CN111738510B - 一种基于汇聚任务冲突关系图着色的制造服务调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于汇聚任务冲突关系图着色的制造服务调度方法，该方法包括以下步骤：1、对平台上需进行制造服务调度的汇聚任务建模，然后以时间单元为周期间隔对汇聚后的制造任务执行时间段进行划分；2、提取存在时间冲突的任务节点和冲突关系边，构建任务冲突关系图；3、对任务冲突关系图中的可选着色颜色和着色任务节点的特征进行提取；4、定义制造服务调度决策系数，建立针对不同协作平台的调度指标和目标函数；5、在考虑全局最优和满足约束条件的前提下，求解调度问题，生成制造服务调度方案。本发明有效解决了哪一个制造任务在什么时间段内调用哪一个制造服务的问题，保证在不同协作环境下制造服务调度的有效性和配置效率。

Description

一种基于汇聚任务冲突关系图着色的制造服务调度方法

技术领域

本发明属于面向服务的制造系统中制造服务协作技术领域，具体涉及一种基于汇聚任务冲突关系图着色的制造服务调度方法。

背景技术

在面向服务的智能制造系统中，其参与的用户角色是多样的、不同提供者所提供或者所能提供的具体的制造服务多样的，以及提交自不同需求者的制造任务多样的。在平台的应用和运营过程中，参与其中的企业用户既有集团企业用户(包括其组成企业)，也有中小企业用户。而不论是集团企业还是中小企业，它们参与到系统整体的协同制造活动中的角色既可能是服务提供者，也可能是服务需求者，还有可能是服务提供者和需求者的双重身份。此外，系统中的制造服务种类繁多、功能各异，导致不同的制造服务所能解决的制造任务不尽相同且非常有限。从不同的维度、考虑不同的环境、针对不同的对象，尤其是考虑时间维度上制造服务对应执行制造任务时可能具有的持续性，仅仅知道制造服务与制造任务之间的匹配对应关系还远远不够。因此，要实现哪一个制造任务在什么时间段内调用哪一个制造服务，需要解决制造服务调度问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于汇聚任务冲突关系图着色的制造服务调度方法，该方法考虑时间维度以及服务执行任务的持续性，并且针对确定的制造任务及其确定的需求执行时间段，具体解决哪一个制造服务在什么时间段内执行哪一个制造任务的调度问题。本发明的一种基于汇聚任务冲突关系图着色的制造服务调度方法，该方法涵盖了对平台上汇聚任务需求执行时间段的时间单元划分，任务冲突关系图的构建和着色特征的提取，进而基于前图的顶点着色的思想，建立制造服务调度优化问题模型，并分别针对集团企业的服务利用效率和中小企业的平均服务调用率进行调度优化决策，能够解决哪一个制造任务在什么时间段内调用哪一个制造服务的调度问题。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：一种基于汇聚任务冲突关系图着色的制造服务调度方法，包括：

步骤1：面向平台汇聚制造任务进行时间单元划分，具体实现如下：

①对平台上需进行制造服务调度的汇聚任务建模：制造任务是用户提交给平台的制造需求，需要匹配特定的制造服务在规定时间内完成调度，平台上包括的制造任务可建模为task＝{task_starttime，task_endtime}，其中，task_starttime为任务task待执行时间区间的开始时间，task_endtime为任务task待执行时间区间的结束时间；平台会将用户提交的所有制造任务汇聚形成待调度的制造任务汇聚集合T＝{task₁，task₂，…，task_i，…，task_NoT}，其中，NoT为制造任务汇聚集合中制造任务的数量；

②划分汇聚后的制造任务执行调度的时间单元：计算平台包括的所有服务节点在先后执行两个任务时，最小的任务衔接间隙为Δt，定义单位时间单元为t_unit＝kΔt，k为整数；根据汇聚制造任务属性分析，任务执行时间段为集合T中所有制造任务的可执行时间区间中的最早开始时间到最晚结束时间，即[min({task_i_starttime})，max({task_i_endtime})]，i＝1，2，…NoT，其中task_i_starttime表示第i个任务的开始时间，task_i_endtime表示第i个任务的结束时间；基于单位时间单元将制造任务执行调度时间段划分为N个时间单元，即：

其中，运算符号

表示向上取整函数。对于t＝1，2，…，N，划分后第t个时间单元区间即为[min({task_i_starttime})+(t-1)×t_unit，min({task_i_starttime})+t×t_unit]；

步骤2：基于时间单元划分的任务冲突关系图构建，具体实现如下：

①提取时间单元内存在冲突关系的任务节点：定义在第t个时间单元内存在时间冲突关系的任务节点集合为Conflict_t，对于任意任务节点task_j，若其待执行时间区间中的结束时间早于第t个时间单元，或其开始时间晚于第t个时间单元，则认为任务节点task_j不占用第t个时间单元，即有task_j不属于集合Conflict_t。反之，则任务节点task_j占用第t个时间单元，即有task_j∈Conflict_t。因此，存在时间冲突关系的任务节点集合Conflict_t，即：

②构建基于时间冲突的任务冲突关系图：定义任务冲突关系边集合为

在任务节点集合Conflict_t中的所有任务节点两两之间在第t个时间单元内都存在冲突关系边，即对于任意任务节点task_i∈Conflict_t和task_j∈Conflict_t，在任务冲突关系边集合

中相应冲突关系边

任务冲突关系图G包括在N个划分时间单元中存在时间冲突关系的任务节点集合Conflict_t和任务冲突关系边集合

其模型为：

步骤3：任务冲突关系图的着色特征提取，具体实现如下：

①提取可供任务节点着色的颜色特征：任务冲突关系图中包括的任务节点进行着色的过程，就是选用平台上的制造服务执行任务，因此，可供任务节点选择的颜色对应于平台上包括的服务节点，服务节点的属性特征主要包括：平台上每一服务节点匹配的任务节点的集合、每一服务节点匹配的任务节点的数量；

②提取冲突关系图中着色任务节点特征：对于任务冲突关系图G中存在时间冲突关系的任务节点集合Conflict_t，其中待着色的任务节点task_i特征包括：任务节点task_i可选用的颜色，即服务节点的集合；节点task_i可选用的颜色数量；节点task_i在执行过程中需占用第t个时间单元的标识；节点task_i在任务冲突关系图G中第t个时间单元内相邻任务节点集合；

步骤4：考虑不同协作平台的制造服务调度问题配置，具体实现如下：

①定义平台上制造服务调度的决策系数：设S＝{s₁，s₂，…，s_k，…，s_NoS}为平台中的服务的集合，其中NoS为服务的个数。定义第t个时间单元的决策系数A^t＝{a^t _ki}_NoS×NoT且t＝1，2，…，N，其中a^t _ki表示服务节点s_k与任务节点task_i在第t个时间单元的着色关系。当s_k在第t个时间单元内被task_i调用时，a^t _ki＝1；反之，当s_k没有被task_i调用时，a^t _ki＝0。因此，整个制造服务调度问题的决策系数为A＝{A¹，A²，…，A^t，…，A^N}，N为时间单元的个数；

②建立不同协作平台的调度评价指标和目标函数：针对集团企业平台、中小企业平台、混合企业平台三种不同协作平台，分别建立相应的制造服务调度的评价指标，同时结合不同协作平台下服务调度需求，建立制造服务调度问题的优化目标函数；

步骤5：基于任务冲突关系图着色的制造服务调度方案生成，具体实现如下：

①基于任务冲突关系图着色的约束条件提取：对制造任务汇聚集合T进行制造服务调度过程，就是对任务冲突关系图G中的每一个时间单元进行着色，有以下约束条件：

(1)第t个时间单元的决策系数A^t中着色关系a^t _ki要满足平台中服务-任务匹配集合

中服务与任务可匹配关系，即：

其中，a^t _ki表示在第t个时间单元内服务节点s_k与任务节点task_j间的着色关系；

表示在平台上服务节点s_k与任务节点task_j间的匹配关系；

(2)每个任务被着色的时间段应与其需求执行时间段一致，且每个任务必须且仅能被着以一种颜色(服务)，即任务节点task_j在第t个时间段的着色数应等于节点占用第t个时间单元的标识P_t(t_i)：

(3)任何时刻，一种颜色(服务)不能给一个以上的任务着色，即：

(4)每一种颜色(服务)在不同的时间单元内依次给不同的任务着色时须满足一定的时间间隙Δ_k，即：

若

且

则

其中，

和

分别表示服务节点s_k在第t个时间单元内被选用执行任务节点

和在第r个时间单元内被选用执行任务节点

②制造服务调度方案生成：在考虑全局最优和满足约束条件的前提下，针对不同协作平台下的服务调度评价指标，以各自最大化效用为调度目标进行优化问题的求解，生成制造服务调度方案。

进一步的，对于平台上所有可供任务节点选择并着色的颜色(即服务节点s_k)，包括以下特征：

(1)M^S_T(s_k)：平台上包括的服务节点s_k可匹配的任务集合。其中，

表示平台上服务节点s_k和任务节点task_i的匹配关系，即：

(2)d^S_T(s_k)：服务节点s_k可匹配的任务数量，即：

d^S_T(s_k)＝|M^S_T(s_k)|

对于任务冲突关系图中任意一个待着色的任务节点task_i，包括以下特征：

(1)M^S_T(task_i)：任务冲突关系图G中的任务节点task_i可选用的颜色集合，即任务节点task_i在平台上可匹配的服务集合，即：

(2)d^S_T(task_i)：任务节点task_i可选用的颜色数量，即task_i可匹配的服务数，即：

d^S_T(t_i)＝|M^S_T(t_i)|

(3)P_t(task_i)：任务节点task_i需要占用第t个时间单元的标识，也就是需要在第t个时间单元调用服务执行task_i的标识，即：

(4)

任务节点task_i在第t个时间单元内的任务冲突关系图G中的相邻任务节点的集合，包括任务冲突关系边集台

中关系边

的所有任务节点task_*，即：

进一步的，对于不同协作平台包括集团企业协作平台、中小企业协作平台和混合企业协作平台。当工业互联网/工业云平台上所有制造企业用户同属于同一个集团企业时，则属于集团企业协作平台；当平台上所有制造企业用户均是中小企业时，则属于中小企业协作平台；当平台上包括多个集团企业用户和中小企业用户并存时，则属于混合企业协作平台。

进一步的，对于集团企业平台，制造服务节点集合S＝{s₁，s₂，…，s_k，…，s_NoS}中所有服务节点都同属于同一个集团企业并为整个集团企业所共享，为保证整个集团企业的服务效率，其评价指标为平台上服务节点s_k被调用次数a_k之和。

对其中的任意一个服务节点s_k而言，不论其是在哪一个时间单元内被调用过，即在决策系数A中当

N为时间单元个数，NoT为平台上任务数量，则赋值a_k＝1；而当服务节点自始至终没有被调用，即

则赋值a_k＝0。用最少的服务完成整个集团企业的所有任务，则该制造服务调度问题的目标函数为：

进一步的，对于中小企业平台，企业用户集合EN＝{en₁，en₂，…，en_p，…，en_NoE}中都是中小企业，其中NoE为企业的个数，制造服务节点集合S＝{S₁，S₂，…，S_k，…，S_NoS}中不同服务分属不同中小企业所有，对于任意一个中小企业用户en_p而言，其所拥有的制造服务集合为

因此，有

且∪en_p_S＝S，

同理，当en_p所提供的服务

在某个时间段内有被调用，即

则有

而当

完全没有被调用过时，即当

时，则有

任意中小企业用户en_p的服务调用率为：

其中，en_p_S为企业用户en_p所拥有的制造服务集合；k_p为制造服务集合en_p_S中系数；|en_p_S|为制造服务集合中包括的服务数量；

综合所有的中小企业的资源调用情况，为保证系统尽可能高的平均服务调用率，则该制造服务调度问题的目标函数为：

进一步的，对于多个集团企业用户和中小企业用户并存的平台，定义平台中总的企业用户集合为EN且总的企业数量为NoE，平台中集团企业用户G_en个数为NoG，对于其中第m个集团企业G_en_m，其相应的组成企业的个数为g_m，则该集团企业用户的组成企业的集合表示为

|G_en_m|＝g_m，

定示在平台上第m个集团企业G_en_m中所包括的第p个组成企业，其中组成企业

所提供的服务集合表示为

组成企业

所提交的任务的集合可以表示为

系统中的中小企业的集合为

表示混合企业平台上所有集团企业集合，中小企业的个数为

任意一个中小企业所提供的服务的集合可以表示为

其所提交的任务的集合表示为

当任意企业en_p属于集团企业G_en_m，同时该企业en_p所提供的服务

且该企业en_p所提交的任务

时，该企业作为集团企业G_en_m的其中一个组成企业，其调用的服务数为

因此，针对整个集团企业G_en_m内所有的制造任务集合

其中en_pm_T表示集团企业G_en_m中所包括的组成企业en_p提交的制造任务集合，该集团企业G_en_m内部制造服务调度问题的目标，是实现集团内服务利用效率的最大化，也就是资源调用数的最小化，其目标函数为：

当任意企业是平台中除了属于集团企业的相关组成企业之外的所有中小企业，即en_p∈SM_en同时

且

时，其制造任务集合为

基于公式

计算得到每个中小企业的服务调用率，那么系统中所有中小企业所面对的制造服务调度问题的目标是实现这些参与其中的中小企业的最大化的平均服务调用率，其目标函数为：

针对多个集团企业用户和中小企业用户并存的情况，集团企业用户在提供并完成本集团内的任务的前提下，还可以充当一般的中小企业的角色，为平台中的其他中小企业的任务需求提供相应的合适的制造服务；因此，该种情况的制造服务调度问题是在保证集团企业较高的服务利用效率的同时，实现平台中所有中小企业较高的平均服务调用率，则多个集团企业用户和中小企业用户并存的情况下的制造服务调度是以上述两个目标函数为综合目标函数。

有益效果：

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明针对面向服务的智能制造系统的社会化应用特点，考虑时间维度以及服务执行任务的持续性，并针对确定的制造任务及其确定的需求执行时间段，建立了制造服务调度优化问题模型，为解决系统中解决哪一个制造任务在什么时间段内调用哪一个制造服务的问题，提供了基于汇聚任务冲突关系图着色的制造服务调度方法；

(2)本发明针对平台上集团企业的服务利用效率和中小企业的平均服务调用率，进行调度优化决策，保证不同类型的平台上制造服务调度的有效性以及更好地管控系统整体的服务利用效率、调用率和共享程度等。

附图说明

图1为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。

本发明涉及一种基于汇聚任务冲突关系图着色的制造服务调度方法，适用于面向服务的智能制造系统中的制造服务调度问题。在面向服务的智能制造系统中，制造服务调度问题是个复杂性问题。从不同的维度、考虑不同的环境、针对不同的对象，尤其是考虑时间维度上制造服务对应执行制造任务时可能具有的持续性，如何实现哪一个制造任务在什么时间段内调用哪一个制造服务是值得研究的。为此，本发明公开了一种基于汇聚任务冲突关系图着色的制造服务调度方法，能够解决哪一个制造服务在什么时间段内执行哪一个制造任务的调度问题。

本发明的结构框图如图1所示，具体实施方式如下：

图1中的1为步骤1：面向平台汇聚制造任务进行时间单元划分，具体实现如下：

对平台上需进行制造服务调度的汇聚任务建模，制造任务是用户提交给平台的制造需求，需要匹配特定的制造服务在规定时间内完成调度，平台上包括的制造任务可建模为task＝{task_starttime，task_endtime}，其中，task_starttime为任务task待执行时间区间的开始时间，task_endtime为任务task待执行时间区间的结束时间；平台会将用户提交的所有制造任务汇聚形成待调度的制造任务汇聚集合T＝{task₁，task₂，…，task_i，…，task_NoT}，其中，NoT为制造任务汇聚集合中制造任务的数量；

划分汇聚后的制造任务执行调度的时间单元，计算平台包括的所有服务节点在先后执行两个任务时，最小的任务衔接间隙为Δt，定义单位时间单元为t_unit＝kΔt(k为整数)；根据汇聚制造任务属性分析，任务执行时间段为集合T中所有制造任务的可执行时间区间中的最早开始时间到最晚结束时间，即[min({task_i_starttime})，max({task_i_endtime})]，i＝1，2，…NoT，其中task_i_starttime表示第i个任务的开始时间，task_i_endtime表示第i个任务的结束时间；基于单位时间单元将制造任务执行调度时间段划分为N个时间单元，即：

其中，运算符号

表示向上取整函数。对于t＝1，2，…，N，划分后第t个时间单元区间即为[min({task_i_starttime})+(t-1)×t_unit，min({task_i_starttime})+t×t_unit]。

图1中的2为步骤2：基于时间单元划分的任务冲突关系图构建，具体实现如下：

提取时间单元内存在冲突关系的任务节点，定义在第t个时间单元内存在时间冲突关系的任务节点集合为Conflict_t，对于任意任务节点task_j，若其待执行时间区间中的结束时间早于第t个时间单元，或其开始时间晚于第t个时间单元，则认为任务节点task_j不占用第t个时间单元，即有task_j不属于集合Conflict_t。反之，则任务节点task_j占用第t个时间单元，即有task_j∈Conflict_t。因此，存在时间冲突关系的任务节点集合Conflict_t，即：

构建基于时间冲突的任务冲突关系图，定义任务冲突关系边集合为

在任务节点集合Conflict_t中的所有任务节点两两之间在第t个时间单元内都存在冲突关系边，即对于任意任务节点task_i∈Conflict_t和task_j∈Conflict_t，在任务冲突关系边集合

中相应冲突关系边

任务冲突关系图G包括在N个划分时间单元中存在时间冲突关系的任务节点集合Conflict_t和任务冲突关系边集合

其模型为：

图1中的3为步骤3：任务冲突关系图的着色特征提取，具体实现如下：

提取可供任务节点着色的颜色特征，任务冲突关系图中包括的任务节点进行着色的过程，就是选用平台上的制造服务执行任务，因此，可供任务节点选择的颜色对应于平台上包括的服务节点，其特征主要有：

(1)M^S_T(s_k)：平台上包括的服务节点s_k可匹配的任务集合。其中，

表示平台上服务节点s_k和任务节点task_i的匹配关系，即：

(2)d^S_T(s_k)：服务节点s_k可匹配的任务数量，即：

d^S_T(s_k)＝|M^S_T(s_k)|

提取冲突关系图中着色任务节点特征，对于任务冲突关系图G中存在时间冲突关系的任务节点集合Conflict_t，其中待着色的任务节点task_i特征主要有：

(1)M^S_T(task_i)：任务冲突关系图G中的任务节点task_i可选用的颜色集合，即任务节点task_i在平台上可匹配的服务集合，即：

(2)d^S_T(task_i)：任务节点task_i可选用的颜色数量，即task_i可匹配的服务数，即：

d^S_T(t_i)＝|M^S_T(t_i)|

(3)P_t(task_i)：任务节点task_i需要占用第t个时间单元的标识，也就是需要在第t个时间单元调用服务执行task_i的标识，即：

(4)

任务节点task_i在第t个时间单元内的任务冲突关系图G中的相邻任务节点的集合，包括任务冲突关系边集合

中关系边

的所有任务节点task_*，即：

图1中的4为步骤4：考虑不同协作平台的制造服务调度问题配置，具体实现如下：

定义平台上制造服务调度的决策系数，设S＝{s₁，s₂，…，s_k，…，s_NoS}为平台中的服务的集合，其中NoS为服务的个数。定义第t个时间单元的决策系数A^t＝{a^t _ki}_NoS×NoT且t＝1，2，…，N，其中a^t _ki表示服务节点s_k与任务节点task_i在第t个时间单元的着色关系。当s_k在第t个时间单元内被task_i调用时，a^t _ki＝1；反之，当s_k没有被task_i调用时，a^t _ki＝0。因此，整个制造服务调度问题的决策系数为A＝{A¹，A²，…，A^t，…，A^N}，N为时间单元的个数；

建立不同协作平台的调度评价指标和目标函数，针对集团企业平台、中小企业平台、混合企业平台三种不同协作平台，其中对于工业互联网/工业云平台上所有制造企业用户同属于同一个集团企业时，则属于集团企业协作平台；对于平台上所有制造企业用户均是中小企业时，则属于中小企业协作平台；根据本发明的定义，从业人员300人及以上，且营业收入2000万元及以上的为中型企业；从业人员20人及以上，且营业收入300万元及以上的为小型企业；对于平台上包括多个集团企业用户和中小企业用户并存时，则属于混合企业协作平台，分别建立相应的制造服务调度的评价指标，同时结合不同协作平台下服务调度需求，建立制造服务调度问题的优化目标函数：

(1)针对集团企业平台，制造服务节点集合S＝{s₁，s₂，…，s_k，…，s_NoS}中所有服务节点都同属于同一个集团企业并为整个集团企业所共享，为保证整个集团企业的服务效率，其评价指标为平台上服务节点s_k被调用次数a_k之和。

对其中的任意一个服务节点s_k而言，不论其是在哪一个时间单元内被调用过，即在决策系数A中当

N为时间单元个数，NoT为平台上任务数量，则赋值a_k＝1；而当服务节点自始至终没有被调用，即

则赋值a_k＝0。用最少的服务完成整个集团企业的所有任务，则该制造服务调度问题的目标函数为：

(2)针对中小企业平台，企业用户集合EN＝{en₁，en₂，…，en_p，…，en_NoE}中都是中小企业，其中NoE为企业的个数，制造服务节点集合S＝{S₁，S₂，…，S_k，…，S_NoS}中不同服务分属不同中小企业所有，对于任意一个中小企业用户en_p而言，其所拥有的制造服务集合为

因此，有

且∪en_p_S＝S，

同理，当en_p所提供的服务

在某个时间段内有被调用，即

则有

而当

完全没有被调用过时，即当

时，则有

任意中小企业用户en_p的服务调用率为：

其中，en_p_S为企业用户en_p所拥有的制造服务集合；k_p为制造服务集合en_p_S中系数；|en_p_S|为制造服务集合中包括的服务数量；

综合所有的中小企业的资源调用情况，为保证系统尽可能高的平均服务调用率，则该制造服务调度问题的目标函数为：

(3)针对多个集团企业用户和中小企业用户并存的平台，定义平台中总的企业用户集合为EN且总的企业数量为NoE，平台中集团企业用户G_en个数为NoG，对于其中第m个集团企业G_en_m，其相应的组成企业的个数为g_m，则该集团企业用户的组成企业集合表示为

且|G_en_m|＝g_m，

表示在平台上第m个集团企业G_en_m中所包括的第p个组成企业，其中组成企业

所提供的服务集合表示为

组成企业

所提交的任务的集合可以表示为

系统中的中小企业的集合为

表示混合企业平台上所有集团企业集合，中小企业的个数为

任意一个中小企业所提供的服务的集合可以表示为

其所提交的任务的集合表示为

当任意企业en_p∈G_en_m，同时该企业en_p所提供的服务

且该企业en_p所提交的任务

时，该企业作为集团企业G_en_m的其中一个组成企业，其调用的服务数为

因此，针对整个集团企业G_en_m内所有的制造任务集合

该集团企业G_en_m内部制造服务调度问题的目标，是实现集团内服务利用效率的最大化，也就是资源调用数的最小化，其目标函数为：

当任意企业是平台中除了属于集团企业的相关组成企业之外的所有中小企业，即en_p∈SM_en同时

且

对，其制造任务集合为

基于公式

计算得到每个中小企业的服务调用率，那么系统中所有中小企业所面对的制造服务调度问题的目标是实现这些参与其中的中小企业的最大化的平均服务调用率，其目标函数为：

针对多个集团企业用户和中小企业用户并存的情况，集团企业用户在提供并完成本集团内的任务的前提下，还可以充当一般的中小企业的角色，为平台中的其他中小企业的任务需求提供相应的合适的制造服务；因此，该种情况的制造服务调度问题是在保证集团企业较高的服务利用效率的同时，实现平台中所有中小企业较高的平均服务调用率，则多个集团企业用户和中小企业用户并存的情况下的制造服务调度是以上述两个目标函数为综合目标函数。

图1中的5为步骤5：基于任务冲突关系图着色的制造服务调度方案生成，具体实现如下：

基于任务冲突关系图着色的约束条件提取，对制造任务汇聚集合T进行制造服务调度过程，就是为任务冲突关系图G中的每一个时间单元进行着色，有以下约束条件：

(1)第t个时间单元的决策系数A^t中着色关系a^t _ki要满足平台中服务-任务匹配集合

中服务与任务可匹配关系，即：

其中，a^t _ki表示在第t个时间单元内服务节点s_k与任务节点task_j间的着色关系；

表示在平台上服务节点s_k与任务节点task_j间的匹配关系；

(2)每个任务被着色的时间段应与其需求执行时间段一致，且每个任务必须且仅能被着以一种颜色(服务)，即任务节点task_j在第t个时间段的着色数应等于节点占用第t个时间单元的标识P_t(t_i)：

(3)任何时刻，一种颜色(服务)不能给一个以上的任务着色，即：

(4)每一种颜色在不同的时间单元内执行不同任务时须满足一定的时间间隙Δ_k，即：

若

且

则

其中，

和

分别表示服务节点s_k在第t个时间单元内被选用执行任务节点

和在第r个时间单元内被选用执行任务节点

制造服务调度方案生成，在考虑全局最优和满足约束条件的前提下，针对集团企业平台、中小企业平台、混合企业平台三种不同协作平台下的服务调度评价指标，以各自最大化效用为调度目标进行优化问题的求解，生成制造服务调度方案。

综上所述，本发明公开了一种基于汇聚任务冲突关系图着色的制造服务调度方法，该方法基于图的顶点着色的思想，建立制造服务调度优化问题模型，并分别针对集团企业的服务利用效率和中小企业的平均服务调用率进行调度优化决策，能够解决哪一个制造任务在什么时间段内调用哪一个制造服务的调度问题。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于汇聚任务冲突关系图着色的制造服务调度方法，其特征在于，包括：

步骤1：面向平台汇聚制造任务进行时间单元划分，具体实现如下：

①对平台上需进行制造服务调度的汇聚任务建模：制造任务是用户提交给平台的制造需求，需要匹配特定的制造服务在规定时间内完成调度，平台上包括的制造任务可建模为task＝{task_starttime，task_endtime}，其中，task_starttime为任务task待执行时间区间的开始时间，task_endtime为任务task待执行时间区间的结束时间；平台会将用户提交的所有制造任务汇聚形成待调度的制造任务汇聚集合T＝{task₁，task₂，...，task_i，...，task_NoT}，其中，NoT为制造任务汇聚集合中制造任务的数量；

②划分汇聚后的制造任务执行调度的时间单元：计算平台包括的所有服务节点在先后执行两个任务时，最小的任务衔接间隙为Δt，定义单位时间单元为t_unit＝kΔt，k为整数；根据汇聚制造任务属性分析，任务执行时间段为集合T中所有制造任务的可执行时间区间中的最早开始时间到最晚结束时间，即[min({task_i_starttime})，max({task_i_endtime})]，i＝1，2，…NoT，其中task_i_starttime表示第i个任务的开始时间，task_i_endtime表示第i个任务的结束时间；基于单位时间单元将制造任务执行调度时间段划分为N个时间单元，即：

其中，运算符号

表示向上取整函数；对于t＝1，2，...，N，划分后第t个时间单元区间即为[min({task_i_starttime})+(t-1)×t_unit，min({task_i_starttime})+t×t_unit]；

步骤2：基于时间单元划分的任务冲突关系图构建，具体实现如下：

①提取时间单元内存在冲突关系的任务节点：定义在第t个时间单元内存在时间冲突关系的任务节点集合为Conflict_t，对于任意任务节点task_j，若其待执行时间区间中的结束时间早于第t个时间单元，或其开始时间晚于第t个时间单元，则认为任务节点task_j不占用第t个时间单元，即有task_j不属于集合Conflict_t；反之，则任务节点task_j占用第t个时间单元，即有task_j∈Conflict_t；因此，存在时间冲突关系的任务节点集合Conflict_t，即：

②构建基于时间冲突的任务冲突关系图：定义任务冲突关系边集合为

任务节点集合Conflict_t中所有任务节点两两之间在第t个时间单元内都存在冲突关系边，即对于任意任务节点task_i∈Conflict_t和task_j∈Conflict_t，在任务冲突关系边集合

中相应冲突关系边

任务冲突关系图G包括在N个划分时间单元中存在时间冲突关系的任务节点集合Conflict_t和任务冲突关系边集合

其模型为：

步骤3：任务冲突关系图的着色特征提取，具体实现如下：

①提取可供任务节点着色的颜色特征：任务冲突关系图中包括的任务节点进行着色的过程，就是选用平台上的制造服务执行任务，因此，可供任务节点选择的颜色对应于平台上包括的服务节点，服务节点的属性特征主要包括：平台上每一服务节点匹配的任务节点的集合、每一服务节点匹配的任务节点的数量；

②提取冲突关系图中着色任务节点特征：对于任务冲突关系图G中存在时间冲突关系的任务节点集合Conflict_t，其中待着色的任务节点task_i特征包括：任务节点task_i可选用的颜色，即服务节点的集合；节点task_i可选用的颜色数量；节点task_i在执行过程中需占用第t个时间单元的标识；节点task_i在任务冲突关系图G中第t个时间单元内相邻任务节点集合；

步骤4：考虑不同协作平台的制造服务调度问题配置，具体实现如下：

①定义平台上制造服务调度的决策系数：设S＝{S₁，S₂，...，S_k，...，S_NoS}为平台中的服务的集合，其中S_k表示服务节点，NoS为包括服务的个数，定义第t个时间单元的决策系数A^t＝{a^t _ki}_NoS×NoT且t＝1，2，...，N，其中a^t _ki表示服务节点S_k与任务节点task_i在第t个时间单元的着色关系；当S_k在第t个时间单元内被task_i调用时，a^t _ki＝1；反之，当S_k没有被task_i调用时，a^t _ki＝0；因此，整个制造服务调度问题的决策系数为A＝{A¹，A²，...，A^t，...，A^N}，N为时间单元的个数；

②建立不同协作平台的调度评价指标和目标函数：针对集团企业平台、中小企业平台、混合企业平台三种不同协作平台，分别建立相应的制造服务调度的评价指标，同时结合不同协作平台下服务调度需求，建立制造服务调度问题的优化目标函数；

步骤5：基于任务冲突关系图着色的制造服务调度方案生成，具体实现如下：

①基于任务冲突关系图着色的约束条件提取：对制造任务汇聚集合T进行制造服务调度过程，就是对任务冲突关系图G中的每一个时间单元进行着色，有以下约束条件：

(1)第t个时间单元的决策系数A^t中着色关系a^t _ki要满足平台中服务-任务匹配集合

中服务与任务可匹配关系，即：

其中，a^t _ki表示在第t个时间单元内服务节点S_k与任务节点task_j间的着色关系；

表示在平台上服务节点S_k与任务节点task_j间的匹配关系；

(2)每个任务被着色的时间段应与其需求执行时间段一致，且每个任务必须且仅能被着以一种颜色，即任务节点task_j在第t个时间段的着色数应等于任务节点占用第t个时间单元的标识P_t(t_i)：

其中，a^t _ki表示在第t个时间单元内服务节点S_k与任务节点task_j间的着色关系；P_t(t_i)表示任务节点t_i占用第t个时间单元的标识；

(3)任何时刻，一种颜色不能给一个以上的任务着色，即：

(4)每一种颜色在不同的时间单元内依次给不同的任务着色时须满足一定的时间间隙Δ_k，即：

若

且

则

其中，

和

分别表示服务节点S_k在第t个时间单元内被选用执行任务节点

和在第r个时间单元内被选用执行任务节点

②制造服务调度方案生成：在考虑全局最优和满足约束条件的前提下，针对不同协作平台下的服务调度评价指标，以各自最大化效用为调度目标进行优化问题的求解，生成制造服务调度方案。

2.根据权利要求1中所述的一种基于汇聚任务冲突关系图着色的制造服务调度方法，其特征在于：

所述步骤3对于平台上所有可供任务节点选择并着色的颜色，即服务节点S_k，包括以下特征：

(1)M^S_T(S_k)：平台上包括的服务节点S_k可匹配的任务集合；其中，

表示平台上服务节点S_k和任务节点task_i的匹配关系，即：

(2)d^S_T(S_k)：服务节点S_k可匹配的任务数量，即

d^S_T(S_k)＝|M^S_T(S_k)|

对于任务冲突关系图中任意一个待着色的任务节点task_i，包括以下特征：

(1)M^S_T(task_i)：任务冲突关系图G中的任务节点task_i可选用的颜色集合，即任务节点task_i在平台上可匹配的服务集合，即：

(2)d^S_T(task_i)：任务节点task_i可选用的颜色数量，即task_i可匹配的服务数，即：

d^S_T(t_i)＝|M^S_T(t_i)|

(3)P_t(task_i)：任务节点task_i需要占用第t个时间单元的标识，也就是需要在第t个时间单元调用服务执行task_i的标识，即：

(4)

任务节点task_i在第t个时间单元内的任务冲突关系图G中的相邻任务节点的集合，包括任务冲突关系边集合

中关系边

的所有任务节点task_*，即：

3.根据权利要求1中所述的一种基于汇聚任务冲突关系图着色的制造服务调度方法，其特征在于：

所述步骤4中不同协作平台包括集团企业协作平台、中小企业协作平台和混合企业协作平台；对于工业互联网/工业云平台上所有制造企业用户同属于同一个集团企业时，则属于集团企业协作平台；对于平台上所有制造企业用户均是中小企业时，则属于中小企业协作平台；对于平台上包括多个集团企业用户和中小企业用户并存时，则属于混合企业协作平台。

4.根据权利要求1中所述的一种基于汇聚任务冲突关系图着色的制造服务调度方法，其特征在于：

所述步骤4针对集团企业平台，制造服务节点集合S＝{S₁，S₂，...，S_k，...，S_NoS}中所有服务节点都同属于同一个集团企业并为整个集团企业所共享，为保证整个集团企业的服务效率，其评价指标为平台上服务节点S_k被调用次数a_k之和；

对其中的任意一个服务节点S_k而言，不论其是在哪一个时间单元内被调用过，即在决策系数A中当

N为时间单元个数，NoT为平台上任务数量，则赋值a_k＝1；而当服务节点自始至终没有被调用，即

则赋值a_k＝0；用最少的服务完成整个集团企业的所有任务，则该制造服务调度问题的目标函数为：

5.根据权利要求1中所述的一种基于汇聚任务冲突关系图着色的制造服务调度方法，其特征在于：

所述步骤4针对中小企业平台，企业用户集合EN＝{en₁，en₂，...，en_p，...，en_NoE}中都是中小企业，其中NoE为企业的个数，制造服务节点集合S＝{S₁，S₂，...，S_k，...，S_NoS}中不同服务分属不同中小企业所有，对于任意一个中小企业用户en_p而言，其所拥有的制造服务集合为

因此，有

且∪en_p_S＝S，

同理，当en_p所提供的服务

在某个时间段内有被调用，即

则有

而当

完全没有被调用过时，即当

时，则有

任意中小企业用户en_p的服务调用率为：

其中，en_p_S为企业用户en_p所拥有的制造服务集合；k_p为制造服务集合en_p_S中系数；|en_p_S|为制造服务集合中包括的服务数量；a_k为平台上提供服务节点S_k被调用次数；

综合所有的中小企业的资源调用情况，为保证系统尽可能高的平均服务调用率，则该制造服务调度问题的目标函数为：

6.根据权利要求1中所述的一种基于汇聚任务冲突关系图着色的制造服务调度方法，其特征在于：

所述步骤4针对多个集团企业用户和中小企业用户并存的平台，定义平台中总的企业用户集合为EN且总的企业数量为NoE，平台中集团企业用户G_en个数为NoG，其中en表示制造企业，对于其中第m个集团企业G_en_m，其相应的组成企业的个数为g_m，则该集团企业用户的组成企业集合表示为

且|G_en_m|＝g_m，

表示在平台上第m个集团企业G_en_m中所包括的第p个组成企业，其中组成企业

所提供的服务集合表示为

组成企业

所提交的任务的集合表示为

系统中的中小企业的集合为

表示混合企业平台上所有集团企业的集合，中小企业的个数为

任意一个中小企业所提供的服务的集合可以表示为

其所提交的任务的集合表示为

当任意企业en_p属于集团企业G_en_m，同时该企业en_p所提供的服务

且该企业en_p所提交的任务

时，该企业作为集团企业G_en_m的其中一个组成企业，其调用的服务数为

因此，针对整个集团企业G_en_m内所有的制造任务集合

其中en_pm_T表示集团企业G_en_m中所包括的组成企业en_p提交的制造任务集合，该集团企业G_en_m内部制造服务调度问题的目标，是实现集团内服务利用效率的最大化，也就是资源调用数的最小化，其目标函数为：

当任意企业是平台中除了属于集团企业的相关组成企业之外的所有中小企业，即en_p∈SM_en同时

且

时，其制造任务集合为

基于公式

计算得到每个中小企业的服务调用率，那么系统中所有中小企业所面对的制造服务调度问题的目标是实现这些参与其中的中小企业的最大化的平均服务调用率，其目标函数为：

针对多个集团企业用户和中小企业用户并存的情况，集团企业用户在提供并完成本集团内的任务的前提下，还能够充当一般的中小企业的角色，为平台中的其他中小企业的任务需求提供相应的合适的制造服务；因此，该种情况即多个集团企业用户和中小企业用户并存的情况下的制造服务调度是以上述两个目标函数为综合目标函数。

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