埔0 造系统、制造网格等先进制造模式的理论和应用研究。为了 解决各先进制造模式中的制造资源调度问题，相应韵制造资源调度模型相继被 提出，同时给出了很多解决资源调度闻题的算法。 虚拟企业是企业问利用网络技术集成资源进行联合竞争韵一种形式，英国 的d a v i dt o d d 2 8 1 、法国的m t m a r t i n e z 2 9 】研究了虚拟企业环境下任务分配、资 源管理、调度和系统控锘4 模型，为网络化环境下虚拟企业阅的资源调度、管理 和控制提供参考。西北工业大学的马雪芬【3 0 l 等建立了网络化制造环境下资源优 化调度模型，以总的运行成本、运行时间和加工质量为优化目标，给出了基于 6 第一章绪论 遗传算法的资源调度方法，并对算法作了相应的改进。西安交通大学的张映峰 l 等设计了e 一制造调度系统的求解机制和数学模型，并开发了基于遗传算法的 e 一制造单元调度系统，实现了资源调度求解过程。北京理工大学的王大震f 3 2 增 为解决网络环境下的资源优化调度问题，在综合考虑成本价格和作业执行时间 的基础上，提出了经济模型下基于时问预算和作业价格预算的成本和时间综合 最优调度策略。四川大学的廖敏等对p e t r i 网进行了扩展，建立了基于p e t r i 网 的工作流模型，并利用扩展p e t r i 网来实现资源配置1 3 3 1 。上海大学的刘丽兰【3 4 , 3 5 等提出了基于层次分析法的制造网格资源调度方法，通过建立基于t 、q 、c 、 s 的多目标、多层次模型来选择满足用户需求的制造资源。 如何基于制造任务协调和共享制造网格环境下的资源服务，是促进制造网 格技术趋于应用必须面对的问题，也是目前研究制造网格中资源调度和优化配 置的难点。从前面的描述可知，基于遗传算法的资源调度模型在很多的先进制 造模式下都得到了充分的研究和证明，能够很好地解决网络环境下的资源调度 闯题，然而在解决制造网格系统资源调度问题上，还只有基于层次分析法的资 源调度模型。虽然层次分析法在解决目标决策问题上存在很大优势，但是由于 层次分析法自身的缺陷导致决策结果与实际情况相差较远，单纯使用该方法不 能很好地解决制造网格中的资源调度问题。因此，如何将先进的资源调度算法 与制造网格环境相结合，建立制造网格任务管理系统将是亟待解决的问题。 1 4 课题来源与主要研究内容 本论文来源于国家“八六三”高技术研究发展计划c i m s 主题基金项目“面 向资源共享的制造网格方法研究”( 2 0 0 3 a a 4 1 4 3 2 0 ) 。该项目主要研究制造网格 的理论与方法，探索基于制造网格的应用服务系统中的关键技术及其解决途径： 为实现资源有效共享和优化配置提供更新的制造模式。 作为该项目的一个重要组成部分，制造任务管理系统主要研究在制造网格 环境下制造任务从任务提交到任务完成的全生命周期管理的过程，并结合制造 网格特点详细研究其中的制造资源调度算法，从而实现制造资源的优化调度和 有效管理。制造任务有很多种，本文的研究侧重点不是为了研究各种类型制造 任务的管理过程，而是为了研究以制造任务为依托的新的资源共享方式的可行 性。不失一般性，本文选择了制造任务中的加工任务为研究重点，详细研究了 网格环境下基于网格服务的制造任务管理系统，并以叶片类复杂零件的加工制 造过程为倒对系统作了验证。具体的说，主要研究内容包括： 1 制造任务建模。根据具体的制造任务类型，综合考虑制造任务从提交到 完成的全过程，提取制造任务的各个过程中所必需的属性信息，定义任务 7 西北工业大学硕士学位论文 模型，统一描述用户的任务请求。将任务请求转化为系统能够识别的模型 信息。 2 任务分解。根据任务模型信息，将一个目标任务分解为多个子任务，同 时将目标任务的约束条件( 如流程时间、任务最大成本、质量要求等) 分 解为各个子任务的约束，直至每个予任务都能被单个资源节点完成。 3 资源调度。在实际制造过程中，用户的需求往往体现为时间( t ) 、质量 ( q ) 、成本( c ) 、服务( s ) 等动态因素的组合，因此资源调度的过程是一个多 目标决镶的过程。选用合适的运筹学方法，从所有的资源节点中选择最优 的资源节点来完成制造任务。 4 ，任务监控。监控任务的执行进度，使用户了鳃任务的执行情况，及时处 理任务执行过程中出现的问题，保障任务的顺利完成。 5 。制造任务管理系统服务发布和调用。掌握g l o b u s 的服务发布和调用过 程，利用g t 3 2 工具集将制造任务管理系统开发为网格服务，并集成到制 造网格系统中，供用户调用。 1 5 论文章节安排 第一章：绪论，介绍论文研究的背景、相关领域、课题来源，总结了本论 文的主要研究内容和研究意义。 第二章：技术基础，论述论文研究工作理论基础和实现技术。理论基础包 括网格服务、网格体系结构；实现技术包括g l o b u s 项目和g t 3 2 开发工具包。 第三章：制造网格任务管理系统的需求分析、总体设计和功能模块详细设 计。依照任务管理系统的需求分析和总体设计划分系统功能模块，并详细说明 各模块功能以及处理流程。 第四章：制造网格资源调度算法的设计与实现。根据制造网格资源调度要 求，分别给出了基于层次分析法的资源调度层次模型和基于遗传算法的资源调 度数学模型，并详细说明了算法的实现过程。 第五章：制造网格资源调度系统服务的发布和调用。详细说明了应用g t 3 2 开发任务管理系统服务的过程，并结合实例说明了系统的调用界面。 第六章：结束语，总结论文研究工作，并对今后的研究内容提出了作者的 思路和意见。 第二章网格服务及网格体系结构 第二章网格服务及网格体系结构 本章首先通过类比w e b 服务来详细说明刚格服务，接着阐述了目前网格研 究界影响最广的两种网格体系结构五层沙漏结构和开放网格服务体系结构，最 后介绍了制造任务管理系统网格服务开发的实验平台g l o b u s 及其开发工具集 g t 3 2 。 2 1 网格服务 网格服务的概念是在g l o b u s 标准与面向商业应用的w e b 服务相结合的基 础上提出的，目的是将网格技术从科学与工程计算应用扩展到更广泛的以分布 式系统服务集成为主要特征的商业应用领域。因此，为了更好的理解网格服务 的概念和内涵，应当首先对w e b 服务有个详细的了解。 2 1 1w e b 服务简介 从表面上看，w e b 服务 3 6 , 3 7 ( w e bs e r v i c e ) 是一个应用程序，它向外界暴 露出一个能够通过w e b 进行调用的应用程序接h ( a p i ，a p p l i c a t i o n p r o g r a m m i n g i n t e r f a c e s ) 。从深层次上看，w e b 服务是一种新的w e b 应用程序分支，它们是 自包含、自描述、模块化的应用，可以在网络中被描述、发布、查找以及通过 w e b 来调用，是建立可互操作的分布式应用程序的新平台。 w e b 服务平台需要一套协议来实现分布式应用程序的创建。任何平台都有 它的数据表示方法和类型系统。要实现互操作性，w e b 服务平台必须提供一套 标准的类型系统，用于沟通不同平台、编程语言和组件模型中的不同类型系统。 在传统的分布式系统中，基于界面( i n t e r f a c e ) 的平台提供了一些方法来描述界 面、方法和参数( 如c o m 和c o b a r 中的i d l 语言) 。同样的，w e b 服务平台也 必须提供一种标准来描述w e b 服务，让客户可以得到足够的信息来调用这个 w e b 服务。最后，还必须有一种方法来对这个w e b 服务进行远程调用。这种方 法实际是一种远程过程调用协议c ) ，同时，该协议还必须与平台和编程语言 无关。下面几项技术完成了上述提出的要求： x m l ：可扩展的标记语言( x m l ，e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ) 是w e b 服务平台中表示数据的基本格式。除了易于建立和易于分析外，x m l 主要的优 点在于它既是平台无关的，又是厂商无关的。x m l 的严格定义和规则集可以让 人和机器都能更容易地阅读文档，解决了数据表示的问题，但它没有定义一套 标准的数据类型，而是允许用户根据需要定义新标签，而且能进行文档结构的 西北工业大学硕士学位论文 验证，实现文件的结构、内容与格式完全分离。这些细节对实现互操作性都是 很重要的。 s o a p ：简单对象访问协议( s o a p ，s i m p l eo b j e c ta c c e s sp r o t o c 0 1 ) 是一 种基于x m l 的、在非集中、分布环境中交换信息的轻量级协议，该协议为x m l 开发者建立了一个标准的数据传输和数据交换框架。s o a p 的个主要目标是 使存在的应用能被更广泛的用户所使用。s o a p 规范的三个主要部分是信封、 编码规则和远程过程调用。s o a p 信封定义了信息中的内容、处理信息的方法， 以及这些方法的可选择性；编码规则向用户提供一种用于交换应用程序定义的 数据类型的定义；远程过程调用定义执行远程过程调用的消息机制。s o a p 采 用了己经广泛使用的两个协议：h t t p 和x m l 。h t t p 用于实现s o a p 的r p c 风格的传输，而x m l 是它的编码模式。s o a p 把x m l 的使用代码化为请求和 响应参数编码模式，并用h t t p 作传输。 w s d l ：w e b 服务描述语言( w s d l ，w e bs e r v i c ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 是描述w e b 服务的x m l 格式的语言，是冯m 的n a s s l 和微软的s d l s c l 相结合而产生的。服务发布者用一个w s d l 文档来描述自己的服务调用接口信 息。服务请求者可以在一个通常称为r e g i s t r y 的地方查询到自己需要的w e b 服 务的w s d l 文档之后，通过w s d l 文档中提供的信息，生成调用该w e b 服务 的接口。w s d l 中描述的服务信息元素主要有两类：第一类是与传输协议无关 的w e b 服务的高级抽象定义；第二类是传输网络特定的绑定描述。w s d l 抽象 地描述了具体的服务，而隐藏了服务的具体实现和运行细节。 u d d i ：统一描述、发现和集成c u d d i ，u n i v e r s a ld e s c r i p t i o n ，d i s c o v e r y a n d i n t e g r a t i o n ) 是由i b m ，m i c r o s o f t 和a r i b a 提出的一套面向万维网服务的信息 注册中心的实现标准和规范。该标准定义了r e g i s t r y ，以便服务提供者可以通过 r e g i s t r y 来发布他们自己以及他们提供的w e b 服务。而服务请求者可以通过 r e g i s t r y 来定位、查询各服务提供商所提供的各种服务，这样便实现了w e b 服务 的发布和发现。u d d i 规范定义了以下几种信息： 服务提供者在线时可以提供什么w e b 服务 如何调用w e b 服务 当服务请求者调用w e b 服务时，该服务需要他，她提供什么信息 请求者将如何提供这些必需信息 w e b 服务将以什么格式发送返回给请求者的信息 通过这些基本的元素，服务提供者就可以在i n t e r n e t 上发布自己的w e b 服 务并提供这些服务了。图2 - 1 是w e b 服务的框架圈。 1 0 第二章网格服务及网格体系结构 闰2 - 17 e b 服务流程和协议示意图 由此可见，w e b 服务是一个u r l 资源，客户端可以通过编程方式请求得到 服务，而不需要知道该服务是怎样实现的，这与传统的分布式组件对象模型不 同。j e 是这一点，使得w e b 服务具有互访性、普遍性和廉价性的特点。 2 1 2 网格服务简介 从广义上讲，一切网格系统提供的服务都叫网格服务( g r i ds e r v i c e ) t 3 8 , 3 9 1 。 从狭义上讲就是开放网格服务结构( 详见第2 2 2 节) 所定义的网格服务的概念。 考虑到网格环境的具体特点以及w e b 服务的特点，开放网格服务结构在原来 w e b 服务概念的基础上，提出了“网格服务”的概念，用于解决服务发现、动 态服务创建、服务生命周期管理等与临时服务有关的问题。基于网格服务的概 念，开放网格服务结构将整个网格看作是“网格服务”的集合，但是这个集合 不是一成不变的，是可以扩展的，这反映了网格的动态特性。网格服务通过定 义接口来完成不同的功能，服务数据是关于网格服务实例的信息，因此网格服 务可以简单地表示为“网格服务= 接口，行为+ 服务数据”。图2 - 2 是对网格服务 的简单描述。 登柔篓磊的访问i g r i d s e 。r v ，i ”显示撤销w ， 服务状态生命周期 绑定属性 可靠激活 一认证 专笺? 一瓣口 _ 一 r r r 1 i 服务il 服务 i 服务l 7 数据| 数据7 数据 实现 授权 强务创建 服务注册 管理 开发 + 其他应用接口 图2 - 2 网格服务组成 1 l 西北工业大学硕士学位论文 目前，网格服务提供的接口还比较有限，如表2 - i 所示，所有这些定义的 接口中，只有g f i d s e r v i c e 接口是必需的，而其它的接口比如n o t i f i c a t i o n s o u r c e 、 n o t i f i c a t i o n s i n k 、r e g i s t r y 、h a n d l e m a p 等都是可选的。 表2 - 1 网格服务接口 接口 操作描述 f i n d s e r v i c e d a t a 蠢淘网格服务实例的各种信息 g r i d s e r v i c e s e t t e r m i n a t i o n t i m e 设置并得到网格服务实例的终止时问 d e s t r o y 终止网格服务实例 s u b s c r i b e t o n o t i f l e a r i o n t o p i c向通知发送者进行登记 n o t i f i c a t i o n s i n k u n s u b s c r i b e t o n o t i f i c a t i o n t o p i c取消登记 d e l i v e r n o t i f i c a t i o l l 异步发送消息 r e g l s t e r s e r v l c e网格服务句柄的软状态注册 r e g i s t r y u n 黯g i s t e r s e r v i c e取消注册的网格服务旬柄 f a c t o r y c r e a t e s e r v i c e 创建新的网格服务实例 f i n d b y p r i m a r y k