云制造模式下QoS驅(qū)動(dòng)的制造服務(wù)協(xié)作網(wǎng)絡(luò)演化模型*

李曉娟，袁逸萍，孫文磊，李華華

(新疆大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，烏魯木齊 830047)

云制造模式下QoS驅(qū)動(dòng)的制造服務(wù)協(xié)作網(wǎng)絡(luò)演化模型*

李曉娟，袁逸萍，孫文磊，李華華

(新疆大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，烏魯木齊 830047)

根據(jù)云制造服務(wù)網(wǎng)絡(luò)本身所具有的自組織特點(diǎn)，以復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的角度和觀點(diǎn)來(lái)研究云制造模式下的制造服務(wù)相互作用關(guān)系，提出QoS驅(qū)動(dòng)的制造服務(wù)自組織演化模型。在該模型中綜合考慮制造服務(wù)QoS驅(qū)動(dòng)的擇優(yōu)性，協(xié)作關(guān)系的動(dòng)態(tài)性、連接的約束性等特點(diǎn)，對(duì)可能的演化結(jié)果進(jìn)行理論推導(dǎo)和證明，從理論上證明云制造服務(wù)協(xié)作網(wǎng)絡(luò)具有無(wú)尺度特征。該項(xiàng)研究揭示了云制造模式下制造服務(wù)協(xié)作的性質(zhì)和演化規(guī)律提供一種新方法，為進(jìn)一步探索云制造系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性提供理論基礎(chǔ)。

云制造；制造服務(wù)；協(xié)作網(wǎng)絡(luò)；演化

0 引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步和IT技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品研發(fā)漸漸成為多領(lǐng)域協(xié)同設(shè)計(jì)與制造和多角色參與的活動(dòng)，要求多部門、跨地區(qū)的各種資源的支持，然而，因?yàn)樾庐a(chǎn)品開發(fā)所需要資源的分布不平衡，廣大制造企業(yè)特別是中小制造企業(yè)面臨著資金不足，人才匱乏，整體技術(shù)及設(shè)備水平落后等問題，這嚴(yán)重阻礙了企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)能力和產(chǎn)品創(chuàng)新能力的提升。

云制造作為一種面向服務(wù)的、需求驅(qū)動(dòng)的制造新模式，能夠支持網(wǎng)上各類制造資源的廣泛互聯(lián)、充分共享和動(dòng)態(tài)管理，支持產(chǎn)品全生命周期活動(dòng)中的制造資源按需聚合與高效協(xié)同。為實(shí)現(xiàn)制造資源的優(yōu)化配置以及增效和增值提供了解決思路[1-2]。

云制造模式下，散布在各地的制造資源提供方將其擁有的制造資源或制造能力進(jìn)行虛擬封裝，并智能接入云制造服務(wù)平臺(tái)，繼而形成通過(guò)網(wǎng)絡(luò)被發(fā)現(xiàn)匹配、經(jīng)營(yíng)管理、按需使用和組合調(diào)用的制造服務(wù)。在用戶需求的驅(qū)動(dòng)下，將制造服務(wù)之間建立起動(dòng)態(tài)地、隨時(shí)間而變化的供給和需求之間的合作關(guān)系。隨著用戶需求的變化，各制造服務(wù)之間的相互協(xié)作緊密程度會(huì)隨著各種動(dòng)態(tài)不確定因素的變化而變化。我們將云制造模式下的制造服務(wù)定義為節(jié)點(diǎn)，制造服務(wù)之間的相互作用關(guān)系定義為邊，構(gòu)建制造服務(wù)協(xié)作網(wǎng)絡(luò)，制造服務(wù)協(xié)作網(wǎng)絡(luò)具有動(dòng)態(tài)、非線性、演化等復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)行為特征，其復(fù)雜性可以視為節(jié)點(diǎn)變化和連接邊變化兩個(gè)方面綜合作用的結(jié)果，其中節(jié)點(diǎn)的變化包括資源數(shù)目的增加、減少和資源自身的擴(kuò)展這兩個(gè)方面，連邊的變化則包括資源關(guān)系強(qiáng)度的增加和減少以及資源間連接特性的改變。

近年來(lái)，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的研究引起了國(guó)內(nèi)外許多相關(guān)領(lǐng)域科研人員的關(guān)注。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論是一門新興的學(xué)科，為復(fù)雜系統(tǒng)的研究提供了新的思路。人們從不同的角度出發(fā)，提出了各種各樣的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型，其中最著名的是Erdos和Renyi研究的隨機(jī)圖[3]、Watts和Strogatz提出的小世界網(wǎng)絡(luò)模型[4]以及Barabasi和Albert提出的無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)模型[5]。隨著研究的不斷深入，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)作為分析復(fù)雜系統(tǒng)的有力工具和方法已廣泛應(yīng)用于交通、電力、生物、氣候等領(lǐng)域[6-10]。然而目前，將復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到制造業(yè)進(jìn)行相關(guān)基礎(chǔ)研究才剛剛起步。Braha[11]將產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中的任務(wù)、團(tuán)隊(duì)、零部件等作為產(chǎn)品開發(fā)網(wǎng)絡(luò)的信息節(jié)點(diǎn)，它們之間的信息流動(dòng)可看作是節(jié)點(diǎn)間的連接邊，在研究信息流的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品開發(fā)網(wǎng)絡(luò)滿足復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的無(wú)標(biāo)度特性。于鯤鵬，楊育[12]等人利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論，提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特性的供應(yīng)鏈脆弱性的加權(quán)綜合分析模型。樊蓓蓓,祁國(guó)寧[13]等以工業(yè)汽輪機(jī)產(chǎn)品族為研究對(duì)象建立了基于復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品族的零部件關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，并證明了該網(wǎng)絡(luò)的小世界特性和無(wú)標(biāo)度特性，同時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品族網(wǎng)絡(luò)具有分層、模塊性等顯著特點(diǎn)。張峰，楊育[14]等將復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論及方法應(yīng)用于協(xié)同生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)組織的脆弱性關(guān)聯(lián)與失效模式分析，解釋了整體脆弱性與局部脆弱性的變化規(guī)律。

這些文獻(xiàn)分別從不同的角度研究了復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)在制造業(yè)的應(yīng)用，然而目前，針對(duì)云制造下制造服務(wù)協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)特性和演化規(guī)律尚缺乏定量的研究。為此，本文以復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的角度和觀點(diǎn)來(lái)研究和審視云制造模式下的資源整合問題，在參考BA模型的基本假設(shè)和物理內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，綜合考慮制造服務(wù)協(xié)作網(wǎng)絡(luò)具有資源的多樣性、協(xié)作關(guān)系的動(dòng)態(tài)性、QoS驅(qū)動(dòng)的生長(zhǎng)擇優(yōu)，連接的約束限制等特點(diǎn)，提出了QoS驅(qū)動(dòng)的制造服務(wù)協(xié)作網(wǎng)絡(luò)演化模型，通過(guò)構(gòu)建加權(quán)網(wǎng)絡(luò)來(lái)刻畫以便對(duì)現(xiàn)實(shí)中的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)提供更加準(zhǔn)確和詳細(xì)的描述。

1 制造服務(wù)協(xié)作網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

1.1 制造服務(wù)語(yǔ)義化描述

云制造模式下的制造服務(wù)數(shù)量巨大、種類復(fù)雜，性質(zhì)各異，具有不同的服務(wù)質(zhì)量，為了支持資源的有效管理與協(xié)作，要求全面捕捉制造服務(wù)相關(guān)的屬性信息并對(duì)其進(jìn)行語(yǔ)義化描述。

定義1：將制造服務(wù)MR可定義為一個(gè)五元組

MR=

MRbasic表示制造服務(wù)相關(guān)的信息，如名稱、簡(jiǎn)單描述、供應(yīng)商聯(lián)系方式等。

MRtype表示制造服務(wù)所屬的類別，如軟件資源、物料資源、物流資源、設(shè)備資源、人力資源、硬件資源、知識(shí)資源和設(shè)計(jì)資源等。

MRload表示制造服務(wù)的負(fù)載狀況，包括空閑、未滿負(fù)荷、滿負(fù)荷和超負(fù)荷等。采用單位時(shí)間內(nèi)，總的資源的需求量與供應(yīng)量之間的比值表示：

MRfunctional表示制造服務(wù)的基本功能信息，反映資源的制造能力，包括制造服務(wù)的輸入/輸出、執(zhí)行前條件/執(zhí)行后效果等。

1.2 制造服務(wù)協(xié)作網(wǎng)絡(luò)定義

在云制造支撐系統(tǒng)的支持下，制造資源被封裝為可以互操作的云制造服務(wù)，并且完成云制造服務(wù)的聚集，從而具備了協(xié)同完成制造任務(wù)的能力。當(dāng)市場(chǎng)機(jī)會(huì)到來(lái)時(shí)，根據(jù)需求，進(jìn)行任務(wù)分解，通過(guò)一定的方法和策略，從平臺(tái)中選出最合適資源，經(jīng)過(guò)組織建模和協(xié)同建模，完成承接云制造業(yè)務(wù)的服務(wù)鏈的動(dòng)態(tài)構(gòu)建。其本質(zhì)可由式(1)表示。

(1)

圖1 制造服務(wù)協(xié)作網(wǎng)絡(luò)

定義2：制造服務(wù)協(xié)作網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型可以用無(wú)向加權(quán)網(wǎng)絡(luò)MSNet=G(V，E，W)來(lái)表示，點(diǎn)集V表示制造服務(wù)的集合設(shè)V={v1,v2,…,vn}(1≤i≤n)，邊集E={e1,e2,…,em}，W表示節(jié)點(diǎn)的協(xié)作狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)i的協(xié)作狀態(tài)集可以用向量Wi=(wi,1,…,wi,i-1,wi,i+1,wi,n)代表。其中,wi,j為正整數(shù)，且i≠j。wi,j=0表示i和j沒有建立連邊，wi,j=c表示i和j之間建立C條連邊。全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的協(xié)作狀態(tài)空間可以表示為W=W1×…×Wn，某個(gè)時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)協(xié)作狀態(tài)可以表示為向量W=(W1,W2,…,Wn)。

定義3：度，節(jié)點(diǎn)度ki定義為制造服務(wù)合作網(wǎng)絡(luò)模型中與某一節(jié)點(diǎn)有連邊的邊的數(shù)目。

2 制造服務(wù)協(xié)作網(wǎng)絡(luò)自組織演化建模

在制造服務(wù)協(xié)作網(wǎng)絡(luò)演化模型當(dāng)中，節(jié)點(diǎn)之間的連邊關(guān)系、網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)總數(shù)目和連邊的權(quán)值都是動(dòng)態(tài)變化的。不能用BA模型來(lái)刻畫這一類型的拓?fù)涮匦浴Ｎ覀兏鶕?jù)制造服務(wù)合作網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，提出QoS驅(qū)動(dòng)的制造服務(wù)協(xié)作網(wǎng)絡(luò)演化模型，其要點(diǎn)如下：

(1)制造服務(wù)的初始狀態(tài)。每個(gè)制造服務(wù)隨機(jī)賦一個(gè)0～1之間的初始MRQoS值，表示可靠度、時(shí)間、信譽(yù)度、質(zhì)量、成本等。并賦予每一節(jié)點(diǎn)制造服務(wù)負(fù)載系數(shù)MRload閾值，以控制節(jié)點(diǎn)連接數(shù)。

(2)點(diǎn)的增加?；赒oS偏好的生長(zhǎng)擇優(yōu)：在每一個(gè)時(shí)間階段，可能會(huì)有新的制造服務(wù)加入到云制造平臺(tái)中與多個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生協(xié)作關(guān)系，新加入的制造服務(wù)偏好連接服務(wù)質(zhì)量高的點(diǎn)，選擇概率如公式(2)所示。

(2)

(3)點(diǎn)的減少：由于市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)中的優(yōu)勝劣汰機(jī)制，服務(wù)質(zhì)量越低的點(diǎn)越可能被刪除，首先隨機(jī)地選取一個(gè)節(jié)點(diǎn)，另一個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)概率公式(3)確定。

(3)

(4)邊的增加：某一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，原本沒有協(xié)作關(guān)系的節(jié)點(diǎn)之間也許因?yàn)榘l(fā)生協(xié)作關(guān)系而新增加邊的權(quán)重或者新增加多條邊，若節(jié)點(diǎn)本來(lái)不存在邊，則增加新的邊并附權(quán)重為1；否則邊的權(quán)重加1。

(5)邊的減少:原來(lái)有協(xié)作關(guān)系的制造服務(wù)之間由于某種原因被減少或終止，則節(jié)點(diǎn)之間的邊權(quán)減1。

按照以上7步不斷演化，直至達(dá)到仿真結(jié)束條件則停止演化。

3 云制造服務(wù)協(xié)同網(wǎng)絡(luò)演化理論推導(dǎo)與證明

演化的初始階段有m0(mo=5)個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，每一個(gè)時(shí)間點(diǎn)添加一個(gè)節(jié)點(diǎn)，可能會(huì)在老的節(jié)點(diǎn)之間增加或者減少邊。初始對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)賦一個(gè)0～1之間的初始QoS值。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的閾值滿足平均數(shù)R=50的泊松分布。

(1)點(diǎn)的增加：以概率q增加一個(gè)新節(jié)點(diǎn)，有百分之八十的概率是按公式(2)擇優(yōu)選擇，有20%的概率與網(wǎng)絡(luò)中初始節(jié)點(diǎn)連接，重復(fù)此過(guò)程m1(m1=5)。之后根據(jù)所連接節(jié)點(diǎn)的Qos值的大小分配各個(gè)邊上的Qos。

(4)

(2)邊的增加：以概率q1在老節(jié)點(diǎn)之間增加m2條邊，以rand(0,1)的概率選取一個(gè)節(jié)點(diǎn)為邊的一端，然后根據(jù)(2)式再選取另一端，這個(gè)過(guò)程重復(fù)m2次；則有：

(5)

(3)邊的減少：按照概率q2在網(wǎng)絡(luò)中去掉m3條邊，然后以概率rand(0,1)選取一條邊去除，將此過(guò)程重復(fù)m3次；則有：

(6)

(4)點(diǎn)的減少：以概率q3在網(wǎng)絡(luò)中去掉m4個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的選取按公式(3)選取概率，

則有：

(7)

(5)節(jié)點(diǎn)演化：每隔100個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)以概率q4調(diào)整網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對(duì)QoS進(jìn)行修正，有少量的Qos較大的節(jié)點(diǎn)變得很小，少數(shù)Qos較小的節(jié)點(diǎn)迅速增長(zhǎng)。

上述參數(shù)滿足0

綜合式(1)～(4)，得出節(jié)點(diǎn)V的Qos變化率方程：

(8)

當(dāng)t充分大時(shí)，有：

(9)

將式(10)帶入式(8)，

(10)

(11)

其中

(12)

4 實(shí)例驗(yàn)證

企業(yè)戰(zhàn)略聯(lián)盟是一種典型的制造服務(wù)協(xié)作網(wǎng)絡(luò)組織。它是指由多個(gè)各自獨(dú)立的企業(yè)基于市場(chǎng)的預(yù)期以及實(shí)現(xiàn)各自的戰(zhàn)略目標(biāo)和利益的考慮,在互利共贏的基礎(chǔ)上簽訂某些協(xié)議所形成的共同承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)和優(yōu)勢(shì)共享的一種網(wǎng)絡(luò)組織。本文以新疆維吾爾自治區(qū)“新疆先進(jìn)裝備制造業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟”平臺(tái)數(shù)據(jù)作為實(shí)例，選取2013～2014年一年該網(wǎng)站參與競(jìng)爭(zhēng)與合作的企業(yè)作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(這樣的數(shù)據(jù)包含所有可能的季節(jié)性對(duì)制造服務(wù)協(xié)作網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的影響)，進(jìn)行建模與網(wǎng)絡(luò)特性分析。網(wǎng)絡(luò)的特征參數(shù)如圖2和圖3所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)度分布圖

圖3 網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度分布

從分析結(jié)果可以看出，該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與BA無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)非常接近，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)度分布以及強(qiáng)度分布都滿足冪律分布的特點(diǎn)，即：網(wǎng)絡(luò)具有明顯的無(wú)尺度特點(diǎn)。經(jīng)過(guò)理論推導(dǎo)和以上的實(shí)驗(yàn)仿真，證明了本文中所形成的網(wǎng)絡(luò)是滿足行業(yè)特色的無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)特性。通過(guò)和現(xiàn)實(shí)中網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)特征參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，證明了本文中所構(gòu)建的演化模型能比較好地描述現(xiàn)實(shí)中制造服務(wù)協(xié)作網(wǎng)絡(luò)的演化機(jī)理。

5 結(jié)論

制造服務(wù)協(xié)作網(wǎng)絡(luò)作為一種新型的網(wǎng)絡(luò),只有了解其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮卣髋c本身具有的網(wǎng)絡(luò)行為,才能為優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)行為,從而采取合理的網(wǎng)絡(luò)保護(hù)措施，保護(hù)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性提供科學(xué)依據(jù)?；趶?fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論提出的MSNet演化模型在一定程度上反映了真實(shí)網(wǎng)絡(luò)的生成或演化機(jī)制,刻畫了云制造服務(wù)協(xié)作網(wǎng)絡(luò)的形成和演化機(jī)理。從理論上和實(shí)例上證明了MSNet中節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度的冪律分布規(guī)律,即當(dāng)網(wǎng)絡(luò)演化過(guò)程中節(jié)點(diǎn)間邊的消亡數(shù)小于邊的增長(zhǎng)數(shù)時(shí),節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度分布滿足冪律分布,這項(xiàng)研究成果對(duì)研究該網(wǎng)絡(luò)的魯棒性和抗毀性等有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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(編輯 李秀敏)

QoS-driven Evolution Model of Manufacturing Service Collaborative Networkincloud Manufacturing Mode

LI Xiao-juan, YUAN Yi-ping, SUN Wen-lei，LI Hua-hua

(School of Mechanical Engineering, Xinjiang University, Urumq 830047,China)

According tocloud manufacturing services network itself with self-organizing characteristics, from the point of complex network to study the cloud manufacturing model of manufacturing service interaction relations, QoS-driven manufacturing services self-organization evolution model was proposed. It comprehensively consider the characteristics of the selection of excellence of QoS-driven manufacturing service, dynamics of collaborative relationship, Connection of the binding etc in this model, the possible results of evolution was detailed for the theoretical derivation and proof and it theoretically proved that the cloud manufacturing services collaboration network with scale-free characteristics. The study reveals cloud manufacturing model of the nature of services collaboration and evolution law provides a new method and provide a theoretical basis in order to further explore the cloud manufacturing system dynamics.

cloud manufacturing; manufacturing services; collaborative network; evolution

1001-2265(2017)01-0046-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.01.013

2016-03-14

新疆維吾爾自治區(qū)自然科學(xué)基金(2014211A008)

李曉娟(1987—)，女，甘肅酒泉人，新疆大學(xué)講師，博士研究生，研究方向?yàn)閺?fù)雜生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真及優(yōu)化控制，工業(yè)工程，(E-mail)lxj_xj903@163.com；通訊作者：袁逸萍(1973—)，女，烏魯木齊人，新疆大學(xué)教授，博士，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)集成制造，工業(yè)工程，(E-mail)yipingyuan@163.com。

TH166;TG659

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