Кэш - картинка. И после публикации она никак не связана с проектом и его слоями - если конечно Вы не хотите генерировать тайлы "на лету" по запросу клиента.
Поэтому при построениикэша оптимизируйтепроект под отрисовку. В Вашем случае, т.к. полигоны не заливаются - конвертируйте их в линии. Линии ещё можно и "упростить" при прорисовке на мелких масштабах. И вот этот проект кэшируйте. А для запросов к полигонам можно будет потом или "подсунуть" в сервис другой проект, или вообще выпустить другой сервис.
Вотодин изполезных интсрументов:
http://www.arcgis.com/home/item.html?id=a269d03aa1c840638680e2902dadecacОн поможет Вам посмотреть, что происходит при прорисовке, и как много времени занимает каждая из операций.