面向智慧云制造资源服务组合的若干进化算法研究

发布时间：2020-06-26 00:31

【摘要】：云计算、物联网、信息物理融合系统、大数据分析等新一代信息技术的日益成熟推动了智慧云制造的发展。制造云服务组合(Manufacturing Cloud Service Composition,MCSC)通过一定的规则动态组装由不同服务提供者所发布服务,实现难以由单个服务完成的复杂功能,从而为制造云系统提供一种按需应变的能力。MCSC优化问题具有动态性、耦合性、大规模、多目标等显著特点,是典型的NP-hard问题,MCSC算法的优劣对资源配置的效率和效果有直接影响。本文针对智慧云制造环境下并发任务需求、服务领域特征知识重用、服务质量动态演进、多目标优化等面临的挑战,提炼出四类MCSC优选场景,并进一步构建相应的问题模型、优选策略以及实现算法。具体内容如下:(1)首先,回顾了制造业发展趋势,简要概述云制造的特征,分析了云制造环境下MCSC面临的挑战;综述了云制造相关领域的研究进展,尤其是聚焦复杂云环境下的MCSC优选问题,引出本文的研究内容和总体框架。(2)从社会信息物理系统视角,探讨智慧云制造抽象系统模型及其体系架构;从数据的获取、分析和智能化应用的角度,讨论智慧云制造系统运行机理;最后给出了智慧云制造资源服务优选的相关基础理论知识。(3)针对云环境下的并发任务MCSC需求,提出一种多任务整体优选策略,构建以使有限服务资源在多任务之间达到均衡分配的优选模型,并提出一种具有社会认知能力和混沌激励机制的人工蜂群进化算法。该算法继承了人工蜂群算法良好的探索能力,分布估计模型的引入使得观察蜂具有社会认知能力,而受混沌序列激励的侦查蜂能更好的遍历解空间。数值试验显示整体优选策略相较于传统单任务优选策略能更好的对云服务能力进行均衡配置,所提出的算法求得最优解的质量和稳定性较高。(4)在考虑云服务领域特征的基础上,提出一种领域知识引导的花授粉算法以高效求解MCSC问题。首先,将云服务生态系统中的领域知识特征引入到花授粉算法的设计中,用于改善初始种群及启发式算子的搜索效率。其次,提出基于个体依赖机制的搜索策略,根据个体适应度值分配相应的搜索模式,优秀个体采用逐维更新的自花授粉策略进行深度开发搜索,劣势个体采用Lévy随机游走模型探索潜在搜索区域,二者配合以平衡种群的开发能力和探索能力。数值试验表明合理开发领域知识有助于加速算法收敛,基于个体依赖机制的搜索方式能提高算法寻优能力。(5)针对服务加入、退出及服务质量随时间演化的动态云环境,提出一种面向动态MCSC优选问题的多种群自适应差分蜂群算法。首先引入Skyline多维队列模型,以缩减候选服务集规模,并屏蔽无关扰动。然后提出一种能有效平衡广度探索能力和深度开发能力的动态多种群差分蜂群算法,采用状态触发机制使得不同进化策略被使用的概率能随环境变化剧烈程度适时调整;采用多子群互斥搜索策略避免不同子群个体过度聚集,通过衰老机制重启可能陷入局部最优的个体。数值实验结果表明所提出的算法在求解动态MCSC问题时具有良好的鲁棒性和适应性。(6)针对多目标MCSC问题,在基于分解的进化算法框架的基础上,融入差分进化、蜂群算法、教-学算法各自优点,提出一种基于多进化算子和多搜索邻域双协同进化策略的EsMOEA/D算法。所提出算法对子问题配置多个搜索邻域范围和多种进化算子,根据采用不同进化算子和搜索邻域的进化策略的历史性能表现,调整其在未来被使用的概率,以期提高算法求解复杂问题的能力并优化配置计算资源。对比实验结果显示,所提出的算法在多目标MCSC问题求解中具有明显优势。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：F414;TP18
【图文】：

图 1-1 云制造平台基本运营模式技术组成的角度来看，陶飞等[29]将 CMfg 定义为一种集成云计算、物联网向服务技术的制造资源的协作模式。上对 CMfg 定义的共同特点是：CMfg 涉及到将制造资源和制造能力进行化封装，转换为云服务储存在云资源池中，并进行集中化的管理和经营，户提供按需即取的云服务。从 CMfg 的基本概念及理解可见，CMfg 是一以用户为中心、需求驱动的新型制造模式，包括一个核心支撑(知识)、两和输出)、三种用户角色(服务提供商、平台运营者和服务使用者)，其运1 所示：(1) 服务提供者将资源信息输入到云平台上，由平台进行统一管 服务请求者将制造任务需求发送到平台，由平台提供服务请求解决方案；行制造任务与制造服务的供需匹配，包括制造服务发现、匹配、优选、组系列流程操作。物联网、虚拟化、云计算、大数据等智能科学技术为构建

第一章 绪论、物料等)和软件资源(专业软件、领域知识、数据等)。制造能力是整合制造资源要素表出的一种无形的、动态的资源存在形式，如设计能力、生产加工能力等。不同的制资源可具有相同的制造能力，同一制造资源可提供多种制造能力。CMfg 系统的基本出为云服务，如图 1-2 所示，首先，通过感知与接入技术将制造资源和制造能力原始据(属性、状态特征、负载等) 传送到虚拟层。其次，基于资源描述规范将资源与能力征转换为计算机可理解的信息，并完成从原始资源到虚拟资源的映射。最后，将异构虚拟资源封装为同构的云服务输出。云服务可以通过云平台被检索、聚合、调用等，用户提供制造全生命周期活动支持。

本文编号：2729553