Предварительный анализ современных автоматизированных систем управления (АСУ), проведённый на предприятиях, имеющих большое количество территориально удалённых друг от друга объектов, показал, что на многих из них для повышения качества информационного обслуживания объектов требуется проведение организационно-технических мероприятий, обеспечивающих на основе использования новых информационных технологий повышение эффективности применения АСУ. Это обусловлено ростом объёмов и цены хранимой информации, повышенными требованиями к оперативности и надёжности обработки данных, масштабами современных информационных систем.
Эффективность применения АСУ на прямую зависит от существующей ИТ-инфраструктуры информационной системы.
Инфраструктура информационной системы — это система организационных структур, обеспечивающих функционирование и развитие информационного пространства и средств информационного взаимодействия.
Инфраструктура информационных систем включает совокупность информационных центров, банков данных и знаний, систем связиобеспечивает доступ потребителей к информационным ресурсам.
Основными требованиями к ИТ-инфраструктуре в настоящее время является надежность, производительность и способность адаптироваться к меняющимся задачам. Перечисленным требованиям в наибольшей степени удовлетворяют высокопроизводительные центры хранения и обработки информации (ЦХИ), обеспечивающие непрерывную работу информационных систем, а также имеющие относительно невысокую стоимость хранения информации. Создание ЦХИ оптимизирует также затраты на эксплуатацию занимаемых вычислительным оборудованием помещений и на обслуживающий персонал.
Таким образом, применение ЦХИ на предприятии является эффективным решением построения ИТ-инфраструктуры. В зависимости от задач предприятия и сложности его ИТ-инфраструктуры возможно построение ЦХИ" требуемых размеров и надежности. Всё это подчёркивает актуальность разработки математического и программного обеспечения задачи выбора числа и мест размещения ЦХИ, особенно, в случае использования распределённых компьютерных сетей.
В настоящее время, в связи с появлением новых компьютерных технологий, задача повышения эффективности информационно-вычислительного процесса (ИБП) в распределённой АСУ становится возможной, относительно недорогой. Одним из подходов к решению данной задачи является внедрение в современные АСУ технологий, обеспечивающих эффективное размещение, надежное хранение и своевременную обработку данных в распределенной информационной сети.
Известные математические постановки задач о размещении представляют собой частные случаи классических задач теории графов — «задачи о р-медиане» и «задачи о ^-центрах» [1−7], а также «задач о назначении» [8−9], для решения которых, как правило, используются алгоритмы, основанные на идеях метода ветвей и границ. Этим задачам посвящён ряд работ таких авторов, как: S.L. Hakimi, Н. Noltermeier, J. Spoerhose, Н. Кристофидес, В. Л. Береснев, Э. Х. Гимади, В. Т. Дементьев, Е. В. Алексеева, Ю. А. Кочетов, Г. Г. Забудский и другие.
В постановке применительно к компьютерным сетям в целях оптимизации информационно-вычислительного процесса (ИВП) наиболее известные подходы к решению подобных задач рассмотрены в работах В.А. Балыберди-на, О. Г. Алексеева, В. Д. Киселева, О. В. Есикова, И. В. Сергиенко, A.A. Корбу-та, Ю. Ю. Финкелынтейна, Г. Ф. Янбых, Б. А. Столярова и других авторов [1017].
Тем не менее, остаётся немало сложностей в разработке математических моделей и программ решения задач, обеспечивающих заданные требования к надёжности и оперативности, а также снижение стоимости современной АСУ предприятия, построенной на базе распределённых компьютерных сетей (КС). Сложность подчёркивается ещё и тем, что к алгоритму и программе решения задачи в ряде случаев может предъявляться требование обеспечения возможности выполнения в реальном масштабе времени.
Наиболее эффективными средствами хранения и обработки информации в современной АСУ являются распределённые компьютерные сети (КС), в узлах которых, в соответствии с двухранговой моделью «клиент — сервер», создаются высокопроизводительные центры хранения информации. Остальные узлы сети оборудуются как автоматизированные рабочие места должностных лиц (АРМ ДЛ), предназначенные для обеспечения доступа соответствующих должностных лиц к ресурсам распределенной сети. Создание таких систем связано с определёнными затратами, а эффективное использование предоставляемых ими возможностей требует количественного обоснования принимаемых решений по выбору рациональных методов, обеспечивающих требуемое качество ИВП.
Рассматриваемая задача выбора эффективного способа информационного обслуживания пользователей в распределенной сети имеет непосредственную связь с оптимальным выбором числа и мест размещения ЦХИ в узлах этой сети. В совокупности эти задачи относятся к задачам оптимизации ИВП в распределенной АСУ.
Таким образом, для организации эффективного способа информационного обслуживания, пользователей в распределенной сети необходимо, наряду с другими вопросами, решать достаточно сложную задачу оптимального выбора числа и мест размещения ЦХИ (файловых серверов, серверов приложений, серверов прикладных сетевых служб, серверов баз данных) в узлах этой сети.
Актуальность темы
диссертационной работы определяется следующими факторами: необходимость дальнейшего повышения эффективности ИВП в.
АСУ современного предприятиясуществующее математическое и программное обеспечение решения задач оптимизации информационных процессов в АСУ не в полной мере учитывают современные достижения информационных технологийотсутствуют формализованные постановки и эффективные алгоритмы решения задач оптимального размещения информации в сложных распределенных информационных системах АСУ предприятия, обеспечивающие требуемые значения показателей качества ИВП.
Исходя из этого, научной задачей, решаемой в диссертационной работе, является разработка математических моделей и алгоритмов оптимизации ИВП путём оптимального размещения ЦХИ в узлах распределённой компьютерной сети.
Объектом исследования являются распределённые компьютерные сети АСУ предприятия.
Предметом исследования являются математические модели и алгоритмы размещения ЦХИ в компьютерной сети АСУ предприятия.
Целью диссертационной работы является повышение качества ИВП в современной АСУ предприятия за счёт разработки математического и программного обеспечения задач оптимального размещения ЦХИ на основе анализа информационного взаимодействия между объектами системы и требований к показателям качества ИВП, а также применения новых информационных технологий с учётом перспективных направлений совершенствования современных АСУ.
Поставленная цель достигается путем решения следующего комплекса взаимосвязанных задач: анализ факторов, влияющих на эффективность информационных процессов в современной АСУ предприятияразработка методики оптимизации ИВП в распределённой КСразработка математических моделей, методов и алгоритмов оптимального размещения ЦХИ в распределенной КСразработка имитационной модели для оценки параметров информационного процесса в компьютерной сети и программного средства для экспериментального исследования разработанных методов и алгоритмов.
Основные результаты решения поставленной научной задачи изложены в настоящей работе, состоящей, из трех глав.
В первой главе произведён анализ научных работ, посвящённых проблемам повышения эффективности ИБП в распределённых компьютерных сетях и вопросам математического и программного обеспечения решаемых с этой целью задач. Рассмотрены факторы, влияющие на эффективность ИБП современной АСУ предприятия, сформулированы требования, предъявляемые к АСУ, основные направления её совершенствования и связанные с этим задачи. Разработана методика оптимизации ИБП. Показано, что эффективность информационных процессов в распределенной АСУ предприятия, построенной на базе компьютерной сети и содержащей значительные объемы информации, существенно зависит от количества и размещения ЦХИ по узлам компьютерной сети, что доказывает необходимость решения данной задачи, в том числе, в реальном масштабе времени.
Во второй главе, исходя из требований оперативности и надежности представления выходной информации, произведён выбор и обоснование показателей эффективности информационных процессов в современных АСУ предприятия, разработаны математические постановки задач выбора числа и мест размещения ЦХИ по узлам сети. Сформулированные задачи сведены к задачам целочисленного программирования. Предложенные методы и алгоритмы решения этих задач основаны на идеях метода ветвей и границ.
Третья глава посвящена исследованию разработанных математических моделей оптимизации ЦХИ в КС современных АСУ предприятия, а также экспериментальной оценке алгоритмов и программ оптимизации, проверке работоспособности разработанного математического аппарата с целью выработки рекомендаций по его применению. Обоснованы критерии оценки эффективности предложенных методов и алгоритмов. На основе анализа процесса информационного взаимодействия в компьютерной сети разработана имитационная модель на языке GPSS/PC, применяемая при подготовке исходных данных для решения задачи оптимального выбора ЦХИ в узлах КС АСУ предприятия. Приведены результаты вычислительных экспериментов. Выработаны рекомендации по размещению ЦХИ в компьютерной сети АСУ предприятия.
На защиту вынесены следующие основные положения:
1. Методика формирования ИВП, основанная на оптимизации размещения ЦХИ в распределённой компьютерной сети.
2. Математические модели оптимизации числа и мест размещения ЦХИ в компьютерной сети, основанные на классических задачах из теории графов о /7-центрах и р-медиане с учётом введения дополнительных ограничений для обеспечения заданных требований по оперативности и надежности представления информации.
3. Подход к решению задачи выбора числа и мест размещения ЦХИ в узлах компьютерной сети по критерию максимума интенсивности поступления запросов на информационное обслуживание, основанный на сведении её к задаче о покрытии, а также метод и алгоритм решения задачи выбора ЦХИ по критерию минимума суммарного времени на обслуживание информационных запросов в сети, использующий дихотомический поиск решения с проверкой по дополнительным ограничениям.
4. Имитационная модель на языке GPSS для оценки параметров компьютерной сети, построенная по модульному принципу, а также программное средство, позволяющее автоматизировать процесс экспериментального исследования эффективности методов решения задач выбора ЦХИ на различных наборах случайных исходных данных.
Достоверность научных результатов подтверждена корректным применением используемого математического аппарата, а также согласованностью результатов теоретического расчёта с данными, полученными в ходе экспериментов с применением имитационной модели, а также в ходе решения практических задач выбора ЦХИ. Работоспособность предложенных алгоритмов была подтверждена сравнением результатов «ручного» расчёта по контрольным исходным данным с результатами, полученными с помощью разработанного программного средства.
Практическая значимость работы заключается" в том, что предложенные методика, модели и алгоритмы могут быть использованы для оптимизации ИВП как при совершенствовании существующих, так и при разработке новых АСУ предприятия. Практическая ценность результатов работы подтверждается их применением в ходе обоснования ЦХИ для конкретного предприятия. Алгоритмы доведены до рабочих программ и в силу своей общности позволяют решать широкий круг научно-технических задач.
Внедрение результатов работы. Результаты работы использовались в процессе обоснования выбора и размещения ЦХИ в корпоративной сети предприятия (ООО «ТехЛэнд-Автоматизация», г. Москва, «ООО «Компания ДИЛАЙН», г. Москва, ООО «ТЕКСТИЛЬ СЕРВИС», г. Камышин Волгоградской области), а также внедрены в НИР, выполненной в Тульском региональном отделении МОО АИО. Программа оптимального размещения ЦХИ включена в состав программного обеспечения АСУ предприятия ООО «ТехЛэнд-Автоматизация», г. Москва, получено «Свидетельство о регистрации программы ЭВМ».
Ряд теоретических результатов внедрены в учебный процессе ГОУ ВПО «Тульский государственный университет», а также Тульского филиала ОРАГС.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались, обсуждались и одобрены на межрегиональных и внутривузовских научных и научно-практических конференциях (Тула — 2005, 2007, 2011 г. г.), а также на международных конференциях (Москва — 1999 г., Волгоград — 2006 г., Тула — 2011 г., Омск-2011 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ в различных научных изданиях, в том числе, в журналах, входящих в перечень.
ВАК, рекомендованных для публикации результатов диссертационных исследований.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, трёх глав, заключения, изложенных на 160 страницах машинописного текста, содержит 27 рисунков, 28 таблиц, список используемой литературы из 78 наименований, а также 4 приложения.
Основные результаты работы заключаются в следующем:
Г. Разработана методика оптимизации' ИВП* в? распределенной АСУ предприятия.
2. Сформулированы задачи и разработаны" математические модели оптимизации числа и мест размещения 1ЦХИ в узлах компьютерной сети по различным критериям: по критерию минимума суммарного среднего времени поиска и передачи информации по каналам связи, по критерию максимума интенсивности поступления запросов на информационное обслуживание, а также по критерию минимума стоимости обслуживания информационных запросов. В математические модели включены дополнительные ограничения для обеспечения заданных требований по надежности представления информации.
3. Предложен алгоритм решения «задачи о р-центрах», основанный на сведении исходной задачи к задаче о покрытии, что позволяет за счёт особенностей двойственного решения повысить быстродействие метода ветвей и границ. Для сведения к задаче о покрытии предварительно решается задача нахождения кратчайших путей между всеми вершинами исходного графа. Предложен более эффективный подход к её решению, который экономит почти 50% времени по сравнению с ЛЧсратным применением алгоритма Дейкст-ры.
4. Разработан эффективный алгоритм для «задачи о /?-медиане"-с учётом дополнительных ограничений, основанный на идеях метода ветвей и границ, с дихотомическим поиском решенияданный алгоритм позволяет находить точное решение, как для симметричной, так и несимметричной матрицы исходных данных. Эксперимент показал, что время решения-задачи резко возрастает с увеличением значения рно на практике при решении задач оптимизации размещения ЦХИ значение р не будет превышать 10% - 30% от размерности матрицы исходных данных, что позволит успешно применять данный алгоритм.
5. На языке GPSS/PC разработана имитационная модели для оценки параметров процесса1 обслуживания5 информационных запросов в распределённой компьютерной сети, позволяющая определить, исходные1 данные для решения" задачи размещения ЦХИ. Применение специализированного языка имитационного моделирования GPSS/PC и модульного принципа разработки позволяют уменьшить трудоёмкость создания и исследования модели в 4−5 раз.
6. На языке PASCAL разработана программа, реализующая метод ветвей и границ с дихотомическим поиском для решения «задачи о р-медиане», а также программа для решения «задачи о ^-центрах» методом сведения её-к задаче о покрытии. Разработанные программные средства для автоматизации-" экспериментальной проверки предложенных методик и алгоритмов решения задачи позволяют управлять процессом исследования, проводить сравнительную оценку алгоритмов по выбранной программе и значительно сократить затраты на проведение исследований.
Экспериментальная проверка разработанных математических моделей, методик и алгоритмов показала их работоспособность и целесообразность включения в комплекс специального математического и программного обеспечения АСУ современного предприятия.
Полученные результаты диссертационной работы, подкреплённые экспериментальными исследованиями, а также практическое внедрение разработанных математических моделей, алгоритмов и программ подтверждают работоспособность и возможность их применения в целях оптимизации ИВП для различных условиях функционирования АСУ.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В диссертационной работе решена научная задача разработки математических моделей и алгоритмов оптимизации информационно-вычислительного процесса в распределённых АСУ современного предприятия за счёт оптимального размещения центров храненияи обработки. информации в узлах компьютерной сети.
В соответствии с поставленной целью повышения качества ИВП с учётом современных информационных технологий разработана методика оптимального размещения ЦХИ. Методика базируется на комплексе математических моделей, позволяющих формализовать наиболее трудоёмкие процессы оптимизации ИВП в современной АСУ.
Разработанные модели, алгоритмы и программы рекомендуются для включения в состав специального математического и программного обеспечения АСУ.
Модели и алгоритмы могут быть использованы для оптимизации ИВП как при совершенствовании существующих, так и при разработке новых АСУ предприятием. Практическая ценность результатов работы подтверждается их применением в ходе обоснования ЦХИ в АСУ конкретного предприятия. Алгоритмы доведены до рабочих программ и в силу своей общности позволяют решать широкий круг научно-технических задач.
В ходе работы были сделаны следующие основополагающие выводы:.
1. Предварительный анализ современных АСУ, проведённый, на предприятиях, имеющих большое количество территориально удалённых друг от друга объектов, показал, что на многих из них для повышения качества информационного обслуживанияобъектов требуется проведение организационно-технических мероприятий, обеспечивающих на основе использования новых информационных технологий повышение эффективности применения АСУ. Это обусловлено ростом объёмов и цены хранимой информации, повышенными требованиями к оперативности и надёжности обработки данных, масштабами современных информационных систем.
2. Основными требованиями к ИТинфраструктуре предприятия' в настоящее время-являются высокая надежность, производительность и способность адаптироваться"к. меняющимся задачам. Перечисленным требованиям в наибольшей степени удовлетворяют высокопроизводительные центры хранения' и обработки информации, обеспечивающие непрерывную работу информационных систем, а также имеющие относительно невысокую стоимость хранения информации. Создание ЦХИ оптимизирует также затраты на эксплуатацию занимаемых вычислительным оборудованием помещений и на обслуживающий персонал.
3. Обобщенную физическую структуру современной АСУ можно представить как совокупность объектов системы управления, каждый из которых является узлом компьютерной сети, связанных между собой каналами передачи данных. При этом, согласно двухранговой модели «клиент — сервер» часть узлов сети оборудуются как ЦХИ, обладающие мощными аппаратными и программными ресурсами для обработки и хранения информации. Остальные узлы оборудуются как АРМ ДЛ, предназначенные для обеспечения доступа соответствующих должностных лиц к ресурсам сети.
4. Сложность решения задач оптимизации ИВП обусловлена тем, что организационно структура АСУ современного предприятия соответствует территориально разнесённой и многоуровневой системе управления, а процесс управления характеризуется большим объёмом и высокой интенсивностью информационного потока. Кроме того, особенности разработки математического и программного обеспечения задач оптимизации размещения ЦХИ, которые обусловлены условиями их применения в реальном масштабе времени, порождают проблему снижения вычислительной сложности и повышения эффективности методов решения этих задач.
5. Существенные упрощения-в решении задач оптимизации АСУ предприятия можно обеспечить представлением системы управления в виде совокупности вложенных контуров. Применительно к распределенным компьютерным сетям, корпоративная сеть предприятия представляется в виде совокупности вложенных сетей. Данный подход позволяет оптимизировать сложные системы по принципу «сверху — вниз» с позиции назначения и наилучшего решения* основной целевой задачи всей системы. Это обеспечивает возможность рационального распределения информационных ресурсов по-мере декомпозиции системы.
6. Проблема синтеза компьютерной сети АСУ предприятия упрощается при учете специфики условий функционирования АСУ, которая состоит в том, что организационная структура АСУ современного предприятия включает достаточно много объектов, находящихся на значительном расстоянии друг от друга. Указанные объекты в соответствии с заданными информационными потребностями оснащаются средствами связи (передачи данных) и вычислительными средствами необходимой производительности, естественным образом формируя узлы компьютерной* сети. Эти обстоятельства позволяют полагать, что общая структура компьютерной сети АСУ предприятия является заданной. Кроме того, необходимо учитывать, что структура узлов сети определяется структурой существующих подсистем управления. В такой ситуации соответствующие задачи оптимизации на определенных уровнях представления заметно упрощаются и могут быть сформулированы в виде задач математического программирования.
7. В зависимости от конкретных требований и условий на каждом уровне управления предлагаются следующие подходы к решению задачи выбора числа и мест размещения центров хранения информации и следующие показатели эффективности их функционирования: для объектов производственного уровня, функционирующих в режиме реального времени, наиболее существенными являются требования по оперативности, поэтому в качестве показателя эффективности при решении данной задачи предлагается среднее суммарное время передачи данных по каналам связидля этого основные функции управления в системе разбиваются на ряд функциональных задач, и осуществляется поиск такого варианта их распределения для решения в том или ином узле сети, чтобы выбранный показатель принимал бы минимальное значение, при этом надёжностные характеристики учитываются' в. качестве ограниченийдля систем-управления с-различными, режимами функционирования и-большим и разнообразнымперечнем задач управления (административный уровень) представляется целесообразным следующий подход: ЦХИ размещаются в тех узлах сети, где наиболее часто возникает потребность в информационном обслуживании, при этом, для учета требований по оперативности, ЦХИ размещаются таким образом, чтобы временная задержка данных в сети не превышала бы заданного значения. В случае если на предприятии создаётся крупный. ЦХИ, содержащий высокопроизводительную СОД и СХД большой ёмкости, то он, как правило, устанавливается в головном офисе, а необходимость установки ЦХИ в филиалах определяется по результатам решения указанной задачив условиях затрудненного финансирования внедрения и эксплуатации проектируемой системы на всех уровнях, в качестве показателя эффективности предлагается выбрать, суммарные затраты в системе, приходящиеся на обслуживание одного информационного запроса, а надёжностные и временные характеристики учитывать в роли ограничений.
8. Для построения математических моделей задачи выбора числа и мест размещения ЦХИ по узлам сети предлагается использовать задачи, связанные с нахождением вершин графа с некоторыми заданными свойствами. Это задачи известные как «задача о /"-медиане» и «задача о р-центре». При этомг задачи по первому и третьему из вышеперечисленных критериев могут быть формализованы с использованием обобщенной «задачи о /"-медиане», задача по второму критерию — с применением «задачи о /"-центрах». Данные задачи можно формулировать в терминах целочисленного программирования.
8. Исходные параметры для решения поставленных оптимизационных задач можно получать аналитическими методами. Однако для наиболее полного учета всех факторов влияющих на характеристики функционирования исследуемой системы для их получения целесообразно воспользоваться методами имитационного моделирования.
