《電子技術(shù)應(yīng)用》
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云制造環(huán)境下基于功能需求的資源發(fā)現(xiàn)方法
來(lái)源:微型機(jī)與應(yīng)用2014年第8期
李鵬飛,李海波
(華僑大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,,福建 廈門(mén)361021)
摘要: 云制造環(huán)境中存在大量功能相同或相似的資源,,使得用戶(hù)很難獲得符合需求的資源。針對(duì)這個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題,,對(duì)云制造環(huán)境下基于功能需求的資源發(fā)現(xiàn)進(jìn)行了研究,,提出了一種云制造資源發(fā)現(xiàn)框架。首先對(duì)云制造資源進(jìn)行形式化描述,,并分別計(jì)算語(yǔ)義相似性,,然后進(jìn)行加權(quán)相似度計(jì)算,最后采用聚類(lèi)技術(shù),,從功能相似角度對(duì)資源進(jìn)行聚類(lèi)預(yù)處理,,從而降低資源查找空間,提高資源發(fā)現(xiàn)效率,。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提方法的有效性,。
Abstract:
Key words :

摘  要: 云制造環(huán)境中存在大量功能相同或相似的資源,使得用戶(hù)很難獲得符合需求的資源,。針對(duì)這個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題,,對(duì)云制造環(huán)境下基于功能需求資源發(fā)現(xiàn)進(jìn)行了研究,提出了一種云制造資源發(fā)現(xiàn)框架,。首先對(duì)云制造資源進(jìn)行形式化描述,,并分別計(jì)算語(yǔ)義相似性,然后進(jìn)行加權(quán)相似度計(jì)算,,最后采用聚類(lèi)技術(shù),,從功能相似角度對(duì)資源進(jìn)行聚類(lèi)預(yù)處理,從而降低資源查找空間,,提高資源發(fā)現(xiàn)效率,。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提方法的有效性,。
關(guān)鍵詞: 云制造;功能需求,;資源發(fā)現(xiàn),;語(yǔ)義相似

    為了從根本上解決我國(guó)制造業(yè)普遍存在的制造能力重復(fù)建設(shè)和不均衡、資源閑置和資源瓶頸并存的問(wèn)題,,人們?cè)贏SP,、制造網(wǎng)格、敏捷制造和眾包制造的基礎(chǔ)上提出了云制造的概念,。李伯虎院士指出,,云制造是一種利用網(wǎng)絡(luò)和云制造服務(wù)平臺(tái),按用戶(hù)需求組織網(wǎng)上制造資源,,為用戶(hù)提供各類(lèi)按需制造服務(wù)的一種網(wǎng)絡(luò)化制造新模式[1],。云制造作為一種基于知識(shí)、面向服務(wù),、高效低碳的網(wǎng)絡(luò)化制造新模式,,強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品全生命周期中各類(lèi)制造資源的整合與高度共享,在云制造環(huán)境中,,資源提供者把自己閑置的制造資源通過(guò)智能感知并虛擬化接入云制造平臺(tái),、經(jīng)過(guò)服務(wù)化后以服務(wù)的形式發(fā)布到云制造平臺(tái),資源使用者通過(guò)向云制造服務(wù)平臺(tái)提出資源請(qǐng)求,,實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)按需地使用各類(lèi)制造資源[2],。
    隨著云制造技術(shù)的應(yīng)用與普及,云制造平臺(tái)中資源數(shù)量急劇增加,,面對(duì)龐大的資源群,,如何發(fā)現(xiàn)符合需求的資源,實(shí)現(xiàn)資源智能高效的匹配成為云制造技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的重大瓶頸,。因此,,在云制造環(huán)境下進(jìn)行資源發(fā)現(xiàn)技術(shù)的研究,,對(duì)于云制造服務(wù)平臺(tái)的實(shí)施和開(kāi)展具有重要意義,。當(dāng)前有關(guān)云制造的研究主要是集中在概念、體系結(jié)構(gòu),、關(guān)鍵技術(shù)[3]等方面,,有關(guān)云制造環(huán)境下資源發(fā)現(xiàn)的研究并不多,但是已有文獻(xiàn)中關(guān)于網(wǎng)格資源和服務(wù)發(fā)現(xiàn)的研究值得借鑒,。王真等人[4]提出了一種基于資源本體的Web服務(wù)發(fā)現(xiàn)與組合方法,,通過(guò)分析服務(wù)輸入輸出關(guān)系,建立了一種逐級(jí)查找的Web服務(wù)組合方法,,具有較高的組合質(zhì)量和效率,;姚清等人[5]提出服務(wù)行為的概念,,并對(duì)其進(jìn)行語(yǔ)義標(biāo)注,然后再比較服務(wù)相似度,,實(shí)驗(yàn)表明該算法能夠有效提高服務(wù)發(fā)現(xiàn)效率,。另外,高翔等人[6]提出了一種基于功能匹配的服務(wù)資源選擇算法,,在概念結(jié)構(gòu)匹配的基礎(chǔ)上,,考慮輸入輸出間的不同,使得機(jī)器人能夠根據(jù)任務(wù)需求,,從分布式資源環(huán)境中快速查找到符合需求的服務(wù),;郭皓明等人[7]指出功能需求是應(yīng)用流程所需服務(wù)功能的基本邏輯描述單元,針對(duì)SOA環(huán)境中資源聚合的特點(diǎn),,提出了一種以功能需求為驅(qū)動(dòng)的資源聚合方法,。總體來(lái)說(shuō),,現(xiàn)有研究一般都是直接查找制造資源及其服務(wù),,比較輸入輸出關(guān)系,而沒(méi)有對(duì)資源及其服務(wù)預(yù)處理,,在數(shù)量龐大的情況下,,這樣無(wú)疑會(huì)消耗大量時(shí)間。
    本文將聚類(lèi)技術(shù)引入到云制造環(huán)境中,,并對(duì)云制造環(huán)境下資源的功能需求進(jìn)行定義和語(yǔ)義描述,。在資源功能需求的基礎(chǔ)上,構(gòu)建一種云制造資源發(fā)現(xiàn)框架,,對(duì)云制造環(huán)境下的資源發(fā)現(xiàn)進(jìn)行研究,。
1 云制造資源發(fā)現(xiàn)框架
    云制造資源是指涉及制造行業(yè)相關(guān)企業(yè)的一切活動(dòng)和產(chǎn)品全生命周期的所有資源的總稱(chēng),云制造系統(tǒng)中的成員并無(wú)太多交互,,用戶(hù)提交的資源請(qǐng)求要通過(guò)云制造服務(wù)平臺(tái)來(lái)尋找,,為了快速發(fā)現(xiàn)符合需求的資源,本文提出了一種基于功能需求的云制造資源發(fā)現(xiàn)框架,,如圖1所示,。在該框架中,資源提供者將自身所擁有的空閑資源(包括硬制造資源,、軟制造資源等)發(fā)布注冊(cè)到云制造資源池,,然后平臺(tái)根據(jù)資源功能屬性對(duì)資源池中的所有資源進(jìn)行聚類(lèi)。資源使用者通過(guò)云制造服務(wù)平臺(tái)發(fā)出資源請(qǐng)求,,需求解析器則對(duì)請(qǐng)求進(jìn)行需求分析,,將功能需求與資源池中的資源進(jìn)行比較,最后將所得到的結(jié)果返回給用戶(hù),。

    云制造環(huán)境下,,資源具有動(dòng)態(tài)性,、異構(gòu)性、數(shù)目龐大,、類(lèi)型廣泛等特點(diǎn),,為支持資源的快速查找與精確匹配,首先對(duì)云制造資源的功能信息進(jìn)行了語(yǔ)義描述,。
    定義1 功能需求是云制造中表征資源功能的基本邏輯描述單元,,可以用輸入、輸出等進(jìn)行定義,,將資源功能需求抽象為以下三元組:
    Res=(Des,,In,Out)
其中,,Des表示資源的基本描述信息,,In表示資源的輸入集合,Out表示資源的輸出集合,,Des,、In、Out都用本體進(jìn)行標(biāo)注,。為簡(jiǎn)單起見(jiàn),,本文假定存在一個(gè)共享的本體庫(kù),云制造平臺(tái)中的所有資源都基于該本體庫(kù)進(jìn)行描述,。
2 基于功能需求的資源聚類(lèi)
    云制造服務(wù)平臺(tái)中,,很多資源都能完成相似的功能,雖然這些資源或許屬性會(huì)有所不同,,但是具有相近的語(yǔ)義信息,,因此,預(yù)先對(duì)這些資源進(jìn)行聚類(lèi)預(yù)處理,,可以使資源發(fā)現(xiàn)效率更為高效,。本節(jié)從資源的功能需求出發(fā),充分考慮其語(yǔ)義信息,,并計(jì)算其相似度,,從而對(duì)云制造資源池中的海量資源進(jìn)行聚類(lèi)。
    假設(shè)存在兩個(gè)制造資源Resi和Resj,,下面對(duì)它們的功能需求基本描述(Desi,、Desj)、輸入(Ini,、Inj)和輸出(Outi、Outj)進(jìn)行相似度計(jì)算,。
2.1 語(yǔ)義相似度
    本體是對(duì)領(lǐng)域知識(shí)概念的抽象,,通過(guò)定義概念以及概念與概念之間的關(guān)系來(lái)描述語(yǔ)義信息,,本文采用下面的方式來(lái)定義語(yǔ)義相似度。
   
2.3 輸入?yún)?shù)的相似性
    云制造環(huán)境下,,資源種類(lèi)繁多功能各異,,資源之間因其使用方式、客戶(hù)需求等不同而存在很大差異,,因此,,為了準(zhǔn)確表示某一資源的功能,通常大多數(shù)資源的輸入都是由一組參數(shù)來(lái)進(jìn)行描述的,。這里假定各自輸入?yún)?shù)為Ini={ini1,,ini2,…}和Inj={inj1,,inj2,,…},在有多個(gè)參數(shù)的情況下,,就不能直接運(yùn)用上面公式來(lái)求解,。考慮到每一個(gè)參數(shù)都是對(duì)應(yīng)于本體庫(kù)中的一個(gè)概念,,可以先對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行兩兩配對(duì),,在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行相似度計(jì)算。圖3是假設(shè)兩組參數(shù)之間可能存在的配對(duì)情況,,可以看出,,每一個(gè)參數(shù)都可能與另外一組的輸入?yún)?shù)進(jìn)行配對(duì),因此,,需要從這些配對(duì)組合中找到配對(duì)程度最高的組合,,也就是最優(yōu)配對(duì)。圖4是一種可能的配對(duì)結(jié)果,。

 

 

2.5 綜合相似度計(jì)算
    前面已經(jīng)對(duì)資源功能屬性的3個(gè)方面進(jìn)行了相似度計(jì)算,,則資源之間的相似度就可以用如下公式表示:
    Sim(Resi、Resj)=w1Sim(Desi,、Desj)+w2Sim(Ini,、Inj)+w3Sim(Outi、Outj)
其中,,w1,、w2、w3分別表示基本描述,、輸入?yún)?shù),、輸出參數(shù)三者在資源功能描述中所占的權(quán)重,并且w1+w2+w13=1,,0≤w1,,w2,,w3≤1。
    至此,,云制造環(huán)境下基于功能屬性的資源相似度已經(jīng)計(jì)算完畢,,接下來(lái)只需要對(duì)資源池中的所有資源進(jìn)行兩兩相似性計(jì)算,從而實(shí)現(xiàn)基于功能屬性的資源聚類(lèi),。聚類(lèi)技術(shù)當(dāng)前已經(jīng)發(fā)展得比較成熟,,其方法就是根據(jù)相似度將資源池中的資源不斷聚合,形成越來(lái)越多的類(lèi),,直到不能聚合或者滿(mǎn)足一定條件為止,,至于具體過(guò)程,這里就不再介紹,,直接運(yùn)用當(dāng)前已經(jīng)存在的方法[9-10]即可,。
3 云制造資源發(fā)現(xiàn)算法
    云制造環(huán)境下資源規(guī)模和數(shù)量龐大,再加上資源種類(lèi)繁多,,這就使得云制造環(huán)境下的資源發(fā)現(xiàn)存在很大困難,,因此,先對(duì)資源進(jìn)行聚類(lèi)預(yù)處理,,將與資源請(qǐng)求完全不匹配的資源過(guò)濾掉,,這樣就可以避免和一些相似度較低的資源進(jìn)行匹配計(jì)算,大幅度降低了資源匹配的時(shí)間,。在聚類(lèi)預(yù)處理的基礎(chǔ)上,,本節(jié)對(duì)基于功能屬性的資源發(fā)現(xiàn)算法進(jìn)行研究。
    用戶(hù)向云制造服務(wù)平臺(tái)提交資源請(qǐng)求,,平臺(tái)則對(duì)請(qǐng)求進(jìn)行功能需求分析,,然后將功能需求信息與已有資源的功能屬性進(jìn)行語(yǔ)義比較。為了讓已有資源與請(qǐng)求資源順利匹配,,本文作如下約定:
    (1)已有資源的輸出能夠滿(mǎn)足資源請(qǐng)求的輸出,;
    (2)資源請(qǐng)求的輸入能夠滿(mǎn)足已有資源的輸入。
    上面兩點(diǎn)概括來(lái)講就是,,平臺(tái)所需要的資源輸入必須由用戶(hù)提供,,而用戶(hù)所需要的返回結(jié)果則必須由平臺(tái)已有資源來(lái)進(jìn)行輸出。
    在資源功能聚類(lèi)的基礎(chǔ)上,,如果查找某一資源符合用戶(hù)請(qǐng)求的需求,,那么該資源所在聚類(lèi)的其他資源滿(mǎn)足用戶(hù)需求的可能性要高很多,如果不符合需求,,那么該聚類(lèi)其他資源符合的可能性就很低,,就可以將這個(gè)聚類(lèi)忽略掉。通過(guò)這樣的聚類(lèi)預(yù)處理,資源發(fā)現(xiàn)的復(fù)雜度將大大降低,。整個(gè)資源發(fā)現(xiàn)算法流程大致如下,。
    輸入:基于功能需求的資源聚類(lèi)集合C={C1,,C2,,…,Cn},,資源請(qǐng)求Req=(RIn,,ROut);
    輸出:功能匹配的資源集合S,;
    (1)令集合S元素個(gè)數(shù)為0,,即S=Φ;
    (2)任取一個(gè)新的Ci∈C,;status=0,;
    (3)任取一個(gè)新的Resj=(Inj,Outj)∈Ci,,將Req與Resj中的參數(shù)進(jìn)行語(yǔ)義比較,,若對(duì)Ci中的所有資源比較完畢,則轉(zhuǎn)步驟(8),,否則轉(zhuǎn)步驟(4),;
    (4)對(duì)Req與Resj的輸出參數(shù)進(jìn)行匹配,若能匹配,,則轉(zhuǎn)步驟(5),,否則轉(zhuǎn)步驟(7);
    (5)對(duì)Req與Resj的輸入?yún)?shù)進(jìn)行匹配,,若能匹配,,則轉(zhuǎn)步驟(6),否則轉(zhuǎn)步驟(7),;
    (6)S=S∪{Req},,令status=1,轉(zhuǎn)步驟(3),;
    (7)若status=1,,轉(zhuǎn)步驟(3),否則轉(zhuǎn)步驟(2),;
    (8)輸出集合S,,結(jié)束。
    假設(shè)云制造資源池中有N個(gè)資源,,如果直接查找,,需要對(duì)所有資源遍歷N次。采用聚類(lèi)預(yù)處理后,復(fù)雜性將降為O(M+N/M),,其中M為預(yù)處理后的聚類(lèi)個(gè)數(shù),。
4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
    鑒于目前沒(méi)有可靠的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)和測(cè)試數(shù)據(jù)集,本文對(duì)服裝行業(yè)產(chǎn)品制造全生命周期中涉及的制造資源(如各種物料,、不同工種的人力資源等)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn),,生成測(cè)試用例,從測(cè)試的角度看,,模擬生成的數(shù)據(jù)與真實(shí)情況并無(wú)差別,,不影響實(shí)驗(yàn)結(jié)論。為測(cè)試方便,,實(shí)驗(yàn)首先模擬構(gòu)建領(lǐng)域本體,,并分別模擬生成200、400,、600,、800、1 000個(gè)資源,,同時(shí)資源的輸入輸出參數(shù)個(gè)數(shù)為1~10個(gè),。
    在本文提出的方法和沒(méi)有進(jìn)行聚類(lèi)預(yù)處理直接查找這兩種情況下,對(duì)于某一特定的資源請(qǐng)求,,分別在資源池中尋找符合需求的資源,,若找到,則計(jì)算查詢(xún)時(shí)間以及查找到的資源個(gè)數(shù),,并分別在不同數(shù)目候選資源情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn),,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5和圖6所示。

    仿真實(shí)驗(yàn)表明,,采用聚類(lèi)預(yù)處理查詢(xún)到符合需求資源所用時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于直接查找的時(shí)間,,平均查詢(xún)時(shí)間大大降低;同時(shí)采用聚類(lèi)預(yù)處理所查找到的資源數(shù)目也更少,,說(shuō)明了本文所提出的方法更精確,。另外也可以發(fā)現(xiàn),候選資源數(shù)目越多,,本文所提出方法的效果越明顯,。
    本文對(duì)云制造環(huán)境下的資源發(fā)現(xiàn)進(jìn)行了研究,提出了一種基于功能需求的資源發(fā)現(xiàn)方法,。首先利用現(xiàn)有聚類(lèi)技術(shù)將云制造資源池中的所有資源進(jìn)行功能聚類(lèi),,然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步篩選出符合需求的資源,通過(guò)此方法,,有效地降低了資源查找空間,,提高了資源發(fā)現(xiàn)效率,。
    本文的研究只是對(duì)云制造環(huán)境下的資源發(fā)現(xiàn)作了一個(gè)初步的探討,在今后的工作中將對(duì)本文所提出的方法作進(jìn)一步的改進(jìn),。另外,,云制造強(qiáng)調(diào)的是產(chǎn)品全生命周期中資源的高度整合與共享,因此,,產(chǎn)品全流程下的資源發(fā)現(xiàn)也是今后研究工作的一個(gè)重點(diǎn),。
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