云环境下的制造资源服务共享决策演化研究.pdf

第 卷 第 期太原科技大学学报.年 月 .文章编号:()收稿日期:基金项目:山西省留学回国人员科研基金()作者简介:孙红()女硕士研究生主要研究方向为云制造资源优化云环境下的制造资源服务共享决策演化研究孙 红李海虹郭 宏(太原科技大学 机械工程学院太原)摘 要:为解决制造业面临的资源服务分布不均匀问题缓解资源闲置与资源短缺间的矛盾本文建立了云环境下的制造资源服务共享模型 该模型引入演化博弈理论揭示了制造资源服务提供方()与需求方()间的共享决策动态演化过程由模型得出系统复制动态方程求解演化均衡点并进行稳定性分析 模型的正确性通过数值仿真验证并对比分析不同因素对系统演化结果的影响 结果表明:初始共享概率、超额增量分配系数及云平台管理系数作为演化模型的主要设计参数对 与 双方演化趋势及结果影响效果明显其变化规律是云平台建立信息互通和资源共享理论模型的重要依据关键词:制造资源服务演化博弈云制造共享决策中图分类号:文献标识码:./.近年来制造业正面临着资源全球化的挑战资源闲置与资源短缺问题制约着制造供应链的运行效率实现制造资源服务共享对制造业的发展至关重要 云制造()通过集成先进技术(云计算、物联网等)而成为制造业的一种面向服务的高效率、低消耗的先进制造模式正在改变制造企业组织生产和业务活动的方式以应对全球化竞争和产品个性化制造 作为服务管理平台 系统将分布式制造资源和制造能力封装到服务中以满足不同用户的多项任务需求鼓励制造资源服务提供方()与需求方()实现资源服务共享是 系统持续发展的重要阶段关于制造资源服务共享问题国内外学者已进行了广泛的研究 等将云计算与物联网融入到 系统中建立了 技术体系并实现了制造资源共享协作、按需使用 鲍世赞等建立了智能生产共享模式重点分析了共享过程中的用户体验 等基于 算法对需求方和提供者的总效用及其性能进行了理论和仿真分析 等、等基于多 建立分布式制造资源共享系统实现全局最优共享调度 为了更好地描述制造资源服务共享决策的具体过程博弈论被引入共享模型中如序贯博弈、合作博弈、非合作博弈等以上模型将博弈方视为“完全理性”经济人与实际供应链中博弈双方动态决策行为不完全符合因此具备“有限理性”的演化博弈理论被引入共享决策模型但缺乏存在主导方的博弈情况研究 本文建立以 为主导的共享决策演化模型由支付矩阵得出系统复制动态方程求出均衡点并进行稳定性分析通过数值仿真验证了模型的正确性并分析不同因素对演化结果的影响情况以确定云平台博弈建模的重要参数 问题简述 系统包括、及云平台三个主体云平台以虚拟云池的方式为各类用户提供服务与 可实现“一对一”“多对一”“一对多”及“多对多”服务 作为制造企业因自身加工能力不足而选择加入云平台将通过寻找合适的 实现协同制造作为制造资源供应商因自身闲置资源过多而选择加入云平台提高资源利用率通过寻找对应的 增加订单量以提高企业效益 系统鼓励众多“接入”云平台以满足 的不同制造需求然而 与 可结合自身具体情况及云平台服务情况决定是否加入云平台此过程为动态演化过程引入演化博弈理论建立制造服务演化共享决策博弈模型以制造服务提供者 为云平台主导制造服务需求者 为参与者分析不同要素影响下的演化均衡过程归纳各因素具体影响情况并提出利于 与 实现协同制造的建议 共享决策演化模型构建 模型相关变量博弈模型中双方策略具体影响因素如表 所示:表 模型变量及其意义 变量变量意义 在传统模式下经营时的净收益 在传统模式下经营时的净收益 组建共享云平台所投人力、资源、技术等费用 选择积极管理时所产生的额外云平台管理费用“接入”云平台时所产生的的信息化费用 积极管理且 参与云平台时双方超额增量 消极管理且 参与云平台时 投机收益增量 参与云平台且 积极管理时 的收益增量 参与云平台但 消极管理时 的收益增量 积极管理且 参与云平台时 边际规模效益 积极管理 不参与但可获得的平台外溢收益 积极管理且 参与时双方超额增量分配系数 参与云平台且 积极管理时的社会额外效益 模型构建假设以 为主导的 系统为研究对象实现合作化制造是云平台持续发展的目标考虑实际中的众多影响因素提出以下假设以便于分析:()与 具有两种选择策略 作为 系统主导方可以选择“积极管理”策略如尽可能共享自身制造资源与服务信息提升自身管理技术以吸引更多 选择加入云平台随着制造资源会数量级种类增加“积极管理”下的额外费用会大幅度提升此时 可能会综合自身利益而转为“消极管理”有“参与”及“不参与”两种策略 当双方选择策略为“积极管理”、“参与”时将达成合作协议可实现协同制造()选择“参与”策略概率为 则“不参与”概率为 选择“积极管理”策略概率为 则“消极管理”概率为 且()当、分别选择“积极管理”“参与”时此时云平台发挥了最大的制造资源共享作用二者均可获得超额增量 分配系数为 超额增量为()超额增量为()假设云平台管理能力系数为 共享制造资源种类及数量不断增加时云平台会产生 企业规模效益假设一个 加入云平台给整个 企业群集带来的效益为 的规模效益用共享概率表达为 ()因此云平台规模效益由其管理能力及进驻企业数量决定 收益分析根据以上变量假设可得 与 不同演化博弈决策下的支付矩阵如表 所示表 双方博弈支付矩阵 积极管理()消极管理()参与()()不参与()由支付矩阵可得 选择策略集为(积极管理消极管理)选择不同的策略对应不同的收益选择“积极管理”策略时的期望收益如下:()()()()选择“消极管理”策略时的期望收益如下:()()()则 混合决策下的总期望收益为:()()由表 得 选择策略集为(参与不参与)不同策略下的 的收益不同 选择“参与”策略时的期望收益为:第 卷第 期 孙 红等:云环境下的制造资源服务共享决策演化研究()()()()同理 选择“不参与”策略时的期望收益为:()()()混合决策下的总期望收益为:()()根据 方程可得博弈策略的变化率为其适应度因此可得:()()()()()()()模型均衡点及其稳定性分析令演化复制动态方程中的 求解得五个均衡点为()、()、()、()、()为混合策略其中()由系统稳定性判定方法可知通过分析系统雅克比矩阵可验证上述局部稳定点在系统中的演化稳定策略()雅克比矩阵如下所示:()()将式()代入上式得:()()()()()()()()()()由复制动态方程得出的雅克比矩阵 满足行列式()、迹()、()条件的均衡点为()及()对 太原科技大学学报 年应演化策略为(消极管理不参与)、(积极管理参与)()与()为不稳定点()为鞍点表 系统均衡点稳定性分析结果 均衡点()()()()()()正正正正负()负正负正稳定性不稳定不稳定鞍点 该演化系统最后稳定策略为 选择“积极管理”、选择“参与”选择“消极策略”、选择“不参与”鞍点()演化主要受初始概率、超额增益分配系数 及其它因素如、等影响演化相位图如图 图 共享决策演化博弈相位图 数值仿真分析 建立演化因果关系模型系统动态演化因果关系模型如图 所示包括四个水平变量 、及两个复制动态变量(决策变化率)、(决策变化率)、由前面的动态复制方程(公式)得出 数值仿真以某产品制造服务供应链为例基于 进行数值仿真分析 与 不同收益状态下的系统演化趋势以验证上述系统演化结果的正确性分析不同参数对制造资源服务共享的影响程度 通过对某产品制造过程追踪调查获得有效参数初值为 、本模型在固定一部分参数的情况图 演化因果关系模型 下分析了初始共享概率、超额增量分配系数 及云平台管理系数 对系统演化结果的影响趋势()初始共享概率对系统演化结果的影响为了分析 初始共享概率 对系统演化结果的影响趋势将 共享概率固定为 设置分别为 、演化结果分别如图、图 所示图 不同初始值 下的 决策趋势 图 不同初始值 下的 决策趋势 第 卷第 期 孙 红等:云环境下的制造资源服务共享决策演化研究分析图、图 可得当 共享概率 固定时 共享决策的收敛速度受 的影响较为显著且 越大收敛速度越快呈正相关的关系但演化均衡状态与 的大小无关 共享概率的收敛速度也随着 的增大而变快 演化博弈系统中的单个用户或企业的共享概率也可理解为整个群落中选择共享策略的比例因此企业在博弈过程中不断学习模仿其他参与者的选择策略即当某行业中的大型企业或领军企业选择共享策略时其他企业也会慢慢地向共享策略发展从而改变行业规模效益()超额增量分配系数对系统演化结果的影响当超额增量分配系数 时系统演化结果如图 所示 与 初始选择概率均为 在此种状态下 投机收益小于合作收益 积极管理收益大于消极管理收益系统将演化至()趋向于积极管理 趋向于参与策略即双方达成合作共享图 时 共享演化趋势 图 时 共享演化趋势 由图 知若分配系数过大时 选择积极管理策略的收益逐渐下降则随着双方动态博弈系统将演化至()趋向于消极管理策略而 因分配系数增大而获得更多的效益最后趋向于参与云平台 基于有限理性的动态演化不同增益分配系数会影响博弈方决策结果需针对不同情况下的收益情形制定合理的分配系数以促进博弈双方达成稳定合作的目标()云平台管理系数对系统演化结果的影响当 共享概率 时将云平台管理系数 分别设置为 、研究 分别为、情况下的演化结果如图、图 所示 由图 可知云平台管理系数 对 决策趋势的影响较为显著且 越大 收敛至平衡的速度越快反之则越慢 综合分析图、可知当 积极管理初始概率 越大 对 决策趋势的影响越小图 时不同 下的 决策结果 图 时不同 下的 决策结果 由此可得云平台管理系数对系统演化结果具有正向作用当云平台较为成熟时管理能力加强即管理系数较大时用户或制造商会趋于选择加入云平台实现制造资源共享即本模型中 选择积极管理策略、选择参与策略而企业加入云平台 太原科技大学学报 年更加促进云平台管理能力的提升 结论建立了云制造资源服务共享博弈演化模型由支付矩阵得出系统复制动态方程后计算均衡点后进行均衡点稳定性分析运用 进行数值仿真对比分析不同因素对演化结果的影响得出以下结论:()初始共享概率、对系统演化平衡状态无影响但影响博弈方收敛速度呈正相关的关系由此可见在互相学习博弈的过程中领军企业对整个行业影响较大()超额增量分配系数 影响系统演化结果需要针对不同需求制定合理的分配系数()云平台管理系数 影响系统收敛速度越大收敛至平衡的速度越快且随着初始概率的增大 的影响程度减小 可知当云平台管理能力较强时企业或个人会趋向于制造资源共享参考文献:.:.:.李伯虎张霖王时龙等.云制造 面向服务的网络化制造新模式.计算机集成制造系统():.():.:.():.:.():.鲍世赞蔡瑞林.智能制造共享及其用户体验:沈阳机床的例证.工业工程与管理():.:.():.:.():.李芳江海涛谢萍萍等.基于序贯博弈的云制造平台共享效能研究.计算机应用研究():.仇建平陈立潮潘理虎.基于环境资源的合作博弈.太原科技大学学报():.苏凯凯徐文胜李建勇.云制造环境下基于非合作博弈的资源优化配置方法.计算机集成制造系统():.齐二石李天博刘亮等.云制造环境下企业制造资源共享的演化博弈分析.运筹与管理():.许春安李芳.云制造环境下对称型企业制造资源共享演化博弈分析.计算机应用研究():.()(下转第 页)第 卷第 期 孙 红等:云环境下的制造资源服务共享决策演化研究 张婉茹王建梅侯定邦.油膜轴承试验台液压加载系统压力控制特性分析.太原科技大学学报():.陈绪林李亚洲陶雪娟等.轴向柱塞泵偶件间隙对容积效率影响的仿真研究.重庆理工大学学报:自然科学():.邹姜昆王忠凯刘银水等.介质压缩性对高压柱塞泵间隙泄漏的影响.液压与气动():.张哲童桂英王立帮等.基于 柱塞副配合间隙的仿真分析与试验验证.机床与液压():.力士乐.轴向柱塞变量泵.李磊吴志明于兰英.位移力反馈型斜盘式变量柱塞泵控制特性研究.液压与气动():.付永领祁晓野.系统建模和仿真:从入门到精通.北京:北京航空航天大学出版社.(.):.:(上接第 页):第 卷第 期 黄忠华等:阀芯配合间隙对液压泵变量特性影响研究