基于动态演化超网络的制造资源服务聚合模式与容错调度机制研究

In service-oriented manufacturing systems, the distributed manufacturing services can be integrated logically through the manufacturing service platform, and ultimately aggregated with value-added functions after the on-demand applications of services composition and collaboration. Correspondingly, the theory of manufacturing service management is also divided into two layers of scheduling problems: (a) the supply-demand matching in system layer, and (b) the composition and collaboration in enterprise layer. Because of the dynamic environment, the law of service aggregation, the theory of value-added application, and its dynamic scheduling and fault-tolerant methods are challenged. Considering the services of the underlying manufacturing resources or production equipment and their dynamic demands and environment, a scalable dynamic evolutionary hypernetwork model is proposed in this study. Based on the proposed model, the dynamic iterated composition correlations of different services are described and analyzed, the dynamic evolution rules of the composition correlations and the dynamic aggregation laws of the services applications are explored and revealed, and a new service dynamic scheduling method and the corresponding fault tolerance mechanisms are finally provided.

在面向服务的制造系统中，分布式的制造服务能够通过制造服务平台实现从逻辑上汇聚，并随着服务的按需组合协作应用，最终导致服务从功能上聚合增值。相应地，其制造服务管理理论也衍生出制造服务的系统层（a）供需匹配与调度和企业层（b）组合协作与调度两个不同层次的智能管理与优化问题。由于服务组合协作生产应用所面临的动态环境以及服务之间的组合协作关联与特征的动态演化，为服务的聚合规律与增值应用理论及其动态调度与容错方法等研究带来挑战。本项目针对底层制造资源/生产设备面向复杂动态生产需求与动态环境时所对应的制造服务的组合协作与调度问题，通过建立可扩展的动态演化超网络模型来描述和分析服务及其动态迭代的组合协作关联与特征，并探讨和揭示面向复杂动态生产需求时服务的组合协作特征演化规则及其动态聚合模式与聚合规律，从而提出相应的新的服务动态调度容错机制与方法。

在工业互联网/工业云平台等面向服务的制造系统中，分布式制造服务通过网络平台实现逻辑上汇聚，并随着按需聚类与组合协作应用能够实现功能上聚合增值。然而，在平台运营过程中，制造服务映射的底层制造资源在面向复杂动态生产需求与环境变化时，如何开展分布式制造协作并进行有效动态容错调度，是平台落地应用仍待解决的重要挑战之一。本项目通过服务递阶层次分析，分别构建制造服务汇聚与动态聚合超网络模型，揭示制造服务聚合协作时变特征，提出基于动态演化超网络的制造服务协作与容错调度方法。主要成果如下：.（1）提出了工业互联网平台环境下汇聚任务的三维分解机制；考虑制造服务聚类和组合协作关联，构建了基于递阶层次分析的制造服务汇聚超网络模型；从规模扩展性、功能多样性等角度，设计了面向平台汇聚供需的制造服务协作调度机制。.（2）针对工业互联网信息物理融合环境及其动态不确定性环境特征，归纳了9种动态事件触发的服务节点及其关联边的演化操作，进一步建立了制造服务汇聚超网络的聚合演化模型；揭示了服务聚合演化的群落结构及其内聚性、耦合性等协作模块特征，提出了聚合协作特征的时变度量方法。.（3）面向静态汇聚超网络模型，提出了基于任务时间冲突关系图着色的制造服务分布式协作调度方法；面向汇聚超网络的聚合演化模型，设计了考虑18种特定条件的ECA规则，提出了基于动态演化超网络的制造服务容错调度方法。.（4）面向工业互联网平台的制造服务按需动态聚合协作与容错需求，提出了数字孪生增强的制造服务聚合协作与协调机制；考虑群落结构复杂网络拓扑及其协作模块特征，设计了制造服务聚合演化分析与协作优化测试工具。.以上工作获国家发明专利授权3项、受理7项，软著1项；参编新工科智能制造系列教材1部，获北京市高等教育教学成果奖二等奖1项；发表论文10篇，其中在IEEE Trans.等期刊发表SCI论文8篇，5篇论文所在期刊影响因子大于5、最高影响因子10.615。