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，最后采用聚類技術(shù)，從功能相似角度對(duì)資源進(jìn)行聚類預(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)，按用戶需求組織網(wǎng)上制造資源，為用戶提供各類按需制造服務(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?？傮w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，云制造系統(tǒng)中的成員并無(wú)太多交互，用戶提交的資源請(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。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。

    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
    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。
    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，資源種類繁多功能各異，資源之間因其使用方式、客戶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?？紤]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。聚類技術(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，直到不能聚合或者滿足一定條件為止，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足資源請(qǐng)求的輸出；
    (2)資源請(qǐng)求的輸入能夠滿足已有資源的輸入。
    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提供，而用戶所需要的返回結(jié)果則必須由平臺(tái)已有資源來(lái)進(jìn)行輸出。
    在資源功能聚類的基礎(chǔ)上，如果查找某一資源符合用戶請(qǐng)求的需求，那么該資源所在聚類的其他資源滿足用戶需求的可能性要高很多，如果不符合需求，那么該聚類其他資源符合的可能性就很低，就可以將這個(gè)聚類忽略掉。通過(guò)這樣的聚類預(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，采用聚類預(yù)處理查詢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，平均查詢時(shí)間大大降低；同時(shí)采用聚類預(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)有聚類技術(shù)將云制造資源池中的所有資源進(jìn)行功能聚類，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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