張 利, 韓 東, 王景華, 吳宗彥, 徐 娟

(1.合肥工業(yè)大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院,安徽合肥 230009;2.合肥工業(yè)大學(xué) 安全關(guān)鍵工業(yè)測控技術(shù)教育部工程研究中心,安徽 合肥230009;3.美國休斯敦大學(xué) 計算機科學(xué)系,休斯敦 77004,美國;4.洛陽軸承研究所,河南 洛陽 471000)

0 引 言

故障診斷系統(tǒng)從基于Web的單一站點獨立架構(gòu),向基于網(wǎng)絡(luò)的多站點分布式架構(gòu)發(fā)展,而網(wǎng)格正成為構(gòu)建下一代的科學(xué)研究信息支持基礎(chǔ)架構(gòu)平臺,網(wǎng)格服務(wù)平臺作為實現(xiàn)資源共享和協(xié)同工作的良好載體[1],為故障診斷系統(tǒng)實現(xiàn)提供了一種新思路,體現(xiàn)了故障診斷系統(tǒng)集中管理和分布式計算相結(jié)合的廣域分布式資源共享的故障診斷思想,實現(xiàn)了快速響應(yīng)客戶的故障診斷請求[2,3],故障診斷網(wǎng)格(Fault Diagnostics Grid)由此產(chǎn)生。

如何利用網(wǎng)格技術(shù)實現(xiàn)故障診斷資源共享的網(wǎng)格應(yīng)用,稱為故障診斷網(wǎng)格。故障診斷網(wǎng)格通過網(wǎng)絡(luò)將分散在不同企業(yè)和社會群體(包括高等院校、研究院所、專家服務(wù)機構(gòu))中的管理、信息、技術(shù)、智力、硬件和軟件資源通過封裝和集成,屏蔽資源的異構(gòu)性和地理分布性,為設(shè)備用戶提供故障診斷服務(wù),使用戶能夠以請求服務(wù)的形式方便地獲得所有與故障診斷相關(guān)的服務(wù),能夠像使用本地資源一樣方便地使用封裝在故障診斷網(wǎng)格中的所有資源,實現(xiàn)各類資源的集成和優(yōu)化運行,并為構(gòu)建面向診斷用戶特定需求的故障診斷網(wǎng)格應(yīng)用系統(tǒng)提供協(xié)同工作支持環(huán)境。

1 故障診斷網(wǎng)格模型框架

從故障診斷網(wǎng)格的診斷模式入手,采用開放式網(wǎng)格服務(wù)體系(OGSA)作為故障診斷網(wǎng)格的體系架構(gòu)。故障診斷技術(shù)中最常用的診斷方法、檢測設(shè)備、計算和數(shù)據(jù)資源等都被單獨封裝為故障診斷服務(wù)。這些服務(wù)由不同的機構(gòu)創(chuàng)建和維護,并借助一些現(xiàn)成的、與平臺無關(guān)的技術(shù)——XM L 、SOAP 、WSDL 、UDDI、WSFL 、WSEL 等來實現(xiàn)服務(wù)的描述、查找、訪問和信息傳輸?shù)纫磺袑ν夤δ堋８鶕?jù)用戶的診斷任務(wù),形成包括共享算法、數(shù)據(jù)和計算資源等在內(nèi)的虛擬組織,選擇不同的診斷方案實現(xiàn)服務(wù)的調(diào)用,獨立或協(xié)同地解答用戶請求。基于以上思想的故障診斷網(wǎng)格模型框架,如圖1所示。

圖1 故障診斷網(wǎng)格模型框架

2 故障診斷網(wǎng)格資源管理模型

2.1 故障診斷網(wǎng)格資源分類

故障診斷網(wǎng)格資源來自于不同地理位置的若干網(wǎng)絡(luò)節(jié)點,其資源的類型多種多樣。通過分析故障診斷資源的特點,對故障診斷資源進行合理分類,是資源管理的前提。

按照資源的屬性以及在故障診斷活動中發(fā)揮的作用,具體分類如圖2。

2.2 故障診斷網(wǎng)格資源特點

故障診斷網(wǎng)格資源指所有能夠輔助用戶進行故障診斷和問題求解的信息資源,包括實驗儀器、實驗設(shè)施、檢測設(shè)備、分析軟件、工具以及現(xiàn)有的專用、通用故障診斷系統(tǒng)等。這些豐富多樣的資源能從信息、軟件工具及硬件平臺等各方面給故障診斷使用者提供強有力的支持。

圖2 故障診斷網(wǎng)格資源分類

故障診斷網(wǎng)格資源的特征除網(wǎng)格資源的一般特征外,還具有以下特點:

(1)多樣性。故障診斷資源是多種多樣的,包含了在解決故障診斷過程中涉及的一切資源,其在物理上的分布,分別屬于不同國家的不同企業(yè)、組織或個人。

(2)共享性。在大協(xié)同的環(huán)境下,任何故障診斷都需要別的資源來滿足和解決問題。資源有償共享將可以緩解這一問題,在故障診斷網(wǎng)格環(huán)境下,實現(xiàn)故障診斷資源最充分、最低成本的共享與協(xié)同。

(3)層次性。多個故障診斷資源可以組成一個VO(Virtual Organization),在每個 VO,選出一個節(jié)點作為整個VO系統(tǒng)的服務(wù)節(jié)點,這些服務(wù)節(jié)點又組成一個更高層次的VO,在這些組中,再選出一個節(jié)點作為管理節(jié)點,與其它組的服務(wù)節(jié)點組成一個服務(wù)組。以此類推,最后形成根服務(wù)節(jié)點。

(4)抽象性。故障診斷網(wǎng)格把所有故障診斷資源高度抽象成為用戶可見的共享資源,其它的東西對用戶是透明的。

(5)自治性與管理的多重性。故障診斷資源首先是屬于某個組織或者個人的,因此故障診斷資源的擁有者對該資源具有最高的管理權(quán)限,故障診斷系統(tǒng)應(yīng)該允許資源擁有者對它的資源有自主的管理能力,這就是故障診斷資源的自治性。

2.3 經(jīng)濟模型管理故障診斷網(wǎng)格資源

故障診斷網(wǎng)格環(huán)境具有動態(tài)和復(fù)雜的用戶行為,在這樣一個高度動態(tài)變化的環(huán)境中,某一資源出現(xiàn)故障或失敗的可能性較高,系統(tǒng)的資源會不斷擴大,應(yīng)用會不斷增長,系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和整體性能會不斷發(fā)生變化,并且隨時有不可預(yù)測的系統(tǒng)行為發(fā)生。這就要求資源管理應(yīng)提供一個適應(yīng)性的廣域資源環(huán)境以支持適應(yīng)性的資源調(diào)度策略;必須能動態(tài)監(jiān)視和管理故障診斷網(wǎng)格資源,從可利用的資源中選取最佳資源服務(wù),盡量減小由于這種故障或失敗、整體結(jié)構(gòu)和整體性能發(fā)生變化或不可預(yù)測的系統(tǒng)行為等問題對故障診斷網(wǎng)格整體性能的影響。

經(jīng)濟方法是資源配置的有效方法之一,是解決多個自利個體間資源分配問題的簡單、有效機制,并且可以得到該問題的最優(yōu)解或近似最優(yōu)解[4,5]。一種經(jīng)濟模型研究故障診斷網(wǎng)格的資源管理問題,是建立一個經(jīng)濟學(xué)中商品市場模型的交易環(huán)境,提供網(wǎng)格環(huán)境中進行故障診斷資源管理和交易的基礎(chǔ)設(shè)施,依據(jù)資源的供需、價值,利用價格協(xié)商協(xié)議進行資源定價,實現(xiàn)對故障診斷網(wǎng)格虛擬組織中分布的故障診斷資源進行有效的組織和管理,消除信息孤島,提高故障診斷網(wǎng)格環(huán)境中故障診斷資源的利用率,最終使得每個故障診斷使用者都能夠充分利用這些資源協(xié)同工作。

鑒于經(jīng)濟學(xué)方法在網(wǎng)格環(huán)境下的成功應(yīng)用,本文討論的經(jīng)濟模型管理故障診斷網(wǎng)格資源具有以下幾個優(yōu)點:

(1)使故障診斷用戶的公平性得以解決。只要故障診斷資源使用者通過一定的規(guī)則,加入到網(wǎng)格環(huán)境中來,就可以與其他使用者公平的競爭資源。

(2)優(yōu)化故障診斷網(wǎng)格資源的供需平衡。當(dāng)供不應(yīng)求時,通過提高資源價格,可以減少資源使用者,增加資源提供者;當(dāng)供過于求時,通過降低資源價格,可以增加資源使用者,減少資源提供者,達到暫時的工序平衡。

(3)具有故障診斷資源經(jīng)濟激勵機制。可以解決用戶優(yōu)先級問題,便于提供QoS服務(wù)。

(4)使用有效資源管理和分配機制。

(5)適時協(xié)助資源提供者、使用者做出決策,最大化各自的利益。

(6)利于建立大規(guī)模網(wǎng)格系統(tǒng)。經(jīng)濟模型鼓勵資源擁有者貢獻他們的空間資源并從中獲利。

2.4 模型結(jié)構(gòu)

在故障診斷網(wǎng)格資源管理系統(tǒng)中引入經(jīng)濟模型,首先建立故障診斷市場(Fault Diagnostics Market,簡稱FDM),只要故障診斷資源使用者通過一定規(guī)則,加入到網(wǎng)格環(huán)境中來,就可以與其他使用者公平地競爭資源。

模型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 故障診斷網(wǎng)格資源管理模型

該模型主要由以下組件組成:

故障診斷資源提供者(Fault Diagnostics Resource Provider,FDRP),它是通過出售故障診斷資源,允許他人使用自己的各種資源,從而獲得收益。

故障診斷資源代理(Fault Diagnostics Resource Broker,FDRB),它與故障診斷資源交互,定時收集資源動態(tài)信息,實時提供資源狀態(tài)信息;對系統(tǒng)的性能進行監(jiān)控;更新目錄服務(wù)中本地的資源信息,對故障診斷資源進行過濾處理,注冊到目錄服務(wù);對目錄服務(wù)所獲得可用資源的注冊信息進行處理;收集瞬時信息,利用數(shù)學(xué)模型,對故障診斷資源的性能進行整理、分析和動態(tài)預(yù)測。

故障診斷目錄服務(wù)(Fault Diagnostics Directory Service,FDDS),它記錄故障診斷資源代理所搜集的信息,使用者通過查詢目錄服務(wù),獲取所需有效資源信息;提供一切與交易有關(guān)的信息,在市場中的每一個故障診斷資源提供者(FDRP)的資源代理(FDRB)在市場中注冊后,市場目錄中將有一個和該資源提供者有關(guān)的資源信息的索引,以方便應(yīng)用代理查找資源消費者所需的資源。一旦有新的故障診斷資源加入或者退出,市場目錄會隨之更新目錄中的信息。

故障診斷銀行(Fault Diagnostics Bank,FDB),分布式銀行系統(tǒng),交易方在故障診斷銀行里都有一個電子賬戶,當(dāng)交易方訪問服務(wù)時,故障診斷銀行調(diào)整其賬戶系統(tǒng),進行統(tǒng)計、記賬和支付電子貨幣管理操作,保持賬戶的一致性。

故障診斷市場(Fault Diagnostics Market,FDM),它提供網(wǎng)格環(huán)境下遠程故障診斷進行資源管理和交易的基礎(chǔ)設(shè)施,以及競爭性服務(wù),如報價規(guī)則,信息分布規(guī)則等;依據(jù)故障診斷資源的供需、價值和大量的博弈模型,利用價格協(xié)商協(xié)議來協(xié)商價格,進行資源定價。買賣雙方的協(xié)商過程是不斷自動調(diào)整利潤利率水平,從而實現(xiàn)動態(tài)自適應(yīng)地調(diào)整買賣雙方報價。

故障診斷服務(wù)代理(Fault Diagnostics Service Broker,FDSB),它負(fù)責(zé)資源分配的全局控制。通過查詢故障診斷銀行、故障診斷市場、故障診斷目錄服務(wù)及故障診斷資源代理,分析所獲得的信息,并在消費者的QoS(如時間或計算費用最優(yōu))要求和安全保證下,通過封裝在故障診斷服務(wù)代理FDSB的協(xié)同算法,在應(yīng)用和資源之間做出合理權(quán)衡匹配,指導(dǎo)任務(wù)遷移到合理的資源上執(zhí)行。該故障診斷服務(wù)代理能解決服務(wù)的動態(tài)負(fù)載平衡問題,能實現(xiàn)資源調(diào)度最優(yōu)化的動態(tài)自適應(yīng)性管理。

故障診斷資源使用者(Fault Diagnostics Resource User,FDRU),它是故障診斷資源的最終使用者,通過購買獲得各種自己所需的故障診斷資源。

2.5 故障診斷網(wǎng)格資源交易流程

基于經(jīng)濟模型的故障診斷網(wǎng)格服務(wù)交易模式,兼顧了資源分配的效率和故障診斷服務(wù)提供者的利益,一方面使用者有更多機會獲得優(yōu)質(zhì)的故障診斷服務(wù),提高了故障診斷效果,另一方面也激勵了故障診斷服務(wù)提供者開發(fā)更好的故障診斷服務(wù)供使用者使用。故障診斷服務(wù)的交易流程如圖4所示。

故障診斷網(wǎng)格資源交易流程的形成過程,具體說明如下:①FDRP向FDRB發(fā)布資源信息,發(fā)布的信息包括FDRP的ID、資源類型、數(shù)量、價格等。如果該資源有特殊的銷售策略,則可以一并提交。②FDRB記錄并匯總各FDRP的資源情況,根據(jù)銷售策略選擇合適的FDM,并向相應(yīng)的模塊發(fā)布資源信息。資源信息最終會被保存在FDM中。③FDRU向FDSB提交資源分配請求,請求內(nèi)容包括資源需求以及調(diào)度策略。這里的需求往往是某個應(yīng)用完整的資源需求或者用戶在較長一段時間內(nèi)的總體資源需求,包括需求的資源類型、數(shù)量、使用時間等。用戶應(yīng)通過FDB進行預(yù)付款,保證其FDSB存有足夠的保證金用于購買資源。④FDSB分析用戶的資源需求,凍結(jié)其賬戶上的相應(yīng)余額,向FDM發(fā)出資源購買請求,請求內(nèi)容包括資源需求、采購策略等。⑤FDM執(zhí)行相應(yīng)的采購策略,進行資源協(xié)商,最終達成交易。這時,FDSB保證金賬戶上的余額會被凍結(jié)。凍結(jié)部分等于成交金額加上交易費用。相應(yīng)地,FDM相關(guān)資源類型的數(shù)量會減少。⑥同時,FDM把資源交易結(jié)果發(fā)送給相應(yīng)的FDRB。⑦根據(jù)資源分配結(jié)果,FDSB訪問FDRB,詢問FDRP的目標(biāo)地址。⑧FDRB在兼顧公平和效率的前提下選擇合適的FDRP,把FDRP目標(biāo)地址返回給FDSB。⑨同時,FDRB通知相應(yīng)的FDRP資源交易結(jié)果。⑩FDSB通知FDRU資源分配結(jié)果以及FDRP的地址。

圖4 故障診斷網(wǎng)格服務(wù)交易流程

3 資源調(diào)度策略與調(diào)度算法

3.1 調(diào)度策略

故障診斷網(wǎng)格資源調(diào)度的目標(biāo)是使系統(tǒng)在滿足用戶要求的基礎(chǔ)上,實現(xiàn)故障診斷資源的充分共享,提高資源的整體利用率。制定故障診斷資源調(diào)度方案時,應(yīng)考慮如下的策略:

(1)首先保證用戶要求的最終期限范圍內(nèi)完成任務(wù),保證用戶收益不受損失;

(2)使用戶響應(yīng)的時間盡量短;

(3)盡量使故障診斷資源得到充分共享,前提是滿足用戶對故障診斷資源的使用權(quán)限;

(4)故障診斷網(wǎng)格資源的利用率盡量平衡;

(5)滿足用戶對故障診斷資源的各種需求。

3.2 Market-Min-min算法

Min-min算法能得到相對較好的性能,而且運行速度也比GA更快,可以適應(yīng)大規(guī)模的網(wǎng)格環(huán)境,是網(wǎng)格調(diào)度算法的研究基礎(chǔ)之一[6]。本文對Min-min算法進行改造,基于市場原則,通過價格反映市場的供求關(guān)系,兼顧故障診斷市場上故障診斷資源提供者和使用者雙方的利益。

調(diào)度策略參數(shù)定義:假設(shè)在基于經(jīng)濟模型的故障診斷網(wǎng)格資源管理模型下,故障診斷資源的使用者和提供者在市場的原則下,得到故障診斷資源市場價格Market-price[RU,RP]。對每個請求故障診斷服務(wù)的任務(wù),定義以下參數(shù):①Market[i,j]:第i個任務(wù)使用第j個故障診斷資源服務(wù)代理后預(yù)測最小完成時間,它表示各任務(wù)使用故障診斷資源服務(wù)代理后不同的預(yù)測完成時間。②Market-Get-Service-Time[j]:表示當(dāng)前各任務(wù)可以獲得第j個故障診斷資源服務(wù)代理的等待時間。③Market-Complete-Time[i,j]:任務(wù)在動態(tài)環(huán)境下的實際完成時間。

當(dāng)需要調(diào)度的任務(wù)隊列I非空時,反復(fù)執(zhí)行操作直至任務(wù)隊列I為空。

4 算法仿真實驗

4.1 仿真工具

GirdSim為研究網(wǎng)格的有效資源分配技術(shù)提供一個模擬環(huán)境[7]。其基礎(chǔ)模擬環(huán)境主要是市場經(jīng)濟的網(wǎng)格計算平臺。GirdSim工具箱支持分時間和分空間共享的資源與多用戶環(huán)境,不僅可以仿真時間跨度最小的調(diào)度程序,還可以仿真由市場經(jīng)濟模型驅(qū)動的完成期限和預(yù)算限制的調(diào)度算法。

Visual Modeler是一個圖形化用戶界面組件,主要是使用用戶不再需要編寫Java源代碼來使用工具箱創(chuàng)建需要的實驗環(huán)境,它調(diào)用GridSim工具箱。

4.2 仿真結(jié)果及分析

仿真實驗是通過逐步增加故障診斷任務(wù)的數(shù)量,比較 2種調(diào)度算法下的 Process-Time和Process-Cost來驗證Market-Min-min的優(yōu)點。

模擬實驗中分別給定的調(diào)度算法為Market-Min-min和Min-min,任務(wù)數(shù)量依次取為200、400、600、800和1 000,任務(wù)的完成時間和運行費用比較如圖5、圖6所示。

圖6 運行費用

從圖5、圖6可見,本文所改進的基于市場的Market-Min-min調(diào)度算法和傳統(tǒng)的Min-min相比,任務(wù)數(shù)量越多,運行時間和運行費用之間的差異越大,越能體現(xiàn)Market-Min-min調(diào)度算法的特點。

5 結(jié)束語

本文在分析故障診斷網(wǎng)格及故障診斷資源的基礎(chǔ)上,建立了基于經(jīng)濟模型的故障診斷網(wǎng)格資源管理模型,成功地將經(jīng)濟機制技術(shù)引入到故障診斷網(wǎng)格資源管理中,并給出了模型結(jié)構(gòu)、步驟時序、故障診斷資源交易流程,以及相應(yīng)的資源調(diào)度算法,能夠解決由資源的特性等因素帶來的諸多問題,為解決故障診斷網(wǎng)格資源管理的問題提供了一個有效的途徑。

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