基于本体的制造网格任务管理关键技术研究

论文摘要

在经济全球化、全球信息化形势下,制造网格成为网络化制造领域新的研究热点。制造网格的最终目标是实现对制造资源的共享和协同工作,提供良好的服务质量（QoS）,以完成用户（服务请求者）提交的任务。任务管理是制造网格中基础性和关键性的研究工作。在任务实施过程中,任务管理系统必须能够根据任务的服务需求和制造网格资源的服务状态,对任务所要求的资源服务进行服务的发现和匹配,同时,任务的创建和描述、任务的分解和规划、任务的调度和执行等问题也必须得到有效的解决。任务管理是制造网格系统连接应用主体的关键纽带,其功能不完善,将制约制造网格的应用与推广。所以,任务管理系统的成功与否不仅关系到服务的效率和成败,同时直接决定制造网格用户的参与和接受程度。论文深入分析研究了制造网格环境中的任务管理问题,从理论研究和实际应用的角度围绕任务管理的若干关键技术展开,在制造网格任务创建、分解、规划、建模、服务发现与匹配等方面进行了较深入研究。任务管理关键技术的研究和实现,从技术上解决了影响制造网格应用的瓶颈问题。为了论文研究内容的全面展开,研究和实现基于本体的制造网格任务和服务描述、基于模块化的制造网格任务分解、基于活动工期和服务约束的制造网格任务规划、基于本体和服务能力的服务发现和匹配,论文首先在分析和研究网格技术、语义网技术的基础上,结合网络化制造的特点,构建了一个支持本体服务的制造网格体系结构及其任务管理的系统结构,分析了本地服务层、核心服务层、公共服务层及领域服务层的功能特点。任务管理系统是制造网格系统结构中的一个应用。论文对任务管理系统中任务创建与建模、任务分解与规划、服务发现与任务分配、任务执行与监控等功能模块的主要作用进行了分析,为研究任务管理关键技术奠定了理论基础。制造网格中服务请求者对服务需求的描述与服务提供者对服务的描述常因企业而异。为寻找先进的理论和方法指导制造网格任务与服务描述,以实现快速、高效的制造网格服务发现与匹配,提出了基于本体的制造网格任务与服务的建模方法。将本体论与网络化制造研究相结合,通过分析制造网格中的基本本体类,建立了一个基于OWL-S的面向网络化制造的Web本体模型—制造网格本体,并基于制造网格本体分别建立了制造网格任务与服务的描述模型,实现了制造网格任务与服务的语义化描述,为进行基于本体的制造网格服务发现与匹配研究奠定了基础。制造网格任务需要分解成为一系列的子任务和活动,以便于多个服务节点提供的服务进行协作完成。论文根据制造业的任务特点提出了一种基于模块化的任务分解策略和分解模型,根据任务的“弱耦合,强内聚”的要求,分别提出了一种活动间相关度判定的方法和任务粒度的度量方法,并建立了基于QoS的任务分解规则,提出了制造网格任务分解的基本步骤和方法。为了对制造网格任务进行有效管理和控制,需要对任务分解后的活动进行规划,根据活动间的约束关系确定关键活动及其时间进度,达到缩短整体任务的完成工期,提高服务质量（QoS）的目的。本文提出了先基于活动工期进行任务初始规划,再对服务约束下的任务规划进行调整的方法,还提出了基于活动工期和服务约束下的工期-成本优化算法,实现了“向关键路径要时间,向非关键路径要资源（服务）”的制造网格任务规划目标。在制造网格环境下,任务服务能力需求与服务的服务能力相匹配是服务发现与匹配的基本要求,关系到制造网格资源共享目标的实现。为此,在分析和总结相关研究的基础上,给出了基于OWL-S的制造网格服务发布、发现与匹配过程,定义了任务与服务的匹配度,提出了基于服务能力的匹配要素IOPE和匹配规则,还提出了一种基于本体和服务能力的制造网格服务发现与匹配的算法。最后,对本文的研究内容进行了开发和应用验证,实现了制造网格任务提交与描述、任务分解与规划功能,初步设计和实现了基于语义Web服务的制造网格任务与服务描述、服务发现与匹配的原型系统。通过一个制造加工类型任务的应用实例验证了系统的合理性和可行性,获得了很多有价值的经验和数据,为制造网格任务管理的进一步完善和应用奠定了坚实的基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.1.1 制造业信息化背景
• 1.1.2 网格技术背景
• 1.1.3 制造网格背景
• 1.2 课题来源
• 1.3 课题研究的目的和意义
• 1.3.1 制造网格任务管理的重要性
• 1.3.2 课题研究的目的
• 1.3.3 课题研究的意义
• 1.4 国内外研究现状和发展趋势
• 1.4.1 网格任务管理的研究现状
• 1.4.2 制造网格任务管理的研究现状
• 1.4.3 发展趋势
• 1.5 相关技术及理论基础
• 1.5.1 Web 服务
• 1.5.2 OGSA 及网格服务
• 1.5.3 Globus 和GT4
• 1.5.4 本体论概述
• 1.6 论文的主要研究内容及结构
• 1.6.1 论文的主要研究内容
• 1.6.2 论文的结构
• 1.7 本章小结
• 第2章 基于本体的制造网格及其任务管理系统结构
• 2.1 基于本体的制造网格体系结构
• 2.1.1 制造网格本地服务层
• 2.1.2 制造网格核心服务层
• 2.1.3 制造网格公共服务层
• 2.1.4 制造网格领域服务层
• 2.2 制造网格环境中的任务管理
• 2.2.1 制造网格任务管理系统的特点
• 2.2.2 制造网格任务管理需求分析
• 2.2.3 本文要解决的任务管理问题
• 2.3 制造网格任务管理系统的结构
• 2.3.1 任务创建与建模
• 2.3.2 任务分解与规划
• 2.3.3 服务发现与任务分配
• 2.3.4 任务执行与监控
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于本体的制造网格任务和服务建模研究
• 3.1 基于OWL-S 的制造网格本体
• 3.1.1 语义Web 服务的描述语言OWL-S
• 3.1.2 制造网格中的基本本体类
• 3.1.3 基于OWL-S 的制造网格本体的建立
• 3.2 基于制造网格本体的制造网格任务建模
• 3.2.1 制造网格任务及其特点
• 3.2.2 活动服务能力需求模型和任务描述模型
• 3.2.3 基于制造网格本体的制造网格任务语义化描述
• 3.3 基于制造网格本体的制造网格服务建模
• 3.3.1 制造网格服务的定义及服务建模的目标和意义
• 3.3.2 制造网格服务描述模型
• 3.3.3 基于制造网格本体的制造网格服务语义化描述
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于模块化的制造网格任务分解研究
• 4.1 任务分解的一般原则和基本定义
• 4.1.1 任务分解的一般原则
• 4.1.2 任务分解的基本定义
• 4.2 基于模块化的制造网格任务分解策略
• 4.2.1 模块与模块化的概念综述
• 4.2.2 基于模块化的制造网格任务分解的可行性及意义
• 4.2.3 基于模块化面向服务的任务分解策略分析
• 4.2.4 制造网格模块化分解模型的建立
• 4.3 任务的耦合和内聚及其判定和度量方法
• 4.3.1 任务的耦合和内聚
• 4.3.2 任务的内聚性：任务分解的粒度控制及其内聚性度量
• 4.3.3 任务的耦合性：任务分解的相关度判定
• 4.4 制造网格任务分解的规则和基本步骤
• 4.4.1 任务分解的形式化描述和特点
• 4.4.2 基于QoS 的制造网格任务分解规则
• 4.4.3 制造网格任务分解的基本步骤
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于活动工期和服务约束的制造网格任务规划研究
• 5.1 制造网格任务规划概述
• 5.1.1 活动的约束关系及网络图
• 5.1.2 任务规划网络图的基本定义
• 5.1.3 传统网络计划技术及不足
• 5.1.4 制造网格任务规划的步骤和主要内容
• 5.2 基于活动工期的制造网格任务初始规划方法
• 5.2.1 常规任务和新型任务及其活动工期
• 5.2.2 任务初始规划网络图的绘制
• 5.2.3 任务规划的时间参数计算
• 5.2.4 关键活动和关键路径的确定
• 5.3 服务约束下的制造网格任务规划方法
• 5.3.1 服务约束对任务规划网络的影响
• 5.3.2 建立活动间的服务约束与综合评价
• 5.3.3 基于服务约束的规划修正及时间参数计算
• 5.3.4 任务总工期及其完成概率的计算
• 5.4 制造网格任务规划的优化方法与算法研究
• 5.4.1 任务规划的优化方法
• 5.4.2 任务规划的形式化描述
• 5.4.3 任务规划的时间参数模型
• 5.4.4 任务规划的工期-成本优化算法
• 5.5 本章小结
• 第6章 基于本体和服务能力的制造网格服务发现与匹配研究
• 6.1 概述
• 6.1.1 传统的Web 服务发现机制及不足
• 6.1.2 制造网格服务发现与匹配存在的问题
• 6.1.3 制造网格服务发现与匹配的基本要求——服务能力匹配
• 6.2 基于OWL-S 的制造网格服务发现与匹配方法
• 6.2.1 基于OWL-S 的制造网格服务发现与匹配模型
• 6.2.2 OWL-S/UDDI 转换器
• 6.2.3 基于OWL-S 的服务发布过程
• 6.2.4 基于OWL-S 的服务发现与匹配过程
• 6.3 基于服务能力的匹配要素、匹配规则及算法流程
• 6.3.1 制造网格服务的服务能力、匹配要素及其形式化描述
• 6.3.2 制造网格任务与服务的匹配度与匹配规则
• 6.3.3 基于服务能力的制造网格服务发现与匹配算法
• 6.4 本章小结
• 第7章 制造网格任务管理原型系统的实现
• 7.1 系统开发目标和环境
• 7.1.1 系统开发目标
• 7.1.2 系统开发环境和工具
• 7.2 任务管理系统的开发与实现
• 7.2.1 任务管理系统应用开发结构
• 7.2.2 任务创建、分解和规划模块的设计和实现
• 7.2.3 基于OWL-S 的服务发现与匹配模块设计
• 7.2.4 语义推理机的实现——Reasoner 类
• 7.3 基于制造加工类型任务的应用实例
• 7.3.1 任务的提交、分解和规划
• 7.3.2 制造网格领域本体库的建立
• 7.3.3 任务与服务的语义化描述
• 7.3.4 制造网格服务匹配算法的实现
• 7.3.5 应用分析
• 7.4 本章小结
• 第8章 总结与展望
• 8.1 研究成果和创新点
• 8.2 进一步研究方向
• 8.3 本章小结
• 参考文献
• 图表清单
• 博士学习期间公开发表的论文
• 博士学习期间参与完成的主要科研项目
• 致谢