Содержание к диссертации
Введение
1. Проблемы экономико-математического анализа производственно-хозяйственной деятельности ВСКП 10
1.1. Развитие и анализ коллективных форм эксплуатации вычислительной техники 10
1.2. Использование экономико-математических методов для решения задач проектирования и функционирования ВСКП 30
1.3. Возможности применения имитационного моделирования для анализа производственно-экономической деятельности ВСКП 45
2. Методические вопросы использования имитаци онного моделирования для изучения производственно-экономических проблем 58
2.1. Методика проектирования систем машинной имитации ВСКП 58
2.2. Рекомендации по использованию имитационного моделирования для решения производственно-экономических задач функционирования ВСКП 91
3. Применение методики проектирования систем машинной имитации для моделирования информационно-справочной службы 106
3.1. Системное описание объекта моделирования 106
3.2. Описание алгоритмов имитационной модели функционирования информационно-справочной службы 125
3.3. Анализ результатов имитационного моделирования 132
Заключение 147
Литература
- Использование экономико-математических методов для решения задач проектирования и функционирования ВСКП
- Возможности применения имитационного моделирования для анализа производственно-экономической деятельности ВСКП
- Рекомендации по использованию имитационного моделирования для решения производственно-экономических задач функционирования ВСКП
- Описание алгоритмов имитационной модели функционирования информационно-справочной службы
Введение к работе
Развитие социалистического общества, увеличение масштабов производства, развертывание научно-технической революции делают необходимым постоянное совершенствование системы управления народным хозяйством. В материалах ХХУ и ХХУІ съездов КПСС, в дальнейших постановлениях партии и Советского правительства содержится программа мероприятий, направленных на совершенствование планирования и управления. Проведение их в жизнь основывается на использовании новейших научных достижений, и, в том числе, широком внедрении вычислительной техники и автоматизированных систем управления.
Исследование проблем повышения эффективности использования ЭВМ в управлении показало, что наиболее перспективным направлением здесь является развитие коллективных форм эксплуатации вычислительной техники, что предполагает создание вычислительных систем (центров), позволяющих практически одновременно удовлетворять потребности в решении задач АСУ большого числа предприятий и организаций, являющихся абонентами данной системы.
В настоящее время вычислительные системы коллективного пользования (ВСКШ получают все более широкое распространение и развитие. Они становятся организационно-технической базой функционирования АСУ всех уровней управления, причем масштабы работ в этой области настолько велики, что наряду с другими факторами это позволяет говорить о формировании новой отрасли экономики - индустрии информации. Интенсивное развитие и внедрение ВСКП в народное хозяйство обусловливает особую актуальность проблемы обеспечения их эффективного функционирования. Однако реализация широких возможностей ВСКП, создание и управление деятельностью крупных вы- числительных систем, а также организация на их основе информационного обслуживания абонентов представляет собой весьма сложную многокритериальную задачу. Ее решение с необходимостью предполагает использование экономико-математических методов и моделей.
Анализ проблем обеспечения эффективности проектируемых и функционирующих ВСКП и используемых для их изучения экономико-математических методов свидетельствует о том, что в настоящее время наиболее разработаны подходы к определению необходимых технических характеристик системы, тогда как для исследования экономических аспектов организации и управления деятельностью ВСКП математические модели мало используются и в целом изучению указанных проблем уделяется недостаточное внимание. Вместе с тем решение экономических проблем организации функционирования ВСКП является одной из главных предпосылок обеспечения эффективности ВСКП, так как в условиях повышения хозяйственной самостоятельности вычислительных центров именно экономические факторы должны стать основным стимулом для улучшения работы ВЦ, повысить заинтересованность ВЦ в результатах своей деятельности, в эффективном использовании вычислительных ресурсов и наиболее полном удовлетворении информационных потребностей абонентов.
Таким образом, научная и практическая значимость вопросов повышения эффективности ВСКП обусловливает актуальность определения подходов и методов, обеспечивающих возможность комплексного исследования экономических и организационных проблем деятельности ВСКП. В связи с этим целью данной работы является научное обоснование и разработка общей методики использования имитационного моделирования для исследования экономических и организационных проблем деятельности ВСКП на основе анализа показателей результативности изучаемой системы.
В соответствии с целью исследования были поставлены следующие основные задачи:
Провести анализ вопросов, связанных с обеспечением эффективности ВСКП, а также экономико-математических методов, используемых для оценки результативности ВСКП и решения задач проектирования и управления системой.
Разработать методические принципы проектирования и использования систем машинной имитации для анализа производственно-экономической деятельности ВСКП.
Провести апробацию предложенной методики на примере сравнительной оценки вариантов организации функционирования вычислительной системы коллективного пользования в рамках АСУ-ЗИЛ.
Работа состоит из трех глав, введения и заключения.
В первой главе содержится анализ развития коллективных форм использования вычислительной техники, рассматриваются проблемы, связанные с созданием и управлением деятельностью ВСКП, обсуждаются основные аспекты, которые необходимо учитывать при оценке экономической эффективности вычислительных систем коллективного пользования, приводится схема формирования показателей результативности ВСКП, рассматриваются предлагаемые подходы к их выделению и расчету. На основе проведенного анализа отмечается, что в настоящее время методологически проблема оценки эффективности ВСКП не решена, подчеркивается сложность ее решения и ограниченность способов оценки эффективности вычислительных систем коллективного пользования по одному показателю.
Основное место в данной главе, занимает обзор математических методов и моделей, используемых для решения задач, связанных с обеспечением эффективности проектируемых и функционирующих ВСКП.
На основе анализа научных публикаций, посвященных этим проблемам, выделяются группы методов, с успехом применимых для решения ряда проблем, возникающих на ранних стадиях разработки ВСКП, а также для решения отдельных задач планирования и оперативного управления ходом вычислительных работ. Отмечается, что4 их применение для анализа результативности функционирования ВСКП в целом является весьма затруднительным как в силу высокой размерности задачи и наличия сложных зависимостей между элементами, так и в связи с необходимостью учета большого числа трудно формализуемых факторов, в том числе, экономических, организационных, оказывающих существенное влияние на результаты работы изучаемой системы. В качестве основы для анализа производственно-экономической деятельности ВСКП предлагается использовать метод имитационного моделирования, обсуждаются его преимущества по сравнению с аналитическими подходами к изучению сложных систем, подчеркивается, что одним из основных преимуществ имитационного моделирования является возможность оценки результативности системы по любым показателям, отраженным в модели, что особенно важно в условиях, когда проблема оценки эффективности функционирования ВСКП методологически окончательно не решена.
Далее в главе приводится описание основных подходов и возможностей использования имитационного моделирования для оценки параметров эффективности ВСКП, отражающих различные аспекты производственно-экономической деятельности изучаемой системы, а также имеющихся результатов применения данного подхода. Ставится задача разработки конкретных методик проектирования систем машинной имитации для исследования указанных проблем.
Вторая глава работы посвящена обсуждению методических вопросов использования имитационного моделирования для изучения производственно-экономической деятельности вычислительных систем коллективного пользования. Предлагается методика проектирования систем машинной имитации для анализа и оценки параметров эффективности ВСКП, включато-щая в себя: принципы выделения основных подсистем изучаемого объекта; принципы системного представления выделенных подсистем и формализованного описания функционирования их основных элементов с учетом цели исследования и имеющейся исходной информации; принципы организации взаимодействия модулей, реализующих функционирование выделенных подсистем; принципы разработки программного обеспечения имитационной модели ВСКП.
Далее рассматриваются наиболее перспективные направления использования и способы эксплуатации имитационной модели ВСКП, построенной в соответствии с предлагаемой методикой.
В третьей главе приведены результаты применения предлагаемой методики для построения имитационной модели информационно-справочной службы, работающей в режиме автоматизированной системы обработки данных (АСОД) в рамках АСУ-ЗМ и предназначенной для сбора, передачи и хранения информации, а также для оперативного поиска и обработки данных по запросам, поступающим от пользователей-абонентов. Такой выбор объекта для апробации методики обусловлен тем, что АСОД является неотъемлемым элементом функционирования ВСКП, и в этом смысле анализ их деятельности имеет самостоятельное значение. Кроме того, изучаемый объект полностью описывается в тех же терминах, что и ВСКП, процессы обработки заданий абонентов в системе соответствуют производственным процессам на ВСКП, отличие заключается лишь в масштабах деятельности. Перечисленные обстоятельства делают возможным рассматривать изучаемый объект как модель вычислительной системы коллективного пользования и позволяют перенести результаты апробации методики на примере АСОД на ВСКП.
В главе приводится описание имитационной модели информационно-справочной службы, обсуждаются результаты проведения серии имитационных экспериментов для оценки зависимости итоговых показателей, определяющих результативность функционирования системы, от изменения параметров, характеризующих организационно-технические аспекты деятельности изучаемого объекта. В качестве основных критериев эффективности функционирования изучаемой системы были выбраны следующие показатели: среднее время пребывания заданий в системе; среднее число выполненных заданий и число отказов; напряженность работы операторов; показатели использования оборудования; загруженность системы.
В результате проведения серии имитационных экспериментов были получены оценки следующих параметров: количество технических средств и численность рабочих мест операторов; режим поступления в систему заданий от абонентов; производительность вычислительного комплекса; личностные характеристики операторов системы.
В заключении сформулированы основные выводы и результаты, полученные в данной работе.
Использование экономико-математических методов для решения задач проектирования и функционирования ВСКП
Совершенствование проектирования и решение проблем управления функционированием ВСКП в значительной степени связано с использованием экономико-математических методов и моделей. Наиболее широкое применение для оценки эффективности вычислительных систем получили аналитические методы, важное преимущество которых заключается в возможности установления количественных зависимостей показателей качества изучаемой системы от значений характеризующих ее параметров. Вследствие большого числа взаимозависимых факторов, влияющих на эффективность вычислительных систем коллективного пользования, описание всех аспектов их функционирования в рамках одной модели вызывает значительные трудности. Кроме того, даже при наличии такого описания, аналитическое исследование модели с помощью известных методов либо весьма затруднительно, либо вовсе невозможно.Поэтому, как правило, используется подход, при котором проблема проектирования и определения рациональных методов управления ВСКП разбивается на отдельные задачи по этапам разработки системы, планирования и оперативного управления ее функционированием, и для решения каждой из выделенных задач используются соответствующие математические методы. Наиболее широко используются методы матема- тического программирования, теории расписаний, теории массового обслуживания.
Основным приложением методов математического программирования является решение задач, связанных с проектированием сетей вычислительных центров и систем коллективного пользования. Проблема создания сети ВЦ сводится к определению числа и необходимого технического оснащения вычислительных цештров и абонентских пунктов, их территориального размещения и структуры связывающей их сети передачи данных (СПД) таким образом, чтобы полностью и с заданной степенью надежности удовлетворить потребности в информационно-вычислительных работах абонентов системы при минимальных затратах. В общем виде, в силу большой размерности и нелинейности, данная задача не поддается аналитическому решению. Для упрощения математической постановки вводят дополнительные ограничения, облегчающие решение, либо сокращают число оптимизируемых параметров. В зависимости от способа упрощения существуют различные частные случаи этой задачи и методы их решения, подробное описание которых представлено в работе floj .
Наиболее эффективным представляется использование комплекса математических моделей, отражающих различные аспекты проектирования и функционирования сети [60, 92] . При этом результаты, получаемые при решении одних задач, служат исходными данными для использования последующих моделей, уточняющих и более полно раскрывающих другие стороны проектируемой системы. Кроме того предусматривается возможность корректировки результатов, полученных на первых этапах, путем применения итерационных циклов как между отдельными моделями, так и по их совокупности [17] .
На начальном этапе для определения основных технико-экономических параметров сети и выбора схемы размещения вычислительных центров, как правило, используются статические детерминированные модели в форме задач целочисленного программирования. Рассмотрим в качестве примера математическую постановку данной задачи [92] .
Пусть задано множество і населенных пунктов ЛІ , \1\ - п , в которых расположены пользователи сети ВЦ « Пользователи L -го населенного пункта производят народнохозяйственную информацию в объеме Л/ = ZJiq/C , требующую для обработки проведе-ния информационно-вычислительных работ в объеме V; - JSi А; , где ySt- - средняя удельная трудоемкость обработки объема информации.
Задано подмножество J населенных пунктов - возможных мест размещения базовых ВЦ В- , J = I, \Jl = п±) л?л- - объем информации, который может быть передан на j -й ВЦ от пользователя і -го населенного пункта. Известен набор О, ВЦ различной производительности Р и известны затраты на создание и эксплуатацию ВЦ каждого типа - Т Q(PQ) .
Возможности применения имитационного моделирования для анализа производственно-экономической деятельности ВСКП
Комплексная постановка задачи исследования функционирования ВСКП как сложных многокритериальных систем обусловливает необходимость использования метода, способного отразить сложные внутренниє связи и взаимозависимости элементов, учесть действие большого числа факторов различной природы, многие из которых носят переменный и неопределенный характер.
Как уже отменалось, разработать полное описание всех аспектов функционирования изучаемой системы в рамках одной математической постановки очень трудно. Это обстоятельство обусловливает необходимость использования системы взаимосвязанных моделей, каждая из которых должна отражать какую-либо одну сторону исследуемого объекта. Так как далеко не все факторы, определяющие эффективность ВСКП, поддаются форматированному описанию, наряду с аналитическими, в систему моделей могут быть включены алгоритмические моделит отражающие некоторые качественные особенности изучаемых систем. Учет этого обстоятельства, а также наличие весьма сложных связей и зависимостей между элементами практически исключают возможность аналитического решения - единственным подходом к исследованию таких моделей является использование экспериментальных методов. Вследствие большого числа вероятностных факторов, а также высокой размерности и сложности моделей эксперименты с ними реализуемы лишь на основе использования ЭВМ.
Кроме того, для того, чтобы обеспечить возможность исследования зависимости результатов работы вычислительной системы коллективного пользования от большого числа характеризующих ее парамет- ров и условий функционирования, система моделей должна быть построена таким образом, чтобы отражать состав и структуру изучаемого объекта и взаимодействия основных его элементов, то есть в целом она должна представлять собой имитационную модель функционирования ваш.
Таким образом, подводя итог вышесказанному, можно сделать вывод, что в качестве основы для анализа эффективности функциони рования ВСЯШ целесообразно использовать метод проведения машинных экспериментов с имитационными моделями системы, то есть метод имитационного моделирования.
Основные преимущества имитационного моделирования по сравнению с аналитическими методами исследования сложных систем обеспечены возможностями: - построения моделей, структурно подобных изучаемому объекту; - изучения в одном подходе многих взаимообусловленных аспектов деятельности, их влияния друг на друга и на эффективность системы в целом; - исследования параллельно протекающих процессов; - уяета вероятностных характеристик системы с любыми законами распределения; - изучения влияния на эффективность системы факторов, не поддающихся формализованному описанию; - исследования поведения системы в течение продолжительных периодов времени для оценки отдаленных последствий принимаемых решений и выявления возможных косвенных эффектов и т.д.
Большие потенциальные возможности метода позволили выделить его в качестве одного из самых мощных инструментов анализа функционирования сложных процессов и систем [123J . На основе его применения исследуется широкий спектр проблем совершенствования организации и управления техническими и экономическими объектами [10, 54, 55, 56, 90, 123]. Имеются также примеры использования имитационного моделирования для изучения функционирования вычислительных систем (см.,например, [93] ).
Изучение систем с помощью имитационного моделирования предполагает проведение следующих этапов работ: I. Системное описание объекта моделирования. 2. Техническое проектирование (разработка алгоритмов модели), 3. Рабочее проектирование (разработка программного комплекса). 4. Опытная эксплуатация (апробация, калибровка модели). 5. Проведение имитационных экспериментов. 6. Интерпретация результатов.
Первым и наиболее важным этапом является системное описание. На этом этапе должны быть выделены основные элементы системы, приняты гипотезы относительно способов их функционирования, определены их характеристики и возможности оказывать влияние друг на друга в процессе работы системы. Представление объекта в виде описаний составляющих его элементов и правил их взаимодействия является основной отличительной особенностью имитационного моделирования [122] .
Выделение элементов системы можно производить различными способами: по физическому принципу (разбиение на устройства), по технологическому (выделение основных этапов технологических процессов), по функциональному (например, в разрезе функциональных подсистем - планирования, снабжения, управления) и т.п. Основным критерием выделения элементов и принятия гипотез относительно их функционирования является цель проводимого исследования. Так, при изучении методом имитационного моделирования работы вычислительных систем с целью определения необходимого количества технических средств каждого вида наиболее рациональным представляется в качес-тве отдельных элементов взять различные технические устройства и виды оборудования [62] Для получения общей оценки производительности вычислительного комплекса можно воспользоваться менее детальным представлением системы и в качестве элементов представить отдельные этапы технологического процесса, характеризующиеся определенными пропускными способностями [7] .
Рекомендации по использованию имитационного моделирования для решения производственно-экономических задач функционирования ВСКП
Как уже отмечалось, с помощью метода машинной имитации можно исследовать самый широкий круг проблем производственно-экономической деятельности вычислительных систем. Рассмотрим наиболее перспективные направления использования и способы эксплуатации имитационной модели ВСКП, построенной в соответствии с вышеизложенной методикой.
В первую очередь указанный подход к построению имитационной модели позволяет исследовать проблемы, связанные с разработкой общих организационно-экономических принципов создания и функционирования вычислительных систем коллективного пользования.
Проведенный анализ проблем ВСКП и методов их решения свидетельствует о том, что в настоящее время наиболее разработаны подходы к определению необходимых технических характеристик изучаемой системы, тогда как для исследования экономических аспектов организации и управления деятельностью ВСКП математические модели практически не используются и в целом изучению указанных вопросов уделяется недостаточное внимание. Однако, как уже отмечалось, в условиях повышения хозяйственной самостоятельности вычислительных центров и распространения на них Положения о социалистическом государственном предприятии, изучение экономических факторов деятельности / ВСКП приобретает особую актуальность, так как именно они должны [ способствовать повышению заинтересованности ВЦ в результатах своей деятельности и тем самым создавать основу для обеспечения эффективного использования вычислительной техники и улучшения функционирования АСУ предприятий-абонентов.
Оценка эффективности решения экономических проблем функционирования ВСКП и установления экономических принципов взаимоотношений ВЦ с абонентами с помощью имитационной модели изучаемого объекта должна основываться на анализе результатов имитационных экспериментов, характеризующих все основные аспекты деятельности изучаемой системы при достижении ею наилучших показателей в данных условиях. Для этого в имитационной модели ВСКП достаточно подробно должен быть представлен модуль, воспроизводящий управляющую подсистему объекта, включая также процессы управления производственной деятельностью абонентских пунктов и вычислительного комплекса. Это требование обусловлено тем, что методы и алгоритмы управления, реализуемые в системе и обеспечивающие эффективность ее работы, в наибольшей степени зависят от внешних условий функционирования ВСКП, и их выбор осуществляется в соответствии с критерием дости яения наилучших результатов при имеющихся реальных условиях.
Таким образом, для исследования указанных проблем на основе проведения имитационных экспериментов с моделью ВСКП, должна быть реализована следующая итерационная процедура (см.рис.2.2.1).
В блоке I производится ввод в систему имитации соответствующих параметров, определяющих исследуемые экономические факторы и условия функционирования ВСКП. В блоке 2 осуществляется выбор и реализация способов управления производственными процессами на ВСКП. После проведения имитационного эксперимента с моделью (блок 3), производится анализ результатов функционирования изучаемой системы. Результаты деятельности,ВЦ, входящих в состав ВСКП, оцениваются в соответствии с выбранными отчетными показателями хозяйственной деятельности ВЦ, а также с учетом показателей, характеризующих эффективность использования вычислительной техники. Кроме того, деятельность ВСКП при данных условиях должна быть оценена с точки зрения абонентов системы. Показателями, отражающими эффективность работы ВСКП с точки зрения абонентов при заданных экономических условиях ее деятельности и выбранных методах управления производственными процессами, могут быть объемы выполненных информационно-вычислительных работ в натуральном и стоимостном выражении.
Описание алгоритмов имитационной модели функционирования информационно-справочной службы
Так как деятельность изучаемого объекта осуществляется в условиях определенней внешней среды, для учета возможного влияния на систему внесистемных факторов предположим, что внешняя среда способна генерировать некоторые "возмущения" и "помехи", оказывающие определенные воздействия на исполнителей- операторов. Такими "возмущениями" могут быть, например, личные и служебные телефонные разговоры, .выполнение других поручений и т.п. На время действия каждой "помехи" оператор отвлекается от своей основной работы. Число, время появления и время действия "помех" кавдого типа определяется на основе соответствующих распределений вероятностей. Предполагается, что каждая "помеха" может оказывать некоторое воздействие на оператора, влияющее на результаты его работы. По своему характеру это воздействие может быть - стимулирующим, - дезорганизующим, - нейтральным. Обозначим степень воздействия внешней среды на оператора /ь через Ж/ІГЬ Будем считать, что возмущения внешней среды в различные моменты времени не зависят друг от друга. Предположим, далее, что можно складывать л. » соответствующие воздей ствиям внешней среды в различные моменты времени, только после со ответствующего дисконтирования для учета того факта, что ближай шее воздействие внешней среды более важно, чем отдаленное. Пред полагая, что дисконтирующий множитель имеет вид экспоненты, полу чим значение степени влияния воздействия к на оператора /г. в момент времени Т , приведенное к моменту времени Гхп » равное где J мп, " Н0Рма дисконтирования степени влияния воздействия к, на оператора п, ; Yitn. вРемя возникновения воздействия к , влияющего на оператора /г ; Т - текущее системное время. После возникновения каждой помехи скорость работы оператора корректируется следующим образом:
Таким образом, рассмотрены основные предпосылки функционирования выделенных подсистем и правила их взаимодействия, определяющие, каким образом результаты работы одних элементов зависят от действий и состояний других элементов системы. Эти правила и предпосылки легли в основу построения алгоритмов, реализующих имитационную модель для оценки эффективности автоматизированной информационно-справочной службы.
В основу построения системы имитации изучаемой информационно-справочной службы положен принцип моделирования по особым состояниям, обеспечивающий воспроизведение динамики объекта и взаимодействие отдельных модулей в процессе имитации. Шайл особых состояний представляет собой трехмерный массив TINE (/ґ,Х;і) , где J]f - индекс элемента, для которого наступило особое состояние; It - тип особого состояния; L - индекс номера особого состояния; ТІМЕ(лґ,Х,і)- время наступления особого состояния L типа /С для элемента ЛҐ . Изменение системного времени происходит следующим образом: в массиве TIME , содержащем времена наступлений особых состоя ний, определяется время TWE(J? ,K Л ) , минимально превосходящее значение текущего системного времени Т . Т присваивается значение этого времени и осуществляется вызов подпрограммы, реализующей особое состояние типа & . Рассмотрим укрупненную блок-схему имитационной модели (см.рис.3.2.1).
Блок I. Первый из основных блоков - блок ввода значений основных переменных и параметров, характеризующих систему.
Блок 2. Здесь в зависимости от имеющегося числа терминальных устройств (количество терминалов является одним из оцениваемых параметров модели), производится прикрепление отдельных групп исполнителей к определенным терминальным устройствам таким образом, чтобы рабочая нагрузка на операторов, работающих за терминалами, была распределена как можно более равномерно.
Блок 3. Результаты деятельности операторов зависят от объективных условий, при которых происходит их работа. Эти условия определяются воздействиями внешней среды, поступлением письменных запросов и документов для регистрации информации, а также телефонных запросов, сбоями в работе оборудования. Изменение каждого из этих условий происходит в результате наступления соответствующего особого состояния. Времена наступления особых состояний, изменяющих условия деятельности операторов, необходимо определить до начала моделирования рабочего дня каждого оператора. В соответствии с этим в данном блоке производится: - определение числа и времени возникновения "воздействий" внешней среды на каждого оператора в течение дня; - определение времени поступления письменных запросов и документов, предназначенных для пополнения информационно-справочной базы системы;
