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智能感知并虛擬化接入云制造平臺(tái),、經(jīng)過服務(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來說，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)中的成員并無太多交互，用戶提交的資源請(qǐng)求要通過云制造服務(wù)平臺(tái)來尋找,，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,，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,，通過定義概念以及概念與概念之間的關(guān)系來描述語(yǔ)義信息,，本文采用下面的方式來定義語(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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