Сетевое издание

Современные проблемы науки и образования

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

Введение

В современных автоматизированных системах управления (АСУ), имеющих централизованную архитектуру хранения информации, существуют известные проблемы обслуживания, связанные с разделением сетевых и вычислительных ресурсов источника между клиентами. Одной из основных проблем является возникновение задержек обслуживания, негативно влияющих на время информационных процессов в системе и, вследствие этого, снижающих эффективность её эксплуатации. Пример реального воплощения этой проблемы приведен на рис. 1 в виде фрагмента композитного сетевого потока, включающего фрагменты информационных потоков, имеющие случайный размер и порядок следования. Поиск решения этой проблемы находит широкое отражение в работах современных исследователей, например [1-4, 8], в том числе и в работах автора, например [6-7].

Однако, несмотря на широкий спектр исследований в этой области, отсутствуют решения, полностью устраняющие эту проблему и нашедшие промышленное внедрение, отсутствуют описания технологий, позволяющих собственными средствами вычислительной системы управлять прикладными информационными процессами, отсутствуют описания доступных механизмов управления информационными объектами АСУ на этапах их формирования и передачи, что оставляет широкие перспективы для проведения фундаментальных и прикладных исследований в этой области.

Рис. 1. Фрагмент композитного потока данных на выходе источника [7]

По-прежнему остаются нерешенными вопросы ранжирования заявок, классификации управляющих параметров, установления функциональных зависимостей параметров управления от показателей системы, выбор этих показателей, характер дисциплин диспетчеризации, связи управляющих параметров с используемыми механизмами типовых систем и пр.

Разработка оптимизирующей модели системы информационного обеспечения на основе задержек обслуживания

Для поиска путей разрешения этой проблемы можно воспользоваться концептуальным представлением об АСУ как трёхуровневой системе, построенной на принципе «информационного обеспечения».

Анализ АСУ по способу обеспечения процессов управления позволяет выделить три иерархических уровня: обеспечивающий (включающий формирование и передачу данных) – информационный – управление. В общем виде трёхуровневая иерархическая модель информационного обеспечения управления в АСУ представлена на рис. 2. Введем обозначения уровней модели: система управления – n0; информационная система – n-1; обеспечивающая подсистема – n-2; подсистема передачи данных – n-2.1; подсистема формирования данных – n-2.2.

Рис. 2. Иерархическая модель информационного обеспечения АСУ

Допустим, что существует задача максимально повысить эффективность системы управления за счет регулирования параметров обеспечивающего уровня, т.е. решить задачу:

, (1)

где Ф – целевая функция системы, ai.j.m и ai.j.h – нижний и верхний пределы изменения показателей соответственно, FQ – обобщающая функция для соответствующего уровня обеспечения.

Для решения этой задачи введем переменный вектор регулирующих параметров, смысл которого будет состоять в непрерывном управлении приоритетами процедуры формирования – q и процедуры передачи – p с целью обеспечения непрерывного движения системы в направлении предпочтительного изменения целевой функции Ф(t). Предположим, что решена техническая задача внедрения регулирующих приоритетов q и p в подсистемы формирования и передачи данных.

Выразим задержки обеспечивающих процессов как функции соответствующих приоритетовили в случае переменного регулирующего вектора как

, (2)

при неизменности вида самих функций fs, fr, где l – интенсивность потока заявок на обслуживающий прибор формирования и передачи соответственно.

В качестве полноценного критерия оптимизации, учитывающего все описанные параметры, введем параметр «обобщенной задержки», выраженный как функция от суммарной задержки , где w – весовой коэффициент влияния на обобщенный показатель n0 уровня. Вид свертки полностью определяется видом функции , которая реализует следующее правило: «Чем выше влияние процесса управления, тем ниже должна быть суммарная задержка его обеспечения». Целевая функция, выраженная от показателя обобщающей задержки, имеет вид , где F – некоторая функция свертки показателей обобщающей задержки, P – множество процессов уровня n0, требующих обслуживания во время t. Решение задачи оптимизации будет заключаться в поиске для каждого момента времени такого значения ei, для которого будет выполняться целевое условие.

Отсюда искомое решение оптимизации выражается как

. (3)

С учетом завершенности процессов обеспечения, и учитывая иерархическое влияние показателей процессов формирования и передачи, для некоторого процесса управления можно определить совокупную задержку обеспечения, которая будет включать в себя задержки, связанные с формированием данных, и задержки, связанные с передачей. Исходя из этого, функцию суммарной задержки с учетом управляющего вектора можно выразить как

(4)

Установим, что, если не задано специальным образом, для i-го процесса управления будут использоваться фиксированные приоритеты для всех подпроцессов обеспечения, т.е. .

С учетом этого ограничения функция суммарной задержки (4) упрощается до выражения

. (5)

С учетом (5) решение оптимизации (3) преобразуется к виду

, (6)

который можно интерпретировать как «выбор индекса такого процесса управления при заданных для процедур обеспечения приоритетах формирования и передачи данных, при очередном выполнении которого значение целевой функции системы будет максимальным».

Разработка приоритетных планов управления процессами формирования и передачи информационных потоков

Существующие системы формирования данных на базе тиражируемых операционных систем и системы передачи данных на базе, например, широковещательных сетей, имеют встроенные системы приоритетного управления объектами, основанные на различных алгоритмах диспетчеризации и различных значениях приоритетов. Это создает определенные сложности для технической реализации предложенного метода оптимизации. Решение может быть найдено путем построение каскадных приоритетных планов, имеющих в своей основе параметры управления используемых подсистем.

Рассмотрим систему, состоящую из двух последовательно включенных приоритетных обслуживающих приборов, в совокупности образующих обслуживающий «центр», и n активных субъектов (см. рис. 3). В качестве обслуживающих приборов выступают подсистема формирования информации – G на базе вычислительной системы источника и подсистема передачи данных – D. Определим множество субъектов взаимодействия

, множество информационных объектов и определенное на их основе множество информационных процессов . Каждый бит матрицы интерпретируется как наличие (p=1) или отсутствие (p=0) взаимодействия j-го субъекта и i-го объекта.

В центре определены множества установленных рангов субъектов rj и объектов ui, которые составляют одномерные массивы R=(r1,r2, …,rn)=(rj), и, соответственно, U=(u1,u2, …,um)=(ui), . Множества U и R представляют собой гомоморфные отображения множеств Q и S, сохраняющие структуру упорядоченных множеств

см. рис. 2.

Рис. 3. Блок-схема приоритетной информационной системы

Интересы субъектов – инициаторов информационного взаимодействия и всей системы – выражаются их целевыми функциями и , где –параметр, параметризующий класс допустимых целевых функций для l-й информационной процедуры.

Пусть описаны реализующие технологии подсистем:

1) подсистемы формирования информации как множество приоритетов дисциплины карусельной диспетчеризации, обеспечивающей вытесняющую многозадачность операционной системы источника;

2) подсистемы передачи данных как множество маркеров MPLS, обеспечивающих, например, обслуживание очередей передачи CBWFQ [5].

Порядок функционирования системы следующий.

1. Этап сбора информации. Субъекты с сетевыми адресами:

направляют центру запросы на информационное обслуживание .

2. Этап ранжирования объекта. Центр проводит содержательный анализ запроса по признакам , на основе которых, используя хеш-функцию ранжирования , назначает рангипроизводимым информационным объектам . Ранг объекта выступает как компонента вектора ранга процедуры, которую можно содержательно интерпретировать как план, назначаемый данному элементу. Соответственно этому, все остальные назначения рангов и соответствующих приоритетов можно рассматривать как элементы приоритетного планирования информационного взаимодействия.

3. Этап ранжирования субъекта. Центр использует хеш-функцию ранжирования по сетевому адресу субъекта , на основе которого назначает ранги:

.

4. Этап оптимизации. Для всего множества выполняемых в текущий момент времени процедур , где t – текущее время наблюдения, рассчитываются значения целевых функций , на основе которых рассчитываются значения целевой функции системы и определяются векторы рангов:

, такие что .

5. Этап ранжирования процедуры. Центр, используя функцию свертки вектора zi, определяет обобщенный ранг процедуры как .

6. Этап приоритезации процедуры формирования. Для всего подмножества процедур на основе хеш-функции устанавливаются приоритеты формирующих процессов . Функция t устанавливается соответственно дисциплине диспетчеризации задач действующей операционной системы.

7. Этап приоритезации процедуры передачи информационного фрагмента. Для сформированных информационных фрагментов определяются получатели-субъекты как .

В соответствии с действующими дисциплинами диспетчеризации обслуживания очередей передачи в подсистеме D на основе хеш-функции устанавливаются приоритеты передачи информационных фрагментов .

8. Этап маркировки информационного фрагмента. В соответствии с установленными приоритетами для исходящих из центра информационных фрагментов с использованием хеш-функции устанавливаются ранжирующие маркеры .

В соответствии с отношениями предпочтения активных субъектов, при фиксированных планах выбираемые для обслуживания информационные процедуры будут максимизировать или минимизировать общую целевую функцию системы, то есть:

В результате в системе на всех этапах реализации информационного взаимодействия для всех участвующих подсистем будут установлены такие приоритеты обслуживания, которые не только соответствуют определенным рангам информационных процедур и их компонентам, но и обеспечивают оптимальные параметры процессов, например, минимальную задержку обслуживания для процедур, имеющих наибольшую прагматическую ценность.

Заключение

Разработанная оптимизирующая модель и предложенное на её основе приоритетное планирование позволяют алгоритмизировать процедуры оптимального управления информационными процессами в автоматизированной информационной системе, имеющей централизованную архитектуру хранения и формирования информации и распределенную подсистему передачи данных. Работа выполнена за счет средств федерального бюджета Министерства образования и науки РФ в рамках государственного задания на выполнение научно-исследовательской работы «Оптимизация информационного взаимодействия в АСУП», регистрационный номер 710442011.

Рецензенты:

Якубович Анатолий Николаевич, доктор технических наук, профессор, директор политехнического института Северо-Восточного государственного университета, г. Магадан.

Соколов Сергей Викторович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой систем передачи и обработки информации, Северо-Кавказский филиал Московского технического университета связи и информатики, г. Ростов-на-Дону.