Введение к работе
Актуальность темы исследования Увеличение производительности процессоров сделало возможным применение неспециализированных персональных компьютеров в области управления территориально распределенными объектами. Здесь получают все большее признание территориально-распреде-ленные вычисления для задач, решаемых с применением методов декомпозиции с обработкой данных непосредственно по месту их возникновения. Такой подход дает ряд преимуществ: 1) стоимость нескольких десятков (или сотен) типовых компьютеров ниже, чем стоимость суперкомпьютера, который осуществлял бы централизованную обработку, 2) существенно уменьшается объем передаваемых данных, 3) в случае отказа каналов связи управление соответствующей частью объекта может осуществляться локально, 4) устраняется необходимость собирать все данные в одном месте.
Переход к территориально-распределенным вычислениям создает ряд новых организационных задач. В большинстве случаев эти задачи типичны, поэтому целесообразно создать программную среду для их решения, которая предоставит разработчику прикладной задачи определенный набор функций и позволит работать в многозадачном режиме.
Существующие решения не обеспечивают выполнение этих организационных задач в полном объеме, что делает создание такой среды актуальной проблемой.
Диссертационная работа продолжает исследования, проводимые на кафедре ВМСиС, в области применения территориально-распределенных вычислений для управления промышленными объектами, в частности, энергетическими системами.
Целью работы является обоснование принципов построения территори-ально-распределенной вычислительной среды (ТРВС), предназначенной для организации территориально-распределенных вычислений. Для достижения по-стаатенной цели в диссертационной работе потребовалось решить следующие основные задачи:
1. Построить декомпозиционную модель вычислительной среды и
выполняемых задач, которая позволит формально описывать аппаратную составляющую вычислительной среды и расположение источников и получателей данных.
-
Разработать стратегию распределения задач по вычислителям, учитывающую расположение источников и получателей данных, а также влияние территориальной распределенности и работу в многозадачном режиме.
-
Определить архитектуру разрабатываемой среды, которая должна обеспечить следующие функции: мониторинг вычислительных ресурсов, адресация обменов на уровне номеров параллельных процессов задачи, работа в многозадачном режиме, асинхронный обмен данными, удаленный запуск задач, обнаружение и обработка ошибочных ситуаций.
-
Разработать алгоритм динамического управления приоритетами выполняемых задач.
-
Осуществить программную, реализацию экспериментальной версии вычислительной среды.
-
Провести экспериментальное исследование эффективности применения разработанной вычислительной среды для задач, допускающих решение с применением декомпозиции.
-
Подтвердить практическую применимость предложенной вычислительной среды в региональной сети.
Объект исследования: территориально-распределенная вычислительная среда (ТРВС) — программно-аппаратный комплекс, состоящий из множества неспециализированных компьютеров (вычислителей), соединенных сетью передачи данных, и программного обеспечения, которое делает возможным их совместное использование для совместного решения прикладных задач.
Предмет исследования: закономерности влияния особенностей реализации территориально-распределенной вычислительной среды на эффективность организации распределенных вычислений.
Методы исследования При выполнении работы применяются методы
5 теории параллельного программирования, методы теории графов, методы системного анализа, натурный эксперимент.
Научная новизна определяется получением следующих результатов:
-
Математическое представление вычислительной среды в виде упорядоченного множества графов представления аппаратной составляющей ТРВС, а также задач в виде графов параллельных процессов для формализованного описания расположения источников данных и затрат на их доставку, вызванных территориальной распределенностью.
-
Стратегия планирования задач на основе декомпозиции ТРВС по вычислительным регионам в соответствии с затратами на передачу данных, которая позволяет учитывать расположение источников и получателей данных.
-
Архитектура ТРВС, которая позволила удовлетворить выявленные в работе требования к организации территориально-распределенных вычислений.
-
Механизм динамического управления приоритетами выполняемых задач.
-
Методика измерения затрат на передачу данных с возможностью ее реализации средствами территориально-распределенной вычислительной среды.
Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается совпадением предсказанных теоретически результатов, с результатами эксперимента, и сопоставлением с результатами, опубликованными в научной литературе.
Практическая значимость работы Полученные результаты позволяют повысить эффективность управления территориально-распределенными промышленными объектами за счет уменьшения времени решения задач управления этими объектами. В частности, на основе решений, полученных в данной работе, была реализована задача расчета установившегося режима энергосистемы. Для этой задачи было достигнуто качественное преимущество: не производится сбор всех исходных данных в одном месте, что может быть нежелательно с точки зрения безопасности в тех случаях, когда расчет ведется для единой энергосистемы нескольких государств. Полученные результаты нашли применение в учебном процессе.
Апробация результатов Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Тринадцатая международная научно-техническая конференция «Информационные средства и технологии». 18—20 октября 2005, МЭИ; Двенадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. 2—3 марта 2006, МЭИ; III Международная конференция «Параллельные вычисления и задачи управления» РАСО'2006 памяти И.В. Прангишвили. Москва, 2—4 октября 2006 г. Инситут проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН; Пятнадцатая международная научно-техническая конференция «Информационные средства и технологии». 16—18 октября 2007, МЭИ.
Публикации Результаты данной работы отражены в 8 печатных публи-кацях, и в 5 публикациях в электронном журнале.
Структура и объем диссертационной работы состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложения. Она изложена на 113 страницах основного машинописного текста, содержит 12 рисунков, 5 таблиц, включает библиографию из 101 наименования. Общий объем диссертации равен 181 странице.
