（管理科学与工程专业论文）基于制造网格的虚拟企业资源调度问题研究.pdf

摘要 虚拟企业是为适应快速反应而提出的一种先进制造生产组织方 式 虚拟企业的制造资源调度过程是虚拟企业运营中的重要环节 调 度效率的提高将在很大程度上改善整个虚拟企业的运营效率 在目前 的网络条件下 虚拟企业运营缺少一种可靠而有效的制造资源管理机 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 与目前的网络相比 网格具有可扩展性 互操 作性 自适应性和动态性等特点 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 快速组织虚拟企业 提高虚拟企业的响 应速度 将网格技术应用于虚拟企业制造资源调度 有利于加强对虚 拟企业制造资源信息和状态的监控 论文针对虚拟企业制造资源调度 的几个关键问题 研究了基于制造网格的资源调度平台 制造网格资 源建模以及制造网格资源的匹配与优选 其主要研究内容与成果如 下 1 研究了基于制造网格的虚拟企业资源调度平台 在制造网 格的基础上 提出了资源调度平台体系结构 设计了基于a g e n t 技术 和g l o b u s 软件包的平台实现模型 并阐述了平台的工作流程 2 研究了制造网格资源的描述与封装 从制造网格资源共享 的角度出发 综合考虑资源的分类 属性 层次和资源关系等多个部 分 对制造资源进行描述 以支持资源的匹配与调度 3 研究了制造网格资源的匹配与优选 建立了基于t q c s 的制造资源评价指标体系 提出了三阶段的制造资源节点的优选方 法 在初选过程中以制造任务的资源约束作为初选的依据 淘汰不满 足功能要求的资源节点 在筛选阶段运用了可拓理论选取个体优秀的 候选资源节点进入优选 在优选过程中将实体物流交互对流程时间和 流程成本的影响纳入多目标优化模型当中 并将优选问题转化为最短 路径问题进行求解 论文最后给出了一个算例 关键词 制造网格 制造资源建模 可拓理论 匹配与优选 a bs t r a c t v i r t u a le n t e r p r i s ei saa d v a n c e dm a n u f a c t u r i n g o r g a n i z a t i o n a lf o r m w h i c hw a sp r o p o s e dt oa d a p tt or a p i dr e s p o n s e m a n u f a c t u r i n gr e s o u r c e s s c h e d u l i n gp r o c e s si st h ei m p o r t a n ts t a g e si nv i r t u a le n t e r p r i s eo p e r a t i o n s m a n u f a c t u r i n g r e s o u r c e s c h e d u l i n gp r o c e s s o fv i r t u a le n t e r p r i s ei s i m p o r t a n ti ne n t e r p r i s eo p e r a t i o n s i m p r o v e m e n t so fs c h e d u l i n ge f f i c i e n c y w i l l g r e a t l yi m p r o v e t h eo v e r a l l o p e r a t i o n a le f f i c i e n c y o fv i r t u a l e n t e r p r i s e i n t h ec u r r e n tn e t w o r kc o n d i t i o n s t h ev i r t u a le n t e r p r i s e o p e r a t i o n s a r el a c ko far e l i a b l ea n de f f e c t i v em e c h a n i s mf o r m a n u f a c t u r i n g r e s o u r c e m a n a g e m e n t s om a n u f a c t u r i n g r e s o u r c e s i n f o r m a t i o no fm e m b e re n t e r p r i s e si sh a r dt o c o n t r o i a n dv i r t u a l e n t e r p r i s em a n u f a c t u r i n gr e s o u r c ee f f i c i e n ts c h e d u l i n gi sn o ta c h i e v e d c o m p a r e dw i t ht h ee x i s t i n gn e t w o r k g r i di sc h a r a c t e r i s t i c so fs c a l a b i l i t y i n t e r o p e r a b i l i t y a d a p t i v e n e s s a n dd y n a m i c s u s i n gr e s o u r c e ss e a r c h f u n c t i o na n di n f o r m a t i o ns e r v i c e sw h i c hg r i dp r o v i d e s v i r t u a le n t e r p r i s e c a nb eo r g a n i z e dr a p i d l ya n dr e s p o n s eq u i c k l yi nv i e wo fa p p l i c a t i o n r e q u e s t g r i dw i l lb eu s e di nm a n u f a c t u r i n gr e s o u r c es c h e d u l i n go fv i r t u a l e n t e r p r i s e t h a th e l ps t r e n g t h e nt h ec o n t r o l l i n gi n f o r m a t i o na n ds t a t eo f m a n u f a c t u r i n g r e s o u r c eo fv i r t u a l e n t e r p r i s e r e s o u r c es c h e d u l i n g p l a t f o r mb a s e do nt h em a n u f a c t u r i n gg r i d m a n u f a c t u r i n gg r i dr e s o u r c e m o d e l i n ga n dm a n u f a c t u r i n gr e s o u r c e so p t i m i z a t i o na n dm a t c h i n gw e r e r e s e a r c h e di nv i e wo fs e v e r a lk e yi s s u e si nr e s o u r c es c h e d u l i n go fv i r t u a l m a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s ei nt h i sp a p e r i t sm a i nc o n t e n t sa n dt h er e s u l t s a r ea sf o l l o w s 1 v i r t u a le n t e r p r i s er e s o u r c es c h e d u l i n gp l a t f o r mb a s e do nt h e m a n u f a c t u r i n gg r i d w a sr e s e a r c h e d r e s o u r c e s c h e d u l i n gp l a t f o r m a r c h i t e c t u r ew a sp r o p o s e do nt h eb a s i so fm a n u f a c t u r i n gg r i d p l a t f o r m m o d e lw a sd e s i g n e db a s e do na g e n tt e c h n o l o g ya n dt h eg l o b u st o o l k i t s a n dt h e np l a t f o r mw o r k f l o ww a sg i v e n 2 m a n u f a c t u r i n gg r i dr e s o u r c ed e s c r i p t i o n sa n de n c a p s u l a t i o n w e r er e s e a r c h e d f r o mt h e p o i n t o fr e s o u r c e s h a r i n g r e s o u r c e c l a s s i f i c a t i o n a t t r i b u t e s r e l a t i o n s h i p sa n dr e s o u r c el e v e l sw e r et a k e ni n t o c o n s i d e r a t i o nt od e s c r i p tm a n u f a c t u r i n gr e s o u r c e w h i c ha r ei ns u p p o r to f m a n u f a c t u r i n gr e s o u r c e so p t i m i z a t i o na n dm a t c h i n g 3 m a t c h i n ga n do p t i m i z a t i o no fm a n u f a c t u r i n gr e s o u r c e sw e r e r e s e a r c h e d f i r s t l y m a n u f a c t u r i n gr e s o u r c ee v a l u a t i o ni n d e xs y s t e mw a s e s t a b l i s h e db a s e do nt h et q c s s e c o n d l y at h r e e s t a g e m a n u f a c t u r i n gr e s o u r c en o d e so p t i m i z a t i o nm e t h o d sw a sp r o p o s e d t h e r e s o u r c ec o n s t r a i n t sw e r et a k e na sap r i m a r yb a s i si nf i r s ts t a g et o e li m i n a t et h er e s o u r c en o d e sw h i c hw e r en o tq u a l i f i e df o rf u n c t i o n a l r e q u i r e m e n t s e x t e n s i v et h e o r yw a su s e dt os e l e c to u t s t a n d i n gi n d i v i d u a l n o d e sa sc a n d i d a t ei n t ot h eo p t i m i z a t i o no fr e s o u r c e si nt h eo p t i m i z a t i o n p r o c e s sw i l lb ei n t e r a c t i v ee n t i t i e sl o g i s t i c sp r o c e s sf i g h tt i m ea n d c o s to f t h ep r o c e s sm u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o nm o d e l a n dt h eo p t i m i z a t i o n p r o b l e mf o rt h e s h o r t e s tp a t hp r o b l e mi ss o l v e d f i n a l l y an u m e r i c a l e x a m p l e i sg i v e n k e yw o r d s m a n u f a c t u r i n gg r i d m o d e l i n go fm a n u f a c t u r i n g r e s o u r c e e x t e n s i v et h e o r y m a t c h i n ga n do p t i m i z a t i o no fm a n u f a c t u r i n g r e s o u i c e 原创性声明 本人声明 所呈交的学位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 除了论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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料 与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明 作者签名 缕垫 日期 一年土月卫日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校 有权保留学位论文 允许学位论文被查阅和借阅 学校可以公布学位 论文的全部或部分内容 可以采用复印 缩印或其它手段保存学位论 文 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文 日期 翌翌年 月翌日 硕士学位论文第1 章绪论 1 1 研究背景与意义 第1 章绪论 新型工业化是我国经济建设和现代化的必由之路 而发展先进的制造业则是 实现新型工业化的基本支撑点 制造技术的网络化是先进制造技术发展的必由之 路 制造业在市场竞争中 面临多方压力 采购成本不断提高 产品更新速度加 快 市场需求不断变化 全球化所带来的冲击同益加强等等 企业要避免这一系 列问题 就必须在生产组织上实行某种深刻的变革 科学技术特别是计算机技术 网络技术的发展 使这种变革的需要成为可能 制造技术的网络化会导致一种新 的制造模式 即虚拟制造组织 这是由地理上异地分布的 组织上平等独立的多 个企业 在谈判协商的基础上 建立密切合作关系 形成动态的 虚拟企业 l 虚拟企业是为适应快速反应而提出的一种先进制造生产组织方式 为企业提供了 一种如何快速适应市场变化的制造系统构造与设计思路 虚拟企业是一种从最大限度发挥和提升企业核心竞争力着眼 以 共赢 为 目的的全新企业合作模式 它强调充分利用各企业已有的资源优势 通过组织动 态联盟 快速响应市场变化 把握市场机遇 虚拟企业克服了传统企业的封闭性 局限性和设计 制造能力的不完备性 减少了资源的重复投入 缩短了生产周期 提高了产品从设计 制造到销售全过程的整体柔性和敏捷性 增强了企业 群体 的竞争能力 随着适于虚拟企业生存的经济技术条件的同趋成熟 虚拟企业已步 入了快速发展时期 网格是近年来兴起的一种网络技术 其构想源于电力供应网 基本思想是希 望人们像从电网中获取电力一样也能方便地从网格中获取计算力 它利用计算机 网络把地理上广泛分布的计算资源 存储资源 网络资源 软件资源 信息资源 等连成一个逻辑整体 然后像一台超级计算机一样为用户提供一体化的应用服 务 实现万维网上所有资源的全面连通 全面共享 消除信息孤岛和资源孤岛 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 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 硕士学位论文第1 章绪论 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 2 1 虚拟企业的制造资源调度过程是虚拟企业运营中的重要环节 调度效率的提 高将在很大程度上改善整个虚拟企业的运营效率 在目前的网络条件下 虚拟企 业运营存在以下问题 缺少一种能够支持成员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 缺少一种可靠而有效的制造资 源管理机制 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 与目前的网络相比 网格具有可扩展性 互操作性 自适应 性和动态性等特点 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 快速组织虚拟企业 提高虚拟企业的响应速度 同时 网格是开放的 建构 于网格技术之上的虚拟企业能够支持成员企业的动态加入和退出 以及制造资源 动态增加和减少 从而能在产品开发需求发生变化的条件下 及时调整虚拟企业 的结构 改变制造资源的组成 快速适应需求的变化 增强虚拟企业敏捷制造的 能力 将网格技术应用于虚拟企业制造资源调度 有利于加强对虚拟企业制造资 源信息和状态的监控 3 然而 由于制造资源的复杂性 多样性 特殊性和分散性 制造网格中的资 源调度问题明显比计算网格要复杂得多 因此 制造资源的调度是基于协同制造 网格的虚拟企业实现和运作的重要问题 本课题是高等学校博士学科点专项科研基金 基于协同制造网格的虚拟企业 高级计划系统研究 的一个子课题 1 2 国内外研究现状 1 2 1 网格技术研究现状 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 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 4 1 l e g i o n 5 c o n d o r 6 1 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 7 1 亚洲和太平洋地区网格研究项目亚太网格 a pg r i d 澳大利亚的n i m r o d g 9 1 还有德国 英国 荷兰 同本 印度 加拿大等国 家也都进行了网格技术方面的研究 最近 企业也预感到了网格潜藏着巨大市场 2 硕 l 学位论文第1 章绪论 所以也纷纷加入了网格开发的队伍 美国微软公司己经决定支援g l o b u s 计划 日本的软库 s o f t b a n k 公司也向从事网格计算研究的新兴企业u n i t ed e v i c e s 投 资 除此以外 辉瑞 p f i z e r 制药公司以及飞机制造商波音公司等大公司 都 已开始进行有关网格计算的实验 目前它们实验的目标主要着眼于将其应用于大 规模的科学仿真 l o 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 c g 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 高能和核物理研究 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 2 2 制造网格技术研究现状 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目标 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 r o 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 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 i l 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 ep r o d u c t d e v e l o p m e n tp l a t f o r mb a s e do ni n t e m e t 介绍了g r a i 网格 提供了一个分析和解 决协作商业过程的高效的模型 1 2 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 1 3 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 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 l4 1 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 e b 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模等进行了深入的研究 1 5 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 3 硕士学位论文第1 章绪论 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 1 6 1 7 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 8 2 0 1 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 2 1 2 2 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 j n 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 3 2 6 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 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 制造网格资源调度平台 因此 本文通过研究制造网格中资源调度的关键技术 建立制造资源调度平台 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 2 3 制造资源建模研究现状 在国内 戈鹏等研究了制造工艺资源的统一建模 2 7 邵新宇等探讨了面向 c i m 以及c e 环境下的制造资源的建模 提出了基于特征的制造资源模型及资源 环境的分层模型等概念 2 8 邱晓峰等研究了敏捷制造 a m 环境下的资源集成 系统研究 2 川 余强等人研究了基于能力的制造资源模型 提出了一种面向能力 的制造资源模型 建立了 任务一能力一资源 三层结构的过程元模型 3 5 孙 家坤等人的网络化制造中的制造资源建模研究 将制造资源分为企业层 制造单 元层和设备层 将不同层次的资源分为不同的资源实体 对资源实体进行了描述 h 6 j 宋玉银等建立了面向并行工程基于s t e p 的制造资源能力模型 并采用面向 对象技术 建立了制造资源库和制造知识库 3 0 j 陈云等研究了基于面向对象和 s t e p 技术的制造环境建模技术 把制造环境分解为三个子模型 控制结构模型 资源模型和制造能力模型 3 1 马鹏举等研究了支持动态联盟的制造资源信息模 4 硕士学位论文第1 章绪论 型 3 2 王军等研究了支持并行工程和智能c a p p 的制造资源建模技术 研究基 于特征建模方法的原理 提出了过程特征的概念及其属性描述 3 3 邓严等建立 了基于v r m l 构建远程制造资源模型 提出了一种基于v r m l 构建远程制造资 源模型的方法 蚓 西北工业大学的石胜友首先按资源在制造网格中提供的服务 类型对其进行了分类 提出了由资源层 资源表示层和资源接口层组成的资源层 次模型旧 武汉理工大学的盛步云建立了基于制造网格的制造资源管理模型 提出了服务域的概念 结合s t e p 和x m l w s d l 对制造资源进行了描述 3 8 1 在国外 f e n g 等建立了制造资源的约束模型 3 9 k j i e l l b e g 等建立了基于s t e p 的制造资源信息模型4 0 g a o 建立了产品和制造能力模型框架 4 l c a s e 建立了 工艺能力模型等 4 2 1 由以上分析可知 比较普遍的是以面向对象的方法研究制造资源表示 其按 照面向对象的原理 根据企业制造资源的特性 来表示涵盖产品设计 制造和营 销在内的产品生命周期中制造资源及它们之间的关系 国内外学者对制造资源模 型的研究是从面向具体应用系统需求的局部制造资源模型为研究对象 发展到面 向不同的先进制造模式 并以信息集成为目标的统一制造资源模型的研究 从特 定的制造环境中能够抽取信息 形成一个独立的支持相关应用系统的数据文件或 数据库 4 3 1 但大多是局部的 不完整的 对制造资源缺乏统一完整的定义 只 适用对象是一个制造信息化中的某一个系统 不适应制造网格平台环境 由于所 涉及的具体应用的局限性 这些制造资源建模针对具体实现的支持尚不能满足制 造网格中资源共享的需求 如网格中的资源共享需要提供资源封装的方法 分散 的网格应用环境需要提供资源描述的扩展支持 而资源调度和匹配也需要更加全 面的资源信息 1 2 4 资源优化选择研究现状 在网格系统中 任务调度系统是其重要的组成部分 任务调度根据任务信息 采用适当的策略把不同的任务分配到相应的资源节点去运行 网格任务调度的目 标就是要对用户提交的任务实现最优调度 并设法提高网格系统的总体吞吐率 具体的目标包括 最优跨度 o p t i m a lm a k e s p a n 服务质量q o s q u a l i t yo f s e r v i c e 负载均衡 l o a db a l a n c i n g 经济原则 e c o n o m i cp r i n c i p l e s 4 4 1 目前 关于网格的任务调度算法已有很多的研究 主要有先进先出调度算法 遗传算法 m i n m i n 和m a x m i n 算法 神经网络算法以及蚁群算法等 45 1 但这 些算法多是基于计算网格的 由于制造资源的复杂性 多样性 特殊性和分散性 制造网格中的资源调度问题明显比计算网格复杂得多 因此制造网格中的资源调 度是一个需要研究的问题 硕士学位论文第1 章绪论 针对网络化环境下制造资源的动态优化配置与共享问题 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 网络化制造 基于a s p 的制 造资源共享 e n 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 相应的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问题的算法 虚拟企业是企业间利用网络技术集成资源进行联合竞争的一种形式 英国的 d a v i dt 0 d d 法国的m t m a r t i n e z 研究了虚拟企业环境下任务分配 资源管理 调度和系统控制模型 为网络化环境下虚拟企业间的资源调度 管理和控制提供 参考 4 6 4 7 1 西北工业大学的马雪芬 4 8 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 4 9 等设计了 e 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争制造单元调 度系统 实现了资源调度求解过程 北京理工大学的王大震 删等为解决网络环 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间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 5 i 上海大学的刘丽兰 5 2 5 3 1 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 c q s 的多目标 多层次模 型来选择满足用户需求的制造资源 文献 5 4 1 j 1 匾过研究制造资源及其特点 选择 不同的决策变量作为制造资源优化选择的指标 并建立相应的遗传算法进化运算 的适应值计算模型 文献 5 5 以交货期 t 质量 q 成本 c 服务 s 为最优化标准 对该标准下不同情况的资源节点优化调度算法进行了研究 主要 内容包括 研究可变资源节点的优化调度算法 以更符合实际情况 研究多任务 寻找最优节点组的算法 以解决单一节点无法同时接纳两个或多个任务的问题 文献 5 6 1 提出了基于t q c s 的制造资源调度方法 首先阐述了基于层次分析法的 制造资源调度层次模型 并给出了算法实现过程 接着建立了基于遗传算法的制 造资源调度数学模型 给出了算法的详细设计过程并作了相应的改进 最后比较 了两种算法在处理资源调度问题上的优缺点 以上的这些研究大多考虑了制造业的特点 将总的运行成本 运行时间 加 工质量和服务作为优化目标 进行资源的选择和调度 但对制造网格与计算网格 的差异考虑不足 并且在资源选择过程中没有结合制造任务的特点和企业的期 望 6 硕士学位论文第i 章绪论 1 3 研究内容与论文结构 1 3 1 研究内容 虚拟企业的制造资源调度过程是虚拟企业运营中的重要环节 将网格技术应 用于虚拟企业制造资源调度 有利于加强对虚拟企业制造资源信息和状态的监 控 提高虚拟企业的响应速度和调度效率 然而 由于制造资源的异构性 分布 性 动态性和多样性等特点 制造网格中的资源调度问题要复杂得多 制造网格 中的资源调度是指在网格平台的支持下 通过任务分解 资源发现 资源匹配和 选择 最后将任务调度到相应的资源节点上执行等一系列的过程 通过对制造网 格资源调度过程进行分析 结合已有的研究成果 本文将对如下几个制造网格资 源调度中的关键问题进行研究 1 制造网格资源调度平台建设 在制造网格环境下 资源的调度必须建立在一个制造网格平台上 以平台作 为支撑 在该平台上 企业分为两类 一类通过平台发布本企业多余或空闲的制 造资源 为平台提供资源和服务 称之为资源企业 5 1 另一类利用平台查找所需 的制造资源或制造服务 选择合作伙伴 建立虚拟企业 称之为客户企业 客户 企业在信息服务的支持下搜索平台中可用的资源集合 进行资源选择和分配 通 过这样一个过程 实现资源的调度 以形成虚拟企业或敏捷制造链 通过建立企 业的制造资源平台 利用现代管理科学和信息技术建立现代信息网络系统 使企 业设计 制造 装配 销售和管理等各个环节通过信息的快捷流通和有效服务 实现物流 资金流 信息流和工作流的整合以及制造资源动态的优化配置 4 7 因此 制造网格调度平台的构建是制造网格资源调度研究的关键问题之一 本文 在借鉴制造网格的概念和框架模型的基础上 提出了资源调度平台体系结构 设 计了基于a g e n t 技术和g l o b u s 软件包的平台实现模型 基于a g e n t 技术构建的 网格中间件提供制造网格制造任务的分解 分配和调度 g l o b u s 软件包作为整 体框架实现的平台 提供资源分配管理者 g l o b u sr e s o u r c ea l l o c a t i o nm a n a g e r g r a m 和监控与发现系统 m o n i t o r i n g a n dd i s c o v e r ys y s t e m m d s 组件等 以保证整体框架安全 有效地实现 最后阐述了平台的工作流程 2 制造资源的优选 在制造网格资源调度过程中 资源的使用者如何根据提交的需求从众多的资 源提供者那里得到满意的资源服务成为制造网格资源调度研究的又一个关键技 术 为了能够准确高效的获得资源 就必须研究资源的匹配 优选问题 这是进 行资源调度的基础 本文建立了基于t q c s 的制造资源评价指标体系 提 7 硕士学位论文第1 章绪论 出了三阶段的制造资源节点的优选方法 在初选过程中以制造任务的资源约束作 为初选的依据 淘汰不满足功能要求的资源节点 在筛选阶段运用了可拓理论选 取个体优秀的候选资源节点进入优选 在优选过程中将实体物流交互对流程时间 和流程成本的影响纳入多目标优化模型当中 并将优选问题转化为最短路径问题 进行求解 论文最后给出了一个算例 3 制造资源建模 制造资源的匹配与优选需以资源的类型 属性信息和层次关系等作为依据 准确而全面地描述资源信息成为其中的关键 因此制造资源建模也是需要研究的 问题 目前 在网络环境下对资源模型的描述 大多是局部的 不完整的 对制 造资源缺乏统一完整的定义 针对以上问题 从制造网格资源共享的角度出发 综合考虑资源的分类 属性 层次和资源关系等多个部分 对制造资源进行信息 建模 进而阐述了基于w s r f 的制造资源封装方法 1 3 2 论文结构 第一章 绪论 主要介绍论文的研究背景和意义 制造网格 制造资源建模和资源优化调度 的研究现状以及论文的研究内容与论文结构 第二章 制造网格相关理论 主要介绍制造网格的概念 系统结构 制造网格与计算网格的差异 制造网 格对虚拟企业的影响以及基于制造网格的虚拟企业的特点 第三章 基于制造网格的虚拟企业资源调度平台研究 本章主要研究了制造网格资源调度平台的体系结构 实现模型和实现流程 第四章 制造资源建模研究 综合考虑资源的分类 属性 层次和资源关系等多个部分 对制造资源进行 信息建模 最后阐述了基于w s r f 的制造资源封装方法 第五章 基于制造网格的虚拟企业制造资源优选研究 首先建立了基于t q c s 的制造资源评价指标体系 提出了三阶段的制 造资源节点的优选方法 最后结合算例 验证资源优选方法的有效性 第六章 结论与展望 总结了论文的研究成果和不足 展望了前景 8 硕士学位论文第2 章制造网格相关理论 2 1 制造网格 2 1 1 网格的概念 第2 章制造网格相关理论 网格概念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 5 7 5 8 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 r g 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 t 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问共享资源和协同解决问题 总之 网格的目的就是要利用互联网 把分散在不同地理位置的各种资源组 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 2 1 2 制造网格的概念 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 n g g r i d 和电力网格 e l e c t r i c p o w e r g 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1 6 0 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 9 硕士学位论文 第2 章制造网格相关理论 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 4 7 2 1 3 制造网格的体系结构 制造网格是在i n t e m e t 环境和网格等相关技术支持下构建的面向制造的虚拟 网络 其物理网络还是目前的i n t e m e t 制造网格在形态和运行模式上非常类似 于目前的i n t e m e t 它采用与i n t e m e t 提供信息服务类似的方式为制造企业和个体 提供面向制造的各类服务 并提供支持服务之间的协同以实现企业协同 在系统 的体系结构上 制造网格呈现多层结构 如图2 1 所示 每个层次的功能如下 基础网络层 基础网络层位于制造网格的最下层 它以i n t e m e t 为核心 为 制造网格环境中的资源和企业间的互联提供基础的网络环境 单元与基础协议层 单元与基础协议层为制造网格的构建和运行提供共性和 基础的技术支持 包括基础库 资源单元和基础协议 基础库为制造网格的运行 提供共性和基础的模型和资源库 包括企业模型库 共享信息模型库 协同过程 模型库 产品资源库 制造资源库 软件资源库 计算资源库 基础数据库和知 识库等 资源单元为制造网格提供基础的单元设备 技术和软件 包括制造单元 设计单元 智力单元 软件单元 计算单元等 基础协议是构建制造网格所必须 遵循的协议 包括制造网格协议 网格协议 多代理系统协议 相关技术标准与 规范等 资源封装层 资源封装层采用网格技术对各类独立运行的资源进行封装 将 局部资源封装成为可供网格上所有应用共享的全局资源 并通过网格技术屏蔽资 源的异构性 以一致透明的方式对其进行访问 资源封装层的管理系统则完成对 l o 硕七学位论文第2 章制造网格相关理论 企业协同层 制造网格入口层 制造网格应用层 制造网格使能层 网格中间件层 资源封装层 单元与基础层 基础网络层 二二二 一 一 一 制造9 c i 格应用系统 一 一 j 二二觋蜒墓二二 二二二巫 二二二二 二堕堕垂画二二二 匡f 嚣蠲廖塑露 二二二二二二互圣 睁基二二二二 图2 1 制造网格层次结构 封装后的资源的控制和管理 并对资源的实时状态进行监控 为资源的优化调度 提供基础 网格中间件层 网格中间件层为实现基于网格计算的制造服务和服务协同提 供基本的功能 例如远程过程管理 资源的协同分配 存储访问 信息安全 服 务质量 资源的预定与交易等 并为开发基于网格的制造网格应用提供语言 编 译器 类库 应用编程接口 集成开发环境等 制造网格使能层 在网格中间件提供的编程环境和网格服务功能的基础上 制造网格使能层提供开发和运行制造网格应用系统所需要的使能工具 例如注册 管理与服务管理工具 服务发现与服务访问工具 智能搜索与服务评价工具 协 同工作支持环境与集成平台 协同过程与项目管理