王正成 黃 洋

浙江理工大學(xué)，杭州，310018

0 引言

跨組織的合作與協(xié)同已成為全球化經(jīng)濟(jì)時(shí)代現(xiàn)代制造企業(yè)發(fā)展的主題。建立面向跨組織協(xié)同制造的資源集成共享方法與相關(guān)使能技術(shù)是當(dāng)前乃至今后若干年內(nèi)制造業(yè)所面臨的最緊迫的任務(wù)之一。近20年來在敏捷制造、網(wǎng)絡(luò)化制造、面向服務(wù)的制造等先進(jìn)制造理念與思想指導(dǎo)下，國內(nèi)外眾多研究機(jī)構(gòu)與組織對(duì)虛擬企業(yè)、協(xié)作網(wǎng)絡(luò)、制造網(wǎng)格、應(yīng)用服務(wù)提供商等先進(jìn)制造模式開展了大量的研究與實(shí)踐，取得了一定的研究成果并實(shí)現(xiàn)了一些典型應(yīng)用，但其固有存在的服務(wù)模式問題、制造資源的共享與分配技術(shù)問題和安全問題阻礙了相關(guān)研究成果的擴(kuò)大深化應(yīng)用［1］。

云制造通過云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、云安全、面向服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)信息等技術(shù)融合，實(shí)現(xiàn)跨組織分布、自治、異構(gòu)的制造資源統(tǒng)一、集中的智能化管理與經(jīng)營，一方面提高了資源服務(wù)提供方的資源利用率，實(shí)現(xiàn)增值增效；另一方面通過任務(wù)分解、自動(dòng)尋租、檢索匹配和協(xié)同服務(wù)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)資源需求方的低碳綠色制造。云制造目標(biāo)是基于專業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力共享，實(shí)現(xiàn)敏捷化整合社會(huì)制造資源，其本質(zhì)是一種具有面向服務(wù)和需求、透明集成、主動(dòng)多用戶參與、按需使用與付費(fèi)、低門檻外包式制造模式。云制造是一個(gè)新概念，當(dāng)前眾多研究者從概念、模型、體系結(jié)構(gòu)等角度對(duì)云制造進(jìn)行了研究。云制造環(huán)境下資源共享和應(yīng)用過程是基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)資源而形成共享服務(wù)鏈的過程，而目前對(duì)實(shí)現(xiàn)云制造環(huán)境下任務(wù)與服務(wù)間的動(dòng)態(tài)映射及動(dòng)態(tài)服務(wù)鏈的構(gòu)建尚缺乏系統(tǒng)解決方案［2］。

因此，本文根據(jù)云制造的概念和特點(diǎn)引入資源服務(wù)鏈的概念，并基于時(shí)序約束關(guān)聯(lián)的原子任務(wù)鏈驅(qū)動(dòng)的資源服務(wù)鏈構(gòu)建，來實(shí)現(xiàn)云制造環(huán)境下資源集成共享，對(duì)云制造環(huán)境下資源服務(wù)模型、資源與任務(wù)建模及資源的虛擬化封裝、協(xié)同制造任務(wù)的自動(dòng)分解、資源服務(wù)鏈的構(gòu)建等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

1 云制造資源共享過程模型

本文提出的資源服務(wù)鏈?zhǔn)侵阜?wù)于云制造總?cè)蝿?wù)分解形成的時(shí)序與約束關(guān)聯(lián)的原子任務(wù)執(zhí)行過程中各種制造資源所構(gòu)成的資源鏈。因此，通過資源服務(wù)鏈的構(gòu)建與運(yùn)行，能有機(jī)地集成和處理云制造中資源集成共享所涉及的資源建模、檢索匹配、選擇評(píng)價(jià)、調(diào)度、監(jiān)控等一系列問題，從而形成一個(gè)系統(tǒng)性的綜合方案；而資源服務(wù)鏈本身又是在云制造過程中各項(xiàng)具有時(shí)序與約束關(guān)聯(lián)的原子任務(wù)鏈驅(qū)動(dòng)下構(gòu)建形成的，因而能在全局和系統(tǒng)層面實(shí)現(xiàn)跨組織協(xié)同制造中資源的集成共享。因此，復(fù)雜的跨組織協(xié)同制造中資源的集成共享問題自然轉(zhuǎn)化為任務(wù)鏈驅(qū)動(dòng)的資源服務(wù)鏈的構(gòu)建問題。基于上述認(rèn)識(shí)提出云制造模式下資源共享的過程模型，如圖1所示。該過程模型的核心是：

（1）基于面向服務(wù)的思想，利用網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)把分布、自治、異構(gòu)的云制造資源轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的資源服務(wù)，并通過面向服務(wù)技術(shù)將其封裝適配到集成共享平臺(tái)中。

（2）利用面向服務(wù)技術(shù)，把不同類型和粒度的云制造總?cè)蝿?wù)經(jīng)一定的分解策略轉(zhuǎn)化為時(shí)序約束關(guān)聯(lián)的原子任務(wù)鏈，并把標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化描述的原子任務(wù)注冊(cè)發(fā)布到集成共享平臺(tái)中。

（3）基于原子任務(wù)和約束的云制造資源服務(wù)檢索匹配與選擇評(píng)價(jià)算法，獲得各原子任務(wù)的候選制造資源服務(wù)對(duì)象集合。

（4）通過基于時(shí)序約束關(guān)聯(lián)的原子任務(wù)鏈驅(qū)動(dòng)的云制造資源服務(wù)鏈構(gòu)建來實(shí)現(xiàn)跨組織資源集成共享與優(yōu)化配置。

圖1 面向服務(wù)鏈構(gòu)建的云制造資源集成共享過程

上述云制造環(huán)境下的資源集成共享過程模型具有以下幾個(gè)顯著特點(diǎn)：

（1）實(shí)現(xiàn)了云制造環(huán)境下協(xié)同制造任務(wù)分解，時(shí)序約束關(guān)聯(lián)原子任務(wù)鏈構(gòu)建，基于語義本體的資源虛擬化封裝、資源注冊(cè)、發(fā)現(xiàn)、匹配和交易等全過程的優(yōu)化管理，從而為求解大規(guī)模復(fù)雜問題的協(xié)同制造及資源共享提供了可能。

（2）充分體現(xiàn)了云制造“分散資源集中使用，集中資源分散服務(wù)”的服務(wù)模式與思想。

（3）通過時(shí)序約束關(guān)聯(lián)原子任務(wù)鏈驅(qū)動(dòng)資源服務(wù)鏈構(gòu)建實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)鏈動(dòng)態(tài)生成，為實(shí)現(xiàn)云制造環(huán)境下更廣域范圍、更深、更靈活的資源集成共享提供了有效的解決手段。

2 云制造資源與任務(wù)建模及資源服務(wù)化封裝

2.1 云制造資源與任務(wù)建模

分布、自治、異構(gòu)且類多量大的云制造資源與任務(wù)標(biāo)準(zhǔn)化描述是實(shí)現(xiàn)資源集成共享的前提與基礎(chǔ)。由于云制造模式下資源與任務(wù)類多量大，為便于云制造資源的集成共享和組織管理，首先要對(duì)云制造過程中可能用到的各種資源與任務(wù)建立統(tǒng)一分類體系，從而使云制造模式下的資源與任務(wù)在描述、表達(dá)和理解上具有一致性。在云制造模式下，資源分為設(shè)備類、人力類、軟件類、知識(shí)類、物料類、服務(wù)類和信息類等類型，任務(wù)分為分析設(shè)計(jì)類、加工制造業(yè)類、物流配送類和資源應(yīng)用類等類型。其次，對(duì)云制造各類資源與任務(wù)從數(shù)據(jù)層、語義層和邏輯層均分別采用可擴(kuò)展標(biāo)記語言（extensible markup language，XML）、Web 服務(wù) 本 體 描 述 語 言 （Web service ontology language，OWL－S）和統(tǒng)一建模語言（unified modeling language，UML）來建立相應(yīng)的可擴(kuò)展描述模板，由此建立云制造資源與任務(wù)建模參考標(biāo)準(zhǔn)。其中，基于OWL－S的語義模板適于基于語義本體資源服務(wù)檢索匹配，基于XML的數(shù)據(jù)模板適于網(wǎng)絡(luò)傳輸與解析，基于UML的對(duì)象模板適于跨組織資源與任務(wù)層次化分類定義，而各類資源模板之間的邏輯映射關(guān)系通過有向弧方式建立，從而使跨企業(yè)制造資源與任務(wù)形成具有分層的有向網(wǎng)絡(luò)圖結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上可通過擴(kuò)展基于Web Service標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)體系的通用描述、發(fā)現(xiàn)與集成服務(wù)（universal description，discovery and integration，UDDI）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和應(yīng)用程序編程接口（application programming interface，API）來建立云制造資源與任務(wù)的管理組織方案?；谡Z義對(duì)象的云制造加工類任務(wù)本體結(jié)構(gòu)如圖2所示。在圖2中，對(duì)云制造加工任務(wù)基于本體從概念、屬性和關(guān)聯(lián)關(guān)系等角度進(jìn)行了全面系統(tǒng)的抽象描述。通過任務(wù)編號(hào)、名稱、提交方、類型、狀態(tài)和時(shí)間等信息描述了任務(wù)本體概念。通過加工任務(wù)的約束屬性、特征屬性和評(píng)價(jià)屬性定義實(shí)現(xiàn)了加工任務(wù)的屬性描述。通過多種關(guān)聯(lián)屬性定義了加工任務(wù)之間的關(guān)系定義。

圖2 基于語義對(duì)象的云制造加工類任務(wù)本體結(jié)構(gòu)示意圖

不同類型的云制造任務(wù)按圖2所示的方式詳細(xì)定義好本體結(jié)構(gòu)后，根據(jù)描述模板通過OWL－S進(jìn)行制造任務(wù)語義描述，OWL－S使得云制造加工制造類任務(wù)具備機(jī)器可理解性和易用性，從而支持自動(dòng)的、動(dòng)態(tài)的云制造資源服務(wù)發(fā)現(xiàn)、執(zhí)行、組合和互操作。云制造資源建模方法與任務(wù)建模方法主要的區(qū)別為云制造資源建模方法在具體建模時(shí)需要考慮資源類型、應(yīng)用場(chǎng)景、狀態(tài)和能力等關(guān)鍵屬性信息。基于語義對(duì)象的云制造設(shè)備類資源服務(wù)本體結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3中，基于本體從概念、屬性和關(guān)聯(lián)等角度對(duì)云制造設(shè)備類資源進(jìn)行了全面系統(tǒng)的抽象定義。通過對(duì)設(shè)備的名稱、類型、型號(hào)、供應(yīng)廠家、所屬企業(yè)、購置日期和狀態(tài)等基本信息描述定義了設(shè)備類本體的概念；通過能力屬性、約束屬性、評(píng)價(jià)屬性和接口屬性定義實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備類資源本體信息描述；通過多種關(guān)聯(lián)關(guān)系定義描述了設(shè)備類資源本體的關(guān)系定義。而對(duì)設(shè)備類資源本體屬性約束可以通過OWL－S的關(guān)鍵詞實(shí)現(xiàn)取值約束、基數(shù)約束、繼承約束、定義域約束、值域約束、關(guān)系約束和特性約束。

按上述方法建立各類云制造任務(wù)與資源本體結(jié)構(gòu)后，采用斯坦福大學(xué)開發(fā)的Protégé本體建模工具，通過人機(jī)交互可視化建模方式編輯各類任務(wù)和資源的概念、屬性和關(guān)聯(lián)等本體元素，建立基于語義對(duì)象的云制造資源與任務(wù)描述模型，并運(yùn)用其中的驗(yàn)證、評(píng)價(jià)機(jī)制對(duì)模型進(jìn)行校驗(yàn)。采用Protégé本體編輯工具建立云制造資源與任務(wù)的概念模型和特征信息后，通過ProtégéOWL Plugin工具編輯和校驗(yàn)，并將本體模型自動(dòng)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的OWL－S描述模型。通過對(duì)云制造資源與任務(wù)的本體建模和語義描述，為解決異構(gòu)資源與任務(wù)的組合、互操作、檢索匹配等奠定語義基礎(chǔ)。

圖3 基于語義對(duì)象的云制造設(shè)備類資源服務(wù)本體結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 云制造資源服務(wù)化封裝

為屏蔽云制造環(huán)境下資源的異構(gòu)性和復(fù)雜性，并將物理資源轉(zhuǎn)化為邏輯制造資源，解除物理制造資源與其應(yīng)用之間的緊耦合關(guān)系，使其對(duì)外呈現(xiàn)統(tǒng)一的調(diào)用接口，需將云制造資源封裝為有狀態(tài)的Web服務(wù)資源。本文提出基于Web服務(wù)資源框架（Web service resource framework，WSRF）實(shí)現(xiàn)云制造資源服務(wù)化封裝，其封裝結(jié)構(gòu)如圖4所示。WSRF不僅定義了跨組織資源的共享機(jī)制及管理機(jī)制，而且提供了使用Web服務(wù)資源（WSResource）的方法和狀態(tài)資源（Stateful Resource）建模的能力。WS－Resource方法有利于服務(wù)之間的互操作，為不同服務(wù)提供者和服務(wù)使用者描述、訪問和管理有狀態(tài)資源提供了一種通用方法［3－4］。

圖4 云制造資源服務(wù)化封裝過程示意圖

根據(jù)圖4，云制造標(biāo)準(zhǔn)化資源的封裝分為Web服務(wù)封裝和Stateful資源封裝。其中，Stateful資源封裝了制造資源的屬性信息。根據(jù)制造資源屬性信息的特點(diǎn)及實(shí)現(xiàn)方式的不同將其分為三類：靜態(tài)屬性信息、動(dòng)態(tài)屬性信息以及任務(wù)隊(duì)列信息。靜態(tài)屬性信息描述資源的基本信息、約束信息、關(guān)聯(lián)信息、能力信息和評(píng)價(jià)信息等，它相對(duì)比較穩(wěn)定，不需要頻繁的被訪問和修改。動(dòng)態(tài)屬性信息描述制造資源在執(zhí)行制造任務(wù)的過程中實(shí)時(shí)變化的信息，主要分為資源狀態(tài)信息和當(dāng)前任務(wù)狀態(tài)兩部分，其中資源狀態(tài)信息記錄了制造資源在執(zhí)行任務(wù)狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)屬性信息，而當(dāng)前任務(wù)狀態(tài)則描述了當(dāng)前任務(wù)的執(zhí)行情況。任務(wù)隊(duì)列信息描述了在制造資源上執(zhí)行過的、正在執(zhí)行的以及計(jì)劃執(zhí)行的任務(wù)信息，它為云制造資源的預(yù)留提供了依據(jù)。

云制造資源Web服務(wù)化封裝實(shí)現(xiàn)首先基于前文定義的本體結(jié)構(gòu)模型將特定資源根據(jù)本體概念使用XML格式描述成無歧義的服務(wù)數(shù)據(jù)；其次把服務(wù)接口和操作抽象出來描述為WSDL文件，對(duì)其訪問接口和操作方法進(jìn)行定義，并用相應(yīng)的編程語言實(shí)現(xiàn)訪問接口，從而形成滿足WSRF技術(shù)規(guī)范的資源服務(wù)；再次采用Web服務(wù)部署描述（Web services deploy description，WSDD）文件來定義Web服務(wù)部署所需要的參數(shù)，它包括一個(gè)服務(wù)地址（wsa：Address）、與服務(wù)地址關(guān)聯(lián)的元數(shù)據(jù)（如WSDL服務(wù)描述信息）以及與使用服務(wù)相關(guān)的策略信息（wsa：ReferenceProperties），從而可以定義一個(gè)在端點(diǎn)地址上與Web服務(wù)關(guān)聯(lián)的有狀態(tài)資源的實(shí)例。最后使用Globus Toolkit中的部署工具將已封裝好的服務(wù)部署到Globus容器中，當(dāng)容器啟動(dòng)后資源請(qǐng)求者就可以通過地址調(diào)用所需的制造資源服務(wù)。

3 云制造任務(wù)分解與原子任務(wù)鏈構(gòu)建

云制造任務(wù)具有多樣性、多層次性、多路徑、多資源協(xié)作和多約束條件等特點(diǎn)，另外云制造任務(wù)的分解分配與傳統(tǒng)制造模式下的任務(wù)分解分配在分配對(duì)象、分配目標(biāo)、分配策略、分配范圍和約束條件定義等方面都有很多不同。本文提出先根據(jù)產(chǎn)品形成過程各階段任務(wù)的特點(diǎn)、約束、概念和關(guān)聯(lián)等進(jìn)行抽象分析，并從成本、周期和技術(shù)方案等約束角度對(duì)影響云制造任務(wù)分解粒度的關(guān)鍵因素進(jìn)行詳細(xì)分析，然后基于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和合作案例庫建立跨組織協(xié)同制造任務(wù)分解模型，按功能與結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式將總?cè)蝿?wù)分解成多個(gè)子任務(wù)，圖5給出了云制造加工制造類任務(wù)分解過程。

圖5 云制造加工制造類任務(wù)分解過程示意圖

（1）假設(shè)云制造產(chǎn)品BOM共有n層，初始化BOM的層次i＝1，i∈［1，n］，根據(jù)市場(chǎng)客戶訂單和庫存文件確定BOM第0層（產(chǎn)品層）的任務(wù)周期和數(shù)量。

（2）檢索案例庫，查詢針對(duì)該任務(wù)是否有成功的歷史合作案例，所謂成功是相對(duì)的，如果案例庫中雙方的合作評(píng)價(jià)值大于任務(wù)請(qǐng)求方的期望值就是成功的。如有成功的歷史合作案例，就執(zhí)行（3）；若無則執(zhí)行（4）。

（3）檢索到針對(duì)第i層任務(wù)的成功合作案例，與資源提供方基于合同進(jìn)行商務(wù)洽談。若洽談成功，則該第i層的制造任務(wù)tai為分解后的子任務(wù)之一。

（4）若檢索到針對(duì)第i層任務(wù)無成功合作案例，則將其確定為帶分解任務(wù)，并對(duì)其相應(yīng)制造對(duì)象根據(jù)產(chǎn)品BOM進(jìn)行物料類型判斷。若為采購件或外協(xié)件則將第i層的制造任務(wù)tai作為分解后的子任務(wù)之一。

（5）若根據(jù)產(chǎn)品BOM第i層的待分解任務(wù)所對(duì)應(yīng)的加工對(duì)象物料類型為自制件，則根據(jù)相應(yīng)任務(wù)周期企業(yè)的生產(chǎn)能力和生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行能力平衡判定。若平衡則將該第i層的制造任務(wù)ti確定為企業(yè)自制任務(wù)，執(zhí)行（6）；若不平衡則將確定超能力的制造任務(wù)并將其發(fā)布為分解后的子任務(wù)之一。

（6）若產(chǎn)品BOM第i層共有m項(xiàng)任務(wù)，則初始化j＝1，j∈［1，m］并按照上述步驟（1）～（5）循環(huán)判斷待分解任務(wù)taij是否作為分解后的子任務(wù)，直至j＝m即第i層所有任務(wù)分解完畢。

（7）按產(chǎn)品BOM遍歷直至i＝n。

分解后的任務(wù)是一種層次的樹狀結(jié)構(gòu)，采用任務(wù)結(jié)構(gòu)樹來描述。分解后的各個(gè)任務(wù)之間的聯(lián)系采用基于Steward的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣（design structure matrix，DSM）思想和產(chǎn)品工藝路線而提出 的 任 務(wù) 結(jié) 構(gòu)矩陣 （task structure matrix，TSM）的形式表示：

結(jié)構(gòu)矩陣的維數(shù)代表分解后任務(wù)個(gè)數(shù)，對(duì)角線上的元素代表任務(wù)活動(dòng)本身，TSM的每一行表示完成該活動(dòng)所對(duì)應(yīng)的任務(wù)需要其他各列任務(wù)的支持信息。利用結(jié)構(gòu)矩陣可以十分方便地進(jìn)行云制造協(xié)同任務(wù)的規(guī)劃和管理，同時(shí)也可以幫助各參與者認(rèn)識(shí)任務(wù)的本質(zhì)和規(guī)律。通過判定分解后所形成任務(wù)矩陣的稀疏性和耦合性來確定各子任務(wù)的執(zhí)行順序，任務(wù)結(jié)構(gòu)矩陣通過量化模式和聚類算法實(shí)現(xiàn)任務(wù)間關(guān)聯(lián)類型、特征及重要程度的分析。同時(shí)，對(duì)云制造總?cè)蝿?wù)所需滿足的QoS約束（即總?cè)蝿?wù)約束）進(jìn)行分解形成各原子任務(wù)約束，其分解原理如圖6所示。針對(duì)特定云制造任務(wù)，根據(jù)上述分解后形成的任務(wù)矩陣、各原子任務(wù)約束、任務(wù)工藝路線，可基于Petri網(wǎng)和商業(yè)流程執(zhí)行語言（Business Process Execution Language For Web Services，BPEL4WS）建立云制造原子任務(wù)鏈。

4 云制造資源服務(wù)鏈構(gòu)建

4.1 單原子任務(wù)驅(qū)動(dòng)云制造資源服務(wù)檢索匹配

圖6 云制造總?cè)蝿?wù)QoS約束分解原理示意圖

單原子任務(wù)驅(qū)動(dòng)云制造資源服務(wù)檢索匹配階段的關(guān)鍵是要搞清采用何種算法和機(jī)制快速有效地找到滿足任務(wù)需求的資源服務(wù)。本文從類型、文本語義、I/O參數(shù)和QoS約束等角度提出單原子任務(wù)驅(qū)動(dòng)的制造資源檢索匹配算法：

其中，u1～u4分別為檢索匹配過程中類型匹配值TypeMatch（TP，RP）、語 義 匹 配 值SemMatch（TP，RP）、輸入輸出參數(shù)匹配值IOMatch（TP，RP）和QoS約束匹配值QoSMatch（TP，RP）相應(yīng)的權(quán)重。類型匹配TypeMatch（TP，RP）的目的是確定制造任務(wù)所需的資源服務(wù)類型和資源服務(wù)自身所聲明的在類型上的相似性，其中TP代表任務(wù)提交方（task provider），RP代表資源提供方（resource provider）。語義匹配SemMatch（TP，RP）通過計(jì)算服務(wù)請(qǐng)求和資源服務(wù)的名稱、描述的語義相關(guān)度來完成，目的是確定兩者在描述上的相似性。輸入輸出參數(shù)匹配IOMatch（TP，RP）通過綜合計(jì)算制造任務(wù)和資源服務(wù)輸入輸出類型和語義的相關(guān)度，確定兩者在功能上的相似性。QoS約束匹配QoSMatch（TP，RP）通過計(jì)算QoS相關(guān)度完成，QoS相關(guān)度基于制造任務(wù)和資源服務(wù)中的評(píng)價(jià)指標(biāo)來計(jì)算，其目的是確定兩者在操作能力上的相似性。式（2）中TypeMatch（TP，RP）、SemMatch（TP，RP）、IOMatch（TP，RP）和QoSMatch（TP，RP）的計(jì)算模型參見文獻(xiàn)［4］。

4.2 多原子任務(wù)驅(qū)動(dòng)的云制造資源服務(wù)鏈構(gòu)建

云制造資源服務(wù)鏈?zhǔn)歉鶕?jù)特定的制造原子任務(wù)檢索匹配情況，由時(shí)序與約束來關(guān)聯(lián)多原子任務(wù)驅(qū)動(dòng)而形成的結(jié)果。本文提出將時(shí)序關(guān)聯(lián)的多任務(wù)驅(qū)動(dòng)的云制造資源服務(wù)鏈構(gòu)建問題抽象為多目標(biāo)約束的最短路徑選擇問題，建立相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)如下：

其中，α和β分別為任務(wù)提交方對(duì)時(shí)間和成本因素的綜合權(quán)重，α＋β＝1且α，β∈［0，1］；T為云制造資源服務(wù)鏈運(yùn)行時(shí)間函數(shù)，包括資源服務(wù)準(zhǔn)備時(shí)間、執(zhí)行時(shí)間以及資源服務(wù)間的周轉(zhuǎn)時(shí)間；C為云制造資源服務(wù)鏈運(yùn)行成本函數(shù)，包括資源服務(wù)執(zhí)行成本與資源服務(wù)間的周轉(zhuǎn)成本等。T和C的數(shù)學(xué)模型分別如下：

5 仿真算例

某模具制造企業(yè)接到一大型注塑模具加工訂單，批量為5件，報(bào)價(jià)為40萬元，交貨期為20天，需通過云制造資源服務(wù)平臺(tái)外協(xié)合作完成。假設(shè)該模具制造企業(yè)根據(jù)本文方法對(duì)加工訂單進(jìn)行分解，并已將所分解形成需外協(xié)合作原子任務(wù)基于特定描述的模板在云制造資源服務(wù)平臺(tái)發(fā)布注冊(cè)，而平臺(tái)中的資源服務(wù)庫中已存在相關(guān)可提供外協(xié)服務(wù)的模具加工資源。根據(jù)單任務(wù)驅(qū)動(dòng)的資源服務(wù)檢索匹配算法（式（2）），除開始時(shí)的ta0任務(wù)和結(jié)束時(shí)的ta7任務(wù)，每個(gè)原子任務(wù)各有兩個(gè)候選云制造資源服務(wù)，經(jīng)云制造任務(wù)分解所形成的各個(gè)候選云制造資源任務(wù)與服務(wù)的結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 模具云制造原子任務(wù)與候選資源服務(wù)關(guān)系結(jié)構(gòu)示意圖

上述算例各原子任務(wù)候選資源間的加工時(shí)間成本及連接時(shí)間成本等性能參數(shù)如表1所示。

該算例基于前文所述的目標(biāo)函數(shù)，采用蟻群算法在 MATLAB 7.0中仿真求解，具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)與過程參考文獻(xiàn)［5］。設(shè)置蟻群算法基本初始化參數(shù)如下：總信息素量Q＝100，螞蟻數(shù)量m＝40，啟發(fā)因子α＝1，β＝3，信息素殘留系數(shù)ρ＝0.5，啟發(fā)式期望值常量C＝30。經(jīng)計(jì)算，該企業(yè)模具云制造資源服務(wù)鏈基于成本最低構(gòu)建結(jié)果如圖8所示，此時(shí)該模具云制造完成時(shí)間為62.4d，總制造成本為107.1千元。

基于時(shí)間最短構(gòu)建結(jié)果如圖9所示，此時(shí)總制造完成時(shí)間為52.3d，總制造成本為131.4千元。

基于時(shí)間成本綜合最優(yōu)結(jié)果如圖10所示，此時(shí)目標(biāo)函數(shù)式（3）中的時(shí)間成本權(quán)重均為0.5，該模具云制造完成時(shí)間為54.2d，總制造成本為120千元。因此，調(diào)整目標(biāo)函數(shù)中時(shí)間成本權(quán)重值可優(yōu)化得到不同的模具云制造任務(wù)分配結(jié)果。

6 結(jié)束語

制造資源集成共享一直是國內(nèi)外眾多學(xué)者的研究熱點(diǎn)與難點(diǎn)，云制造以實(shí)現(xiàn)敏捷化、服務(wù)化、智能化的綠色低碳制造為目標(biāo)，同時(shí)作為面向服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)化制造新模式，為實(shí)現(xiàn)跨組織制造資源的集成共享與優(yōu)化配置、促進(jìn)制造資源的增值增效，進(jìn)而增強(qiáng)制造企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力提供了新的解決思路。

表1 仿真算例各子任務(wù)候選資源性能參數(shù)表

圖8 算例模具云制造基于成本最低資源服務(wù)鏈構(gòu)建示意圖

圖9 算例模具云制造基于時(shí)間最短資源服務(wù)鏈構(gòu)建示意圖

圖10 算例模具云制造基于時(shí)間成本最優(yōu)資源服務(wù)鏈構(gòu)建示意圖（α＝β＝0.5）

本文在對(duì)云制造相關(guān)研究工作進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，深刻把握云制造資源集成共享與優(yōu)化配置本質(zhì)——時(shí)序關(guān)聯(lián)任務(wù)驅(qū)動(dòng)云制造資源服務(wù)鏈構(gòu)建，以云制造資源服務(wù)鏈構(gòu)建為研究視角，系統(tǒng)深入地分析云制造資源集成共享所涉及的關(guān)鍵技術(shù)問題，并提出了相應(yīng)的解決方案，如云制造資源共享過程模型、云制造資源與任務(wù)建模及資源服務(wù)化封裝、云制造任務(wù)分解及原子任務(wù)鏈構(gòu)建、云制造資源服務(wù)檢索及資源服務(wù)鏈構(gòu)建等，并通過仿真算例證明了相關(guān)研究成果的有效性與可行性。

［1］李伯虎，張霖，王時(shí)龍，等.云制造——面向服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)化制造新模式［J］.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2010，16（1）：1－7，16.

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