李曉娟，袁逸萍，孫文磊，李華華

(新疆大學 機械工程學院，烏魯木齊 830047)

云制造模式下QoS驅(qū)動的制造服務協(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 機械工程學院，烏魯木齊 830047)

根據(jù)云制造服務網(wǎng)絡(luò)本身所具有的自組織特點，以復雜網(wǎng)絡(luò)的角度和觀點來研究云制造模式下的制造服務相互作用關(guān)系，提出QoS驅(qū)動的制造服務自組織演化模型。在該模型中綜合考慮制造服務QoS驅(qū)動的擇優(yōu)性，協(xié)作關(guān)系的動態(tài)性、連接的約束性等特點，對可能的演化結(jié)果進行理論推導和證明，從理論上證明云制造服務協(xié)作網(wǎng)絡(luò)具有無尺度特征。該項研究揭示了云制造模式下制造服務協(xié)作的性質(zhì)和演化規(guī)律提供一種新方法，為進一步探索云制造系統(tǒng)動力學特性提供理論基礎(chǔ)。

云制造；制造服務；協(xié)作網(wǎng)絡(luò)；演化

0 引言

隨著社會的進步和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)計與制造和多角色參與的活動，要求多部門、跨地區(qū)的各種資源的支持，然而，因為新產(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，這嚴重阻礙了企業(yè)的核心競爭能力和產(chǎn)品創(chuàng)新能力的提升。

云制造作為一種面向服務的、需求驅(qū)動的制造新模式，能夠支持網(wǎng)上各類制造資源的廣泛互聯(lián)、充分共享和動態(tài)管理，支持產(chǎn)品全生命周期活動中的制造資源按需聚合與高效協(xié)同。為實現(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行虛擬封裝，并智能接入云制造服務平臺，繼而形成通過網(wǎng)絡(luò)被發(fā)現(xiàn)匹配、經(jīng)營管理、按需使用和組合調(diào)用的制造服務。在用戶需求的驅(qū)動下，將制造服務之間建立起動態(tài)地、隨時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，各制造服務之間的相互協(xié)作緊密程度會隨著各種動態(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定義為節(jié)點，制造服務之間的相互作用關(guān)系定義為邊，構(gòu)建制造服務協(xié)作網(wǎng)絡(luò)，制造服務協(xié)作網(wǎng)絡(luò)具有動態(tài)、非線性、演化等復雜網(wǎng)絡(luò)行為特征，其復雜性可以視為節(jié)點變化和連接邊變化兩個方面綜合作用的結(jié)果，其中節(jié)點的變化包括資源數(shù)目的增加、減少和資源自身的擴展這兩個方面，連邊的變化則包括資源關(guān)系強度的增加和減少以及資源間連接特性的改變。

近年來，復雜網(wǎng)絡(luò)的研究引起了國內(nèi)外許多相關(guān)領(lǐng)域科研人員的關(guān)注。復雜網(wǎng)絡(luò)理論是一門新興的學科，為復雜系統(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雜網(wǎng)絡(luò)模型，其中最著名的是Erdos和Renyi研究的隨機圖[3]、Watts和Strogatz提出的小世界網(wǎng)絡(luò)模型[4]以及Barabasi和Albert提出的無標度網(wǎng)絡(luò)模型[5]。隨著研究的不斷深入，復雜網(wǎng)絡(luò)作為分析復雜系統(tǒng)的有力工具和方法已廣泛應用于交通、電力、生物、氣候等領(lǐng)域[6-10]。然而目前，將復雜網(wǎng)絡(luò)應用到制造業(yè)進行相關(guān)基礎(chǔ)研究才剛剛起步。Braha[11]將產(chǎn)品設(shè)計過程中的任務、團隊、零部件等作為產(chǎn)品開發(fā)網(wǎng)絡(luò)的信息節(jié)點，它們之間的信息流動可看作是節(jié)點間的連接邊，在研究信息流的過程中發(fā)現(xiàn)復雜產(chǎn)品開發(fā)網(wǎng)絡(luò)滿足復雜網(wǎng)絡(luò)的無標度特性。于鯤鵬，楊育[12]等人利用復雜網(wǎng)絡(luò)理論，提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)特性的供應鏈脆弱性的加權(quán)綜合分析模型。樊蓓蓓,祁國寧[13]等以工業(yè)汽輪機產(chǎn)品族為研究對象建立了基于復雜機械產(chǎn)品族的零部件關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，并證明了該網(wǎng)絡(luò)的小世界特性和無標度特性，同時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品族網(wǎng)絡(luò)具有分層、模塊性等顯著特點。張峰，楊育[14]等將復雜網(wǎng)絡(luò)理論及方法應用于協(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。

這些文獻分別從不同的角度研究了復雜網(wǎng)絡(luò)在制造業(yè)的應用，然而目前，針對云制造下制造服務協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中拓撲結(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，本文以復雜網(wǎng)絡(luò)的角度和觀點來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，綜合考慮制造服務協(xié)作網(wǎng)絡(luò)具有資源的多樣性、協(xié)作關(guān)系的動態(tài)性、QoS驅(qū)動的生長擇優(yōu)，連接的約束限制等特點，提出了QoS驅(qū)動的制造服務協(xié)作網(wǎng)絡(luò)演化模型，通過構(gòu)建加權(quán)網(wǎng)絡(luò)來刻畫以便對現(xiàn)實中的復雜網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)提供更加準確和詳細的描述。

1 制造服務協(xié)作網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

1.1 制造服務語義化描述

云制造模式下的制造服務數(shù)量巨大、種類復雜，性質(zhì)各異，具有不同的服務質(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相關(guān)的屬性信息并對其進行語義化描述。

定義1：將制造服務MR可定義為一個五元組

MR=

MRbasic表示制造服務相關(guān)的信息，如名稱、簡單描述、供應商聯(lián)系方式等。

MRtype表示制造服務所屬的類別，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、知識資源和設(shè)計資源等。

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

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

1.2 制造服務協(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，并且完成云制造服務的聚集，從而具備了協(xié)同完成制造任務的能力。當市場機會到來時，根據(jù)需求，進行任務分解，通過一定的方法和策略，從平臺中選出最合適資源，經(jīng)過組織建模和協(xié)同建模，完成承接云制造業(yè)務的服務鏈的動態(tài)構(gòu)建。其本質(zhì)可由式(1)表示。

(1)

圖1 制造服務協(xié)作網(wǎng)絡(luò)

定義2：制造服務協(xié)作網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學模型可以用無向加權(quán)網(wǎng)絡(luò)MSNet=G(V，E，W)來表示，點集V表示制造服務的集合設(shè)V={v1,v2,…,vn}(1≤i≤n)，邊集E={e1,e2,…,em}，W表示節(jié)點的協(xié)作狀態(tài)，節(jié)點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)點的協(xié)作狀態(tài)空間可以表示為W=W1×…×Wn，某個時刻網(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)點度ki定義為制造服務合作網(wǎng)絡(luò)模型中與某一節(jié)點有連邊的邊的數(shù)目。

2 制造服務協(xié)作網(wǎng)絡(luò)自組織演化建模

在制造服務協(xié)作網(wǎng)絡(luò)演化模型當中，節(jié)點之間的連邊關(guān)系、網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點總數(shù)目和連邊的權(quán)值都是動態(tài)變化的。不能用BA模型來刻畫這一類型的拓撲特性。我們根據(jù)制造服務合作網(wǎng)絡(luò)特點，提出QoS驅(qū)動的制造服務協(xié)作網(wǎng)絡(luò)演化模型，其要點如下：

(1)制造服務的初始狀態(tài)。每個制造服務隨機賦一個0～1之間的初始MRQoS值，表示可靠度、時間、信譽度、質(zhì)量、成本等。并賦予每一節(jié)點制造服務負載系數(shù)MRload閾值，以控制節(jié)點連接數(shù)。

(2)點的增加。基于QoS偏好的生長擇優(yōu)：在每一個時間階段，可能會有新的制造服務加入到云制造平臺中與多個節(jié)點產(chǎn)生協(xié)作關(guān)系，新加入的制造服務偏好連接服務質(zhì)量高的點，選擇概率如公式(2)所示。

(2)

(3)點的減少：由于市場經(jīng)濟中的優(yōu)勝劣汰機制，服務質(zhì)量越低的點越可能被刪除，首先隨機地選取一個節(jié)點，另一個節(jié)點根據(jù)概率公式(3)確定。

(3)

(4)邊的增加：某一個時間點，原本沒有協(xié)作關(guān)系的節(jié)點之間也許因為發(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)點本來不存在邊，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:原來有協(xié)作關(guān)系的制造服務之間由于某種原因被減少或終止，則節(jié)點之間的邊權(quán)減1。

按照以上7步不斷演化，直至達到仿真結(jié)束條件則停止演化。

3 云制造服務協(xié)同網(wǎng)絡(luò)演化理論推導與證明

演化的初始階段有m0(mo=5)個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)，每一個時間點添加一個節(jié)點，可能會在老的節(jié)點之間增加或者減少邊。初始對每個節(jié)點的隨機賦一個0～1之間的初始QoS值。每個節(jié)點的閾值滿足平均數(shù)R=50的泊松分布。

(1)點的增加：以概率q增加一個新節(jié)點，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)點連接，重復此過程m1(m1=5)。之后根據(jù)所連接節(jié)點的Qos值的大小分配各個邊上的Qos。

(4)

(2)邊的增加：以概率q1在老節(jié)點之間增加m2條邊，以rand(0,1)的概率選取一個節(jié)點為邊的一端，然后根據(jù)(2)式再選取另一端，這個過程重復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，將此過程重復m3次；則有：

(6)

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

則有：

(7)

(5)節(jié)點演化：每隔100個時間步長以概率q4調(diào)整網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對QoS進行修正，有少量的Qos較大的節(jié)點變得很小，少數(shù)Qos較小的節(jié)點迅速增長。

上述參數(shù)滿足0

綜合式(1)～(4)，得出節(jié)點V的Qos變化率方程：

(8)

當t充分大時，有：

(9)

將式(10)帶入式(8)，

(10)

(11)

其中

(12)

4 實例驗證

企業(yè)戰(zhàn)略聯(lián)盟是一種典型的制造服務協(xié)作網(wǎng)絡(luò)組織。它是指由多個各自獨立的企業(yè)基于市場的預期以及實現(xiàn)各自的戰(zhàn)略目標和利益的考慮,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風險和優(yōu)勢共享的一種網(wǎng)絡(luò)組織。本文以新疆維吾爾自治區(qū)“新疆先進裝備制造業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟”平臺數(shù)據(jù)作為實例，選取2013～2014年一年該網(wǎng)站參與競爭與合作的企業(yè)作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(這樣的數(shù)據(jù)包含所有可能的季節(jié)性對制造服務協(xié)作網(wǎng)絡(luò)帶來的影響)，進行建模與網(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)強度分布

從分析結(jié)果可以看出，該網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)與BA無標度網(wǎng)絡(luò)非常接近，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點度分布以及強度分布都滿足冪律分布的特點，即：網(wǎng)絡(luò)具有明顯的無尺度特點。經(jīng)過理論推導和以上的實驗仿真，證明了本文中所形成的網(wǎng)絡(luò)是滿足行業(yè)特色的無標度網(wǎng)絡(luò)特性。通過和現(xiàn)實中網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)特征參數(shù)進行對比分析，證明了本文中所構(gòu)建的演化模型能比較好地描述現(xiàn)實中制造服務協(xié)作網(wǎng)絡(luò)的演化機理。

5 結(jié)論

制造服務協(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)拓撲特征與本身具有的網(wǎng)絡(luò)行為,才能為優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、改進網(wǎng)絡(luò)行為,從而采取合理的網(wǎng)絡(luò)保護措施，保護網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性提供科學依據(jù)?；趶碗s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網(wǎng)絡(luò)的生成或演化機制,刻畫了云制造服務協(xié)作網(wǎng)絡(luò)的形成和演化機理。從理論上和實例上證明了MSNet中節(jié)點強度的冪律分布規(guī)律,即當網(wǎng)絡(luò)演化過程中節(jié)點間邊的消亡數(shù)小于邊的增長數(shù)時,節(jié)點強度分布滿足冪律分布,這項研究成果對研究該網(wǎng)絡(luò)的魯棒性和抗毀性等有著重要的現(xiàn)實意義。

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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)自然科學基金(2014211A008)

李曉娟(1987—)，女，甘肅酒泉人，新疆大學講師，博士研究生，研究方向為復雜生產(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，新疆大學教授，博士，研究方向為計算機集成制造，工業(yè)工程，(E-mail)yipingyuan@163.com。

TH166;TG659

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