Введение к работе
Актуальность темы
В современных условиях к обслуживающим комплексам предъявляются повышенные требования с точки зрения оптимальности функционирования. Учет ограничений на взаимную зависимость работ, особенностей входящего потока, случайной длительности обслуживания, существующего плана выполнения работ позволит составить наиболее эффективный график функционирования системы в целом, а следовательно, повысить качество ее работы.
Большой вклад в развитие анализа сложных систем и оптимизацию их функционирования внесли как отечественные, так и иностранные ученые. Базовые результаты теории систем массового обслуживания были получены А.К. Эрлангом, Л. Клейнроком, а также советскими учеными А. Н. Колмогоровым, А.Я. Хинчиным, Б.А. Севастьяновым и др. Разработкой оценок длительности обслуживания сложных систем занимались как отдельные ученые (X. Ахь-юджа, Р.В. Конвей, А. Кофман, Д.И. Голенко- Гинзбург и др.), так и целые организации («Буз, Ален и Гамильтон», «Локхид»).
Однако не все проблемы в данной области можно считать решенными. В частности, исчерпывающие характеристики получены лишь для классических систем массового обслуживания с простейшим входящим потоком заявок. В остальных случаях существуют лишь некоторые формулы, недостаточные для полного описания функционирования сложных систем. В связи с этим возникает необходимость разработки математических моделей, учитывающих все специфические особенности системы и позволяющие определить ее характеристики. Поскольку применение аналитического аппарата зачастую бывает затруднительно в связи со сложностью модели, необходимо для этой цели использовать численные методы.
В частности, одной из важнейших задач является оценка числа обслуживающих устройств при нестационарном входящем потоке. Учет специфики поступления заявок при планировании графика работы обслуживающих устройств позволит минимизировать ситуации, при которых заявка должна получить отказ в связи с пиковой загрузкой системы.
Другой важной задачей является оценка длительности обслуживания. Точная оценка времени обслуживания позволит плановое расписание максимально приблизить к реальному и, вследствие этого, минимизировать ошибки, возникающие при планировании.
Сложность современных обслуживающих систем обуславливает необходимость автоматизации процесса планирования работ с помощью специально разработанного комплекса программ, учитывающего все вышеперечисленные особенности.
Таким образом, актуальность темы диссертационного исследования продиктована необходимостью улучшения функционирования многопрофильных обслуживающих комплексов, отличительными чертами которых являются нестационарный входящий поток заявок и случайная длительность обслуживания.
Работа выполнена в рамках научного направления НОУ ВПО «Международный институт компьютерных технологий» «Моделирование информационных процессов в сложных системах».
Цель работы. Целью работы является разработка моделей, методов и программных средств для оптимизации функционирования многопрофильного обслуживающего комплекса с нестационарным входящим потоком заявок и случайным временем обслуживания.
Задачи исследования. Для достижения этой цели в работе необходимо решить следующие задачи:
Проанализировать процесс функционирования многопрофильного обслуживающего комплекса с целью выявления возможных подходов для повышения эффективности его функционирования.
Разработать математическую модель системы, учитывающую нестационарный входящий поток, случайную длительность обслуживания и ограничение на время пребывания заявки в очереди.
Разработать аналитические и численные методы оптимизации функционирования многопрофильного обслуживающего комплекса.
Реализовать программные средства, моделирующие процесс планирования работ на основе разработанных ранее оценок и моделей.
Методы исследования. В работе использованы методы оптимизации, численные методы, а также методы моделирования, теория вероятностей и математическая статистика и теория объектно-ориентированного программирования.
Тематика работы соответствует следующим пунктам паспорта специальности 05.13.18:
3. Разработка, обоснование и тестирование эффективных вычислитель
ных методов с применением современных компьютерных технологий.
4. Реализация эффективных численных методов и алгоритмов в виде
комплексов проблемно-ориентированных программ для проведения вы
числительного эксперимента.
8. Разработка систем компьютерного и имитационного моделирования. Научная новизна работы. В работе получены следующие результаты, отличающиеся научной новизной:
Математическая модель многопрофильного обслуживающего комплекса, учитывающая нестационарный входящий поток, случайную длительность обслуживания и ограничение на время пребывания в очереди, и позволяющая найти оценки основных параметров, влияющих на эффективность работы системы.
Численная оценка длительности обслуживания, построенная на основании наименьшего, наибольшего и наиболее вероятного времени выполнения работ и повышающая точность оценок параметров оптимизационной задачи.
Численная оценка числа обслуживающих устройств в каждом центре, учитывающая нестационарный входящий поток и обеспечивающая максимальное приближение реальной загрузки системы к плановой.
Разработка системы компьютерного моделирования, особенностью которой является возможность автоматического изменения последовательности исполняемых модулей в зависимости от параметров входящего потока и характеристик обслуживающих устройств, позволяющей оптимизировать процесс функционирования многопрофильного обслуживающего комплекса.
Практическая значимость работы. Практическая значимость работы заключается в разработке комплекса программ, позволяющего автоматизировать процесс планирования работ для многопрофильного обслуживающего комплекса и учитывающего неоднородность входящего потока заявок и случайное время их обслуживания. Использование данного программного комплекса позволит не только значительно сократить время, затрачиваемое на планирование работ, но и существенно повысить качество составляемого графика работ.
Реализация и внедрение результатов работы. Основные теоретические и практические результаты работы реализованы в виде комплекса программных средств, предназначенных для повышения эффективности функционирования многопрофильного обслуживающего комплекса. Эффект от внедрения заключается в приближении реальной загрузки системы к плановой, а также уменьшении вероятности отказа.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационного исследования докладывались на следующих научных конференциях и семинарах: X Всероссийской научно-технической конференции «Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий» (Улан-Удэ, 2009), VIII Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Информационные технологии и математическое моделирование» (Томск, 2009), Всероссийской конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» (Воронеж, 2010), международной научной конференции «Информационные технологии в связи, вычислительной технике и энергетике» (Воронеж, 2010), I Всероссийской конференции «Критические технологии вычислительных и информационных систем» (Воронеж, 2011), III международной научно-практической конференции «Наука и просвещение» (Санкт-Петербург, 2011), а также научных семинарах кафедры информатики и вычислительной техники Международного института компьютерных технологий (Воронеж, 2009 -2011).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 18 научных работ, в том числе 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателем предложены: [1] - особенности функционирования системы при наличии нестационарного потока; [2] - определение параметров для численной
оценки длительности обслуживания; [3] - алгоритм планирования работ, учитывающий временные ограничения и наличие план-графика для работ, поступивших в систему ранее; [4] - описание программы, автоматизирующей процесс планирования работ; [5-7] - формулы для оценки одного из параметров математической модели многопрофильного обслуживающего комплекса; [8] -разработка алгоритма и программного средства для подсистемы оценки длительности приема пациентов; [11,12] - анализ одного из подходов к оценке одного из параметров математической модели; [16]- реализация и проведение эксперимента; [17,18] -разработка программного кода.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 108 наименований. Основная часть работы изложена на 109 страницах, содержит 17 таблиц и 32 рисунка.
