王 婕,耿秀麗
(上海理工大學(xué) 管理學(xué)院,上海 200093)
云制造以面向服務(wù)、高效低耗為特點(diǎn),是近年來興起的一種基于知識的智能性網(wǎng)絡(luò)化制造模式?!爸袊圃?025”的戰(zhàn)略被提出后,以“制造即服務(wù)”為核心的云制造受到越來越多的重視。在云制造環(huán)境下,服務(wù)提供者將產(chǎn)品全生命周期的各類制造資源和能力通過云技術(shù)轉(zhuǎn)化為云服務(wù)[1],大量的云服務(wù)通過云制造平臺滿足用戶隨時(shí)獲取、按需使用、安全可靠的制造活動(dòng)需求。目前,云服務(wù)大都由掌握核心云技術(shù)的供應(yīng)商提供,云服務(wù)質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響云需求方制造生產(chǎn)的效率與收益,因此云需求方從海量的云資源中選擇所需的云服務(wù)十分關(guān)鍵。而云制造服務(wù)質(zhì)量是最直觀反映供應(yīng)商云服務(wù)的判別標(biāo)準(zhǔn),選擇合適的方法對云制造服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)尤為重要。
自2010年云制造被提出以來,關(guān)于服務(wù)質(zhì)量驅(qū)動(dòng)的云制造服務(wù)評價(jià)模型的研究不斷深入。文獻(xiàn)[2]采用主客觀相結(jié)合的方法評估云服務(wù)質(zhì)量;文獻(xiàn)[3]基于灰色關(guān)聯(lián)度對候選云制造服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行多目標(biāo)建模評價(jià),實(shí)現(xiàn)云制造服務(wù)資源集的優(yōu)化配置。這些研究沒有較多地考慮云制造服務(wù)質(zhì)量評價(jià)中信息的模糊性、不確定性等因素。文獻(xiàn)[4]為了處理云制造環(huán)境中的不確定信息,提出基于證據(jù)推理和層次分析法的云制造服務(wù)質(zhì)量評價(jià)方法;文獻(xiàn)[5]用直覺模糊集方法分析不可量化的服務(wù)質(zhì)量特征,針對不同用戶的個(gè)性化選擇,提出一種交互式的服務(wù)質(zhì)量特征權(quán)重分析方法。以上研究都考慮了云制造環(huán)境的復(fù)雜性與不確定性,使用層次結(jié)構(gòu)或模糊語義評價(jià)改進(jìn)了服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service, QoS)綜合屬性值的確定,但主要是從云服務(wù)提供者的角度對云制造服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行評價(jià),缺少對云制造服務(wù)需求方提供信息的考慮。文獻(xiàn)[1]針對云制造服務(wù)提供方與需求方給出的短語評價(jià)信息,采用云模型將其量化為可計(jì)算的數(shù)值,以服務(wù)提供方和需求方雙方服務(wù)質(zhì)量滿意度最大為優(yōu)化求解目標(biāo),建立了目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型;文獻(xiàn)[6]根據(jù)項(xiàng)目協(xié)同的三角模糊數(shù)算法計(jì)算提供商服務(wù)和需求者期望的相似度,取得云服務(wù)質(zhì)量綜合性能排序;文獻(xiàn)[7]提出一種綜合考慮客觀質(zhì)量指標(biāo)和用戶主觀反饋的云服務(wù)質(zhì)量評估方法。以上研究在確定QoS屬性值時(shí),不再只考慮單一利益相關(guān)者,兼顧用戶的需求反饋,使得評價(jià)結(jié)果更具有真實(shí)性。
分析上述研究可以發(fā)現(xiàn):云制造服務(wù)評價(jià)中包含較多的非功能屬性,綜合考慮多利益相關(guān)者獲得的評價(jià)信息更為真實(shí)準(zhǔn)確;應(yīng)用模糊集理論可以更好地反映評價(jià)信息,但是去模糊化可能引起數(shù)據(jù)偏差。因此,在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上,本文對云制造服務(wù)質(zhì)量評價(jià)問題展開研究,提出了基于直覺模糊余弦相似度的云制造服務(wù)質(zhì)量評價(jià)模型,旨在提高該問題評價(jià)方法的可操作性。本文將云制造服務(wù)屬性進(jìn)行分類,并分別從云服務(wù)提供方與云服務(wù)使用方獲取服務(wù)質(zhì)量評價(jià)信息,考慮到云制造資源配置過程中存在多種不可量化的服務(wù)質(zhì)量特征,這些指標(biāo)不能簡單地用數(shù)值進(jìn)行直觀表示。本文通過隸屬度及非隸屬度來表征專家與用戶的偏好,旨在更加全面直觀地表達(dá)復(fù)雜云制造環(huán)境下專家決策與用戶評價(jià)的不確定信息。直覺模糊數(shù)在反映事物復(fù)雜性、表征模糊和不確定信息方面具有明顯優(yōu)勢,為了更加客觀真實(shí)地反映專家的評價(jià)信息,采用直覺模糊集的形式描述服務(wù)質(zhì)量各個(gè)非可量化評價(jià)指標(biāo)的語義評價(jià)信息,得到一個(gè)對云制造服務(wù)質(zhì)量的直覺模糊評價(jià)矩陣??紤]到余弦相似度用來比較文本描述具有獨(dú)特的優(yōu)勢,不需要考慮用戶評分平均值之間的差異,也不需要考慮評價(jià)信息的類型,不受維數(shù)的限制,避免了去模糊化引起的數(shù)據(jù)偏差,準(zhǔn)確性高。將云制造服務(wù)質(zhì)量非可量化指標(biāo)的直覺模糊評價(jià)信息構(gòu)建向量矩陣,采用余弦相似度計(jì)算各個(gè)云服務(wù)資源的服務(wù)質(zhì)量與最優(yōu)理想直覺模糊數(shù)的相似度。最后,綜合云制造服務(wù)方提供的可量化服務(wù)質(zhì)量屬性信息,得到云制造資源配置方案最終排序結(jié)果。所提方法兼顧了多利益相關(guān)者的評價(jià)信息與服務(wù)質(zhì)量屬性特征,避免了單一評價(jià)方法的片面性,增強(qiáng)了評價(jià)的科學(xué)性和可靠性。
云制造平臺中包括不同行業(yè)、不同特點(diǎn)的產(chǎn)品,因此所提供的云制造服務(wù)豐富多樣,云服務(wù)需求者要想從海量的云制造服務(wù)資源中選擇最優(yōu)的云制造服務(wù),云制造服務(wù)質(zhì)量評價(jià)環(huán)節(jié)必不可少。云制造平臺中的利益相關(guān)者一般有云制造服務(wù)提供者與需求者。云制造服務(wù)提供者通過云平臺發(fā)布包括制造資源、生產(chǎn)能力在內(nèi)的其他制造服務(wù),在云制造平臺上進(jìn)行制造應(yīng)用和業(yè)務(wù)運(yùn)行[8]。云制造平臺提供了規(guī)模巨大的制造云池,針對云制造服務(wù)使用者的需求,系統(tǒng)從候選的云制造服務(wù)中匹配最優(yōu)云服務(wù)或最優(yōu)云服務(wù)組合。云平臺提供制造服務(wù)的過程如圖1所示。在此過程中,云制造服務(wù)質(zhì)量評價(jià)結(jié)果為評估云制造服務(wù)水平提供數(shù)據(jù)支撐和決策依據(jù),在匹配過程中尤為重要,直接影響著云服務(wù)需求方的決策。
在制造云池中,云制造服務(wù)資源呈現(xiàn)出多層次性、多粒度性、分布性、動(dòng)態(tài)性、抽象性等復(fù)雜特征,對其進(jìn)行有效的評估需要構(gòu)建合理的云制造服務(wù)質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)體系,才能使云制造服務(wù)質(zhì)量排序結(jié)果更為客觀科學(xué)。
對現(xiàn)有研究歸納總結(jié)[9-13],得到云制造服務(wù)質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)體系如表1所示。
表1 云制造服務(wù)質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)
針對云制造服務(wù)質(zhì)量多維評價(jià)指標(biāo),本文從數(shù)據(jù)來源的角度將云制造服務(wù)質(zhì)量屬性信息分為服務(wù)提供者描述的QoS屬性信息和服務(wù)使用者反饋的QoS評價(jià)信息,采用直覺模糊數(shù)描述服務(wù)質(zhì)量中非可量化的屬性,有效處理了評價(jià)過程中產(chǎn)生的不確定信息;采用余弦相似度計(jì)算直覺模糊評價(jià)結(jié)果與最優(yōu)向量值之間的差異,打破了評價(jià)指標(biāo)維數(shù)的限制,最終通過相似度大小對云制造服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行排序。本文所提方法主要思路如下:
(1)云制造服務(wù)屬性分類 綜合考慮云服務(wù)利益相關(guān)者,根據(jù)數(shù)據(jù)來源將云服務(wù)質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分類,使得評價(jià)指標(biāo)更為全面,評價(jià)數(shù)據(jù)更為可信。
(2)獲取多利益相關(guān)者評價(jià)信息 將獲取的云服務(wù)提供者與云服務(wù)使用者評價(jià)信息,按照偏好意見進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,采用直覺模糊集的語義評價(jià)方法描述云制造服務(wù)中非可量化的評價(jià)信息,得到充分考慮評價(jià)值隸屬度的直覺模糊矩陣,在此基礎(chǔ)上構(gòu)造候選云服務(wù)的直覺模糊多維向量。
(3)計(jì)算直覺模糊余弦相似度 根據(jù)直覺模糊評價(jià)結(jié)果,獲得最優(yōu)云服務(wù)質(zhì)量屬性值,計(jì)算各個(gè)云服務(wù)供應(yīng)商的服務(wù)屬性值與最優(yōu)值之間的相似度,最終得到云制造服務(wù)質(zhì)量的綜合排序結(jié)果。
直覺模糊集(Intuitionistic Fuzzy Set, IFS)的概念于1986年提出,由于它可以同時(shí)表示隸屬度、非隸屬度和猶豫度3方面信息[14],較多地保留了原始語義評價(jià)信息,已成為一種表達(dá)模糊性與不確定的有效方式。直覺模糊集描述如下:
F={〈x,μ(x),ν(x)〉|x∈Z}。
其中μ(x)、ν(x)分別為Z的隸屬函數(shù)和非隸屬函數(shù)。
若對于Z上的所有x∈Z,有0≤μ(x)+ν(x)≤1,0≤μ(x)≤1,0≤ν(x)≤1成立,則稱(μ(x),ν(x))為一個(gè)直覺模糊數(shù)。
設(shè)α1=(μ1,ν1)和α2=(μ2,ν2)為兩個(gè)直覺模糊數(shù),則其運(yùn)算法則定義[15]如下:
α1⊕α2=(μ1+μ2-μ1μ2,ν1ν2)。
(1)
設(shè)αj=(μj,νj)(j=1,2,…,n)是一組直覺模糊數(shù),若
IFWAw(α1,α2,…,αn)=w1α1⊕
w2α2⊕…⊕wnαn,
(2)
(3)
在云制造服務(wù)質(zhì)量評價(jià)中,海量的云制造服務(wù)資源使得云制造服務(wù)呈現(xiàn)出復(fù)雜多樣的特點(diǎn),用戶選擇出滿足其個(gè)性化需求的最優(yōu)服務(wù)變得相對困難。在基于服務(wù)質(zhì)量的選擇方法中,獲取可靠的QoS屬性信息至關(guān)重要,對于制造云服務(wù)而言,服務(wù)的QoS屬性信息多種多樣。為了提高QoS屬性信息的可靠度,本文不再只考慮單一利益相關(guān)者,而是綜合考慮云制造服務(wù)提供者描述的QoS屬性信息和云制造服務(wù)使用者反饋的QoS評價(jià)信息。對于服務(wù)提供者而言,避免其出于利益考慮,通過偏離服務(wù)實(shí)際水平的QoS屬性值以吸引更多的用戶使用,從而賺取更多的利益;對于服務(wù)使用者而言,排除了個(gè)別服務(wù)使用者由于受到個(gè)人因素或者該服務(wù)使用者為來自于服務(wù)提供者邀請的水軍等影響,從而增強(qiáng)云服務(wù)質(zhì)量評價(jià)的準(zhǔn)確性。從評價(jià)信息來源的角度,將QoS屬性分為以下兩類:①云服務(wù)提供者描述的QoS屬性。云服務(wù)提供者發(fā)布某一云服務(wù)時(shí),會對該服務(wù)的固有可量化屬性進(jìn)行設(shè)置,并對所提供的云服務(wù)非可量化屬性進(jìn)行相應(yīng)的測試,對于云服務(wù)的某一屬性信息而言,服務(wù)提供者可以采用直覺模糊集的形式邀請專家進(jìn)行評價(jià),綜合各專家評價(jià)結(jié)果,可得服務(wù)提供者描述的QoS屬性信息;②云服務(wù)使用者描述的QoS屬性。云制造服務(wù)應(yīng)用環(huán)境中,用戶通過云制造服務(wù)平臺可以對使用過的相似云服務(wù)表達(dá)意見偏好如肯定、否定或無關(guān),從云平臺中獲取大量用戶數(shù)據(jù)與項(xiàng)目數(shù)據(jù),將評價(jià)正面的詞(如:滿意,可靠)與意見總數(shù)(正面、負(fù)面和無關(guān)的意見之和)的比值設(shè)為μ(x),評價(jià)負(fù)面的信息(如:差,煩人,無法接受)與意見總數(shù)的比值設(shè)為ν(x),由此可得到該云制造服務(wù)在指標(biāo)評估下的一個(gè)直覺模糊數(shù)(μ(x),ν(x))。
余弦相似度也稱向量相似度,是測量兩個(gè)n維向量之間相似度的一種方法。該方法用向量描述云制造服務(wù)質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù),通過兩個(gè)向量之間的內(nèi)積夾角余弦值來反映云制造服務(wù)質(zhì)量屬性間的相似度。由圖2可知,與向量Q相比,向量P與向量M夾角更小,其夾角余弦值更大,說明向量P與向量M兩個(gè)個(gè)體的相似度較向量Q與向量M更高;相反,兩個(gè)個(gè)體夾角越大,即越接近180°,說明其相似度越低,由此可知向量Q與向量M相似度較低。
兩個(gè)向量間的余弦值可以采用歐幾里得點(diǎn)積公式(4)計(jì)算:
a·b=|a|×|b|cosθ,θ∈[0,2π]。
(4)
定義cosθ為兩個(gè)向量之間的相似度,取值范圍為[-1,1],關(guān)于兩個(gè)個(gè)體的余弦相似度采用式(5)計(jì)算。
(5)
式中a和b分別表示兩個(gè)不同的向量。
設(shè)A和B為給定集合X={x1,x2,…,xn}的兩個(gè)直覺模糊集,則A和B的余弦相似度定義[16]如下:
(6)
關(guān)于直覺模糊余弦相似度有如下定理[16]:
設(shè)A和B為兩個(gè)直覺模糊集,CIHFS(A,B)為A和B的余弦相似度,則:
(1)0≤CIHFS(A,B)≤1;
(2)CIHFS(A,A)=1;
(3)CIHFS(A,B)=CIHFS(B,A)。
綜上所述,本文所提基于直覺模糊余弦相似度的云制造服務(wù)質(zhì)量評價(jià)方法具體步驟如下:
步驟1選取合適的云制造服務(wù)質(zhì)量評價(jià)指標(biāo),將其按照數(shù)據(jù)來源與屬性性質(zhì)進(jìn)行分類,對不同類別的評價(jià)指標(biāo)采用不同的方法進(jìn)行評價(jià)。
步驟2邀請專家對云服務(wù)供應(yīng)商描述的非可量化屬性指標(biāo)進(jìn)行直覺模糊評價(jià),并通過集成算子式(3)進(jìn)行集結(jié)。
步驟3根據(jù)云制造服務(wù)平臺中的歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)用戶意見偏好,得到用戶反饋的直覺模糊評價(jià)矩陣。
步驟4分別選取專家決策信息與用戶偏好信息中最優(yōu)的云服務(wù)屬性值,構(gòu)建最優(yōu)值矩陣,由式(6)計(jì)算各個(gè)云服務(wù)供應(yīng)商的服務(wù)屬性值與最優(yōu)值之間的相似度,
步驟5將步驟4中所得的全部相似度進(jìn)行加權(quán)平均得到最終相似度,最終相似度越大,說明該方案云制造服務(wù)質(zhì)量越高。
以上海市某機(jī)床制造廠的渦輪生產(chǎn)為例,該機(jī)床制造廠必須在一個(gè)月內(nèi)提供100個(gè)可用于數(shù)控刀架的渦輪,廠家將制造需求發(fā)布到云平臺。云制造服務(wù)平臺根據(jù)制造任務(wù)與服務(wù)請求在云平臺資源庫中進(jìn)行檢索,假設(shè)通過語義匹配檢索,云制造服務(wù)平臺找到5個(gè)可以完成此次云制造任務(wù)的云服務(wù)提供方。
充分考慮云服務(wù)提供者與云服務(wù)使用者給出的屬性信息,參考表1,指標(biāo)管理器針對渦輪的制造項(xiàng)目選擇如表2所示指標(biāo)來評估云服務(wù)質(zhì)量并進(jìn)行決策。
表2 云制造服務(wù)質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)
針對5個(gè)候選云制造服務(wù)供應(yīng)商{CMS1,CMS2,CMS3,CMS4,CMS5},從其服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)手冊中獲取云服務(wù)供應(yīng)商給出的云服務(wù)質(zhì)量可量化屬性值(如表3),并邀請30位專家對云服務(wù)供應(yīng)商描述的非可量化屬性指標(biāo)進(jìn)行直覺模糊評價(jià),由式(3)集結(jié)后得到評價(jià)結(jié)果如表4所示。
表3 來源于供應(yīng)商的云服務(wù)質(zhì)量可量化屬性值
表4 集結(jié)后的供應(yīng)商云服務(wù)質(zhì)量非可量化屬性值
從云服務(wù)平臺選取相似度最高的相似項(xiàng)目獲取用戶的歷史評價(jià)信息,得到具有用戶偏好的直覺模糊評價(jià)結(jié)果,如表5所示。
表5 云需求方反饋的云服務(wù)質(zhì)量非可量化屬性值
綜合云服務(wù)提供者和云服務(wù)使用者給出的評價(jià)值,可得最優(yōu)云服務(wù)質(zhì)量表現(xiàn)值,如表6所示。
表6 最優(yōu)云服務(wù)質(zhì)量屬性值
由式(5)和式(6)分別計(jì)算候選云服務(wù)中可量化屬性與非可量化屬性和最優(yōu)云服務(wù)的余弦相似度,按所含評價(jià)指標(biāo)數(shù)目比(1∶2)加權(quán)得到綜合相似度結(jié)果如表7所示。
表7 余弦相似度計(jì)算結(jié)果
由表7可知,候選云服務(wù)提供商云服務(wù)質(zhì)量排序由優(yōu)到劣結(jié)果為:CMS2?CMS5?CMS4?CMS3?CMS1。為進(jìn)一步說明云制造服務(wù)質(zhì)量評價(jià)中考慮云需求方反饋的重要性,剔除表4評價(jià)信息,使用本文所提方法重新評價(jià)各提供商云服務(wù)質(zhì)量,所得排序結(jié)果由優(yōu)到劣為:CMS2?CMS4?CMS5?CMS1?CMS3。對比兩種排序結(jié)果,可以看出差異明顯,有4個(gè)云制造服務(wù)供應(yīng)商次序不同。這是因?yàn)樘蕹?中的用戶反饋信息后,云服務(wù)質(zhì)量評價(jià)信息由供應(yīng)商自己或其邀請的專家評估給出,云需求方的偏好并沒有表現(xiàn)出來。評價(jià)角度相對單一,無法排除個(gè)別服務(wù)供應(yīng)商由于某些原因提供虛假信息,誤導(dǎo)云服務(wù)需求方。因此,在復(fù)雜的云制造服務(wù)質(zhì)量評價(jià)中,綜合考慮供需雙方的要求所得的評價(jià)結(jié)果更為合理可信。
針對候選云服務(wù)質(zhì)量的非可量化屬性,將本文所提方法與直覺模糊TOPSIS法進(jìn)行對比。直覺模糊TOPSIS法是一種基于距離測度的相似度計(jì)算方法,利用歐式距離描述候選云服務(wù)與正、負(fù)理想方案之間的差距,最后計(jì)算候選云服務(wù)質(zhì)量的非可量化屬性與正、負(fù)理想方案之間的相對貼近度。通過計(jì)算,得到5個(gè)候選云服務(wù)提供商貼近度結(jié)果:0.430 4、0.744 8、0.391 4、0.453 7、0.609 6。使用兩種方法將云服務(wù)質(zhì)量的非可量化屬性貼近度進(jìn)行對比,如圖3所示。
由圖3可以看出,兩種方法所得排序結(jié)果存在一些差異,CMS1、CMS3和CMS4排序結(jié)果不同。這是因?yàn)橹庇X模糊TOPSIS方法中所采用的歐式距離在一定程度上具有決策補(bǔ)償性,即對一個(gè)指標(biāo)的高評價(jià)值可以彌補(bǔ)其他指標(biāo)下的低評價(jià)值,是一種更關(guān)注整體評價(jià)信息的決策方法。而且,該方法在求規(guī)范決策矩陣時(shí)計(jì)算比較復(fù)雜,不易算出絕對正、負(fù)理想解。云制造環(huán)境下服務(wù)質(zhì)量的評價(jià)存在服務(wù)制約因素繁多、評價(jià)指標(biāo)類型多樣等特點(diǎn),過多的數(shù)據(jù)處理以及過度關(guān)注整體均會導(dǎo)致決策結(jié)果精確性不高。直覺模糊余弦相似度對指標(biāo)維數(shù)、數(shù)據(jù)量大小以及數(shù)據(jù)特征并無嚴(yán)格控制,數(shù)學(xué)計(jì)算也相對簡單;對原始數(shù)據(jù)信息的利用率較高,信息損失相對較少,這也是采用本文方法所計(jì)算的候選云服務(wù)質(zhì)量非可量化屬性貼近度整體高于對比方法的原因。此外,余弦相似度具有直觀的幾何意義,也可以直接對文本相似度進(jìn)行計(jì)算,對于復(fù)雜的云制造環(huán)境下云制造服務(wù)質(zhì)量評價(jià)更有針對性、實(shí)踐性更高、延展性更強(qiáng)。
云制造服務(wù)質(zhì)量的評價(jià)是云制造活動(dòng)中選擇合適云服務(wù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),是制造企業(yè)在云制造環(huán)境下高效利用海量云制造資源的重要一環(huán)。本文所提基于直覺模糊余弦相似度評價(jià)云制造服務(wù)質(zhì)量的方法考慮了云制造服務(wù)質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)的性質(zhì)和評價(jià)信息的來源差異,使用直覺模糊集的形式描述非可量化的云服務(wù)質(zhì)量屬性信息,可以更加全面真實(shí)地反映云服務(wù)質(zhì)量評價(jià)中的決策信息;其次,本文采用直覺模糊余弦相似度打破評價(jià)信息類型與維數(shù)限制,將評價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)映射到向量空間,利用直覺模糊數(shù)空間夾角的余弦值來度量候選云服務(wù)之間的相似性,可以直觀得出云服務(wù)質(zhì)量的優(yōu)劣。
最后,本文通過對渦輪生產(chǎn)的云制造任務(wù)中云服務(wù)質(zhì)量的計(jì)算分析,驗(yàn)證了所提方法的有效性和可行性。未來研究將深入考慮云制造服務(wù)質(zhì)量評價(jià)結(jié)果受指標(biāo)權(quán)重等其他因素的影響。