Сегодня информатика и ИТ стали одним из основных факторов развития цивилизации и научно-технического прогресса, что привело к появлению и широкому распространению таких фундаментальных понятий, как информатизация, информационное общество и информационная экономика [51]. Информационное общество и информационная экономика как конечная цель информатизации характеризуются активной разработкой и широким, массовым внедрением информационных технологий во все сферы человеческой деятельности: социальную сферу, сферу материального производства, энергетику, здравоохранение, образование, науку, культуру, торговлю, транспорт, связь, военное дело и т. д. [41, 59]. К настоящему времени предприняты определённые попытки оценить роль и влияние информационных технологий (ИТ) на развитие указанных сфер.
Анализ [51] низкой эффективности внедрения и использования средств автоматизации управления на промышленных предприятиях показывает, прежде всего, то, что системы ориентированы в основном на процессы организационного управления и обеспечивают решение офисных задач на стратегическом уровне, где временной горизонт планирования и управления кратен неделям, месяцам и кварталам. Однако на промышленных предприятиях наряду со стратегическим уровнем управления существуют, по крайней мере, ещё два уровня управления (тактический и оперативный), на которых в реальном масштабе времени реализуются производственные процессы в рамках соответствующих технологий. На указанных уровнях вместо обычных компьютеров и ручного ввода данных приходится иметь дело с автоматическими источниками информации: датчиками, контроллерами, ЯБШ-метками, БСАБА-пакетами, фиксирующими и обрабатывающими огромные потоки данных и информации в реальном масштабе времени (РВМ), в которых содержатся сведения о физических процессах, протекающих на самом нижнем (оперативном) уровне иерархии управления производством.
Как показывает детальный анализ, существует прямая логическая взаимосвязь ряда ключевых технологических параметров производственного процесса (уровень АСУ ТП, SCADA-систем) с показателями материально-хозяйственной и финансовой деятельности (уровень ERP-систем). Например, потребление электроэнергии и других энергоресурсов (газ, вода, тепло) в процессе производства напрямую влияют на себестоимость. Текущий расход сырья или простои оборудования могут определять оптимальное время подачи в цех новой партии сырья, а своевременное выявление нарушения технологии позволяет сократить или исключить вовсе дополнительные затраты, связанные с исправлением брака.
На административно-хозяйственном уровне в рамках ERP-системы осуществляется учёт каждой финансовой операции и каждого документа, в то время как на уровне производства (среднем и нижнем уровнях) подобного детального контроля не производят. Однако именно на этих уровнях рождается прибавочная стоимость, осуществляются основные затраты и имеются главные источники экономии, обеспечивается производственный план и требуемое качество продукции, а также работают многие факторы, определяющие эффективность и рентабельность предприятия в целом. В этих условиях из контура автоматизированного контроля и управления предприятием выпадает основное звено — производственный блок.
Несмотря на высокую востребованность в автоматизации перечисленных процессов, в настоящее время, в большинстве реализованных проектов, связанных с созданием интегрированных автоматизированных систем управления промышленным предприятием существует целый пласт функций, не покрываемых ни классом существующих ERP, ни классом АСУ ТП. Современное состояние задач расчёта и оптимизации вероятностно-временных характеристик (ВВХ) информационно-вычислительных сетей (ИВСет) показывает, что процесс автоматизации моделирования требует разработки новых методов, моделей и алгоритмов, которые бы позволили отслеживать и управлять состоянием ИВСет в РВМ. Поэтому в представленной работе рассматриваются и предлагаются такие методы моделирования, расчёта характеристик и оптимизации ИВСет, которые превосходят существующие аналоги по соотношению скорости и точности получаемых оценок и способны решать задачи в РВМ.
Объектом исследования является процесс функционирования современных информационно-вычислительных сетей, широко используемых в различных предметных областях в настоящее время. Предметом исследования являются: модели, методы, алгоритмы и методики моделирования, расчёта, и оптимизации вероятностно-временных характеристик ИВСет.
Целью диссертационной работы является повышение оперативности и качества функционирования как существующих, так и перспективных ИВСет на основе разработки и реализации новых моделей и алгоритмов расчёта и оптимизации их ВВХ.
Для достижения сформулированной цели были поставлены и решены следующие основные задачи исследования:
— выполнена содержательная и формальная постановка задачи расчёта и оптимизации ВВХ ИВСет как сетей массового обслуживания (СеМО);
— разработаны аналитические и имитационные модели СеМО для расчёта ВВХ ИВСет численными методами;
— разработаны и исследованы методы оптимизации характеристик СеМО;
— разработаны прототипы программной реализации и созданы интерфейсы для предложенных алгоритмов и моделей;
— решены прикладные задачи расчёта и оптимизации ВВХ ИВСет.
Методы исследования, применяемые в диссертационной работе: дискретно-событийное моделирование, теория массового обслуживания, численная оптимизация, математическая статистика.
Положения, выносимые на защиту.
1) Методы аналитико-имитационного моделирования, расчёта различных вероятностно-временных характеристик (ВВХ) ИВСет.
2) Комбинированный метод оптимизации различных ВВХ ИВСет.
3) Результаты решения прикладных задач расчёта и оптимизации ВВХ ИВСет.
Актуальность темы
диссертации. Можно привести достаточно много как успешных, так и неудачных вложений в развитие ИВСет за последние годы [25, 40, 41]. К примеру, ИВСет СМ, основанные на ИБЮ-технологии, получили коммерческое распространение относительно недавно, но не смогли обеспечить запланированную прибыль [25] от вложений из-за некорректных оценок требуемых затрат, так как такие модели ограничиваются рассмотрением только физических потоков «простой» структуры (с Марковскими свойствами) и не принимают во внимание многократно возрастающие информационные потоки [20]. Другие имеющиеся внедрения ИВСет опираются на опыт экспертов или на пилотные проекты, и лишь за редким исключением [29] можно встретить варианты использования моделей и методов ТМО либо ИМ.
В указанных условиях особую ценность приобретают вопросы количественного и качественного оценивания эффективности функционирования существующих и создаваемых ИВСет, которые составляют основу любой современной информационной и автоматизированной системы. Традиционно перечисленные вопросы исследовались с использованием систем теории массового обслуживания (ТМО). Однако, в современных условиях для описания, расчёта и оптимизации базовых характеристик ИВСет необходимо учитывать такие свойства сетей, как распределенность, неоднородность, нестационарность и для этих целей методологических основ систем ТМО становится явно недостаточно. В этих обстоятельствах особую роль приобретают задачи формального описания, расчёта и оптимального выбора параметров неоднородных нестационарных неэкспоненциальных сетей массового обслуживания, которые требуют разработки соответствующего модельно-алгоритмического обеспечения.
В нашей стране, а так же за рубежом в отрасли научных знаний (теории сетей массового обслуживания) к настоящему моменту получено огромное количество интересных фундаментальных и практических результатов [2, 5, 11, 15, 17, 34, 61], к основным недостаткам которых можно отнести вычислительную сложность и наличие ряда жёстких ограничений на поведение моделируемого объекта, что может приводить к запоздавшим или ошибочным прогнозам и, как следствие, к потере прибыли. В современной литературе также часто рассматриваются методы расчёта ВВХ ИВСет, которые опираются на статистическую обработку больших объёмов данных и построение объектов нечёткой логики, на основе кластерного анализа либо алгоритмы моделирования роя (swarm optimizers) [7, 22, 24]. К недостаткам таких подходов можно отнести высокую вычислительную трудоёмкость и требование высокого качества исходных данных, при этом последнее требование особенно сложно выполнить на стадии планирования, так как возможны различные условия внедрения ИВСет, что приводит к проблемам невозможности корректного применения указанных методов в РМВ. Таким образом, в настоящее время существует комплекс задач анализа и синтеза ИВСет, который в рамках разработанных ранее подходов и соответствующего методологического обеспечения не могут быть решены, что определяет актуальность поставленных в диссертационной работе задач создания модельно-алгоритмического обеспечения, расчёта и оптимизации вероятностно-временных характеристик ВВХ ИВСет и показьюает необходимость проведённых в ней исследований. Решение прикладных задач в этой области позволит не только преодолеть обозначенные проблемы, но и шире поставить вопрос выбора оптимальных параметров, тем самым усилив обоснованность принимаемых решений.
Научная новизна. Задача конструирования корректных моделей и оптимизационных процедур для систем и сетей очередей для произвольных параметров и характеристик в настоящий момент не решена в полном объёме. Анализ возможных вариантов цостроения аналитических моделей ИВСет показал, что при их создании целесообразно ориентироваться на класс моделей ТМО, так как они при расчёте и оптимизации ВВХ ИВСет позволяют:
— широко использовать в ходе расчётов фундаментальные научные результаты, полученные к настоящему времени в теории массового обслуживания (ТМО);
— существенно сократить размерность задач, решаемых в каждый момент времени с помощью их декомпозиции;
— достаточно конструктивно проводить согласование и взаимную интерпретацию результатов, полученных на аналитических и имитационных моделях;
— успешно решать проблему унификации ИВСет;
— обоснованно подходить к анализу времени работы элементов и подсистем ИВСет.
Методы ТМО предназначены для расчёта количественных оценок эффективности, устойчивости текущей структуры и нахождения наиболее узких мест моделируемой системы. Таким образом, использование численных расчётов либо ИМ для оценивания ВВХ моделей ТМО позволяет ставить задачу автоматической оптимизации. Ещё в работах Ф. Келли (1979) [10] и В. М. Вишневского (2003) [34] формулируется и аналитически решается задача минимизации стоимости ресурсов при заданной пропускной способности для замкнутых экспоненциальных сетей, а вопрос численной оптимизации ВВХ по моделям СеМО поднимался в многочисленных статьях и книгах Дж. Медхи (2010) [15]. Эти работы объединяет наличие ограничений на вид используемых распределений, которые являются очень жёсткими и, если пытаться применять результаты расчётов к моделируемым системам, могут приводить к значительным ошибкам. Для избежания этих проблем в диссертационной работе разработан новый подход к расчёту различных ВВХ ИВСет и их оптимизации для более широкого класса моделей, где оценки ВВХ ИВСет могут быть получены как численными методами, так и из ИМ, что представляет собой весомое преимущество. Сходная задача и аналогичные подходы к решению представлены в работах [19,21, 29,40], но исследования в них ограничиваются лишь одной ЦФ и не представляют возможности вводить дополнительные условия на множестве оптимизируемых параметров, в связи с чем в диссертации исследуется модифицированный подход штрафных функций, которые снимают вышеуказанные ограничения.
Помимо вышесказанного с целью повышения эффективности подхода к решению задач расчёта ВВХ и оптимизации ИВСет автором предлагается сочетать аналитическое и имитационное моделирование, которые компенсировали бы недостатки друг друга, и ввести оптимизацию ИВСет по различным характеристикам на стадии проектирования для того, чтобы получить несколько альтернативных вариантов возможных сценариев внедрения ИВСет. Специально для случая выхода из строя аппаратной части элементов ИВСет [28], в диссертационной работе разработан специальный подход к оптимизации структуры самой ИВСет, который дает возможность использовать ресурсы сети рационально, в отличие от существующих решений, которые используют модели выхода из строя узлов без перестроения структуры сети.
Подводя итог вышесказанному, можно говорить о соответствии предложенного подхода современному уровню развития в области моделирования, расчёта и оптимизации характеристик ИВСет. Всё это позволяет обеспечить наиболее качественные результаты проектирования ИВСет.
Структура диссертационной работы.
Во введении представлен краткий анализ текущего состояния проблемы расчёта и оптимизации ВВХ ИВСет с обоснованием её актуальности. Также в обобщённом виде сформулированы основные цели и задачи исследования.
В главе 1 описываются прикладные задачи расчёта ВВХ ИВСет, позволившие сформулировать задачу диссертационной работы. Проводится критический анализ известного алгоритма расчёта ВВХ СеМО и предлагается ряд улучшений, позволяющих повысить его точность и расширить область его применения.
В главе 2 формально определяются ЦФ, описанные во введении, способ задания пространства оптимизируемых параметров, методы оптимизации, а также предлагается комбинированный подход к оптимизации ВВХ ИВСет. Здесь же вводится модель ИВСет с изменяемой структурой и предлагается метод расчёта и оптимизации её характеристик.
В главе 3 рассматривается вариант применения предложенного во второй главе подхода оптимизации в случае, когда модель ИВСет задаётся как имитационная модель (ИМ), анализируются нюансы этого подхода и предлагаются способы преодоления стохастической природы оценок.
В главе 4 приведены примеры решений прикладных задач расчёта ВВХ ИВСет системы мониторинга (СМ) в РМВ посредством использования методов моделирования расчёта и оптимизации характеристик ИВСет.
В заключении описываются достигнутые цели и задачи диссертационной работы, обозначены преимущества разработанных методов и алгоритмов расчёта и оптимизации характеристик ИВСет по сравнению с уже существующими, а так же приведены полученные результаты в области теоретических и прикладных исследований.
В приложение, А вынесено описание прототипа разработанной программы А-МОСТ, предназначенного для решения задач расчёта ВВХ моделей однородных систем и сетей массового обслуживания, в приложение Б — описание прототипа программы (^]ЧОр1, предназначенного для решения задач оптимизации ВВХ ИВСет.
Автор диссертации выражает глубокую благодарность своему научному руководителю Ю. И. Рыжикову за плодотворную совместную работу и наставничество в исследованиях. В рамках рассматриваемой работы можно проследить множество ссылок к его трудам [54, 55, 57, 58], так как одной из наиболее важных характеристик предлагаемых им алгоритмов является их вычислительная эффективность. Разработанные им методы анализа широкого класса задач ТМО нашли свое воплощение в библиотеке МОСТ, который реализует различные аспекты численного расчёта характеристик ТМО и использовался при проведении всех численных экспериментов в рамках диссертационной работы. Разработанные автором методы развивают и расширяют результаты, полученные Ю. И. Рыжиковым в задачах расчёта характеристик моделей ТМО, и применяются для постановки решения задачи оптимизации ВВХ ИВСет.
Также автор работы выражает глубокую благодарность профессору Б. В. Соколову за активное участие в проводимых исследованиях, ценный вклад в постановку прикладных задач и многочисленные указания о направлении поисков решений возникавших сложностей. Особенно ценны были замечания по аспектам создания моделей и выбора методов оптимизации.
Выводы.
Анализ разработанных моделей функционирования подсистемы мониторинга проекта «Ракурс Д» выявил ошибки в логике функционирования ИВСет обработки телеметрической информации за счёт расхождений в оценках по ретроспективным базам данным и оценкам, получаемым из модели, тем самым удалось подтвердить соответствие между поведением модели и ИВСет.
Созданная модель ИВСет сбора и обработки телеметрической информации позволила оценить долю заявок, успевающих пройти обработку до появления следующего пакета при заданных характеристиках сети. Для проекта «Ракурс Д» можно говорить, что при штатной работе инфраструктуры реактора в среднем проекты выполняются на пределе возможностей настольного компьютера — лишь 94% всех заявок успевают отработать за отведённые 0.1 секунды, без перегрузки системы, а увеличение числа процессоров либо уменьшение времени обработки отдельного оператора заметно влияют на долю вовремя обработанных пакетов. Моделирование нагрузок в критической ситуации показало, что требуется 3−4 сервера, типа HP ProLiant, для обработки возросшего потока информации.
Для программного проекта «Ракурс Д» можно предложить ещё большую декомпозицию входных параметров, так как это позволит уменьшить число пересчитываемых операторов при появлении каждого нового пакета.
С помощью разработанной модели удалось оценить условия, при которых отклик на изменения состояния ИВСет не нарушает ограничения накладываемых реальным масштабом времени, что также дало возможность проанализировать пригодность оборудования для проведения необходимых расчётов. Рассмотрение необходимых прикладных вопросов предварительной обработки и правил верификации применимости модели к имеющимся исходным данным предоставляет возможность автоматизировать процессы подготовки данных, выявить границы применимости предлагаемых методов.
Для описания нестационарного поведения моделируемой ИВСет, в рамках диссертации предлагается определять участки стационарности моделируемой системы, оценить их продолжительность и проводить расчёты и оптимизацию параметров ИВСет отдельно на каждом участке стационарности в РМВ за счёт использования быстрых приближённых численных методов, предлагаемых в главах 1,2. Анализ проекта «Ракурс Д» показал принципиальную возможность использования предложенного подхода к моделированию функционирования ИВСет, так как запас производительности, созданный благодаря нему, позволяет утверждать, что моделируемые системы могут иметь на порядок больше параметров и при этом оперативно проводить расчёт и оптимизацию их ВВХ.
Заключение
.
В результате проведённых исследований в диссертационной работе была решена важная актуальная научно-техническая задача моделирования, расчёта и оптимизации ВВХ ИВСет и получены следующие основные результаты:
— проведён критический анализ существующих подходов к постановке и решению задачи моделирования, расчёта и оптимизации ВВХ ИВСет, выбраны и обоснованы пути её решения;
— разработаны аналитические модели СеМО, которые позволяют с требуемой степенью адекватности описать ИВСет и определена область их применения;
— разработана ИМ для расчёта характеристик ИВСет;
— предложены алгоритмы и методы решения задач моделирования, расчёта и оптимизации ВВХ ИВСет;
— разработаны и реализованы прототипы программ для расчёта и оптимизации ВВХ ИВСет;
— проиллюстрирована конструктивность разработанного модельно-алго-ритмического обеспечения на примере задачи анализа существующей ИВСет обработки телеметрической информации.
В сравнении с существующими подходами расчёта и оптимизации характеристик ИВСет разработанные алгоритмы и методы обладают такими преимуществами, как низкие трудозатраты и наличие возможности построения иерархии моделей в зависимости от уровней точности, качества, объёма входных данных и требований к точности ЦФ за счёт минимизации использования ИМ. Расширенная область применимости известных алгоритмов и методов благодаря разработке и реализации более устойчивых методов расчёта характеристик ИВСет дала возможность улучшить результаты задач моделирования оценок этих характеристик и провести расчёт новых характеристик, оценка которых ранее была не возможна. Упор на численные подходы при использовании предложенных алгоритмов и методов позволил оперативно экспериментировать с параметрами модели ИВСет и задавать их не только точно, но и интервально, чтобы в последствии проводить формальную оптимизацию в рамках предпочтительных значений.
В области теоретических исследований автором предложены:
— алгоритм расчёта высших моментов и аппроксимации функции распределения времени пребывания заявок в узлах для однородных замкнутых СеМО при однократном посещении узла, который по сравнению с имеющимися аналогами допускает задание произвольных распределений времени обслуживания в узлах, что расширяет область применения метода оценки ВВХ ИВСет на случай, когда распределения далеки от показательного, как это предполагается во многих существующих моделях;
— подход к исключению шага (этапа) численного дифференцирования для оценки моментов распределения времени пребывания заявок в смешанных неоднородных СеМО, который посредством использования аналитических формул является более точным, менее трудоёмким, не зависящим от выбора шага численного дифференцирования и более устойчивым к изменению входных данных по сравнению с другими подходами;
— метод комбинированной оптимизации ВВХ ИВСет, который в отличие от других методов не требует задания начального приближения, информации о производных и благодаря использованию фундаментальной методологии ТМО применим к широкому классу аналитико-имитационных моделей;
— модифицированный метод ИМ «меченых заявок» для моделирования ИВСет, который использует алгоритмы сокращения зависимостей между учитываемыми наблюдениями, позволяет избавиться от смещённости оценок рассматриваемых характеристик классического алгоритма реализации этого метода и, в сравнении с другими способами реализации ИМ, позволяет получить как оценки с существенно меньшей дисперсией при сопоставимой длительности моделирования, так и доверительные интервалы для них.
В области прикладных исследований автором предложены:
— алгоритм автоматического выбора наиболее подходящей схемы расчёта характеристик СМО в зависимости от параметров, который выбирает из класса расчётных схем, описывающих данную задачу, наиболее узкую схему, позволяющую получить результаты расчёта характеристик оптимальные по точности и времени счёта;
— подход к ограничению пространства параметров, использующий модифицированный метод штрафных функций, который позволяет за счёт выбора метода штрафования задать предпочтительную область параметров и управлять скоростью сходимости метода оптимизации;
— модель смены сценариев стационарного поведения моделируемой ИВСет в терминах МСЦМ, что позволяет предсказывать смену участков стационарности по косвенным признакам и корректно применять численные методы расчёта её характеристик отдельно на каждом из таких участков.
В области реализации и использования результатов исследований автором разработаны:
— программное приложение расчёта ВВХ ИВСет численными методами (А-МОСТ);
— программное приложение оптимизации ВВХ ИВСет численными методами (С)ШрО;
— система имитационного моделирования для проверки качества реализации численных методов и для описания случаев, допускающих изменение конфигурации ИВСет во время моделирования;
— подходы расчёта и оптимизации ВВХ ИВСет, применённые к анализу АПК обработки телеметрической информации «Ракурс Д».
Из вышесказанного следует, что результаты работы могут быть использованы как на этапе проектирования ИВСет для исследования возможностей проектируемой системы и выдачи рекомендаций по характеристикам аппаратной базы и организации процесса функционированиятак и на этапе реализации для поддержки в принятии решений при управлении функционированием ИВСет и при проведении её модернизации, а также для проверки качества функционирования моделируемой системы.
В результате практической реализации были предложены:
— формализация запроса экспертов относительно показателей эффективности моделируемой системы;
— иерархия моделей описания функционирования ИВСет обработки телеметрической информации;
— методы расчёта требуемых ВВХ;
— методы верификации показателей функционирования и проектирования ИВСет;
— подход к предсказанию смены сценариев поведения ИВСет;
— подход к решению задачи выбора необходимого состава и структуры АПК ИВСет;
— подход к оценке чувствительности узлов сети к деградации структуры.
Таким образом, достигнута главная цель диссертационной работы — разработаны алгоритмы и методы, позволяющие сократить сроки при проектировании, внедрении, модернизации ИВСет и дающие возможность повысить уровень целевых и информационно-технологических возможностей, устойчивости функционирования её элементов и подсистем на основе совершенствования и автоматизации методов расчёта и оптимизации её ВВХ.
