Разработка и исследование метода динамической структурной оптимизации распределенных систем обслуживания

Актуальность проблемы. Процессы урбанизации, концентрация мощностей и ресурсов в ограниченном пространстве приводят к росту количества и масштабов последствий чрезвычайных ситуаций как природного, так и техногенного характера. Происходит постоянное увеличение экономического и материального ущерба, рост числа погибших и пострадавших при различных катастрофах.

Для защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций, возникающих в результате природных и техногенных катастроф, обеспечения функционирования материального производства, государства создают и совершенствуют специализированные службы — медицина, пожарная охрана, полиция. По своей архитектуре и организации эти службы являются распределенными системами обслуживания. Сложность задач организации и управления ими заключается в том, что эти структуры должны выполнять свои функции в очень разных условиях, т. е. быть устойчивыми к нагрузке. Причем диапазон ее изменения может составлять несколько порядков. Например, если число лиц, обращающихся за медицинской помощью, составляет в обычное время десятки человек в сутки на тысячу жителей, то в случае катастрофы помощь может потребоваться сразу нескольким тысячам граждан. Какова должна быть структура системы, способной выдерживать такие нагрузки? Решения, основанные на внесении большой избыточности в структуру обслуживающих систем, является чрезвычайно затратными и не могут быть использованы на практике. Действительно, трудно представить себе город, в котором половину населения составляют врачи или полицейские. Выход в подобных случаях надо искать в совершенствовании структуры и автоматизации системы управления специализированными службами.

Основной тенденцией в развитии различных PCO является их интеграция. Причем в последнее время этот процесс включает не только интеграцию однородных систем, но и распространяется на разнородные службы. Эффективными примерами такого подхода могут служить диспетчерская 911 в США и Единый центр вызова экстренных служб в России.

Чрезвычайные ситуации сопровождаются не только материальными, но и людскими потерями, поэтому в условиях ЧС очень важно быстро и правильно принять решение по ликвидации последствий ЧС. Вопросам координации деятельности различных служб, повышения оперативности, надежности, обоснованности и качества принятия управленческих решений по предупреждению и ликвидации ЧС уделялось и уделяется большое внимание. Создано большое число ведомственных информационных систем поддержки принятия решений и всесторонней автоматизации процессов управления силами и средствами, предназначенными для ликвидации ЧС. При их интеграции на первый план встают вопросы структурной оптимизации, которые не решаются средствами существующих автоматизированных систем. Кроме того, рост масштабов систем резко повышает нагрузку на операторов и диспетчеров, делая процесс принятия ими решения невозможным без средств автоматизации. Причем если раньше для этого было достаточно только информационной поддержки, то теперь необходим автоматический синтез управленческих решений.

Указанные особенности делают актуальной задачу структурной оптимизации интегрированных PCO и синтеза алгоритмов управления для них. В качестве подхода к ее решению в работе предлагается использовать моделирование, как универсальное средство анализа, синтеза, оптимизации и проектирования сложных динамических систем.

При этом основной задачей моделирования будет оценка влияния структурных преобразований интегрированных PCO на эффективность их функционирования. Результаты моделирования — например, точность и время прогноза, определяются дискретностью или размерностью исходной модели. Для большинства систем именно высокая размерность или вычислительная сложность модели является существенным ограничением при реализации практических расчетов, но сегодня многопроцессорные вычислительные системы, обеспечивающие высокую производительность за счет параллельных вычислений, позволяют снизить остроту этой проблемы.

В работе предлагается метод управления PCO, позволяющий оценивать целесообразность динамических преобразований структур интегрированных PCO при изменении характеристик потоков заявок.

Цель работы и задачи исследования. Диссертационная работа посвящена разработке методов повышения эффективности распределенных систем обслуживания за счет адаптации их структуры к изменению нагрузки.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие основные задачи:

1. Анализ структур распределенных систем обслуживания, функционирующих в различных областях человеческой деятельности.

2. Анализ особенностей систем управления распределенными системами обслуживания.

3. Сравнительный анализ методов представления PCO на этапах синтеза и моделирования.

4. Разработка и исследование метода динамической оптимизации структур распределенных систем обслуживания.

5. Разработка архитектуры системы управления PCO, поддерживающей принцип динамической оптимизации структуры.

6. Проведение исследований и анализ эффективности предложенного подхода.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются распределенные системы обслуживания.

Предмет исследования составляют системы управления PCO и методы их адаптации к изменению нагрузки.

Методы исследования. При решении поставленных задач были использованы положения теории систем, теории множеств, теории графов, теории систем массового обслуживания и языки программирования.

Научная новизна. В диссертации предложен и исследован новый подход к совершенствованию систем управления и оптимизации структур распределенных систем обслуживания. Предложенный метод построения систем управления PCO позволяет повышать эффективность системы обслуживания за счет динамической оптимизации пространственной структуры ее компонентов при известном потоке обслуживаемых событий.

Практическая значимость. Предложенный метод совершенствования систем управления распределенными системами обслуживания основан на оптимизации их структур непосредственно в процессе работы. В качестве аппаратной платформы для реализации ресурсоемкого этапа оценки необходимости проведения структурных изменений в работе предложено использовать многопроцессорные кластерные вычислительные системы. Метод инвариантен по отношению к элементам и структурам PCO и может быть использован в различных отраслях.

Достоверность полученных результатов и выводов подтверждена корректным использованием общепринятых математических методов, результатами моделирования и верификацией модели, практической реализацией, подтвержденной актами внедрения.

Внедрение результатов. Результаты диссертационной работы используются на кафедре вычислительной техники МИЭТ при проведении лабораторных работ по курсу «Высокопроизводительные вычислительные системы», а также в компании АКТОР при расчете систем резервного электропитания.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Анализ особенностей структур распределенных систем обслуживания, использующихся в различных областях человеческой деятельности.

2. Анализ методов управления распределенными системами обслуживания.

3. Формализация задачи структурной оптимизации компонентов PCO.

4. Метод построения систем управления PCO, позволяющий повышать эффективность системы обслуживания за счет динамической оптимизации пространственной структуры ее компонентов.

5. Результаты экспериментальных исследований, испытаний и анализ эффективности предложенного метода.

Апробация работы. Основные положения диссертации были представлены и обсуждались на 7 международных, всероссийских и межвузовских научных конференциях и конгрессах:

1. Четырнадцатая всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов. «Микроэлектроника и информатика-2005», г. Москва, 2007 г.

2. Пятнадцатая всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов. «Микроэлектроника и информатика-2006», г. Москва, 2008 г.

3. Шестнадцатая всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов. «Микроэлектроника и информатика-2007», г. Москва, 2009 г.

4. Всероссийская межвузовская научно-практическая конференция молодых ученых, специалистов, преподавателей, аспирантов и студентов «Актуальные проблемы информатизации. Развитие информационной инфраструктуры, технологий и систем», г. Москва, 2007 г.

5. Вторая Всероссийская межвузовская научно-практическая конференция молодых ученых, специалистов, преподавателей, аспирантов и студентов «Актуальные проблемы информатизации. Развитие информационной инфраструктуры, технологий и систем», г. Москва, 2008 г.

6. Третья Всероссийская межвузовская научно-практическая конференция молодых ученых, специалистов, преподавателей, аспирантов и студентов «Актуальные проблемы информатизации. Развитие информационной инфраструктуры, технологий и систем», г. Москва, 2009 г.

7. Научная сессия «МИФИ-2009» г. Москва, 2009 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано восемь тезисов докладов и три статьи, в том числе одна в журнале, входящем в перечень ВАК и одна в зарубежном журнале (Япония).

Структура и объём диссертационной работы. Рукопись диссертационной работы состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения.

Результаты исследования эффективности алгоритмов представлены в следующих таблицах.

В качестве исходных данных для алгоритмов оптимизации использовалось матричное представление объектов и заявок на обслуживание. Критерием качества обслуживания служило время реакции системы. В таблицах время реакции представлено в некоторых условных единицах.

В таблице 4.1 приведены результаты исследования эффективности структурной оптимизации для систем с малым количеством заявок. При этом оптимизации подвергались две системы, заявки между которыми были распределены согласно территориальному принципу. Полученные данные свидетельствуют о том, что перераспределение свободных обработчиков заявок между системами позволяет существенно снизить время реакции, которое определялось как максимум для двух систем.

Заключение

.

1. На основе проведенного анализа особенностей структур распределенных систем обслуживания, использующихся в различных областях человеческой деятельности, показано, что в подавляющем большинстве случаев они имеют иерархическую, территориально распределенную структуру с диспетчированием на нижнем уровне.

2. Выполненный анализ основных подходов к построению систем управления PCO территориального и государственного уровней выявил общность принципов управления ими. При интенсивности потока заявок, не превышающих нагрузочную способность системы, они распределяются строго по территориальному принципу, а в случае экстремальной нагрузки управление переходит к системам верхнего уровня, обладающим значительными резервами и полномочиями. В большинстве случаев они берут на себя и функции диспетчеров нижнего уровня.

3. Формализована задача структурной оптимизации компонентов PCO. В качестве оценки эффективности функционирования используется время реакции системы, как интегральный показатель качества обслуживания. Показано, что эффективность управления отдельными подсистемами PCO может быть повышена, за счет функционального расширения горизонтальных связей компонентов PCO.

4. Разработан новый подход к построению систем управления интегрированными распределенными системами — метод динамической структурной оптимизации. Для его реализации необходима I.

I' автоматизированная система поддержки принятия решения о структурных изменениях операторами систем, позволяющая оценивать состояние системы при различных пространственных конфигурациях.

5. Проведены экспериментальные исследования, подтвердившие эффективность предложенного метода для построения приборов и систем управления. В ряде случаев структурная оптимизация позволяет в 2 раза снизить время реакции систем. Эксперименты показали, что задача оценки необходимости структурной оптимизации является вычислительно сложной и для ее решения необходимо использовать кластерные вычислительные системы. При этом алгоритмы должны обладать хорошей масштабируемостью для возможности их практического использования.

Публикации автора по теме диссертации.

1. Ней Мин Тун, Мью Мьинт Ту. Построение кратчайшего дерева из локально-оптимальных фрагментов. // Микроэлектроника и информатика -2007. 14-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов. -М.: МИЭТ, 2007. — 436с. С. 160.

2. Мью Мьинт Ту. Имитационное моделирование распределенных систем на параллельных вычислительных системах. // Актуальные проблемы информатизации. Развитие информационной инфраструктуры, технологий и систем. Всероссийская межвузовская научно-практическая конференция: Материалы конференции. -М.: МИЭТ, 2007. — 224с. С. 129.

3. Мью Мьинт Ту. Структура модели распределенной системы обслуживания. // Актуальные проблемы информатизации. Развитие информационной инфраструктуры, технологий и систем. Вторая всероссийская межвузовская научно-практическая конференция: Материалы конференции. -М.: МИЭТ, 2008. — 188с. С. 139.

4. Мью Мьинт Ту. Моделирование распределенных систем. // НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ — 2009. Аннотации докладов. В 3 томах. Т.З. Информационно-телекоммуникационные системы. Проблемы информационной безопасности в системе высшей школы. Экономика, инновации и управление. М.: МИФИ, 2009. 288 с. С. 142.

5. Мью Мьинт Ту, Тхан Зо У. Подсистема визуализации результатов моделирования распределенной системы обслуживания. // Микроэлектроника и информатика — 2009. 16-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов. — М.: МИЭТ, 2009. — 372с. С. 212.

6. Лупин С. А., Мью Мьинт Ту. Оценка вычислительной сложности основных этапов моделирования распределенных систем обслуживания. // Научно-технический журнал «Естественные и технические науки» М.: Изд-во «Компания Спутник+», № 4, 2009. — С.343−346.

7. Мью Мьинт Ту. Оценка эффективности управления распределенной системой обслуживания. // Актуальные проблемы информатизации в науке, образовании и экономике. Третья всероссийская межвузовская научно-практическая конференция: Материалы конференции. — М.: МИЭТ, 2009. -116 с. С. 77.

8. Мью Мьинт Ту. Simulation of Distributed Service Systems. // Institute of Electronics, Information and Communication Engineers (IEICE Technical Report), Japan, Vol. 109 No. 348, (Submission System Conference Schedule) SSS2009;24-SSS2009;29, Safety, December 18, 2009, SSS2009;24, Page 1 to 4.

9. Мью Мьинт Ту. Структурная оптимазация распределенных систем обслуживания. // Микроэлектроника и информатика — 2010. 17-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов. — М.: МИЭТ, 2010. — 352с. С. 208.

10. Лупин С. А., Мью Мьинт Ту, Чжо Мью Хтун. К вопросу о реализуемости методов динамической структурной оптимизации распределенных систем облуживания на параллельных вычислителях. // Информационные технологии, электронные приборы и системы: Материалы Международной научно-практической конференции. Минск, 6−7 апреля 2010 г. В 3-х частях. Ч. 1 — Минск: БГУ, 2010. — 161 с. С. 84−87.