蒲寶山,高誠(chéng)輝,黃彬
(福州大學(xué),福建 福州 350108)
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基于協(xié)同學(xué)理論的虛擬企業(yè)合作伙伴選擇研究
蒲寶山,高誠(chéng)輝,黃彬
(福州大學(xué),福建 福州 350108)
摘要:為最大化虛擬企業(yè)項(xiàng)目中各任務(wù)間的協(xié)同程度,提出了一種基于協(xié)同學(xué)理論的虛擬企業(yè)伙伴選擇方法。建立了以極大化系統(tǒng)協(xié)同度為優(yōu)化目標(biāo)的伙伴選擇模型,該模型考慮了系統(tǒng)的交貨時(shí)間、總費(fèi)用和產(chǎn)品準(zhǔn)時(shí)交貨率等因素的協(xié)同度。此外,針對(duì)基本雜草算法在求解伙伴選擇模型的過(guò)程中容易陷入局部極值的缺點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種嵌入混沌搜索行為的混合雜草算法來(lái)求解該模型。仿真結(jié)果表明了該方法的可行性及有效性。
關(guān)鍵詞:虛擬企業(yè);伙伴選擇;協(xié)同度;協(xié)同學(xué);混合雜草優(yōu)化算法
0引言
合作伙伴的選擇是虛擬企業(yè)構(gòu)建最為重要的環(huán)節(jié)之一[1]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此做了大量的研究:Wang等人[2]以成本、交貨期及子項(xiàng)目的時(shí)序關(guān)系為約束,設(shè)計(jì)了求解該問(wèn)題的整數(shù)規(guī)劃模型,并用遺傳算法求解了該問(wèn)題。Ip等人[3]考慮了失敗風(fēng)險(xiǎn)和交貨期等因素,設(shè)計(jì)了伙伴選擇問(wèn)題的整數(shù)規(guī)劃模型以及求解該模型的遺傳算法。Wu等人[4]提出了基于成本和交貨期的伙伴選擇優(yōu)化問(wèn)題,并通過(guò)一種兩階段求解方法求解。Zeng等人[5]從成本、工期及子項(xiàng)目時(shí)序關(guān)系角度考慮了伙伴選擇的問(wèn)題,將問(wèn)題表示為一個(gè)非線性整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題并設(shè)計(jì)了求解問(wèn)題的分枝定界算法。Zhao等人[6]考慮了有時(shí)序關(guān)系的子項(xiàng)目及有交貨期約束的伙伴選擇問(wèn)題,以總制造費(fèi)用最小為優(yōu)化目標(biāo),并設(shè)計(jì)了粒子群算法對(duì)問(wèn)題進(jìn)行求解。黃彬等人[7]考慮了模糊完工時(shí)間和模糊交貨期的情況,基于滿意度的概念建立了伙伴選擇模型,并采用自適應(yīng)遺傳算法求解模型。Huang等人[8]考慮了滿意度、交貨期及任務(wù)的時(shí)序關(guān)系等因素,采用Vague集理論建立了伙伴選擇模型,并設(shè)計(jì)了求解該模型的改進(jìn)粒子群算法。
但是,上述研究均未涉及候選伙伴之間的協(xié)同程度。良好的協(xié)同程度能夠使各個(gè)候選伙伴之間任務(wù)關(guān)系銜接得更加緊密,合作關(guān)系更加和諧。在產(chǎn)品的開發(fā)過(guò)程中,往往需要多個(gè)企業(yè)之間的相互配合,而盟員企業(yè)之間協(xié)調(diào)性利弊,對(duì)產(chǎn)品的開發(fā)有直接的影響。哈肯的協(xié)同學(xué)理論指出:復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)部的不同子系統(tǒng)的各個(gè)指標(biāo)和各個(gè)因素的性質(zhì)對(duì)系統(tǒng)的影響是有差異,并且是不平衡的[9]。系統(tǒng)的整體效應(yīng)是其內(nèi)部各個(gè)復(fù)雜子系統(tǒng)協(xié)同合作,產(chǎn)生超出子系統(tǒng)自身單獨(dú)的作用,即實(shí)現(xiàn)“1+1> 2”的效應(yīng)[10,11]。因此,有必要從協(xié)同學(xué)的角度去定量分析求解虛擬企業(yè)的伙伴選擇問(wèn)題。
基于協(xié)同學(xué)理論,考慮了交貨時(shí)間、總費(fèi)用和產(chǎn)品準(zhǔn)時(shí)交貨率等因素,以極大化協(xié)同度值為目標(biāo),建立了虛擬企業(yè)合作伙伴選擇的優(yōu)化模型,并給出了嵌入混沌搜索行為的混合IWO算法。仿真結(jié)果表明了該方法的有效性和可行性。
1基于協(xié)同學(xué)理論的合作伙伴選擇建模
1.1問(wèn)題描述
一個(gè)企業(yè)接到訂單后,由于受到自身生產(chǎn)能力及交貨期等各方面因素的限制,其不能在有限的時(shí)間內(nèi)獨(dú)立完成訂單,生產(chǎn)滿足客戶要求的產(chǎn)品。因此,該企業(yè)(盟主)可以將訂單分解成若干個(gè)具有時(shí)序關(guān)系的子任務(wù),并且通過(guò)競(jìng)標(biāo)方式選擇合適的合作伙伴從而組建虛擬企業(yè),共同完成該訂單。假設(shè)虛擬企業(yè)項(xiàng)目可分解為n個(gè)具有時(shí)序關(guān)系的子任務(wù),可表示為V={V1,V2,…,Vn}。如果子任務(wù)j只能在子任務(wù)i完成之后才能夠進(jìn)行,稱子任務(wù)i與子任務(wù)j為一組相關(guān)任務(wù)對(duì),用(i,j)表示。其中,(i,j)∈Q,Q是所有相關(guān)任務(wù)對(duì)組成的集合。子任務(wù)i有mi個(gè)候選伙伴,且每項(xiàng)子任務(wù)只能由一個(gè)候選伙伴完成。在一定的優(yōu)化目標(biāo)要求下,需要選出一組最佳的伙伴組合。
德國(guó)理論物理學(xué)家哈肯(Haken H)于20世紀(jì)70年代創(chuàng)立了協(xié)同學(xué),它的基本思想[9]是在開放系統(tǒng)內(nèi)的生命及非生命的各個(gè)子系統(tǒng),處在一定的條件下時(shí),它們會(huì)通過(guò)非線性的相互作用,產(chǎn)生一種協(xié)同作用和相干成效,并在一定范圍內(nèi)漲落,當(dāng)達(dá)到了臨界點(diǎn)時(shí),系統(tǒng)舊的結(jié)構(gòu)就會(huì)自組織地在時(shí)間、空間及性質(zhì)等方面發(fā)生改變,產(chǎn)生新的有序結(jié)構(gòu)。協(xié)同學(xué)與虛擬企業(yè)合作伙伴選擇有著密切的關(guān)系。虛擬企業(yè)項(xiàng)目可分解為若干個(gè)子任務(wù),每個(gè)子任務(wù)可看作一個(gè)子系統(tǒng),每項(xiàng)子任務(wù)均由一個(gè)候選伙伴單獨(dú)完成,根據(jù)不同的候選伙伴所提供的競(jìng)標(biāo)參數(shù),每個(gè)子系統(tǒng)的有序程度也不盡相同,由此可以產(chǎn)生許多不同的合作伙伴選擇的組合方案,因而虛擬企業(yè)合作伙伴選擇的系統(tǒng)協(xié)同程度也不一樣。
協(xié)同學(xué)中,子系統(tǒng)的序參量變量由若干個(gè)序參量分量組成,這些序參量分量是刻畫子系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制和運(yùn)行狀態(tài)的若干個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。子系統(tǒng)的系統(tǒng)有序度刻畫了該子系統(tǒng)中各個(gè)序參量分量對(duì)整個(gè)子系統(tǒng)的“總貢獻(xiàn)”程度。系統(tǒng)協(xié)同度(XTD)是通過(guò)子系統(tǒng)的序參量有序度的變化反應(yīng)整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)同情況[12,13]。XTD∈[-1,1],XTD值越大,表明該系統(tǒng)的協(xié)同發(fā)展越好,反之越差。
1.2合作伙伴選擇的有序度模型
項(xiàng)目訂單可分解為n個(gè)時(shí)序關(guān)系的子任務(wù),子任務(wù)Vi由mi個(gè)候選伙伴來(lái)競(jìng)選。其中,n個(gè)子任務(wù)可看成n個(gè)任務(wù)子系統(tǒng),可表示為X={X1,X2,…,Xn},子系統(tǒng)的序參量ei均由交貨時(shí)間、總費(fèi)用及產(chǎn)品準(zhǔn)時(shí)交貨率3個(gè)序參量分量構(gòu)成,ei=(ei1,ei2,ei3),i=1,2,…,n,交貨時(shí)間包括產(chǎn)品的完工時(shí)間與運(yùn)輸時(shí)間;總費(fèi)用則包括產(chǎn)品的制造費(fèi)用和運(yùn)輸費(fèi)用。通過(guò)對(duì)序參量分量——交貨時(shí)間、總費(fèi)用及產(chǎn)品準(zhǔn)時(shí)交貨率進(jìn)行分析,交貨時(shí)間和總費(fèi)用是成本型指標(biāo),任務(wù)子系統(tǒng)的序參量分量的有序度模型表示為[12,13]:
(1)
而產(chǎn)品準(zhǔn)時(shí)交貨率為效益型指標(biāo),任務(wù)子系統(tǒng)的序參量分量的有序度模型表示為[12,13]:
(2)
其中,αik、βik分別指第i個(gè)任務(wù)子系統(tǒng)在第k個(gè)序參量分量所提供的上限值和下限值,u(eik)∈[0,1]。從總體上看,序參量變量ei對(duì)第i個(gè)任務(wù)子系統(tǒng)的有序程度總貢獻(xiàn)可以通過(guò)對(duì)u(eik)的集成實(shí)現(xiàn)。稱u(ei)為序參量變量ei子系統(tǒng)的系統(tǒng)有序度,具體模型表示為[12,13]:
(3)
1.3合作伙伴選擇的系統(tǒng)協(xié)同度模型
設(shè)對(duì)于給定初始時(shí)刻t0,某個(gè)任務(wù)子系統(tǒng)序參量的系統(tǒng)有序度為u0(ei),i=1,2,…,n,當(dāng)系統(tǒng)演化到t1時(shí)刻,此時(shí)任務(wù)子系統(tǒng)序參量的系統(tǒng)有序度為u1(ei),i=1,2,…,n。如果滿足u1(ei)>u0(ei)恒成立,則稱n個(gè)任務(wù)子系統(tǒng)構(gòu)成的合作伙伴選擇復(fù)合系統(tǒng)從t0到t1是協(xié)同發(fā)展的,由此定義合作伙伴選擇的系統(tǒng)協(xié)同度模型為[12,13]:
(4)
該模型刻畫了各個(gè)任務(wù)子系統(tǒng)之間演化過(guò)程的和諧程度。協(xié)同度越高,表明了n個(gè)任務(wù)子系統(tǒng)間協(xié)同性越好,默契配合程度越高。
1.4合作伙伴選擇的優(yōu)化模型
以極大化系統(tǒng)協(xié)同度為優(yōu)化目標(biāo)的虛擬企業(yè)合作伙伴選擇的模型描述如下:
(5)
(6)
Sir≤Si
(7)
Fir+Tirjq≤Sjq
i=1,2,...,n;r=1,2,...,mi;q=1,2,...,mj,
(8)
(9)
其中:Pir=1表明候選伙伴Pir被選中完成子任務(wù)Vi,Pir=0則表明候選伙伴Pir未被選中完成子任務(wù)Vi;Sir表示候選伙伴Pir計(jì)劃完成子任務(wù)Vi的開工時(shí)間;Fir表示候選伙伴Pir計(jì)劃完成子任務(wù)Vi的完工時(shí)間;Cir表示候選伙伴Pir完成子任務(wù)Vi需要的制造費(fèi)用;Cirjq表示候選伙伴Pir完成的子任務(wù)送到Pjg所需的費(fèi)用,?(i,j)∈Q;Tirjq表示候選伙伴Pir完成的子任務(wù)送到Pjq所需的時(shí)間,?(i,j)∈Q;Si表示項(xiàng)目要求的子任務(wù)Vi計(jì)劃開工時(shí)間;C表示完成該項(xiàng)目的總成本預(yù)算;式(5)表示極大化系統(tǒng)協(xié)同度;式(6)表示每個(gè)子任務(wù)務(wù)必由相應(yīng)的候選伙伴中選一個(gè)候選伙伴單獨(dú)完成該子任務(wù);式(7)保證滿足子任務(wù)的計(jì)劃開工時(shí)間約束;式(8)保證子任務(wù)的允許開工時(shí)間約束;式(9)保證滿足整個(gè)項(xiàng)目總成本約束。
2混合IWO算法設(shè)計(jì)
2.1基本IWO算法
IWO算法由Mehrabian等人于2006首次提出[14],它是一種模擬雜草入侵過(guò)程的群智能算法。IWO算法包含如下四個(gè)步驟:
1) 初始化種群:在搜索的范圍內(nèi)隨機(jī)生成若干棵雜草,并計(jì)算出每一棵雜草的適應(yīng)度值。
2) 生長(zhǎng)繁殖:每棵雜草根據(jù)他們適應(yīng)度值大小,按一定比例產(chǎn)生種子,繁衍后代。
3) 空間分布:以均值為0,方差(步長(zhǎng))為d,按一定規(guī)律減小的正態(tài)分布,在父代雜草個(gè)體周圍的D維空間進(jìn)行空間擴(kuò)散。
4) 競(jìng)爭(zhēng)生存:經(jīng)過(guò)若干代的繁殖,當(dāng)雜草總數(shù)超過(guò)該地所能承受的最大值,淘汰適應(yīng)度值小的個(gè)體,從而滿足種群中上限值要求。
IWO算法簡(jiǎn)單且具有一定的魯棒性和自適應(yīng)性,已經(jīng)在自然科學(xué)及工程科學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但基本IWO算法也存在算法搜索后期雜草多樣性缺乏,局部搜索能力不足,容易出現(xiàn)早熟現(xiàn)象。
2.2嵌入混沌搜索行為的混合IWO算法
針對(duì)基本的IWO算法存在的不足,提出了一種嵌入混沌搜索行為的混合IWO算法,在基本IWO算法陷入局部最優(yōu)解時(shí),在其周圍進(jìn)行了混沌搜索,產(chǎn)生若干組新解,從而增加了搜索后期雜草的多樣性,并提高了算法的局部搜索能力。
算法的編碼方式采用自然數(shù)編碼。構(gòu)造適應(yīng)度函數(shù)如下:
Fit=XTD-γ
(10)
式(10)右邊第1項(xiàng)即為目標(biāo)函數(shù),第2項(xiàng)為懲罰項(xiàng)。其中,當(dāng)雜草滿足式(6)-式(9)所有的約束條件時(shí),懲罰項(xiàng)γ=0;當(dāng)雜草未滿足約束條件時(shí),懲罰項(xiàng)γ為足夠大的正值。
2.2.1混沌映射模型
混沌序列是一種非線性的動(dòng)力系統(tǒng),它具有很高的偽隨機(jī)特性,并且本身又是具有不確定性,對(duì)初始狀態(tài)具有很高的敏感性。采用常用的Tent混沌序列[15]:
(11)