Введение к работе
Актуальность проблемы. Процессы урбанизации, концентрация мощностей и ресурсов в ограниченном пространстве приводят к росту количества и масштабов последствий чрезвьгаайных ситуаций как природного, так и техногенного характера. Происходит постоянное увеличение экономического и материального ущерба, рост числа погибших и пострадавших при различных катастрофах.
Для защиты населения и территорий от чрезвьгаайных ситуаций, возникающих в результате природных и техногенных катастроф, обеспечения функционирования материального производства, государства создают и совершенствуют специализированные службы -медицина, пожарная охрана, полиция. По своей архитектуре и организации эти службы являются распределенными системами обслуживания (РСО). Сложность задач организации и управления ими заключается в том, что эти структуры должны выполнять свои функции в очень разных условиях, т.е. быть устойчивыми к нагрузке. Причем диапазон ее изменения может составлять несколько порядков. Например, если число лиц, обращающихся за медицинской помощью, составляет в обычное время десятки человек в сутки на тысячу жителей, то в случае катастрофы помощь может потребоваться сразу нескольким тысячам граждан. Какова должна быть структура системы, способной выдерживать такие нагрузки? Решения, основанные на внесении большой избыточности в структуру обслуживающих систем, является чрезвычайно затратными и не могут быть использованы на практике. Действительно, трудно представить себе город, в котором половину населения составляют врачи или полицейские. Выход в подобных случаях надо искать в совершенствовании структуры и автоматизации системы управления специализированными службами.
Основной тенденцией в развитии различных РСО является их интеграция. Причем в последнее время этот процесс включает не только интеграцию однородных систем, но и распространяется на разнородные службы. Эффективными примерами такого подхода могут служить диспетчерская 911 в США и Единый центр вызова экстренных служб в России.
Чрезвычайные ситуации сопровождаются не только материальными, но и людскими потерями, поэтому в условиях ЧС очень важно быстро и правильно принять решение по ликвидации последствий ЧС. Вопросам координации деятельности различных
служб, повышения оперативности, надежности, обоснованности и качества принятия управленческих решений по предупреждению и ликвидации ЧС уделялось и уделяется большое внимание. Создано большое число ведомственных информационных систем поддержки принятия решений и всесторонней автоматизации процессов управления силами и средствами, предназначенными для ликвидации ЧС. При их интеграции на первый план встают вопросы структурной оптимизации, которые не решаются средствами существующих автоматизированных систем. Кроме того, рост масштабов систем резко повышает нагрузку на операторов и диспетчеров, делая процесс принятия ими решения невозможным без средств автоматизации. Причем если раньше для этого было достаточно только информационной поддержки, то теперь необходим автоматический синтез управленческих решений.
Указанные особенности делают актуальной задачу структурной оптимизации интегрированных РСО и синтеза алгоритмов управления для них. В качестве подхода к ее решению в работе предлагается использовать моделирование, как универсальное средство анализа, синтеза, оптимизации и проектирования сложных динамических систем.
При этом основной задачей моделирования будет оценка влияния
структурных преобразований интегрированных РСО на эффективность
их функционирования. Результаты моделирования - например, точность
и время прогноза, определяются дискретностью или размерностью
исходной модели. Для большинства систем именно высокая
размерность или вычислительная сложность модели является
существенным ограничением при реализации практических расчетов, но
сегодня многопроцессорные вычислительные системы,
обеспечивающие высокую производительность за счет параллельных вычислений, позволяют снизить остроту этой проблемы.
В работе предлагается метод управления РСО, позволяющий оценивать целесообразность динамических преобразований структур интегрированных РСО при изменении характеристик потоков заявок.
Цель работы и задачи исследования. Диссертационная работа посвящена разработке методов повышения эффективности распределенных систем обслуживания за счет адаптации их структуры к изменению нагрузки.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие основные задачи:
Анализ структур распределенных систем обслуживания, функционирующих в различных областях человеческой деятельности.
Анализ особенностей систем управления распределенными системами обслуживания.
Сравнительный анализ методов представления РСО на этапах синтеза и моделирования.
Разработка и исследование метода динамической оптимизации структур распределенных систем обслуживания.
Разработка архитектуры системы управления РСО, поддерживающей принцип динамической оптимизации структуры.
Проведение исследований и анализ эффективности предложенного подхода.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются распределенные системы обслуживания.
Предмет исследования составляют системы управления РСО и методы их адаптации к изменению нагрузки.
Методы исследования. При решении поставленных задач были использованы положения теории систем, теории множеств, теории графов, теории систем массового обслуживания и языки программирования.
Научная новизна. В диссертации предложен и исследован новый подход к совершенствованию систем управления и оптимизации структур распределенных систем обслуживания. Предложенный метод построения систем управления РСО позволяет повышать эффективность системы обслуживания за счет динамической оптимизации пространственной структуры ее компонентов при известном потоке обслуживаемых событий. Положения, выносимые на защиту.
Анализ особенностей структур распределенных систем обслуживания, использующихся в различных областях человеческой деятельности.
Анализ методов управления распределенными системами обслуживания.
Формализация задачи структурной оптимизации компонентов РСО.
Метод построения систем управления РСО, позволяющий повышать эффективность системы обслуживания за счет динамической оптимизации пространственной структуры ее компонентов.
Результаты экспериментальных исследований, испытаний и анализ эффективности предложенного метода.
Практическая значимость. Предложенный метод
совершенствования систем управления распределенными системами обслуживания основан на оптимизации их структур непосредственно в процессе работы. В качестве аппаратной платформы для реализации ресурсоемкого этапа оценки необходимости проведения структурных изменений в работе предложено использовать многопроцессорные кластерные вычислительные системы. Метод инвариантен по отношению к элементам и структурам РСО и может быть использован в различных отраслях.
Внедрение результатов. Результаты диссертационной работы используются на кафедре вычислительной техники МИЭТ при проведении лабораторных работ по курсу «Высокопроизводительные вычислительные системы», а также в компании АКТОР при расчете систем резервного питания.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 2007, 2008, 2009", научной сессии МИФИ - 2009, Всероссийской межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, специалистов, преподавателей, аспирантов и студентов "Актуальные проблемы информатизации. Развитие информационной инфраструктуры, технологий и систем -2007, 2008, 2009".
Публикации. По материалам диссертации опубликовано восемь тезисов докладов и три статьи, в том числе одна в журнале, входящем в перечень ВАК и одна в зарубежном журнале (Япония).
Структура и объём диссертационной работы. Рукопись диссертационной работы состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы.
Похожие диссертации на Разработка и исследование метода динамической структурной оптимизации распределенных систем обслуживания
