（计算机应用技术专业论文）基于多agent的制造网格资源管理与调度.pdf

1 ，引、i 沦芝 e l ii iii 摘要 在经济全球化背景下，虚拟企业成为未来制造企业的主要运作模式。在信息 技术领域，网格技术致力于提供支持虚拟企业的信息基础设施。利用网格及其相 关技术构建制造网格是制造企业进行网络化制造的发展趋势。 资源管理和调度是制造网格的核心技术之一。本文在分析网格资源管理与调 度需求的基础上，提出制造网格资源管理和调度的多a g e n t 模型。模型中主要包 括用于代表制造网格资源的r e s o u r c ea g e n t ，用于代表用户的b r o k e ra g e n t 和提 供信息服务的d f ( d i r e c t o r yf e d e r a t i o n ) 三类a g e n t 。对所提出的模型中各类 a g e n t 的结构、具体功能和它们之间基于f i p a ( f o u n d a t i o nf o ri n t e l l i g e n tp h y s i c a l a g e n t s ) 合同网协议的交互进行了详细地讨论。在制造网格中，价格( p ) 、时间( t ) 、 质量( o ) 、可靠度( r ) 等指标是衡量制造资源优劣的标准。用户对资源具有p t q r 的多q o s ( q a l i t yo fs e r v i c e ) 要求并希望需要寻求最优的资源组合来完成任务。为 了保障制造网格用户的多q o s 要求，设计了遗传算法作为b r o k e ra g e n t 在资源调 度过程中进行资源优选的算法。 本文还介绍了符合f i p a 规范多a g e n t 开发工具j a d e ( j a v aa g e n td e v e l o p m e n t f r a m e w o r k ) 的运行方式、通信原理。阐述了j a d e 和遗传算法工具包j g a p ( j a v a g e n e t i ca l g o r i t h m sp a c k a g e ) 的安装过程与配置方法。设计了制造网格资源调度模 型的算例并利用j a d e 和遗传算法工具包j g a p 对所提出的进行了仿真实验，试验 结果证明了所提出模型和算法的可行性和有效性。最后对全文进行了总结并提出 未来工作的方向。 关键词：制造网格；多a g e n t ；资源管理与调度；遗传算法；j a d e ；j g a p j 1 j 钐 譬f ，n 1 旧：；兰f t q 再资m 铃州j j i 曼i il 一n l 一i e l n u 一一- ! 曼曼曼皇曼曼曼! 鼍 a b s t r a c t i nt h ec o n t e x to fe c o n o m i cg l o b a l i z a t i o n ，v i r t u a le n t e r p r i s ew i l lb e c o m et h em a i n o p e r a t i o nm o d e lo fm a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e si nt h ef u t u r e i nt h ef i e l do fi n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y ，t h eg r i dt e c h n o l o g yi sc o m m i t t e dt op r o v i d et h ei n f o r m a t i o ni n f r a s t r u c t u r e f o rs u p p o r t i n gt h ev i r t u a le n t e r p r i s e i th a sb e c o m eat r e n dt ou s eg r i da n di t sr e l a t e d t e c h n o l o g yt o c o n s t r u c tt h em a n u f a c t u r i n gg r i di nm a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s ef o r n e t w o r k e dm a n u f a c t u r i n g u s i n gg r i da n di t sr e l a t e dt e c h n o l o g yt oc o n s t r u c tt h e m a n u f a c t u r i n gg r i di sat r e n do fm a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s et om e e tr e q u i r e m e n t sf o r n e t w o r k e dm a n u f a c t u r i n g r e s o u r c em a n a g e m e n ta n ds c h e d u l i n ga r eo n eo ft h ec o r et e c h n o l o g yo ft h e m a n u f a c t u r i n gg r i d b a s e do nt h ea n a l y z i n gt h er e q u i r e m e n t so ft h em a n u f a c t u r i n g g r i dr e s o u r c em a n a g e m e n ta n ds c h e d u l i n g ，am u l t i a g e n tm o d e lo ft h er e s o u r c e m a n a g e m e n ta n ds c h e d u l i n gf o rt h em a n u f a c t u r i n gg r i di sp r o p o s e di n t h i sp a p e r t h r e ek i n d so fa g e n t sa r ec o n t a i n e di nt h em o d e l t h ef i r s ta g e n ti st h er e s o u r c e a g e n tw h i c hi su s e dt ob eo nb e h a l fo fo n em a n u f a c t u r i n gr e s o u r c e t h es e c o n di st h e b r o k e ra g e n tw h i c hi su s e dt ob eo nb e h a l fo fo n eu s e r t h et h i r di st h ed f ( d i r e c t o r y f e d e r a t i o n ) w h i c hi s t o p r e s e n ti n f o r m a t i o ns e r v i c e t h es t r u c t u r e ，t h es p e c i f i c f u n c t i o na n dt h ei n t e r a c t i o np r o c e s so fa l lk i n d so fa g e n ti nt h ep r o p o s e dm o d e la r e d i s c u s s e di nd e t a i l t h ep r i c e ( p ) ，t h et i m e ( t ) ，t h eq u a l i t y ( q ) a n dt h er e l i a b i l i t y ( r ) a r e t h ee v a l u a t i o nc r i t e r i o no fr e s o u r c e si nt h em a n u f a c t u r i n gg r i d c u s t o m e r sh a v e m u l t i - q o sr e q u i r e m e n t so fp t q rf o rr e s o u r c e ss e l e c t i o na n dn e e dt os e a r c hf o rt h e o p t i m a lc o m b i n a t i o no fr e s o u r c e st oc o m p l e t et a s k s i no r d e rt os a t i s f yt h em u l t i - q o s r e q u i r e m e n t so fc u s t o m e r s ，ag e n e t i ca l g o r i t h mi sd e s i g n e da st h eo p t i m a l s e l e c t i o n a l g o r i t h mf o rt h eb r o k e ra g e n t t h er u n n i n gm o d ea n dt h ec o m m u n i c a t i o n p r i n c i p l e o fj a d e ( j a v a a g e n t d e v e l o p m e n tf r a m e w o r k ) a r ei n t r o d u c e di nt h ep a p e r t h ei n s t a l l a t i o np r o c e s sa n dt h e c o n f i g u r a t i o nm e t h o da r ei l l u s t r a t e d b a s e do nt h ej a d ea n dt h ej g a p ( j a v ag e n e t i c a l g o r i t h m sp a c k a g e ) ，as i m u l a t i o ne x a m p l ef o rt h em a n u f a c t u r i n gg r i ds c h e d u l i n g m o d e li sd e s i g n e da n da ne x p e r i m e n ti sc o n d u c t e d s i m u l a t e dr e s u l t ss h o wt h a tt h e m o d e la n dt h ea l g o r i t h mw h i c hh a v e b e e np r o p o s e da r ef e a s i b i l i t ya n de f f e c t i v e a tl a s t ， c o n c l u s i o n sa r es u m u r i z e da n dt h ef u t u r ew o r k sa r ep r o p o s e d k e yw o r d s ： m a n u f a c t u r i n gg r i d ；m u l t i a g e n t ； r e s o u r c e m a n a g e m e n t a n d s c h e d u l i n g ；g e n e t i ca l g o r i t h m ；j a d e ；j g a p 卜、i 玲乏 插图索引 图1 1 制造企业与外部环境交互图1 图1 2 网格资源管理和调度的层次模型。4 图1 3 网格资源管理和调度的计算经济模型5 图2 1 网格环境下的虚拟组织9 图2 2 网格层次协议结构1 0 图2 3w e bs e r v i c e 基本结构1 0 图2 4o g s a 体系结构：1 2 图2 5 网格与w e bs e r v i c e 的融合1 2 图2 6 制造企业应用集成发展阶段1 3 图2 7 虚拟企业的生命周期1 3 图2 8 制造网格体系结构1 5 图3 1 慎思型a g e n t 结构1 7 图3 2 反应型a g e n t 结构一1 7 图3 3f i p aa g e n t 平台2 0 图4 1f i p a 合同网协议2 5 图4 2 制造网格资源管理与调度的多a g e n t 模型2 7 图4 3r e s o u r c ea g e n t 内部结构及其与外部环境的交互2 8 图4 4b r o k e ra g e n t 内部结构及其与外部环境的交互2 9 图4 5 遗传算法工作原理一3 1 图4 6 遗传算法编码3 3 图5 1j a d e 平台3 5 图5 2j a d e 平台的通信原理3 6 图5 3j a d e 基本服务的加载3 7 图5 4j a d er a m g u i 运行界面3 8 图5 5c o n t a i n e r 1 中的各r e s o u r c ea g e n t 3 8 图5 6b r o k e ra g e n t 的运行结果( 包含遗传算法的执行结果) 3 9 图5 7 基于f i p a 合同网协议的b a ，各r a 以及d f 的交互流程4 0 掣：j 彩h ，n rt 门：兰ic 1 。 7 7 川川川l 乏 附表索引 表5 1 各候选资源的p t q r 属性3 9 表5 2 各候选资源间的连接代价、连接时间3 9 i v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。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。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 楠篁 日期：。，湃ll 月1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：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，允许论文被查阅和 借阅。本人授权兰州理工大学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 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：虏彩遵 导师签名：多膨鲁铭季 日期：函呻2 年2 月7 日 日期弘砗，2 ，月夕日 卵- t1 ? ：伶论文 第1 章绪论 1 1 课题的背景 1 1 1 制造网格发展的需求背景 在全球化经济的背景下，2 1 世纪的制造企业面临着全球性市场、资源和高素 质技术人员的竞争。任何制造企业都不可能具备面向产品全生命周期的全部资源 或能力，因此，制造企业需要改变传统的大而全，小而全的模式，着力发展企业 核心竞争力、专业化生产水平和服务质量。另一方面，制造企业需要与竞争企业、 客户、供应商、政府机构、科研机构、咨询公司等外部环境进行交互【1 , 2 】( 图1 1 ) ， 充分利用社会资源，将原本分散、孤立的核心能力纳入到国际竞争和合作环境中， 成为国际制造业供应链中的一环，以适应快速多变、客户需求驱动的市场需求。 图1 1 制造企业与外部环境交互图 敏捷制造是2 l 世纪制造企业的主导制造理念，其基本思想是通过将高素质的 员工、动态灵活的虚拟组织机构或动态联盟、先进柔性生产技术进行全面集成， 使企业能对持续变化、不可预测的市场需求作出快速反应，由此获得长期的经济 效益。建立虚拟企业是实现敏捷制造的主要方式。所谓虚拟企业，是指为了响应 已经或即将出现的市场机遇，由若干个优势互补的企业、组织等临时快速地组成 一个联盟，各联盟成员分别发挥自身的优势或核心能力，快速、低成本、高质量 地开发出新产品以投放市场，并按一定的方式共享利益、分担风险。当市场需求 消失时，联盟有迅速解体。实体企业通过加入虚拟企业，一方面可以提高自身资 源和核心能力的使用效率，另一方面可以充分利用和共享联盟中的社会资源，进 而加强其在国际市场中竞争与合作能力【2 】。 j 杉、二t i i , 。! ，：土 7q ! t i 一| 1 。【川1 l 上 1 1 2 5 4 造网格发展的信息技术背景 在信息技术领域，网络及i n t e r n e t 技术、计算机软件集成技术、分布式计算技 术飞速发展使得构建整合和集成全球范围的制造资源，从而实现各种先进制造理 念成为现实。企业集成、计算机集成制造、网络化制造等先进制造模式的研究和 应用成为热点，而这些利用信息技术形成的先进制造模式是实现虚拟企业等先进 制造理念的实现方式。 以i n t e r n e t 为基础设施，以各种软件集成技术为使能技术来构建虚拟企业已成 为未来制造业发展的必然趋势。而目前用于虚拟企业的信息技术 b 2 b ，a s p s ( a p p l i c a t i o ns e r v i c ep r o v i d e r s ) ，j a v a ，c o r b a 等在共享配置的灵活性及共 享资源的类型上都不能完全满足制造资源的全面共享和集成【2 】。而网格计算技术定 位于动态多机构虚拟组织中的资源共享和协同问题解决【3 】，网格中可共享的资源包 括：计算资源、数据资源、存储资源、设备资源等一切符合网格规范的其它资源。 网格的资源整合能力与网络化制造的最终目的非常契合。网格技术将成为未来虚 拟企业等先进制造模式的信息使能工具。 制造网格【2 】( m a n u f a c t u r i n gg r i d ) 正是在这一时代背景下出现的新的制造环 境。它融合了计算机科学、自动化和先进制造等学科技术，通过屏蔽资源的异构 性和地理分布性，实现不同企业或组织中的各类资源的共享，提供协同工作支持 环境，以服务方式为用户透明地提供其所需的与制造相关的资源，可满足日益增 长的企业间协作和应用集成的迫切需求【4 j 。 1 2 制造网格研究现状 网格技术自2 0 世纪9 0 年代诞生至今，在体系结构上经历了从层次模型【3 】， o g s a ( 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 ) t 1 到w s r f ( w e b s e r v i c er e s o u r c e f r a m e w o r k ) t 6 】的发展。在技术上经历了从g l o b u s 等研究项目到目前g l o b u st o o l k i t 4 的演进。在应用上，从计算网格、数据网格发展到面向具体应用领域的服务网格【_ 7 1 ， 制造网格就是面向制造企业的网格应用。 目前，将网格技术应用于制造业的研究和应用分为两种4 , 8 , 9 1 。 ( 1 ) 企业计算网格 在许多制造企业中，需要很强的计算能力，如航空制造业中飞机的虚拟设计与 装配、汽车制造业中汽车的计算流体动力学c f d 仿真等。这些企业可以充分使用 已有的计算机资源，利用网格技术组建企业内部的分布式计算环境，为企业中计 算应用提供网格计算的基础设施。 ( 2 ) 虚拟组织形态的制造网格 虚拟组织形态的制造网格研究更侧重于将网格技术作为解决企业内部和企业 坳十。j ：! 。i 险( i ii i 之间信息集成资源共享的集成技术，存更大范型地实现制造资源的共享和企业之 间的协作。为实现虚拟企业这一先进的制造理念提供信息基础设施。在当前的制 造环境中，企业内部及企业之间要么存在着信息孤岛，要么以来于紧耦合的方式 实现资源的共享与企业间的协作。网格技术的出现，为制造企业提供了一个具有 集成、开放、虚拟和自主特征的基础设施，可以有效地解决网络化制造面临的资 源共享与协作难题。 在制造业，首先进行网格应用的是美国国家航空航天局( n a s a ) 和美国自然科 学基金会( n s f ) 的联合研究计划i n f o r m a t i o np o w e rg r i d ( i p g ) ，其目的是建立一个完 全分布式的计算资源和数据资源的管理环境，以支持大型科学和工程问题的异地协 同。他们以飞行器的多团队仿真问题为背景，重点解决由不同研究小组开发的地域 分布的单元仿真器之间的资源和应用集成问题。这些单元仿真器分布在n a s a 下 属的不同地点的研究中心和企业，而i p g 应用类似n p s s 的应用框架管理多种部件 模型( 包括机身、机翼、尾翼、发动机、起落架和人因工程等模型) ，应用i p g 服务 协调各种计算和数据资源，可以看出，i p g 计划实际上是支持网络化制造中设计仿真 活动的网格技术应用。波音、福特等公司都在尝试用网格计算进行复杂的仿真与 设计。除此之外，爱立信、日立、宝马等也都已经开始构造和试用内部网格【l 0 1 。 我国国家8 6 3 计划网格专项应用之一的航空制造网格，用网格技术整合航空二 集团计算机资源，形成虚拟计算中心，提供统一的计算资源服务，并根据型号任 务对硬件资源进行合理的调度与管理，缩短研究周期，降低企业成本【4 】。 国内清华大学的范玉顺教授较早地提出了制造网格的概念和体系结构【2 8 】。制 造网格研究项目主要有清华大学的n e t m a ng r i d 项目1 7 , 1 0 】，中科院计算技术研究所 网格与服务计算研究中心研制的a m g r i d 】，上海大学的快速制造网格r m g 项目 1 2 , 1 3 , 1 4 1 等。目前，这些制造网格的研究主要集中在基于o g s a 或w s r f 的制造网格 体系结构，资源描述与封装和基于g l o b u st o o l k i t 工具包的制造网格仿真上。网格 技术作为信息领域的新兴技术为制造业实现各种先进的制造理念提供了美好的蓝 图支持。但从全球整体上来说，将网格技术扩展到制造领域，从理论、方法和技术的 研究上，仍处于初始阶段【l 们。 1 3 网格资源管理和调度研究现状 目前，用于网格资源管理和调度的主要模型有层次模型和计算经济模型。 层次模型【1 5 , 1 6 】在实践中已被大多数网格系统如g l o b u s ，l e g i o n ，n i n f ，n e t s o l v e 等项目所采用，基本思想是将整个资源管理系统分成若干功能层，较高层次的组件 可以利用较低层次组件提供的服务实现自身的功能。层次模型主要包括被动组件 和主动组件。其中，被动组件有：资源、任务、作业、调度。主动组件有：调度 者、信息服务、域控制代理、分配代理、用户、访问控制代理、监控器、作业控 l ，：j 乡a 刖1 j 川，l j 札1 。j7 i 1 。1 ：川。jl i , ：。，三 制代理等。层次模型工作过程如下： ( 1 ) 用户提交作业给作业控制代理，由它负责作业在系统中的分配和预留， 既可以作为用户代理又可以作为作业的一个一致性控制点，并且要协调资源管理 系统内部不同组件的交互。 ( 2 ) 作业控制代理调用访问控制代理，从而决定系统是否能容纳附加作业， 且当系统饱和时拒绝或推迟作业。访问控制代理检查作业的资源请求，并判断添 加此作业到系统当前的工作池中是否安全，若安全则将作业传递给全局调度器。 ( 3 ) 全局调度器为输入的作业计算一个或多个进度表，利用网格信息系统进 行资源发现并且咨询领域控制代理来决定当前的状态以及可用的资源。领域控制 代理也就是局部资源管理器，它接受委托负责管理待使用的资源，它所控制的资 源集合构成一个控制域。接着，全局调度器计算映射集合并将这些映射传递给分配 代理。 ( 4 ) 分配代理就进度表中的资源与领域控制器代理协商，并对资源进行预约。 这些预约资源被传递给作业控制代理。 ( 5 ) 在适当的时候，作业控制代理和另一个分配代理合作，此代理与领域控 制代理协调并开始任务的运行。监视器负责跟踪作业进展，从构成作业的任务和 运行该任务的域控制代理中获得作业的状态，基于作业状态，监视器可执行任务控 制代理和调度器所提供的调用，并且在性能低于预期标准时开始重新调度。 网 爿访问控制代理 格 作 用 业 作业爿 全局调度器 i ”l 网格信息系统 户 作业 控 应制 、 0 用代领域控制代理l 、i s爿监控器 程理 ，0 序 曾f 溜、 贝讲1 分配代理 图1 2 网格资源管理和调度的层次模型 计算经济模型【1 5 , 1 6 , 1 7 被n i m r o d g ，j a w s ，m y r i p o s a ，j a v a m a r k e t 等网格研究项目 所采用。该模型主要由以下四个部分组成：网格用户应用程序、网格资源代理、网 格中间件和网格资源控制域。 ( 1 ) 网格用户应用程序：包括串行应用、参量应用、并行应用和协同应用等。 ( 2 ) 网格资源代理：它利用中间件服务连接用户和网格资源，负责资源发现、 资源选择、资源绑定、初始化计算、资源动态更新以及建立资源的单一系统映象 等功能。主要由作业控制代理、网格探测器、调度顾问、交易管理者和分配代理 构成。其中作业控制代理是看管系统的作业的中心组件，由它负责调度的产生、作 业的实际创建和作业状态的保持，并与用户、调度顾问和分配代理进行交互；调 度顾问利用网格探测器进行资源发现、资源选择以及作业分配；交易管理者在资 4 源选择算法的指导下制定资源访问费用。 作 网格探测器l i 网格信息服务一 一网格信息服务k 一资源监控 。歹一l l ： 用 业、，7 户 控 d 调度顾问li 认证和安全服务l 网格工作结点 应 制 爿交易服务器k d 收费 用 、代w 。o 程 理 交易管理者| i 交易服务 f i 资源预留 、 记账 i 序百 分配代理 l | 资源分配和管理b ，一一爿资源分配 i 其它服务l l r 1lr 2l li h l l 网格 用芦 网格资源代理网格中间件服务 网格资源控制域 图1 3 网格资源管理和调度的计算经济模型 ( 3 ) 网格中间件：它为网格资源代理提供基本的网格服务支持，包括网格信息 服务、认证和安全服务、交易服务、资源的分配和管理。网格信息服务器动态收 集资源提供方的信息，并反映到全局数据库中；认证和安全服务模块对服务提供方 提供注册功能，对客户提供认证访问全局数据库的功能，同时保证用户作业在资 源提供方安全运行；交易服务提供用户请求代理和局域资源管理、协商价格的功 能；资源的分配和管理模块对全局的资源进行统一的管理和调度分配。 ( 4 ) 网格资源控制域：每个网格工作结点都不可避免地要与外部的市场服务、 信息服务和监控系统进行通信。在网格工作结点内部，实际上资源层之上的各种 服务组件构成了域资源管理器( 即局部资源管理器) ，网格工作结点向域资源管理 器提供各结点的状态和负载情况，域资源管理器将该域的负载信息汇总并送给资 源请求代理供查询和管理。其中交易服务器是资源所有者代理，它与用户协商， 销售自己资源的访问权，其目标是最大化资源使用率并从中获利。 层次模型和计算经济模型提出了网格资源管理和调度的理论化和指导性构建 方法，其中也体现出用运代理的思想。但是，层次模型中没有充分考虑实际的网 格系统的协商交易的特性。而计算经济模型没有充分利用现有的a g e n t 计算技术 研究成果。 网格的奠基人之一i a nf o s t e r 将网格和a g e n t 比作“b r a w n 和“b r a i n ”的关 系并在研究了当前网格技术和a g e n t 技术各自的优势与不足的基础上指出了将网 格技术和a g e n t 技术进行融合的必要性和可能性。同时，还提出了运用a g e n t 技 术进行网格资源管理与协商、网格虚拟组织管理等1 0 个研究方向【1 8 】。 同时，将a g e n t 技术运用在网格中的研究还有：c o a b s 项目【1 9 】从a g e n t 的技 术观点出发阐述了a g e n tg r i d 的思想。c a o 等人丌发了一个基于a g e n t 网格资源 管理系统a r m s 2 0 】。其中每个a g e n t 代表一个局部网格资源且充当资源提供者。 a g e n t s c a p e 项引2 i 】中针对网格的规模和可南、展性提出了_ 个用于网格资源管理的 丁午，t ，r ，f f f ! “1 f ，f f ，： 一、i ，i “廿：r 丌i ：i t il f i ： ， 一 。 l。，o一 多a g e n t 框架。文献 2 2 中提出一个运用a g e n t 进行网格资源分配的框架和协商模 型。同时，文献 2 1 】， 2 2 中都指出了将a g e n t 中间件与网格中间件进行集成的可 能性。t a oy u 等提出了基于多a g e n t 的制造网格工作流管理系统1 23 | 。 综上所述，基于a g e n t 技术的网格资源管理和调度是未来重要的研究课题和发 展方向。本课题的研究是在充分研究以上成果的基础上，利用现有的较成熟的 a g e n t 标准协议、技术来实现制造网格资源管理和调度。 目前，网格项目中所用的资源调度算法主要分为基于性能的调度和基于经济 的调度两类。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) 或最大资源利用率( 负载平衡) 。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【l 引。主要的调度算法有m a x m i n ，m i n m i n ，s u f f e r a g e ，禁忌搜索，模拟退火。 除了以上一些算法，智能算法成为近年来研究较多的网格任务调度算法【2 4 1 。然而， 由于制造是一个特殊的复杂过程，在制造网格中提交的任务是要加工的产品而不是 计算公式或数据，用户对产品的要求也不再仅仅局限于时间和成本，同时还有产 品质量以及服务可靠性等，通常是t ( 时间) 、p ( 价格) 、q ( 质量) 、r ( 可靠度) 等的多q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 要求【1 2 25 ，2 6 j 。制造网格中任务调度是一个针对多个工 序阶段，涉及多种制造资源以及满足用户多目标要求的调度，本文就是根据制造 网格资源调度的需求来设计其资源调度模型和优选算法的。 1 4 研究的主要内容及论文组织 1 4 1 研究的主要内容 ( 1 ) 制造网格是一种具有商用特性的网格环境。在制造网格环境下，针对一 个特定的协同设计、仿真、制造等具体任务，往往需要聚合分布在制造网格上的 制造资源形成虚拟企业来共同完成。而这些制造资源隶属于不同的实体( 企业、 组织、个人等) 。作为某类资源的提供者，其目的在于积极参与到虚拟企业中来提 高自己的资源利用率。这要求资源管理器能够主动地发现市场机遇。a g e n t 的主动 性满足这一要求。同时，资源提供者自主制定自身的使用价格和提供服务质量等 策略时还应考虑与本类资源的其它提供者的竞争。这要求资源管理器能够感知市 场供需状况和竞争对手策略的变化。a g e n t 的反应性、学习和适应性等特性满足这 一要求。资源管理器应能预测未来市场状况的变化趋势。a g e n t 的推理能力等特性 可以满足这一要求。因此，a g e n t 非常适合作为制造网格的资源管理器。 ( 2 ) 制造网格环境下，资源提供者与资源消费者之间需要通过交互协商来达 成一致并确定资源管理者将如何给资源消费者提供满足q o s 要求的的服务。这需 坝r j ： 沦，( 要健壮的交互协议的支持。多a g e n t 领域致力于a g e n t 之间的交互与协作的研究 并产生了大量成熟的交互协议如f i p a ( f o u n d a t i o no f i n t e l l i g e n tp h y s i c a la g e n t s ) a g e n t 交互协议。利用这些交互协议可以满足资源提供者和资源消费者之间的协商 和交易。 ( 3 ) 当一个复杂的制造任务被分解成子任务后，对应于每个子任务的候选资 源可能有多个。同时，每个候选资源都具有多种q o s 属性。如何从这些候选资源 中选择出最优资源组合需要一个有效的算法。 本文是在研究现有网格资源管理和调度方法的基础上，根据制造网格环境下 对资源管理和调度的实际需求提出研究课题的。 1 4 2 论文的组织 第1 章介绍了本课题研究的背景、研究现状及主要研究内容。 第2 章介绍了网格计算的相关理论以及制造网格的发展。 第3 章介绍了a g e n t 及多a g e n t 的相关理论以及网格计算和多a g e n t 技术的融合 的必要性和可能性。 第4 章在研究了制造网格资源管理和调度需求的基础上，提出了制造网格资源管 理和调度的多a g e n t 模型，分析了模型中各个a g e n t 的结构、功能和工作过程。 重点讨论了基于f i p a 合同网协议的多a g e n t 协商调度方法。设计了资源优选的遗 传算法。 第5 章综合运用多a g e n t 开发工具j a d e 和遗传算法工具箱j g a p 对提出的基于 多a g e n t 和遗传算法的制造网格资源管理和调度进行了仿真实验，证明了所提出 方法的可行性。 7 一7 - i - 。：，j t 1 1r f rj 、r ，i i i l j ：一，一= l ：1 i1 j 一。乏 第2 章网格计算与制造网格 2 1 网格计算的发展与虚拟组织 网格计算技术是新出现的一种分布式计算技术，它关注在多个动态组成的虚 拟组织间实现协作式的资源共享和问题求解【3j 。网格不是互连网技术的替代品，而 是构筑在互联网上的一组新兴技术，它将高速互联网、高性能计算机、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，而网格 功能则更多更强，让人们透明地使用计算、存储等其他资源【2 。 “网格”的概念起源于电力网，在电力网中，人们毋需关心所用的电力资源 来自于哪个发电厂，只需将插头插入电源插座，就可以用电。即电力资源对用户 是透明提供的。网格的思想是将异地分布的计算资源、存储资源、数据资源、贵 重仪器设备等资源聚合起来，通过网格中间件屏蔽资源的异构特性，为用户提供 透明的服务。 网格的发展经历了三个发展阶段： 第一阶段是网格的萌芽阶段，开始于2 0 世纪9 0 年代，主要研究内容是关于 千兆级网实验床以及一些元计算方面的工作。 第二阶段是从2 0 世纪9 0 年代中晚期出现的一些网格研究项目如g l o b u s ， l e g i o n ，w e b f l o w ，n e t s o l v e ，n i n f ，u n i c o r e 等。这一阶段的网格的研究和应 用主要集中在计算网格和数据网格。 第三阶段自9 0 年代至今随着丌放网格体系规范o g s i ( o p e ng r i ds e r v i c e s i n f r a s t r c t u r e ) 以及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 ) 规范的提出，使得 基于g l o b u s 和w e bs e r v i c e 技术的网格技术得到长足发展，并加快了网格技术从 研究领域推向商业领域的进程。面向具体商业领域应用的服务网格如制造网格成 为这一阶段的网格研究和开发的主要方向。 虚拟组织是由一些共享规则所定义的一组个体和或机构所组成。一个典型的 虚拟组织的场景【2 引( 图2 1 ) 所示，有三个实体组织a i r c a r ，g o e i n g 和c y c l e s r u ，它 们中的每一个都参与了不同的虚拟组织，这些虚拟组织涉及到对各实体组织的计 算或数据资源的控制共享。其中，在航天工业领域竞争非常激烈的两个组织a i r c a r 和g o e i n g 在一个国际性的虚拟组织v o s p a c e 中进行合作，来设计先进的航天工 具。而g o e i n g 参与了一个地区性计算周期共享虚拟组织v o c y c l e s ，该组织把未 使用的计算周期聚集到一个本地服务提供者c y c l e s r u 以便用于完成计算密集型 任务。 医i 辫帮，l 翠阿磷徽l m * ， 科* i # 舯l 4 品釜。l 念 ；盏嚣；l 二宣可上斟 目$ 自授# 自 瞄孺媾翟亏卜i 秘麓篡擎 螽愈 蹙势禳穆 2 2 网格体系结构 2 2 1 网格的层次协议结构 网格协议建立在互联网协议协议之上，以互联网协议中的通信、路由、名字 解析等功能为基础。网格的五层协议结构分为构造层、连接层、资源层、汇集层 和应用层，每层都可以有自己的服务、a p i 和s d k 。在这种层次结构中，上层协 议的实现调用下层提供的功能口御i 。 构造层是网格中可以被共享的资源所在的层，该层包括计算设备、存储设各、 目录、分柿式文件系统、分布式计算机池、计算机集群、网络、传感器、贵重仪 器以及其它设备。该层的功能是向上提供网格中可共享的资源接口，网格通过支 持设备共享的协议来访问本地设备。网格管理软件中有相应的组件监测可用资源 的特性、当前负荷等信息并将这些信息提供给上层使用。 连接层是网格中处理通信与授权控制的核心协议层。构造层的各种资源h j 的 数据交换都在这一层的控制下实现。各资源的授权认证和安全控制也在这一层实 现。 资源层的作用是对单个资源事实控制，与可用资源进行安全握手，对资源进 行初始化，检测资源的运行状况。统计与付费有关的资源使用数据。资源层协议 有信息协议和管理协议两种。信息蚺议用来获取关于资源结构和状态的捧息，管 理协议用来协商访问和共享资源。 汇聚层的作用是将资源层提交的受控资源汇聚在一起，供应用程序共享使用。 该层提供目录服务、资源分配和代理、资源监控和渗断等功能，阱调多个资源之 删的工作。 应用层位于血层的最j ：层，网格应用包括用户代码和喇格调用两部分，h 巾 j + ：j 彩h j j _ j 二【- ii i 哆i l j ：1 j ，【! jjf ：1 2 网格应用可以调用各低层提供的资源管理、数据访问、资源发现等服务。 l ：二二望兰星： 图2 2 网格层次协议结构 在层次结构模型中，资源管理；资源的联合分配与协商调度；代理( b r o k e r i n g ) 服务；资源的监控和诊断，负载均衡；资源间的相互安全与认证；记费与付账等 功能都需要智能、自治和社会交互特性的支持。而这些特性是a g e n t 研究领域着 力解决的问题并已经取得了较为成熟的研究成果。因而，可以运用a g e n t 对以上 各功能进行抽象和实现。 2 2 2w e bs e r v i c e 与开放网格服务体系o g s a w e bs e r v i c e 的基本结构是基于服务提供者、请求者和中介者三个角色以及服 务的发布、发现和服务请求者与服务提供者之间的绑定三个动作而定义的2 7 1 。w e b s e r v i c e 的基本结构如图2 3 所示。 发布发现 图2 3w e bs e r v i c e 基本结构 、e bs e r v i c e 的重要协议： ( 1 ) 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 ) ：是一种节点间交换数据的协议， 它独立于程序设计语言和操作系统平台，用x m l 语言描述，任何平台的应用都可 以给其他的远程节点发送s o a p 消息访问该节点上的远程资源。 ( 2 ) 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 bs e r v i c e s 的x m l 格式的语言。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，服务请 求者在获得了自己需要的w e bs e r v i c e s 的w s d l 文档后，就可以通过w s d l 文档 中提供的信息来生成调用该w e bs e r v i c e s 。w s d l 文档定义的服务由不同的端点组 成，这个端点由二个网络地