（计算机应用技术专业论文）基于制造网格的动态调度系统研究.pdf

李相清：基于制造网格的动态调度系统研究 摘要 经济全球化使制造环境发生了根本性的变化，面对全球制造的新形 势，企业必须充分利用全球的制造资源，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。然而，传统的网络化制造缺乏必要 的柔性和开放性，约束了网络化的扩展和进一步推广，制约了企业的敏捷 性和对市场的快速响应能力，严重阻碍了制造企业向经济全球化的迈进。 制造网格就是在这个时代背景下提出来的，它不是试图取代网络化制造、 敏捷制造等先进制造模式，而是在现有的基础上有益的补充和技术创新。 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问入口和透明的资源服务，满足 企业对资源共享的要求。 本文正是在这种背景下开始了制造网格环境下动态调度系统的研究。 本文以基于制造网格的动态调度为研究对象，构建了基于制造网格的动态 调度系统的总体结构，研究了基于知识的制造网格资源调度决策机制，提 出了基于蜂群算法的制造网格作业调度策略，同时也研究了基于制造网格 的服务机制，最后对动态调度系统的设计与实现进行了设计与探讨。本文 的主要研究工作如下： l - 结合前人的研究，分析了基于制造网格动态调度的研究现状和发 展趋势，以及网格技术、制造网格的研究现状，阐述了进行基于制造网格 动态调度系统研究的意义和目的。 2 阐述了制造企业中的三个调度层次，并分别对这三个层次的职能 进行介绍，构造了调度系统的总体结构框架。提出了基于制造网格的多级 动态调度系统的模型，建立了基于外网格的动态调度系统与基于内网格的 动态调度子系统。介绍了制造网格系统中的核心中间件，并开发本系统的 应用中间件，对应用中间件中的相关服务给出详细描述。 3 将模糊集中的隶属度函数作为粗糙集的属性，通过模糊截集获得 系统的分类知识；利用样本的模糊隶属度构造模糊综合评价矩阵，属性重 要度构造权值矩阵，模糊评价方法对备择集进行评价，最终得出相对理想 的资源。本文将定性分析与定量计算相结合，较好地实现定性指标定量化， 显现了各评价准则的相对重要性，使得制造资源评选结果具有较强的客观 扬州大学硕士学位论文 性。 4 基于蜂群算法的制造网格作业调度的研究。针对传统的作业调度 策略中的缺陷，利用蜂群与环境交互的模型进行动态调度，给出了基于蜂 群算法的动态调度决策机制，提高了作业调度的可靠性与实时性。 5 结合s t e p 和) ( m l 标准描述了制造网格服务的表达与封装，提出了具 有学习能力的服务评价方法，使调度系统在运行过程中不断感知并实时地 应对制造网格内外的变化。 6 分析了制造网格的动态调度系统的总体需求，建立了系统框架。 对动态调度系统的模块进行了构建并对其进行了详细的分析，将制造资源 调度模型、作业调度模型在实际中得到应用，初步实现调度系统。 关键字：制造网格，资源调度，作业调度，蜂群算法，粗糙集，模糊综合 评价矩阵，制造网格服务 李相清：基于制造网格的动态调度系统研究 i i i a b s t r a c t t h ee c o n o r n j c a l 酉o b a l i z a t i o nc a l l s e dt l l em 甜m f a c n l r ee n v 订o m n e mt 0 l l a v et l l en m 出m l e n t a lc h a n g e ，f a c i i l gt h eg l o b a lm a l l 耐b c t u r en e ws i t u a t i o n ，t l l e e n t e r p r i s eh a dt of i l l l yu m eg l o b a lm a i m f a c t u r er e s o u r c e s ，也er e a l i z a t i o n m 锄l 晌曲鹏r e s o u r c e sd y n a 面c0 p t i m i z e dc o n f 0 肌i 够，b yt 1 1 e 、a y 删c h q u i c k e r ，b e t t e r ，a n ds a v e dt om em 舐k e t h o 、e v e r l e 位l d i t i o i l a ln e t 、 ，o r k m a m l f a c t u r el a c l ( so ft h ee s s e n t i mn e x i b i l i 够a r l d0 j ) e n n e s s ，k 塔r e s 嘶n e dt h e n e 帆o r ke x p a l l s i o n 锄d 内u r t h e rp r 0 i n o t e s ，r e s t r i c t e de i l t 珥埔s e sa g i l 时a n d l e m 破e tf a s tr e s p o 璐ea b i l i t ) ，锄dk n d e r e d 1 em a i l u f 砬t u r ee n t e 印r i s e r i o u s l y t 0e c o r l o 血c a lg l o b a l i z a t i o nf 0 “删t h em a n k n l r e 鲥dc 0 n c e p tr a i s u n d 艘t h i s 硒e sb a c i u n d ，i ti sn o ta t t e 珥她t 0s u b s t i t u t ef o rm ea d v a i l c e d m a m l f 砬t u r ep a 呶舶_ l ， f o re x 锄p l e ，廿1 en e 帆o r km 踟f a c t u r e ，t l l e a g i l e n 姗敏肌u e 孤l ds 0o 玛b mi sm eb e n e f i c i a ls u p p l e m e n t 锄dt l l et e c h r l o l o g i c a l 豳v a t i o ni i lt ：h ee x i s t i i 培f o u l l d a t i o n nm a l ( e sd i s p e r t l l ei d l er e s o u r c e s 锄d t h e 雌r i o r 埘r e s o u r c e s 血f i e d 洫t h eg l o b a ls c o p e 廿l r o u g l lt 1 1 e 鲥dn o d e 。f 0 肋t 1 1 e 辩a 1 ，觚dp r o v i d e st l l eu m f i c a t i o nr e u r c e sv i s i t 即托m c e 觚dm e 仃鲫印a r e mr 销o u r c e ss e n ，i c et 0t 1 1 eu s e r s ，a n ds a t i s f i e st l l ee n t e 印r i t 0m e r e s o u r c e ss h a r i n gr e q u e s t u n d e rt h i sk i n d o fb a c k g r o u n d ，w er e s e a r c ho nd ，l l 撇i cs c h e d u l i n g s y s t e mr e s c a r c ho fm 锄k 加r e 鲥d t l l i sp a p e rt a k e sd ) ，i 瑚1 1 i cs c h e d u l i l l g 慨do n 廿1 em a 肌f a c t u r e 鲥d 嬲m er e a r c ho b j e c t c 0 i 塔仇l c t so v e r m l 妣t u r eb a 觥do nd ”l a l l l i cs c h e d u l i r l gs y s t e mo ft l l em a n 谢瓠胤埔e 鲥也 r e s e 盯c h e s0 nr e s o u r c e sd e c i s i o n - 觚必n gm e c h a 正s m0 fm 锄u f a c t u r e 面d b a s e do nt l l ek n o w l e d g e ，p r o p o s 麟m l 加肌鹏鲥dj o bs c h e d u l i i 冯咖t e g ) ， b a s e do nt h ec o l o n ya 1 9 0 r i t t l i i l ，s 蛔【u l t a i l e o i l s l ya l s os t u l d i e ss e r v i c em e c i m i l i s m b a s e do nt h em a n 谢沁t u r e 鲥d ，觚df m a l l yc a 玎i e so nt l 】屺d e s i g na n dt h e d i s c u s s i o no f 也ed y n a 商cs c h e d u l i n gs y s t e md e s 咖锄dm cr e a l i z a t i o n t h e m a i l lr e a r c hw o r ko ft h i sp a p e ri s 嬲f o l l o w s ： 1 u 1 1 i 匆证gp r e d e c e s s o r sr e s e a r c l l w eh a 垤锄a 1 弘猃d 陀s e a r c hp r e s e m s i t u a t i o n 锄dm e 骶n d0 fd e v e l o p 脉i n t0 fd y n 锄i c 蹦l e d u l i n gb a s e d0 n l e 啪u f a c t u r e 西d ，嬲w e l l 弱t l l er e s e a r c hs t a ：t u so f 酣dt e c l u l o l o g y 锄d 扬州大学硕士学位论文 m 趾m f i a c t u r e 面d ，a r l de l a _ b o 豫t e dr e s e a r c hs i g l l i f i c 赳l c e 觚dt l l ep u 印o o f d 脚i cs c h e d u l i i l gs y s t e mb 嬲e do n l ei y m n u f k t u r eg r i d 2 w ee l a b o r a t e1 u d i s p a t c h e rl e v e lo ft l l em 觚u f j h c t l 玳e m e 印r i s e s ， s 印锄t e l yc a r r i e s o nm ei n t r o d u c t i o nt 0t 1 1 e s em r e el e v e lf u n c t i o 吣，觚d c o r l s t m c t e 坷晦o v e r a ns t m c t u m l6 a i 玎j i l go fs c h e d u l i n gs y s t e m w ep f o p o s e m u l t i s 优鸣ed ) r 1 1 锄i cs c h e d u l i n gs y s t e mm o d e lb 嬲e d0 nt l l em 锄u f ：犯魄g r i d ， e s t a b l i s h e sd y n 舡n j cs c h e d i l l i r l gs y s t e mb 粥e do nt l l eo u t s i d e - 西d 砒订d y n a m i c s c h e d u l i n gs u b s y s t e m b a s e do ni i l s i d e - 咖d a 咀w e 砷d u c ec o r e m i d d l e w a r eo fm e 删m l l 】f a c t u r e 鲥ds y s t e m ，d e v e l o p “ss y s t e mt i l e 印p l i c a t i o nm i d d l e w a r e ，觚d 西v e t l l e d e t a j l e d ( 1 e s c r i p t i o no f 印p l i c a t i o n n l i d d l e 、) i ，a r e ，sc o i r e l a t i o ns e n ，i c e 3 w eu s et h ef h z 巧s e t ss u 场e c t i o n 如n c t i o n 嬲m er o u 曲s e t 砌b u t e ； o 慨nm es y s t e m sc l a s s i f i e dk n o w l e d g e 廿l r o u g l lm e 血z z yc u ts e t ；u s et l l e s 锄p l e sf u z 巧s u 巧e c td e g r e et 0c o n s 仃i j c tf h z z ys y m h e t i ce v a l u a r t i o nm a t r i x ， m e 砌b u t ei m p o r t 龇l c ed e g r e et 0c o n s 仇l c t 、e i g h tm 嘶x ，锄dm ef b z z y 笛s e s s m e n tm 矗h o dt 0e v m 似e l ec a n d i d a t e ss e t ，f i n a l l y ，o b t a mt l l er e l a t i v e l y i d e a lr e s o l l r c e s t m sp a p e r 血f i e sn l eq l j a l i t a t i v ea n a l y s i s 锄dt l l eq 啪t i t a t i v e e v a l 眦t i o nr e a l i z e st l l es t a t i o i m 巧c r i t 面aw e l lq 啪t i 诅t i v e ，d 锄o n 蛐r a t e sm e r e l a t i v ei i l 驴r t a n c eo ft h ee v a l 删i o nc r i t e r i a 觚de m l b l e st h em a n u f 配t u 陀 r e s o u r c e se v a l u a t i o nr e s u ht 0h a v e l es 仃0 i 培。协e c t i v i 锣 4 r e s e a r c ho nj o bs c h e d u l i i 培b 弱e do nw 嬲pa l g o r i t l l mm a n 妇t u r eg r i d f 0 rt h en a wt h eo ft l l e 位| d i t i o i l a j j o bs c h e d u l i n gs 仃a t e g y ，、) l ，ec 邺7o nt h e d ) ，l l 锄i cs c h e d u l i n gu s i n g 圮c o l o n ya n dt h ee n v 的m n e mi i l t e 瞅i v em o d e l ， g i v et h ed ) r i l 锄i cs c h e d u l i n gd e c i s i o n - m a k n gi n e c h a m s mb 硒e d o nm ec o l o n y a l g o r i t h i n ，锄de i l l l 锄c et h ej o bs c h e d u l i n gr e l i a b i l i t ya n dt i m e l i n e s s 5 u i l i 母i n gs t e p 锄d t h ex m ls 切i 地而d e s c r i b e dt l l em 肌u 缸t u r e 酊d s e r v i c ee x p r c s s i o n 锄dt l l e m ，w ep r o p o s es e r v i c e 弱s s i n e n ti n e t l l o d 晰m m el e 枷n gc a p a b i l i 够，w k c hm a | 汜s s c h e d l l l 洫gs y s t e m 圮u n c e 嬲i i l g l l s a l i o na n dr e a l t i i l l ea d a p tt oi i l s i d e 射l do u t s i d ec i l a r l g eo ft l l 乞m 锄u f 砬t u r e 酊di i l t l l em o v 锄e n t p r o c e s s 6 a r e r 删y z i n go v e 船l ld e m a i l d o fm em a j l u f a c t u r c 面dd y n a i l l i c s c h e d u l i n gs y s t e m ，w ec o n 舭t e rt t 圯s y s t e mf m m e w r cc o r 峪m j c t e r t i l e 李相清：基于制造网格的动态调度系统研究v m o d l l l e so ft l l e 由m 砌cs c h e d u l i i 唱s y s t e ma n dt l l ed e t a i l e d 锄a l y s i so fi t ； m a k em es c h e d u l i n go fr e s 0 u r c e sm o d e l ，t h ej o bs c h e d u l i n gi n o d e lo b t a i l lt h e 印p l i c a t i o ni 1 1r e a l i t y ；锄dr e a l i z em es c h e d u l i n gs y g t e m “t i a l l y 、 k 呵w o r d s ：m 锄u t l 鹏嘶也r e s o u r c es c h e d u l 吨，j o bs c h e d u l i n g ，p 越g o r i 恤，r o u 曲s e t ，f u z z ) rs ) ，n 【m e t i ce v a l u a t i o nm a t r i x ，m 删f k n 鹏嘶d s e r v i c e 李相清：基于制造网格的动态调度系统研究 7 9 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下独立进行研究工作所取得的研究 成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体己经发表的研 究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声 明的法律结果由本人承担。 吨 学位论文作者签名：耋押缩 n ， 签字日期：加嘭年6 月z 日 学位论文版权使用授权书 本人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学位论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。本 人授权扬州大学可以将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、汇编学位论文。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。 学位论文作者签名； 妻期磊 签字日期：矽形年占月 5 日 导师躲搠乡 签字日期：砧6 月；日 李相清：基于制造网格的动态调度系统研究 第一章绪论 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。 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 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还不够有效，制约了 企业的敏捷性和对市场的快速相应能力，阻碍了制造企业向经济全球化的 迈进，表现为以下几个方面【l 】： 1 ) 分布的制造资源的信息获取困难，存在过多的人为因素； 2 ) 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； 3 ) 协同制造过程协调困难，需要大量手工工作，无法实现智能化； 4 ) 缺少一种能够支持企业间高效协调和通信的机制，难以实现订单 驱动的虚拟企业组织和结构调整； 5 ) 缺少一种可靠而有效的制造资源调度机制，难以监控各成员企业 制造资源的信息和状态，无法实现虚拟企业制造资源的高效调度； 6 ) 缺少一种高效的作业调度机制，难以实现企业制造任务的实时调 度。 制造网格为解决上述问题开辟了一条新的路径。制造网格在制造业承 担了提供技术和服务平台的角色，为企业之间的竞争与合作提高了良好的 环境，在最大程度上弥补了制造业现存的缺陷和不足，它将分散在全球范 2 扬州大学硕士学位论文 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问入口和透明的资源服务，利用网格提供的资源搜索 功能和信息服务，能够针对应用要求，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。 制造网格的实质就是在动态的可扩充的虚拟组织中可控且平等地共 享和使用资源。因此，在制造网格环境下如何有效地管理和优化配置资源 就成为影响制造网格能否成功的重要因素之一。本文正是在这种背景下开 始了制造网格环境下动态调度系统的研究。 1 1 制造网格的研究状况及发展趋势 1 1 1 制造网格 1 网格 网格的概念是借鉴电力网提出来的，网格的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( 嘶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【2 j 。 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 l lf o 咖r 与c 砌k c s s e h i l 趾在1 k 劬眦o m yo f m e “d 中对 网格的定义【3 】：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 删r e s o u r c e s h a r i n g 锄dp r o b l e ms o l v i n g i l l d ) 删c ， m u l t i i n s t i t i l t i o n 2 l lv i l 咖l a lo 瑶a r l i z a t i o 船) ，并在2 0 0 2 年7 月的w l 蚍i sn l e 嘶d ? an 嘴ep o 硫c h e c l d 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： 1 ) 协调非集中控制的资源( c o o r d 毗舵r e s o u r c e m ta r en o ts u b j e c tt 0 c e r i 砌娩e dc o r l t r 0 1 ) ： 2 ) 使用标准的、开放的、通用的协议和接口( u s i n gs 切n d a 札 g e n e r a l - p u 驴s ep r o t o c o l s 柚di r 她血c e s ) ； 3 ) 获得非平凡的服务质量( t 0d 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，网格的概念核心是“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 李相清：基于制造网格的动态调度系统研究 源”之上的种种限制，为使用者提供了一种前所未有的“高级服务 。这 包括如下几个方面的含义【4 】：( 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， 在开放网格服务框架( o p e ng r i ds e n ，i c ea r c m 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，这时可以通过网络，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。 总之，网格的目的就是要利用互联网，把分散在不同地理位置上的各 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 r 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。 2 制造网格 制造网格的研究起源于网格，通过类比、借鉴和分析计算网格 ( c o m p u t i i l gg r i d ) 和电力网格( e l e c t r i cp o w e r 嘶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，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了协同工作环境，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 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 同解决方法，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 4扬州大学硕士学位论文 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和加工能力等。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，为用户提供一个分布、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 5 j 。 1 1 2 制造网格发展现状 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 血e n 等人在1 9 9 5 年发表了文献“p o s i t i 砌n go fm o d e l i n g 印p r o a c h e s ， m e m o d sa n d t o o l s ，介绍了网格技术在计算机集成制造( c i m ) 中的应用， 并着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l 引。t u c k e r 等发表了文献“i 沁s e a r c h 趾d i r i l p l e m e m a t i o no fc o o p e m t i v ep r o d u c td e v e l o p m e mp l a t f o mb 嬲e d o n 删 ，介绍了g 砒u 网格，提供了一个分析和解决协作商业过程的高效 的模型【7 】。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调度等关键技术的研究和发展提供了 有益的参考和技术基础。首先对网格在制造业应用的是美国航空航天局 o 队s a ) 和美国自然科学基金会( n s f ) 的联合研究计划i i 讧b 肌a t i o np o ，e r 伽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之间 的资源和应用集成问题。波音、福特等公司都在尝试用网格计算进行复杂 的仿真和设计。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。 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：清华大学、上海大学、广东工业大学和西北工业大学。发表的 文献主要针对制造网格的系统框架、资源共享、任务调度等问题进行了研 究与实现。 李相清：基于制造网格的动态调度系统研究 首先是我国航天二院和清华大学共同开展了“仿真网格 的研究。清 华大学c i m s 研究中心目前承担的网络化制造资源网格 ( n e t 、o r k - m 锄u f k t u 】血gr e s o u r c e 嘶d ，n e n i l 锄g r i d ) 系统研究，尝试将先 进的网格技术运用于传统的制造业，探索一条以信息化带动工业化的新 路。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h l 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1 8 ，】。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深入的研究【l o l l 】。 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，探讨了模具 特许连锁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【1 2 ，1 3 1 。西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【1 4 ，1 9 1 。长沙理工大学曾 小青、高阳提出网格在e l 冲系统中的应用，提出协同制造网格的概念【2 0 ，2 1 】； 武汉理工大学的周祖德、张会福等对开发网格服务结构( o g s a ) 进行了剖 析，研究了虚拟组织的构建方法及其在制造资源共享中的作用，并采用 s t e p 国际标准，基于o g s a 虚拟组织模式，提出了一种适合产品全寿命 周期制造资源共享接口模型，将广泛异构的制造资源放在网格环境中进行 共享控制，实现将分散在不同地理位置的制造企业有机结合【2 2 ，2 5 1 。丁毓峰、 胡业发等对制造网格环境下的资源共享机制进行了研究，并实现了以气门 产品开发的具体过程中的资源共享【2 6 2 7 1 。 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 化制造的研究成梨2 8 删，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动态调度系统。 6 扬州大学硕士学位论文 1 2 制造网格动态调度研究及应用现状 目前国内外对制造网格动态调度进行了较多的探索性研究，主要集中 在如下几个方面：制造资源调度问题、作业调度问题、动态调度系统应用 等方面。其中制造网格资源调度问题与作业调度问题作为制造网格中动态 调度研究的核心内容，它们相对应并紧密结合，已经成为调度研究的热点。 1 2 1 制造网格资源调度研究 1 2 1 1 制造资源 对制造资源的定义和分类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，制造资源可抽象成 工厂层、车间层、制造单元层和设备层等【3 】，每个层次所代表的制造资源 都具有一定属性和功能。企业层完成企业经营决策和生产管理；车间层执 行生产任务调配和任务协调；单元层完成单元任务调度与监控；工作站层 完成设备控制与动作协调；设备层执行加工、传输和测量。 狭义制造资源是指加工一个零件所需要的物质元素，是面向c i m s 、 c a p p 、n c 等系统所需的底层制造资源，即车间层以及车间内设备层的制 造资源，主要包括机床、刀具、夹具、量具和材料等。 如上所述，广义制造资源是面向更高层次应用的制造资源，即是面向 虚拟制造和敏捷制造要求的，而狭义制造资源是广义制造资源的子类。本 文所研究的制造资源是广义制造资源，即无论是企业、车间、设备、软件、 信息还是人员，只要能提供一定的功能，实现一定的制造要求，都可以作 为一个资源节点参与到制造网格中。 1 2 1 2 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 造业已不在局限于区域性经济，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 李相清：基于制造网格的动态调度系统研究 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 jn i l a je n t e 删，v e ) 或虚拟 组织( m l a lo 玛狐z a t i o n ，v o ) ，不仅获得整体目标最优，同时还兼顾 每个制造资源，达到双赢，是一个正待解决的问题。 目前对制造资源调度的研究方法主要有如下几种f 3 】，如表1 1 所示。 表1 1 制造资源调度方法 编号名称方法 l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、 基于产品结构的动态联盟盟员选择算法脚算法、 敏捷供应链中供应商选择的a ? d e a 方法贪心算法、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工艺评价 选择研究 4 虚拟企业资源调度的灰色机会约束规划灰色模拟、遗传 用g a 求解动态联盟中伙伴选择的多目标优算法 化模型遗传算法 5制造网格及其资源配置算法a h p 算法 6制造网格中资源管理与调度系统的研究趾 p 算法 7基于遗传算法的制造网格资源调度方法研遗传算法 究 8面向制造网格的资源优化配置方法模糊数学 9网络化制造资源优化配置d s s 的优化模型遗传算法、e m p 研究模型 l o 制造网格中基于服务质量的资源调度研究群决策、模糊 艘 1 l 基于a g e m 的制造网格资源优选评估模型研a g e n t 、a h p 算法 究 1 2制造网格中制造资源优化配置研究群决策、灰关联、 模糊a h p 8 扬州大学硕士学位论文 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 造网格技术应用所必须面对的问题，也是目前研究制造网格资源调度的难 点。从上面的描述可以看出，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与证明，能够很好地解决网络环境下的资 源调度问题，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p 时刀。虽然层次分析法在解决目标问题上存在很大 的优势，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资源调度问题。因此，如 何将先进的资源调度方法与制造网格环境相结合，是有待解决的问题。 1 2 。2 制造网格作业调度研究 制造网格作业调度问题与资源调度问题相对应并紧密结合，是制造网 格系统的核心内容之一。与资源的搜索一样，制造网格对于作业的调度也 有相当高的要求。 从用户的角度来看，一方面，多用户提交的多作业可能争用同一个资 源，出现竞争关系；另一方面，一个作业的需求有多个资源符合，出现了 选择关系。总之，作业与作业之间、作业与资源、资源与资源之间的相互 关系都会影响作业的调度顺序和执行效率。 制造网格的作业调度就是希望在一个动态系统中，使资源使用率、算 法复杂度、完成时间等指标达到高性能。 制造网格的作业调度问题是一个n p 难问题，在数学上对解决这类问 题有很多的研究，也有不少成果，例如遗传算法等，然而任何的算法要运 用到实际的制造网格中，都必须结合实际，提出切实可用的解决之道，而 不能纸上谈兵。 与资源调度方法的多样化一样，制造网格作业的调度策略和算法也很 多，在这里介绍几种常见的作业调度方法1 3 8 】： 1 用户直接指派算法u d a ( u s e rd i r e c n y 触s i g n j n 曲 这种算法比较简单，主要思想是由用户直接指派作业到指定的网格资 源上去执行，至于作业什么时候执行，以及执行的效率则由资源本身来决 定。这种算法不考虑负载情况以及执行时间的长短，适合对资源有特定需 要的作业。 李相清：基于制造网格的动态调度系统研究9 2 贪心算法( f a s t ( h e ( 1 y ) 这种算法又叫最短完成时间算法，主要思想是将任务安排到能最快完 成的资源上，也就是具有最短完成时间的资源结点。贪心算法关心的是最 短时间内完成的任务。 3 遗传算法 遗传算法是数学上广泛使用解决n p 问题的算法之一，它是借鉴生物 上“适者生存”的概念，通常使用轮转法产生染色体，两个选中的染色体可 以交叉配对复制产生后代，将复制时产生的新个体再次轮转，如此反复， 直到产生的个体接近最近解f 3 9 1 。这种算法在理论上是取得了最佳解决方 案的途径，但是其缺点也是明显的，即算法复杂度过高，使得作业调度执 行效率低下。 综上所述，有效的调度方法与优化技术的研究和应用，已成为先进制 造技术实现的基础和关键，虽然提出了许多的优化求解方法，但由于制造 网格作业调度是一个非常难解的组合优化问题，至今尚未找到最好的解决 方法。 1 3 本文研究的意义与主要内容 1 3 1 本文研究的意义 当前，产品制造、销售的全球网络正在逐渐形成，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成本的双重目标。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 l o 扬州大学硕士学位论文 球化的发展趋势。 制造网格的概念就是在这种时代背景下提出，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结构、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，可以扩展到世界的没一个角落，覆盖所有 现代制造资源和制造系统，并最终形成全球制造网格。 制造网格的实质就是在动态的可扩充的虚拟组织中可控且平等地共 享和使用资源。因此，在制造网格环境下如何有效地调度资源和作业就成 为影响制造网格系统能否成功的重要因素之一【2 j 。本文通过对基于制造网 格的动态调度系统的构建，对制造网格资源调度决策机制和作业调度策略 进行深入的研究。本文的研究对于制造网格，制造业和全球经济的发展有 着重要的实际意义和应用价值： 1 ) 形成资源优化配置系统，从而满足企业对资源共享的要求； 2 ) 有助于提高资源的利用率，使企业获得最大经济效益； 3 ) 发挥动态调度的实时性，同时提高调度系统的全局控制能力； 4 ) 推动网格技术的研究、应用和发展。 1 3 2 本文研究的主要内容 本文共分七章，各章内容如