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云制造资源调度耦合因素作用机理研究# 刘爱军，程文明* 基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助（SWJTU12BR018） 作者简介：刘爱军，(1980-)，男，西南交通大学讲师，主要从事生产调度与仿真、企业建模、人工智能等 研究。E-mail: liuaijun@cqu.edu.cn （西南交通大学机械工程学院，成都 610031） 5 摘要：云制造资源调度耦合因素作用机理研究是对云制造这一新型制造模式进行分析、量化 和建模的理论基础与关键，具有重要的理论研究与工程应用价值。然而，在研究资源调度时， 由于各影响因素间耦合作用机理的复杂性以及耦合度难以量化，导致当前研究无法深入且缺 乏有效性。对此，本文创造性的提出了一套研究云制造资源调度耦合作用机理的新原理和新 方法；通过研究影响调度效果及制造稳定性各因素间的耦合作用机理，建立资源协同模型， 10 以构建满足约束条件的制造资源链。通过本文研究，期望能提高云制造资源调度优化层次， 推动云制造的深层次应用和发展。 关键词：云制造；资源调度；耦合因素；作用机理 0 引言 随着信息技术突飞猛进式发展，企业信息化已经成为现代企业持续发展的重要保证，促 进了全球经济的快速发展与增长模式的深刻变革，世界价值创造体系在全球出现了前所未有 35 的垂直分离和再构。当国家的比较优势决定了整个价值链条各个环节在国家或地区之间如何 空间配置的时候，作为中国企业尤其是制造企业如何创新科技、自主研发，促进工艺升级、 产品升级、生产模式升级，实现企业资源的优化配置，进而快速响应市场是当前亟待解决的 关键问题。云制造便是在这种新的需求驱动下, 融合先进的信息技术、制造技术以及新兴物 联网等技术而产生的一种制造新模式，是制造即服务理念的体现。 40 云制造为制造业发展提供了一种崭新的理念与模式[1]。目前，云制造相关研究尚处于起 步阶段，存在一系列亟待解决的关键技术问题[2]。其中，如何利用信息技术实现制造资源的 高度共享，将巨大的社会制造资源池连接在一起，提供各种制造服务，实现制造资源与服务 的开放协作是实施云制造的核心技术。但是，目前对云制造资源调度影响因素的研究较少， 特别是缺乏对影响资源调度效果及制造稳定性各因素的耦合作用机理的基础性理论和方法 45 的研究，因而限制了云制造的深入研究及在实际生产中的应用。 目前，国内外针对云制造资源调度耦合因素的研究成果十分有限，有价值的相关研究包 括以下两个方面：（1）复杂产品协同优化设计中的耦合因素研究，陈柏鸿等人对复杂系统 进行多学科设计优化过程中产生困难的根本原因进行分析，根据全局灵敏度方程对子系统之 间耦合因素的性质进行分析，得到判断耦合因素是否为冗余的依据，并提出处理耦合因素的 50 策略，但该研究主要针对复杂产品的协同优化设计，而未在云制造领域进行研究[3][4]；（2） 多领域优化设计中耦合因素的协调优化研究，刘继红等人研究了多领域优化设计中耦合因素 的一种协调方法，提出一种处理这些耦合因素的方法，该研究仅指出存在的两类耦合因素是 什么，而对耦合因素的重要性程度未作研究[5]；Jianliang Peng 等人通过研究复杂系统耦合因 素，建立了判定耦合因素耦合强度的准则[6]，但该研究只是停留在对耦合强度的判定上，未 55 从多个角度多层次对耦合因素作用机理进行分析研究。 1 云制造影响因素集及其耦合作用机理 调度效果的提升是一个涉及到制造资源可得性、地理分布区域及资源信用等级等多因素 作用的复杂过程，由于制造资源可得性预测的复杂性、地理分布区域的跨越性以及资源信用 等级的变动性为提升云制造资源调度效果带来较大难度。同时制造资源稀缺性、资源释放时 60 段及资源匹配柔性对制造稳定性影响也呈现出明显的非线性关系。然而这些影响因素及其耦 合作用机理是提升云制造资源调度效果及制造稳定性的关键。因此，需要根据各影响因素的 特点，从子系统与全系统的角度对影响资源调度效果与制造稳定性的各因素及其耦合作用机 理进行研究。首先，根据云制造资源调度的发生和发展过程，将云制造分为资源需求分析、 制造生产过程及测试和交货三个阶段，依据这三个阶段各自的特点、特征以及它们之间的关 65 系，探索这三个阶段中可提高资源调度效果及制造稳定性的各个因素及它们之间的耦合作用 机理。其次，根据云制造资源调度效果影响因素的重要程度，将制造资源可得性、地理分布 区域及资源信用等级视为三个重要的因素，探究各影响因素对提高资源调度效果的耦合作用 机理，从提高资源调度效果层面建立影响云制造资源调度效果的耦合因素集。然后，根据云 制造稳定性影响因素的重要程度，将制造资源稀缺性、资源释放时段及资源匹配柔性视为三 70 个重要的因素，探究各影响因素对提高云制造稳定性的耦合作用机理，从提高云制造稳定性 层面建立影响云制造稳定性的耦合因素集。最后，以资源需求分析、制造生产过程及测试和 交货三个阶段为主线，把云制造分成若干子系统。以表示子系统的组成， 其中， 表示子系统本身的独立变量集， 为子系统需从全局考虑的系统变量集； 为其他子系统对它产生影响的耦合变量集， 代表子系统在其计算过程中所用的临时变量 75 集， 表示对其他子系统产生影响的耦合变量集， 为目标集， 代表约束集。 在子系统结构定义的基础上，依据系统中各因素的作用及各因素间的作用关系研究云制造资 源调度中各影响因素的耦合作用机理。 2 云制造影响因素间的耦合度及资源协同模型 云制造资源协同模型的研究是基于影响资源调度效果、制造稳定性因素的耦合作用机理 80 的研究基础上进行的。首先对耦合作用机理进行量化研究，其次识别出云制造资源调度过程 的主源因素及瓶颈因素，最后，对主源因素及瓶颈因素进行分析，建立云制造资源协同模型。 2.1 影响因素对资源调度效果的耦合贡献度 云制造其实质是消除资源的浪费，其资源调度效果在很大程度上表现为对资源和服务匹 配的特殊期望。为度量各因素对资源调度效果的影响程度并实现资源需求到服务需求的转 85 化，研究并设计三个参数空间: 制造资源可得性参数空间、地理分布区域参数空间、资源信 用等级参数空间。根据这三个参数空间计算出各个参数空间对资源调度效果的耦合贡献度， 针对耦合贡献度最大的参数空间，设置云制造资源调度方案，设服务需求属性为n 个，资源 池可提供m 种云制造资源调度方案，将资源调度需求期望方案视为标准向量， 为资源池提供的任一云制造资源调度方案向量，分别对其进行标准化 90 处理，生成资源调度需求期望向量和可选源调度方案向量，根据空间向量的映射关系， 计算向量在上的投影，以此为基础建立云制造资源调度效果子模型。 2.2 影响因素对云制造稳定性的耦合贡献度 分析云制造资源调度过程中制造资源需求的动态变化以及资源服务状态和能力的动态 变迁的运作机制，研究云制造资源复杂网络拓扑结构，通过比较节点的度、强度、冗余度和 95 聚集系数，确定节点资源在云制造资源池中的稀缺性。分析云制造企业间合作关系的随机性、 模糊性和动态性等特征，研究节点资源在资源池中的位置、形态及占有时域分布，确定节点 资源在云制造资源池中的释放时段。分析资源整合的广度、资源整合的深度、资源整合的速 度和资源整合过程的开放性程度，研究资源整合能力对资源匹配的影响程度，确定资源匹配 柔性尺度。 100 在上述研究的基础上，根据耦合理论计算出制造资源稀缺性、资源释放时段及资源匹配 柔性对云制造稳定性的耦合贡献度，建立云制造稳定性子模型。 2.3 资源-需求的协调机制及其对调度效果、制造稳定性的耦合贡献度 云制造需求表达与定义技术，通过三个步骤实现对云制造需求的定义，首先，进行复杂 任务目标分解，生成多层次的任务目标树；其次，定义制造任务元的约束条件、多个任务元 105 及子任务之间的关联约束条件；最后，以制造任务目标树和所定义的关联约束为基础构建云 制造资源需求定义。 在云制造资源需求定义的基础上，采用信息表示语义化、约束检验语义化、关系判定语 义化技术，研究制造资源对于需求功能和约束的满足性，研究这种资源满足性协调机制中各 关联因素对调度效果、制造稳定性的耦合贡献度。依据云制造资源需求定义、资源满足性发 110 现过程与各影响因素间的耦合度，建立云制造资源-需求的协调子模型。 2.4 云制造资源调度模型 在上述研究的基础上，建立提升调度效果及制造稳定性的资源调度模型。将云制造资源 调度模型用一个四元组CRCOM=(RO,Ta,R, RM)定义，其中RO 为资源对象集，描述制造资 源对象所具有的功能、结构、技术参数、资源运行状态、关联的资源模型元素等。Ta 为需 115 求集，描述任务的分解关系、子任务定义、子任务之间的关联约束关系、元级任务资源需求 参数等。R 为协同规则，是相关合作方法、策略和控制的规范，RM 为资源模型集，定义资 源类所具有的属性、特征、类型之间的继承关系。通过建立云制造资源调度模型，实现调度 效果子模型、制造稳定性子模型、资源与需求的协调子模型中资源与的需求协同配置，最终 构成多条能够满足整体约束条件的制造资源链。 120 3 结论 本文给出了研究云制造资源调度耦合因素作用机理的新理论和新方法，研究了制造资源 可得性、地理分布区域及资源信用等级等因素对云制造资源调度效果的影响方式及影响程 度，构建了调度效果子模型；研究了制造资源稀缺性、资源释放时段及资源匹配柔性对制造 稳定性的影响方式及影响程度，构建了制造稳定性子模型；在上述研究的基础上，提出了研 125 究资源-需求协调机制的方法；最后提出了云制造资源调度模型的表达方法。期望通过本文 的研究最终实现资源与的需求协同配置，推动云制造向更高层次发展。 [参考文献] (References) [1] Xun Xu.From cloud computing to cloud manufacturing[J].Robotics and Computer-Integrated 学术论文网Tag：代写硕士论文 代写论文 代写MBA论文 |
