基于深度强化学习的云制造服务组合

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云制造是一种基于云计算、物联网以及大数据等新兴技术发展起来的面向服务的制造模式。它集成了分布式的制造资源并进行集中管理,以向消费者提供按需制造服务,从而促使资源的全面共享,提高资源的利用效率。云制造中一个重要问题是组合多个不同的制造服务构成增值服务以满足用户多阶段的复杂制造需求,即服务组合问题。在确定了子任务加工顺序的服务组合中使用启发式和元启发式算法不仅会降低算法的灵活性,而且会出现当任务或服务的规模发生变化、服务不可用时需要人工调节算法参数等问题。因此,论文通过引入深度强化学习(Deep Reinforcement Learning,DRL)算法来解决面向单复合任务的制造云服务组合问题。DRL算法是一种人工智能算法,其结合了深度学习对复杂环境的感知能力和强化学习对问题的决策能力,该算法通过学习不同服务组合之间固有的模式和规则,从而寻找一种可解决云制造服务组合(Cloud manufacturing service composition,CMfg-SC)问题的有效方案。深度强化学习算法分为两种类型:基于离散变量的算法和基于连续变量的算法。在CMfg-SC问题中,不仅需要考虑当前子任务对应的最优服务,同时需要考虑在满足任务服务质量(Quality of Service,Qo S)约束的情况下,实现面向该任务的组合结果的整体Qo S最大化。因此,论文将基于连续变量的深度确定性策略梯度(Deep Deterministic Policy Gradient,DDPG)算法引入,以解决云制造环境中的服务组合问题。首先,提出了一种考虑物流服务质量的CMfg-SC模型,包括单个复合任务模型、资源模型及物流服务模型,并结合相应的组合指标。其次给出了模型的目标函数及约束条件,并依据该模型建立了马尔科夫决策过程(Markov Deecision Progress,MDP)。最后采用DDPG算法来求解仿真案例下的CMfg-SC问题。为了验证该算法的有效性以及面向复杂的制造任务时当生产制造过程中包含多种不确定性的情况下算法的应变能力,通过实验依次分析了算法在仿真环境下的有效性、当服务不可用时算法的自适应性及当任务和服务的规模发生变化时算法模型的可扩展性能。为了直观验证算法的性能,论文以蚁群算法(Ant Clony Optimization,ACO)作为基准,并通过与深度Q学习(Deep Q-Network,DQN)算法做对比,来验证本文所提算法在各方面的性能。实验结果表明,论文提出来的方法不仅能有效解决大规模的CMfg-SC问题。同时,在动态制造环境下,当服务不可用时,论文所提算法相较于基于值的DQN算法有着更好的自适应性。最后,分别对任务集与资源集进行扩展并实验验证,其结果表明,使用DDPG算法可以有效解决在动态变化环境下面向单复合任务的制造云服务组合问题,而使用蚁群算法来解决这类问题的时候,不仅需要人为调参,无法有效扩展,且通过论文所提算法训练得到的模型,更加适用于解决云制造环境下的服务组合问题。
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