Содержание к диссертации
Оглавление 2
Список сокращений и обозначений 5
Введение 7
Глава 1. Анализ средств и методов управления ресурсами вычислительной сети
распределенной АСУ 12
1.1. Анализ процесса управления ресурсами вычислительных сетей
распределенных АСУ П 12
Модель организации АСУ промышленного предприятия 12
Общая характеристика распределенных вычислительных систем в составе АСУ предприятий 16
Анализ архитектур гетерогенных распределенных вычислительных систем. 19
Управление процессами обработки запросов 22
1.2. Анализ систем управления ресурсами при обработке запросов в АСУП 25
Структура системы планирования обработки запросов 25
Обзор методов планирования обработки потока запросов 28
1.2.3. Анализ алгоритмов планирования в распределенных гетерогенных
вычислительных системах АСУ 31
1.2.4. Анализ проблем и недостатков существующих систем планирования 34
1.3. Научная задача исследования 37
Общая постановка научной задачи исследования 37
Формализованное представление научной задачи 40
Выводы по главе 1 43
Глава 2. Разработка комплекса моделей и алгоритмов управления ресурсами
вычислительной сети АСУ 44
2.1. Модель процесса управления ресурсами при обработке запросов в
распределенной вычислительной системе АСУП 44
Функциональная модель системы планирования ВС АСУП 44
Процесс планирования и его основные свойства 47
2.2. Модель входного потока запросов в вычислительных системах АСУ 50
Анализ потоков запросов в распределенных АСУ 50
Комплекс моделей нестационарного потока запросов в АСУ 53
Прогнозирование времени обработки запроса 56
Пример прогноза времени обработки запроса 59
2.3. Модель гетерогенной распределенной вычислительной системы 62
2.3.1. Модель вычислительной системы распределенной АСУ 62
2.3.2. Планирование на основе аналитической модели распределенной
вычислительной системы 65
2.3.3. Имитационная модель вычислительного ресурса 68
2.4. Алгоритм планирования распределения ресурсов в вычислительной сети
распределенной АСУ 71
2.4.1. Выбор математического аппарата для повышения результативности
процессов обработки запросов 71
Алгоритм планирования распределения ресурсов 74
Использование метода локального поиска для решения оптимизационного уравнения 77
Использование генетического алгоритма для нахождения приближенного плана распределения ресурсов 80
Свойства алгоритма планирования 83
Контрольный пример перераспределения ресурсов в процессе обработки нестационарного потока запросов 86
Способ распределенного управления процессом планирования обработки
нестационарного потока запросов 89
Выводы по главе 2 92
Глава 3. Разработка прототипа системы моделирования процессов управления
ресурсами вычислительной среды и оценка ее эффективности 93
3.1. Прототип системы моделирования процессов управления ресурсами
вычислительной среды АСУ и базы моделей 93
3.1.1. Разработка системы моделирования процессов управления ресурсами 93
4
3.1.2. Генерация полунатурных моделей потока запросов 96
3.2. Экспериментальная оценка эффективности распределения ресурсов путем
имитационного моделирования 99
Планирование имитационного эксперимента 99
Разработка экспериментального стенда с имитационными моделями 102
Результаты имитационного эксперимента 105
3.3. Экспериментальная оценка эффективности способа распределения ресурсов
на полунатурном стенде 108
Планирование полунатурного эксперимента 108
Разработка экспериментального стенда 111
Результаты полунатурного моделирования 114
3.4. Научно-технические предложения по внедрению способа управления
ресурсами для обработки запросов в АСУ 117
3.4.1. Анализ области применения способа обработки нестационарного потока
запросов 117
3.4.2. Научно-технические предложения по внедрению способа управления
ресурсами в АСУ промышленных предприятий 120
3.4.3. Оценка эффективности внедрения системы планирования в вычислительные
системы промышленных предприятий 123
Выводы по главе 3 126
Заключение 127
Список литературы 129
Приложение А 144
Методика выполнения имитационного эксперимента по оцениванию системы
управления ресурсами вычислительной среды 144
Приложение Б 147
Структура макета вычислительной сети для полунатурного эксперимента 147
Приложение В 150
Методика определения зависимости полезности результата обработки запроса от
времени 150
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ
АСУ ВС
АСОИУ
АСУП ЭВМ ЦОД ИЛИ
мкмд
FMT FCFS FCLS Л
и п
V Z
(t)
гтвс
Автоматизированная система управления Гетерогенная распределенная вычислительная система Автоматизированная система обработки информации и управления
Автоматизированная система управления предприятием Электронная вычислительная машина Центр обработки данных
Информационная поддержка жизненного цикла изделия Класс ЭВМ с множественным потоком команд и данных Лицо принимающее решение
First most timeliness (первый наиболее своевременный) First come first serve First come last serve Входной поток запросов к ВС АСУП Выходной поток результатов обработанных запросов Возмущения оказываемые на ВС Ошибки измерения Управляющее воздействие План распределения ресурсов Наблюдаемые параметры ВС Целевая функция Время обработки запроса
Функция полезности результата обработки запроса Гетерогенная распределенная вычислительная система Запрос из входного потока Источник запроса Ресурсоемкость запроса Система управления ВС
Cn-(Z,A,F) Способ планирования
А Алгоритм планирования
F Комплекс моделей потоков запросов и вычислительных систем
Sn Система планирования
Функция плотности вероятности завершения обработки запро-са
i^(t) = ?(t)х (p(t) Вспомогательная расчетная функция
л Прогноз ресурсоемкости запросов
v = s{Q) Функция прогнозирования ресурсоемкости запроса
e(tH) Ошибка прогнозирования
F" = \р* рИ рПН \
Модель потока запросов (аналитическая, имитационная, полунатурная)
G Модель группы вычислительных узлов
6 Ошибка решения оптимизационного уравнения
О Вариант решения оптимизационного уравнения
Р Нагрузка на вычислительную систему
ч Загрузка вычислительной системы
L Средний размер очереди
Введение к работе
Актуальность темы: Широкое внедрение информационных, аналитических и вычислительных технологий в процесс управления промышленными предприятиями, создание крупных корпоративных АСУП и АСУПП на основе распределенных вычислительных сетей привело к значительному повышения эффективности труда. Новые информационные технологии широко используются в сфере прогнозирования развития предприятий, анализе товарных рынков, моделировании жизненных циклов продукции, анализе продаж в большинстве функциональных подсистем АСУП: технической подготовки производства, материально-технического снабжения, технико-экономического планирования, сбыта, управления транспортным хозяйством, оперативно-производственного планирования.
Изменение внешних условий функционирования предприятия и необходимость непрерывного совершенствования требует многократного решения задач модернизации организационной и технической составляющих АСУ, включая разработку и модернизацию отдельных функциональных подсистем. Основой для модернизации функциональных подсистем является использование систем моделирования с комплексом моделей основных и обеспечивающих подсистем АСУ. В современных условиях модернизированные АСУ промышленных предприятий должны обеспечивать прирост эффективности работы предприятия в конкурентной среде. Это обуславливает необходимость повышения результативности процесса модернизации АСУ, то есть повышения ее качественных характеристик при ограниченных затратах ресурсов и минимизации времени на модернизацию.
Наличие множества информационно-аналитических средств в составе АСУ определяет необходимость обоснования структуры вычислительной сети, позволяющей повысить качество АСУ предприятия за счет оптимизации процесса обработки запросов операторов. Для этого необходимо использовать комплекс моделей процесса управления ресурсами различных видов.
Операторы АСУП (ЛПР или эксперты) для подготовки, обоснования и принятия решений генерирует множество запросов к обеспечивающим программным системам, и предъявляют требования к качеству результатов. Для каждого запро-
8 са задаются требования по точности, достоверности, информативности, содержательности, полноте, своевременности результата его обработки. В соответствии с приоритетом оператора, настройками системы и важностью задачи определяется важность результата запроса. Множество запросов, поступающих от операторов в случайные моменты времени, образует поток запросов. Для интегрального оценивания степени удовлетворения требований операторов используется обобщенный показатель качества, представляющий собой зависимость полезности результата для подготовки и принятия решения от времени, выраженная в нормированных единицах прироста эффективности.
Существующие системы управления процессом обработки запросов операторов в АСУП (на основе приоритетов, критических сроков, классов обслуживания) не полностью учитывают требования пользователей, особенно вид и величину зависимости комплексного показателя требований операторов от времени. Это приводит к снижению качества результатов, предоставляемых операторам, и тем самым снижает качественные характеристики распределенной АСУ.
Необходимость обоснованности принимаемых решений, определяет особую актуальность решения научной задачи повышения результативности процессов обработки запросов путем рационального управления ресурсами вычислительных сетей распределенных АСУ. Решение данной задачи в ходе разработки и модернизации компонентов АСУ определяет необходимость разработки комплекса моделей и методик процесса управления ресурсами вычислительной сети.
Объект исследования: Процесс управления ресурсами вычислительной сети АСУ.
Предмет исследования: Модели и методы распределения аппаратных, сетевых и программных ресурсов вычислительной сети распределенной АСУ.
Цель исследования: Повышение эффективности разработки и модернизации АСУП за счет повышения результативности обработки потоков запросов в распределенной вычислительной среде.
Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:
Провести анализ средств и методов распределения ресурсов вычислительной сети АСУ и систем их моделирования для повышения эффективности процессов разработки и модернизации АСУ.
Исследовать характеристики и разработать модель потока запросов в распределенной вычислительной системе, позволяющую прогнозировать его свойства.
Разработать модель распределенной вычислительной системы АСУ, учитывающую нестационарность входного потока запросов.
Разработать алгоритм планирования распределения ресурсов в процессе обработки потока запросов в распределенной вычислительной системе АСУП.
Разработать прототип системы моделирования процессов управления ресурсов вычислительной сети АСУ и оценить ее эффективность.
Методы исследования, использованные в процессе выполнения диссертационной работы: исследование операций, теория эффективности, теория управления, системный анализ, моделирование систем, теория принятия решений, теория одномерной полезности, теория расписаний.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
Предложена гибкая модель потока запросов в АСУ, базирующаяся на методах регрессионного анализа, отличающаяся учетом характера распределения интенсивности поступления запросов пользователей во времени и их тип, а также возможностью прогнозирования ресурсоемкости потока.
Предложена аналитическая модель распределенной вычислительной сети АСУ, базирующаяся на методах кластерного анализа, отличающаяся дисциплиной обслуживания потока запросов, его распределения по узлам системы и сверткой набора учитываемых показателей.
Разработан алгоритм планирования распределения ресурсов в процессе обработки потока запросов в распределенных вычислительных системах, базирующийся на использовании методов стохастической оптимизации и отличающийся от известных использованием монотонно убывающих функций полезности.
10 Практическая значимость результатов диссертационной работы заключается в следующем:
Предложен прототип системы моделирования процессов распределения ресурсов для использования при модернизации и разработке АСУ крупных предприятий.
Предложен макет вычислительной сети АСУП для оценивания альтернатив систем планирования с возможность дальнейшего развития.
Предложен способ распределенной обработки нестационарного потока запросов в гетерогенной вычислительной системе, обеспечивающий распределенную обработку в АСУП. Способ защищен заявкой на патент № 2009110841.
Реализация результатов:
Программно-технический прототип системы распределенного управления внедрен в процесс сопровождения АСУП ЗАО «Дормаш» (г. Орел).
В ЗАО «Орлэкс» была внедрена программная реализация системы управления балансировкой загрузки вычислительной системы для части служб.
Программно-технический прототип системы организации распределенного управления внедрен в процесс сопровождения автоматизированных систем управления ОАО «Орелхолодмаш».
Апробация. Основные положения и результаты работы были доложены и обсуждены на конференции «Исследование, разработки и применение высоких технологий в промышленности» (2005 г.), научной конференции «Современные методы обработки информации 2005», международной научно-методической конференции вузов и факультетов телекоммуникаций (2006 г.), всероссийской конференции «Современные информационные технологии в деятельности органов государственной власти «Информтех - 2008», международной конференции «Параллельные вычислительные технологии — 2009», 11-ой международной конференции «Наукоемкие технологии и интеллектуальные системы - 2009».
Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано 10 работ (из них 3 — в журналах из перечня ВАК).
11 Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Диссертация содержит 152 стр., 60 рисунков, 5 таблиц, 3 приложения. Список литературы содержит 153 наименований.
В основе настоящей работы лежат результаты исследований в области: разработки интеллектуальных АСУП: Павлов А.А., Меньков А.В., Колесников А. А., Певзнер Л. Д., Мамиконов А. Г.; построения вычислительных сетей и систем: Foster Y., Воеводин В.В., Шокин Ю.И., Hockney R.; теории принятия решений: Кини Р.Л., Райфа X., Нейман Ф., Моргенштейн О., Гвишиани Д.М., Емельянов СВ.; разработки методов управления ресурсами: Топорков В.В., Yu J., Коваленко В.Н. Положения, выносимые на защиту:
Гибкая модель потока запросов в АСУ, учитывающая характер распределения интенсивности поступления запросов пользователей во времени и их тип.
Аналитическая модель вычислительной сети распределенной АСУ с модифицированной дисциплиной обслуживания потока запросов.
Алгоритм планирования распределения ресурсов в процессе обработки потока запросов в распределенных вычислительных системах.
Похожие диссертации на Моделирование процессов управления ресурсами вычислительной сети распределенной АСУ
