Введение к работе
Актуальность проблемы. В технических системах широко применяются приоритетные правила управления, которые позволяют обеспечить требуемое качество обслуживания разным классам управляемых объектов. При автоматизации проектирования такого рода систем необходимо иметь подробную информацию о свойствах приоритетных правил управления и об их влиянии на характеристики функционирования проектируемой системы. Обнарулсивать и изучать эти свойства можно с помощью математических моделей, описывающих функционирование приоритетных систем для широкого диапазона значений их структурно-функциональных параметров. Традиционно при проектировании приоритетных систем .для решения задач анализа и синтеза используется аппарат теории очередей (иначе называемой теорией массового обслуживания). Большое количество задач из разных областей техники, экономики и медицины удаётся сформулировать и решить с помощью этой теории. Наиболее типично использование приоритетных систем в компьютерной технике, например при организации системы программно-аппаратных прерываний, при диспетчеризации выполнения задач в операционной системе. В настоящее время компьютерная техника используется во всех видах сложных технических систем, поэтому задача исследования приоритетных методов управления является очень актуальной. Например, при проектировании измерительной и бытовой техлики, маршрутизаторов и коммутаторов компьютерных сетей (при обслуживании трафика разных типов) и т.д.
Значительный вклад в развитие исследований средств математического моделирования, позволяющих решать задачи проектирования приоритетных систем, внесли Ба-шарин Г.П., Бочаров П.П., Гнеденко Б.В., Даниелян Э.А., Димитров Б.Н., Клейнрок Л., Климов Г.П., Коваленко И.Н. и др.
Проведённый анализ состояния вопроса и обзор работ в исследуемой области показывает, что задача автоматизированного проектирования систем с приоритетным управлением связана с существенными трудностями, т.к. протекающие в таких системах процессы сложны и не всегда поддаются аналитическому моделированию.
Актуальность диссертационной работы. Описанные в литературе аналитические методы проектирования приоритетных систем основываются на предположении о простейшем потоке заявок, поступающих в исследуемую систему. В некоторых случаях и закон распределения времени обслуживания заявок предлагается считать экспоненциальным, т.к. только в этом случае можно получить точные аналитические выражения для характеристик проектируемой системы.
Подобные допущения существенно ограничивают применение существующих методов. Более того, эти методы обычно дают оценку лишь для некоторого количества моментов распределения исследуемых характеристик, что недостаточно при исследовании ряда технических систем. Например, международный институт электросвязи (ITU) в качестве ключевой характеристики качества обслуживания телекоммуникационной сети рассматривает вариацию задержки, которая вычисляется как функция от квантиля задержки заданного порядка. Вычислить эту величину на основании конечного количества моментов распределения можно лишь очень приближённо, следовательно, существующие аналігшческие методы ограничены в применении при проектировании технических систем с приоритетным управлением.
Имитационный метод исследования позволяет проектировать системы любой сложности, но при этом результаты носят частный характер, что существенно затруд няет автоматизацию проектирования приоритетных систем в общей форме. Отсутствие
решения перечисленных проблем делает актуальной задачу автоматизации проектирования технических систем с приоритетным управлением при неэкспоненциальных законах распределения параметров исследуемых систем. Решению этой задачи и посвящена предлагаемая диссертационная работа.
Объектом исследования являются технические системы, в которых используются правила управления, основанные на приоритетах. Процессы управления в таких системах связаны с обработкой неоднородного потока объектов (заявок), требующих разных уровней предоставляемого системой качества обслуживания.
Предметом исследования являются правила приоритетного управления и присущие им особенности, которые позволяют автоматизировать процесс проектирования технических систем с приоритетным управлением.
Целью работы является разработка моделей и методов синтеза проектных решений, используемых при проектировании технических систем, в которых применяются правила управления, основанные на приоритетах. Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Провести аналитический обзор приоритетных правил управления, выявить их характерные признаки, на основании которых составить классификацию, позволяющую чётко определить класс исследуемых систем.
-
Провести имитационные эксперименты при различной структурно-функциональной организации систем с приоритетным управлением и при варьировании законов распределений нагрузочных параметров.
-
Провести статистический анализ полученных результатов и сформулировать приближенные аппроксимирующие зависимости исследуемых характеристик от параметров для ограниченного диапазона изменения параметров.
-
На основе полученных частных аппроксимаций сформулировать свойства, присущие более широкому, чем исследованному в работе, классу систем.
-
Разработать инженерную методику синтеза проектных решений, используемых при проектировании технических систем с приоритетным управлением.
Методами исследования, применяемыми в диссертационной работе, являются аппарат теории вероятностей, теории массового обслуживания (ТМО), теории случайных процессов, методов численного анализа и имитационного моделирования.
Научная повнзна работы заключается в следующем:
-
Разработан метод оценки нижней границы времени ожидания заявок низко-нагружающего класса в системах управления с бесприоритетной дисциплиной обслуживания, позволяющий решать задачи оценки характеристик функционирования систем с неоднородным потоком заявок и неэкспоненциальными законами распределения параметров. Разработанный метод позволяет автоматизировать процесс проектирования систем, использующих правило FIFO.
-
Сформулирован закон сохранения для вариации задержки, позволяющий автоматизировать решение ряда задач, возникающих при проектировании телекоммуникационного оборудования.
-
Разработан приближённый метод оценки ёмкости накопителя, который в отличие от описанных в литературе аналитических методов позволяет решать задачи синтеза проектных решений для систем с неэкспоненциальными законами распределения нагрузочных параметров с приемлемой для проведении инженерных расчётов точностью.
-
Выявлены не описанные ранее в литературе свойства систем обслуживания с эквивалентной производительностью. Обнаруженные свойства позволяют решать задачи анализа и сингеза при проектировании таких систем при широком диапазоне из-
мепения нагрузочных параметров, что было невозможно при использовании существовавших аналитических методов исследования указанного класса систем. Практическая пеппость работы заключается в следующем:
-
Разработаны приближённые методы расчёта характеристик систем с приоритетным управлением при различных вариантах структурно-функциональной организации этих систем, позволяющие автоматизировать процесс проектирования систем этого класса с приемлемой для инженерных расчетов точностью.
-
Предложены инженерные решения по моделированию сложных приоритетных дисциплин обслуживания в системе GPSS World с сохранением хорошей масштабируемости полученных моделей.
-
На основе разработанной методики даются практические рекомендации по автоматизации проектирования различных технических систем (маршрутизаторов, коммутаторов и мобильных станций компьютерной сети, автоматизированной автостоянки). В частности, в среде ns-З разработана система автоматизированного проектирования маршрутизируемой компьютерной сети, в которой реализуются высокоуровневые функции обеспечения качества обслуживания (QoS) с помощью организации приоритетных очередей в выходных портах.
Основные положения, выносимые па защиту:
-
Оценка нижней границы времени ожидания в очереди заявок низконагружаго-щего класса в приоритетных системах управления, использующих правило FIFO.
-
Закон сохранения вариации задержки в системах обслуживания с неоднородным потоком заявок и неэкспоненциальными законами распределения нагрузочных параметров.
-
Метод оценки ёмкости накопителя в системах обслуживания с памятью при заданных требованиях к уровню потерь заявок, получивших отказ в обслуживании в результате переполнения накопителя.
-
Результаты исследования свойств систем с эквивалентной производительностью при неэкспоненциальных законах распределения нагрузочных параметров.
-
Методика использования выявленных особенностей функционирования систем с приоритетным управлением для синтеза и анализа проектных решений с помощью САПР.
Реализация и внедрение результатов исследований. Разработанная методика и комплексы программ, использующиеся для проектирования систем с приоритетным управлением, внедрены в производственный и управленческий процесс в следующих организациях: ФГУП «НИИ «Масштаб», ООО «Сэтл Сити», ООО «ЛМТ», а также в учебный процесс Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики.
Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Ш-й, IV-й и V-й всероссийской научно-практической конференции по имитационному моделированию и его применению в науке и промышленности «Имитационное моделирование. Теория и практика» (Санкт-Петербург, 2007, 2009, 2011 г.), на XXXVII-й научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2008 г.), на V-й всероссийской межвузовской конференции молодых учёных (Санкт-Петербург, 2008 г.), на Х-й международной научно-практической конференции «Современные информационные и электронные технологии» (г. Одесса, 2009 г.), П-й научно-практической конференции молодых учёных «Вычислительные системы и сети (Майоровские чтения)» (Санкт-Петербург, 2010 г.).
Публикации. Результаты диссертационного исследования опубликованы в 9 работах, (из них две — в рецензируемых периодических журналах из списка ВАК).
Структура я объем диссертации. Диссертационная работа содержит 125 страниц машинописного текста, 35 рисунков, 12 таблиц, список литературы, включающий 50 работ отечественных и зарубежных авторов. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и приложения, содержащего материалы, подтверждающие внедрение результатов диссертации.
