论文部分内容阅读
摘要：通过论述制造网格资源管理和计算经济的特点，指出计算经济可以适应制造网格资源管理的特征和需求：提出了一种基于计算经济的制造网格资源管理框架，强调以经济为基础合理分配有限的资源，为不同服务质量需求的应用提供服务，提高资源的使用效率。此管理框架采用层次模型。文章详细论述了各层的功能，并讨论了该框架中的资源发现模式和交易模式。
关键词：制造网格；资源管理；计算经济；层次模型
0 引言
在信息领域，网格技术正在蓬勃发展，网格的应用也越来越受到人们的关注；另一方面，随着社会和经济的发展，跨行业、跨地区、乃至于跨国的制造企业和制造资源正在集结成一个庞大的、复杂的制造网络。网格技术所提供的支持非常符合网络化制造系统的需求，不同学科的相互渗透促成了制造网格概念的提出。它以通用网络为基础，以各种制造资源为结点，以网格平台中间件为桥梁，以市场为机遇，由分布、异构制造资源动态组成虚拟组织，实现资源共享、协同设计和协同制造，以期达到降低制造成本、提高资源利用率的目的。
网格中的资源种类繁多、位置分散、性态各异。如何合理分配有限的资源为不同需求的应用提供服务，提高资源使用效率，是亟待解决的问题。
随着制造网格概念的提出，有一些研究开始涉及制造网格中的资源管理，如上海大学提出了基于MGIS和MGRS的制造网格中资源管理方法及基于服务质量的资源发现框架。这些在一定程度上解决了制造网格中资源管理问题，但是没有考虑制造资源共享中用户间的交易与用户满意程度等因素对资源分配的影响，不能适应制造业资源的基本交易模式，难以实现市场机制下的资源共享。为了解决这些问题，本文提出了基于计算经济的制造网格资源管理框架，将不同制造集成层次中的资源发现模式、资源交易模式等引入网格资源管理，借助网格环境更加便捷地实现制造资源的市场化配置。
1 制造网格资源管理的特殊性
制造网格集成了产品全生命周期内各个相关设计制造资源、各种流程和知识等信息，是现代集成制造系统发展的平台和支撑环境。与计算网格、数据网格等相比，制造网格中的资源范围更为广泛，它包括物能资源、信息资源、技术资源、人力资源、资金资源等在内的综合资源。
1．1 制造网格资源管理的特殊性
资源共享中的交易性 制造网格上资源的共享是一种消耗性的共享，如物料类资源的共享是以资源的实际消耗、转移实现的；能力类的资源如加工、设计等也需要占用资源提供者一方的实际价值；而且资源的供需双方是市场中的经营实体。
资源自主性 资源具有地域上分布的特点，归属于不同的实体。每个实体对自己拥有的资源具有绝对的管理权限，而不必听命于某个指挥中心，因此可能采用不同的管理机制，按自己的意愿选择资源交易方式，协商交易价格，对于市场的随机变化有更为灵活机动的响应能力，可以使自身获得最大的利益。制造网格资源管理的一个重要目标就是顺应这种需求，通过建立一种机制，在资源调度上实现协调一致的问题。
资源种类多样性 制造资源种类繁杂，包括物料、设备、人力、技术甚至资金等多种形式，资源的表达属性千差万别，其存在形式、管理方式、共享方式、使用途径、交易要求、交易方式等方面具有各自不同的特点，因此难于描述和封装管理。但是必须在资源管理体系中提供对资源的有效描述方式。
1．2 计算经济的相关观点
经济学的经典描述是：the science of rational choice under scarcity，具体而言就是研究为达到人类现在和将来的最大满足如何利用有限的资源合理安排生产、又如何将生产出来的产品在消费者中合理分配的一门学科。资源管理的关键点是：如何合理分配有限的资源为不同服务质量需求的应用提供服务，提高资源的使用效率。由此可以看出在资源管理中引入经济学的概念是合情合理的。该方法具有以下优点：
(1)调度由以系统为中心转向了以用户为中心，用户可以自己做出决定以最小的代价获取最好的结果。
(2)市场固有的分布性与网格资源的分布性相适应，为网格资源的管理和控制提供了基础。同时经济模型可以提出合理的付费机制，利益的驱动使用户乐意成为网格中的一员，扩大了网格的规模效益。
(3)价格影响供需变化，根据供需变化进行价格调整，可以使用户在价格和性能上寻求最佳结合点，最终达到合理使用资源，优化资源分配的目的。
(4)在一定程度上支持资源的联合分配。当一个任务的执行需要多个或多类资源时，在购买资源和组合资源时必然要考虑在这些资源之间取得性能价格的平衡和匹配。
2 基于计算经济的制造网格资源管理体系结构
通过上面的论述可以看到，把经济学的概念引入到制造网格资源管理中是一种合理而必要的办法。本文综合考虑制造网格资源管理的特殊性，提出了如图1所示的制造网格资源管理体系结构。
该框架是一个多层结构，层次的划分可使各个部分功能明确，且易于实现。图1中自右至左分别是：
网格资源控制域 指网格结点的内部和外部环境，是经济市场模型中最能体现计算经济的部分。每个网格结点都不可避免地要与外部的市场服务、信息服务和监控系统进行通信。在网格结点内部，资源层之上的各种服务组件构成了域资源管理器(即局部资源管理器)。实际的资源经过资源封装模块封装成网格上可以使用的资源。为了便于在语义上描述资源及资源、属性间的关系，我们采用了资源描述框架(Resource Description Framework，RDF)来描述资源，同时引入了本体的概念。对加入制造网格的不同企业的资源定义通过本体映射进行关联，从而达到资源之间特征的自动匹配，便于资源在网格上的表述和使用。交易服务器是资源所有者代理，它与用户协商，销售自己资源的访问权，其目标是最大化资源使用率并从中获利。
网格中间件服务 它为网格资源代理提供基本的网格服务支持，包括远程进程管理、协同分配资源、存储访问、信息服务、安全认证、Qos、资源预留、资源交易和作业执行等。
网格资源代理 多个网格资源代理通过工作流程管理模块协同工作。每个资源代理使用网格中间件服务，负责资源发现、资源选择、资源邦定、初始化计算、资源动态更新以及建立资源的单一系统映像等功能，主要由作业控制代理、调度器、网格浏览器、交易管理器和发布代理构成。
网格使能工具 主要是接受用户的作业，使用领域知识，对用户作业进行全局工艺规划，确定完成作业的工作流程，把作业分解成多个小任务，运用任务封装模块，把任务封装成可以在网格上运行的任务，同时把相关的作业参数映射为作业包含的各个任务的运行参数。并可以监视作业的执行情况，收集执行结果返还用户。
制造网格应用系统 根据需求开发的一些特殊的应用程 序，如基于制造网格的PDM系统，协同设计系统、供应链系统、远程设备控制和诊断系统等。
Portal层 为用户提供一个基于Web的、一致的、安全的用户界面，使不同地点、不同身份的用户，能够以一致的界面访问制造网格系统。
3 制造网格资源发现模式
制造网格中的制造资源的数量和种类都相当多，这些资源的功能、性能和收费也各不相同，这就给用户查找和利用服务带来了困难。因此如何快速定位满足企业要求的制造资源，并实现这些资源的即插即用，成了一个重要的研究课题。
规则推理和区域背景，使用网格上的服务分两种方式：
定位式 知道服务的存在和具体服务位置，此时可以直接用服务的url或ip地址进行定位，使用服务；
发现式 不知道服务的具体位置或是否存在该类服务，此时要进行资源发现、匹配。可以考虑两种资源匹配方法。一是对称的、基于特征比对的精确匹配。这种匹配方法要求事先建立统一的资源表示模型，网格用户发布和请求资源都基于该模型描述资源，在进行资源匹配时，把发布的资源属性值与作业请求的资源属性值进行比较，可以实现精确匹配，有较高的资源匹配效率和准确度。另一种是基于本体的资源匹配。这种方法用一种具有表达能力的本体描述语言创建独立的本体，来描述资源和作业请求，在资源发布和请求时对资源的描述是非对称的，相对独立的，添加新的描述词汇不需要协同，有较好的可扩展性和灵活性(匹配其结构如下图2所示)。并且引入了背景知识，能得到更准确、合理的资源匹配结果。这种模式适合松散耦合的企业联盟，各企业可以相对独立地创建本体，描述自己的资源。企业问协同时，不同企业的资源定义通过本体映射进行关联，仍然可以方便地进行资源匹配。
我们的平台可以支持各种不同的资源描述和匹配方法，用户可以根据自己的需求选择不同的资源描述方法。
4 制造网格资源交易模式
在为任务分配合适的资源时，除了要考虑资源的特征与任务的需求相匹配外，还要考虑资源的价格等因素，使资源拥有方与使用方都能获得较好的经济效益，用有效的利益机制来促进制造资源的共享。因此要着重研究适合制造资源的交易模式、交易履约保证、服务质量履约保证等。
当前用于网络资源分配的经济模型主要包括基于价格的模型和基于博弈论的模型两类。
基于价格的经济模型 基于价格的经济模型的基本思想是：利用价格杠杆进行调节，在供给大于需求时价格下调，刺激消费，在供给小于需求时价格上调，抑制消费，以达到系统总需求等于系统总供给的均衡状态。微观经济学理论证明，当系统处于均衡状态时，资源配置是最优的，系统总效用最大。主要包括commodity market model、posted price model、bargaining model等模型。它们都是通过市场来决定价格。区别是posted price model是给出资源的优惠条件和基于此条件的优惠价格；而在bargaining model模型中，双方进行交易时可以讨价还价，直到双方都满意为止。
基于博弈论的模型 基于博弈论的模型通常采用拍卖与投标的方式进行市场调节，最终获得纳什经济均衡，达到系统效用最大化拍卖与投标方式主要包括：增价拍卖、减价拍卖、密封递价拍卖、公开招标和不公开招标等。采用拍卖方式，对于卖方来说，可以通过买方的相互竞购，卖出较好的价格；招标与投标是一种按照招标人规定的条件进行的交易，双方在投标人一次递价的条件下交易，没有反复磋商，讨价还价的余地，投标人常会提出优惠的价格以求中标，因此相对来说对招标人较为有利。
制造网格资源交易模式 制造网格实际上构成一个虚拟的制造体集合和资源交易市场，其中的资源具有自主性，资源的拥有者有权选择最适合自己的资源交易模式，制造网格资源管理框架，因此也应该提供多种资源交易模式的可选性。
从宏观上看，这些资源交易是基于价格的，通过价格的调控作用，供需双方达到了利益的平衡点。考虑到每次交易都会受到局部的供求关系、环境、时间和人为等因素的影响，特别是涉及到物料、技术资源的交易，整个交易过程不可能全部在网上完成，这时基于博弈论的模型就比较适合。以某个制造作业查找可用资源为例，交易的具体流程如下(如图3所示)：制造资源通过本地资源控制域中的资源封装模块在网格市场服务中发布，交易服务器所确定出资源的预计出售价格和可以提供的服务质量保证。网格资源代理利用上述匹配方法同时考虑价格等方面的因素，可能同时返回多个符合要求的资源(如图3中资源控制域1、4)。交易管理器向这些资源发出招标邀请。这些资源根据自己的情况决定是否投标，由交易管理器来决定最终选择哪个资源。确定后双方仍可能进行讨价还价，最终确定交易价格。双方谈判完成后，需要签订合同，来保证服务质量。
5 结束语
综上所述，基于制造网格的特殊性，本文把经济领域的研究成果引入制造网格资源管理中，采用层次模型，强调以经济为基础合理分配有限的、种类繁多的制造资源，提出了不同的制造网格实现模式下的资源发现方法和交易模式。实现以用户为中心分配资源，可以激励更多的用户加入网格，实现规模效益。在最大程度上实现设计、制造、信息、技术等资源的共享，克服空间上的距离给不同企业间的协同带来的障碍，完成和完善该模型的原型系统，开发和测试其中的功能组件是我们进一步工作的主要内容。
关键词：制造网格；资源管理；计算经济；层次模型
0 引言
在信息领域，网格技术正在蓬勃发展，网格的应用也越来越受到人们的关注；另一方面，随着社会和经济的发展，跨行业、跨地区、乃至于跨国的制造企业和制造资源正在集结成一个庞大的、复杂的制造网络。网格技术所提供的支持非常符合网络化制造系统的需求，不同学科的相互渗透促成了制造网格概念的提出。它以通用网络为基础，以各种制造资源为结点，以网格平台中间件为桥梁，以市场为机遇，由分布、异构制造资源动态组成虚拟组织，实现资源共享、协同设计和协同制造，以期达到降低制造成本、提高资源利用率的目的。
网格中的资源种类繁多、位置分散、性态各异。如何合理分配有限的资源为不同需求的应用提供服务，提高资源使用效率，是亟待解决的问题。
随着制造网格概念的提出，有一些研究开始涉及制造网格中的资源管理，如上海大学提出了基于MGIS和MGRS的制造网格中资源管理方法及基于服务质量的资源发现框架。这些在一定程度上解决了制造网格中资源管理问题，但是没有考虑制造资源共享中用户间的交易与用户满意程度等因素对资源分配的影响，不能适应制造业资源的基本交易模式，难以实现市场机制下的资源共享。为了解决这些问题，本文提出了基于计算经济的制造网格资源管理框架，将不同制造集成层次中的资源发现模式、资源交易模式等引入网格资源管理，借助网格环境更加便捷地实现制造资源的市场化配置。
1 制造网格资源管理的特殊性
制造网格集成了产品全生命周期内各个相关设计制造资源、各种流程和知识等信息，是现代集成制造系统发展的平台和支撑环境。与计算网格、数据网格等相比，制造网格中的资源范围更为广泛，它包括物能资源、信息资源、技术资源、人力资源、资金资源等在内的综合资源。
1．1 制造网格资源管理的特殊性
资源共享中的交易性 制造网格上资源的共享是一种消耗性的共享，如物料类资源的共享是以资源的实际消耗、转移实现的；能力类的资源如加工、设计等也需要占用资源提供者一方的实际价值；而且资源的供需双方是市场中的经营实体。
资源自主性 资源具有地域上分布的特点，归属于不同的实体。每个实体对自己拥有的资源具有绝对的管理权限，而不必听命于某个指挥中心，因此可能采用不同的管理机制，按自己的意愿选择资源交易方式，协商交易价格，对于市场的随机变化有更为灵活机动的响应能力，可以使自身获得最大的利益。制造网格资源管理的一个重要目标就是顺应这种需求，通过建立一种机制，在资源调度上实现协调一致的问题。
资源种类多样性 制造资源种类繁杂，包括物料、设备、人力、技术甚至资金等多种形式，资源的表达属性千差万别，其存在形式、管理方式、共享方式、使用途径、交易要求、交易方式等方面具有各自不同的特点，因此难于描述和封装管理。但是必须在资源管理体系中提供对资源的有效描述方式。
1．2 计算经济的相关观点
经济学的经典描述是：the science of rational choice under scarcity，具体而言就是研究为达到人类现在和将来的最大满足如何利用有限的资源合理安排生产、又如何将生产出来的产品在消费者中合理分配的一门学科。资源管理的关键点是：如何合理分配有限的资源为不同服务质量需求的应用提供服务，提高资源的使用效率。由此可以看出在资源管理中引入经济学的概念是合情合理的。该方法具有以下优点：
(1)调度由以系统为中心转向了以用户为中心，用户可以自己做出决定以最小的代价获取最好的结果。
(2)市场固有的分布性与网格资源的分布性相适应，为网格资源的管理和控制提供了基础。同时经济模型可以提出合理的付费机制，利益的驱动使用户乐意成为网格中的一员，扩大了网格的规模效益。
(3)价格影响供需变化，根据供需变化进行价格调整，可以使用户在价格和性能上寻求最佳结合点，最终达到合理使用资源，优化资源分配的目的。
(4)在一定程度上支持资源的联合分配。当一个任务的执行需要多个或多类资源时，在购买资源和组合资源时必然要考虑在这些资源之间取得性能价格的平衡和匹配。
2 基于计算经济的制造网格资源管理体系结构
通过上面的论述可以看到，把经济学的概念引入到制造网格资源管理中是一种合理而必要的办法。本文综合考虑制造网格资源管理的特殊性，提出了如图1所示的制造网格资源管理体系结构。
该框架是一个多层结构，层次的划分可使各个部分功能明确，且易于实现。图1中自右至左分别是：
网格资源控制域 指网格结点的内部和外部环境，是经济市场模型中最能体现计算经济的部分。每个网格结点都不可避免地要与外部的市场服务、信息服务和监控系统进行通信。在网格结点内部，资源层之上的各种服务组件构成了域资源管理器(即局部资源管理器)。实际的资源经过资源封装模块封装成网格上可以使用的资源。为了便于在语义上描述资源及资源、属性间的关系，我们采用了资源描述框架(Resource Description Framework，RDF)来描述资源，同时引入了本体的概念。对加入制造网格的不同企业的资源定义通过本体映射进行关联，从而达到资源之间特征的自动匹配，便于资源在网格上的表述和使用。交易服务器是资源所有者代理，它与用户协商，销售自己资源的访问权，其目标是最大化资源使用率并从中获利。
网格中间件服务 它为网格资源代理提供基本的网格服务支持，包括远程进程管理、协同分配资源、存储访问、信息服务、安全认证、Qos、资源预留、资源交易和作业执行等。
网格资源代理 多个网格资源代理通过工作流程管理模块协同工作。每个资源代理使用网格中间件服务，负责资源发现、资源选择、资源邦定、初始化计算、资源动态更新以及建立资源的单一系统映像等功能，主要由作业控制代理、调度器、网格浏览器、交易管理器和发布代理构成。
网格使能工具 主要是接受用户的作业，使用领域知识，对用户作业进行全局工艺规划，确定完成作业的工作流程，把作业分解成多个小任务，运用任务封装模块，把任务封装成可以在网格上运行的任务，同时把相关的作业参数映射为作业包含的各个任务的运行参数。并可以监视作业的执行情况，收集执行结果返还用户。
制造网格应用系统 根据需求开发的一些特殊的应用程 序，如基于制造网格的PDM系统，协同设计系统、供应链系统、远程设备控制和诊断系统等。
Portal层 为用户提供一个基于Web的、一致的、安全的用户界面，使不同地点、不同身份的用户，能够以一致的界面访问制造网格系统。
3 制造网格资源发现模式
制造网格中的制造资源的数量和种类都相当多，这些资源的功能、性能和收费也各不相同，这就给用户查找和利用服务带来了困难。因此如何快速定位满足企业要求的制造资源，并实现这些资源的即插即用，成了一个重要的研究课题。
规则推理和区域背景，使用网格上的服务分两种方式：
定位式 知道服务的存在和具体服务位置，此时可以直接用服务的url或ip地址进行定位，使用服务；
发现式 不知道服务的具体位置或是否存在该类服务，此时要进行资源发现、匹配。可以考虑两种资源匹配方法。一是对称的、基于特征比对的精确匹配。这种匹配方法要求事先建立统一的资源表示模型，网格用户发布和请求资源都基于该模型描述资源，在进行资源匹配时，把发布的资源属性值与作业请求的资源属性值进行比较，可以实现精确匹配，有较高的资源匹配效率和准确度。另一种是基于本体的资源匹配。这种方法用一种具有表达能力的本体描述语言创建独立的本体，来描述资源和作业请求，在资源发布和请求时对资源的描述是非对称的，相对独立的，添加新的描述词汇不需要协同，有较好的可扩展性和灵活性(匹配其结构如下图2所示)。并且引入了背景知识，能得到更准确、合理的资源匹配结果。这种模式适合松散耦合的企业联盟，各企业可以相对独立地创建本体，描述自己的资源。企业问协同时，不同企业的资源定义通过本体映射进行关联，仍然可以方便地进行资源匹配。
我们的平台可以支持各种不同的资源描述和匹配方法，用户可以根据自己的需求选择不同的资源描述方法。
4 制造网格资源交易模式
在为任务分配合适的资源时，除了要考虑资源的特征与任务的需求相匹配外，还要考虑资源的价格等因素，使资源拥有方与使用方都能获得较好的经济效益，用有效的利益机制来促进制造资源的共享。因此要着重研究适合制造资源的交易模式、交易履约保证、服务质量履约保证等。
当前用于网络资源分配的经济模型主要包括基于价格的模型和基于博弈论的模型两类。
基于价格的经济模型 基于价格的经济模型的基本思想是：利用价格杠杆进行调节，在供给大于需求时价格下调，刺激消费，在供给小于需求时价格上调，抑制消费，以达到系统总需求等于系统总供给的均衡状态。微观经济学理论证明，当系统处于均衡状态时，资源配置是最优的，系统总效用最大。主要包括commodity market model、posted price model、bargaining model等模型。它们都是通过市场来决定价格。区别是posted price model是给出资源的优惠条件和基于此条件的优惠价格；而在bargaining model模型中，双方进行交易时可以讨价还价，直到双方都满意为止。
基于博弈论的模型 基于博弈论的模型通常采用拍卖与投标的方式进行市场调节，最终获得纳什经济均衡，达到系统效用最大化拍卖与投标方式主要包括：增价拍卖、减价拍卖、密封递价拍卖、公开招标和不公开招标等。采用拍卖方式，对于卖方来说，可以通过买方的相互竞购，卖出较好的价格；招标与投标是一种按照招标人规定的条件进行的交易，双方在投标人一次递价的条件下交易，没有反复磋商，讨价还价的余地，投标人常会提出优惠的价格以求中标，因此相对来说对招标人较为有利。
制造网格资源交易模式 制造网格实际上构成一个虚拟的制造体集合和资源交易市场，其中的资源具有自主性，资源的拥有者有权选择最适合自己的资源交易模式，制造网格资源管理框架，因此也应该提供多种资源交易模式的可选性。
从宏观上看，这些资源交易是基于价格的，通过价格的调控作用，供需双方达到了利益的平衡点。考虑到每次交易都会受到局部的供求关系、环境、时间和人为等因素的影响，特别是涉及到物料、技术资源的交易，整个交易过程不可能全部在网上完成，这时基于博弈论的模型就比较适合。以某个制造作业查找可用资源为例，交易的具体流程如下(如图3所示)：制造资源通过本地资源控制域中的资源封装模块在网格市场服务中发布，交易服务器所确定出资源的预计出售价格和可以提供的服务质量保证。网格资源代理利用上述匹配方法同时考虑价格等方面的因素，可能同时返回多个符合要求的资源(如图3中资源控制域1、4)。交易管理器向这些资源发出招标邀请。这些资源根据自己的情况决定是否投标，由交易管理器来决定最终选择哪个资源。确定后双方仍可能进行讨价还价，最终确定交易价格。双方谈判完成后，需要签订合同，来保证服务质量。
5 结束语
综上所述，基于制造网格的特殊性，本文把经济领域的研究成果引入制造网格资源管理中，采用层次模型，强调以经济为基础合理分配有限的、种类繁多的制造资源，提出了不同的制造网格实现模式下的资源发现方法和交易模式。实现以用户为中心分配资源，可以激励更多的用户加入网格，实现规模效益。在最大程度上实现设计、制造、信息、技术等资源的共享，克服空间上的距离给不同企业间的协同带来的障碍，完成和完善该模型的原型系统，开发和测试其中的功能组件是我们进一步工作的主要内容。