Способ адаптивного управления компонентами вычислительной сети

УДК 621.391

С. А. КОЖУХОВ, А. Н. ВОЛКОВ

S. A.KOZHUHOV, A. N. VOLKOV

СПОСОБ АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ КОМПОНЕНТАМИ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СЕТИ

METHOD OF ADAPTIVE CONTROL OF THE COMPONENTS OF THE COMPUTER NETWORK

В статье рассматривается техническое предложение по решению задач оптимизации применительно к компонентам вычислительной сети автоматизированной системы управления производством.

Ключевые слова: компоненты вычислительной сети, надежность, управление, оптимизация, модель.

The article deals with the technical proposal to address the problems of optimization with respect to the components of the computer network of automated production control system.

Keywords: components of computer network reliability, management, optimization, and model.

Современное предприятие представляет собой систему тесно связанных между собой элементов - материальных, трудовых и информационных ресурсов, подчиненных единой цели и взаимодействующих с внешней средой - рынком, государством, экономической инфраструктурой. Управление современным предприятием является сложной задачей, требующей эффективной информационной поддержки для решения задач управления различными аспектами деятельности. Компании, ориентированные на передовые технологии осваивают и реализуют самые разнообразные автоматизированные системы управления производствами (АСУП) с целью повышение капитализации и улучшения информационного обмена между производственными компонентами компании. АСУП основываются на вычислительной сети с использованием разветвленной телекоммуникационной среды. В свою очередь телекоммуникационная среда представляет собой совокупность узлов генерации, хранения, обработки сообщений, коммутации и маршрутизации, связанных между собой каналами передачи данных.

В последнее время много работ посвящено вопросам по оптимизации способов достижения цели [4]. Перспективным направлением в этой области являются аспекты, связанные с адаптивным управлением, как инновационным. Важной проблемой адаптивного управления (АУ) на современном этапе является неоднозначность толкования его предмета. Сложность данного вопроса состоит в том, что категория адаптивного управления, по мнению большинства авторов, трактуется как совокупность действий и методов, характеризующихся способностью управляющей системы реагировать на изменение внешней среды, те отождествляется с традиционной формой управления [1]. Адаптивное управление является отдельным видом управления, а именно, гибким, инновационным управлением промышленными предприятиями. Такие предприятия выгодно отличаются способностью приспособиться к новой обстановке (конкурентной и внутренней среде с изменением планов и моделей в зависимости от ситуации: в период выхода из кризиса или при внедрении инноваций, или в случае осуществления организационного изменения) с помощью новых инструментов и методов управления. АУ - это способ управление, при котором сохраняются неизменными целевые показатели, а текущие при наличии отклонений, могут быть скорректированы. Такое управление аккумулирует знания о состоянии и развитии системы управления, методах и инструментах его применения в системных объектах. Цель адаптивного управления заключается в поиске наиболее эффективных вариантов принятия и исполнения решения, направленных на функционирование и развитие АСУП в конкурентной среде, в том числе и при неопределенных исходных данных.

Рассматривая в общем виде задачу анализа качества функционирования АСУП и ее решение, как сложной системы S, характеризующейся множеством случайных величин GS, образующих в общем случае шесть непересекающихся подмножеств:

При условии:

Подмножество случайных величин ХS характеризует совокупность входных воздействий на компоненты вычислительной сети (КВС) АСУП, HS - совокупность параметров самой системы (точностных, временных и т. д.), YS - совокупность выходных значений параметров, VS - совокупность дестабилизирующих факторов, которые воздействуют на все уровни взаимодействия, KS - совокупность внутренних факторов при внедрении организационно-технических инноваций, Us - совокупность управляющих воздействий.

Процесс функционирования АСУП предлагается описывать при помощи некоторого адаптивного оператора А, который преобразует входные воздействии в управляющие отклики, т. е.

Адаптивное управление вычислительной сетью представляется, как совокупность действий и методов, характеризующихся способностью управляющей системы реагировать на изменения в состоянии, как внешней, так и внутренней среды.

В общем случае задача по оценке качества функционирования АСУП с учетом реальных условий эксплуатации может быть сформулирована следующим образом: - для АСУП S0 выделены подмножества XS0, HS0, YS0 , VS0 , US0, KS0 множества GS0, необходимо для каждого k = 1,2,..., | YS0 | определить функцию yk (t) = fk(XS0,VS0, USo), где yk (t) Î YS0, a XS0, VS0, US0 считаются неизменяемыми. В общем случае функция fk может быть найдена лишь так, что при заданных HS0, VS0, US0 определяются

Определив эту функцию, а так же введя критические уровни функционирования, при достижении которых наступает отказ всей системы, можно количественно оценить интересующие показатели АСУП. Во многих случаях применение аналитических методов встречает серьезные трудности. В этих условиях целесообразно прибегать к помощи моделирования процессов реального функционирования сложных систем [2]. При этом для заданных строится статистическая модель системы:

М().

На этой модели производится большое количество статистических испытаний, в результате которых получается — множество значений величины . Путем статистической обработки может быть определена величина . Если |YS0|>1, то с помощью статистической модели можно получить для всех k= 1,2,..., |YS0| одновременно. Вопросы анализа сложных систем, к каким относится и АСУП, остаются в центре внимания при проектировании перспективных и совершенствовании уже существующих КВС АСУП. В связи с этим актуальными становятся вопросы, связанные с обеспечением надежности функционирования КВС.

Функционирование современных средств обработки информации АСУП связано с вводом, обработкой, хранением и выдачей, в соответствии с требованиями пользователей, больших объемов информации. Их характеризует параллельная и распределенная обработка информации, работа в реальном масштабе времени и режимах многопользовательского обслуживания. Потоки информации в современной АСУП могут иметь различные требования к задержкам, скорости, надёжности передачи. В то время как требования одних приложений могут быть невысоки, требования других, функционирующих в режиме реального времени, могут быть критичны к скорости передачи и времени отклика. Среди целого ряда требований, которым должна удовлетворять система передачи, одним из важных является требование высокой надежности.

Обеспечение надежности – планирование и осуществление комплекса мероприятий, направленных на выполнение требований по надежности, заданных ТТЗ, в процессе разработки, производства и эксплуатации. Использование компьютерной техники и информационных технологий, где помимо собственно техники важную роль играет программный продукт, а также сам пользователь, заставляет пересмотреть традиционное определение надежности. При этом само это понятие может быть сформулировано, как способность решить поставленную задачу за требуемый промежуток времени. Надежность информационных технологий базируется на компьютерной технике, и зависит от аппаратных средств ЭВМ, программного обеспечения, пользователя и линий связи. С учетом этого вероятность решения поставленной задачи можно представить в виде произведения:

где РАС , РПО - надежность аппаратных средств ЭВМ и программного обеспечения соответственно; РП - надежность работы пользователя; РЛ. - надежность линий связи.

В настоящее время наиболее изученными являются вопросы формирования величины РАС. Очевидно, РАС. определяется надежностью комплектующих изделий (материнская плата, процессор, видео карта), качеством сборки и правильностью эксплуатации (в т. ч. качеством электропитания, приемлемым температурно-влажностным режимом, отсутствием ударов, вибрации), а работоспособность периферийных устройств, кроме того, определяется обеспеченностью расходными материала. Разработаны и широко используются на практике ряд стандартов, регламентирующих задание требований по надежности к радиоэлектронной аппаратуре и изделиям электротехники и микроэлектроники, а также методы контроля выполнения этих требований. При этом вероятность РАС определяется балансом интенсивности потока отказов и интенсивностью восстановления, что поддается расчетной оценке. Вопросы же оценки надежности РПО изучены в меньшей степени, хотя в этом направлении ведутся интенсивные исследования. В общем случае величина РПО определяется следующими основными факторами:

а) применением лицензионных программных продуктов с соответствующей гарантией фирмы - изготовителя;

б) соответствием возможностей аппаратных средств (память, быстродействие) потребностям программного обеспечения;

в) надежностью программно-аппаратных средств обработки информации (внедрение программ "вирусов", уничтожение и искажение файлов, ошибки при вводе данных, физическое разрушение носителей и т. п.).

Существует три основные причины нарушения работоспособности в сетях передачи данных [2]:

1.  Отказ сетевого узла, вызванный его перегрузкой, поломкой или повреждением оборудования, вызванным, например, стихийным бедствием. В результате все или некоторые каналы передачи данных с этим узлом могут выйти из строя.

2.  Отказ канала передачи данных, вызванный его перегрузкой или физическим повреждением кабеля.

3.  Отказ программного обеспечения, способный оказать сильное негативное воздействие на большой участок сети. Этот тип отказа обычно трудно распознать и восстановить работоспособность, однако он происходит относительно редко.

В отличие от надежности аппаратных средств, надежность программного обеспечения со временем может возрастать, поскольку по мере эксплуатации того или иного программного продукта выявляются многие его некорректности (этап приработки). В связи с этим объектом исследования являются процессы, связанные с конфигурацией компонентов вычислительной сети (КВС) АСУП. Предмет исследования – модели, алгоритмы, методики и методы управления информационного обмена в АСУ.

Отказ канала передачи данных относится к наиболее распространенному виду отказа в сети, так как маршрутизаторы реализуются с достаточно высокой степенью надёжности. Поэтому адаптивное управление надежностью каналов передачи данных рассматривается, как важное условие эффективного управления. При таком условии критерием надежности анализируемой сети является условие максимума вероятности безотказной работы системы по критерию связности хотя бы по одному работоспособному маршруту [1]. Кроме того, естественным ограничением является стоимостная функция построения такой сети. Задачу по адаптивному управлению надежностью элементами АСУП предлагается решать на основе метода динамического программирования. Этот метод рассматривается, как составная часть адаптивного управления, позволяющий принять оптимальное решение [3].

Рассматриваемый процесс разбиваются на со­ставные компоненты, и на каждом шаге принимаются во внимание лишь два компонента. На первом шаге на основе анализа двух взятых компонент выделяются ситуации, которые предположительно еще могут привести к получению оптимального решения в целом. Эти варианты на следующем шаге рассматриваются как одна новая компонента, а в качестве второй к ним добавляется следующая составная часть устройства или процесса. Так как но­вых компонент после первого шага может быть несколько, то на втором, а далее и на последующих шагах число рассматриваемых компонент также растет. Для автоматизации решения задач оптимизации методом динамического программирования предлагается структурная схема адаптивного логического устройства (АЛУ). Устройство позволяет решать оптимизационные задачи при обосновании количества резервируемых компонентов вычислительной сети АСУП, обеспечивающих заданный уровень надежности при ограничении затрат на ее реализацию. Структурная схема приведена на рис. 1.

Рисунок 1 – Структурная схема адаптивного логического устройства

для решения задач оптимизации

Предлагаемое устройство содержит: входную наборную панель, управляющее устройство, сумматоры q, С, компараторы q и С, элемент «И», оперативные запоминающие устройства и блок отображения.

Входная наборная панель предназначена для ввода информации, представленной в десятичной системе счисления. Управляющее устройство (УУ) предназначено для выработки управляющих сигналов с целью реализации требуемого алгоритма преобразования сигнала, УУ представляет собой набор последовательно соединенных логических схем. Сумматоры вероятностей отказов (q) и стоимости (С) предназначены для выполнения операций сложения чисел, представленных в двоичном коде, на входах которых формируются значения вероятности отказов и стоимости элементов соответственно 1, …, К типов оптимизируемого объекта при использовании rk (где к=1, …, j) резервных элементов к-го типа. Компараторы q и m предназначены для сравнения значений чисел, представленных в двоичном коде, поступающих с сумматоров q, С. В качестве порогового уровня, на входы компараторов подается заданное значение вероятности отказа qзад и ограничение по стоимости.

Логический элемент «И» предназначен для подачи значения стоимости, поступающего на второй вход с выхода сумматора стоимости (С), при наличии сигнала на первом входе. Оперативные запоминающие устройства предназначены для хранения результатов вычислений. Блок отображения предназначен для индикации оптимальных значений вероятности безотказной работы, стоимости и количества используемых резервных элементов.

Принцип работы адаптивного логического устройства поясняется на примере структурной схемы оптимизируемого объекта, представленной на рисунке 2.

Рисунок 2 – Структурная схема оптимизируемого состава вычислительной сети

В данном случае оптимизируемый объект включает n1 типов составных элементов и несколько резервных элементов каждого типа (число которых r1, r2, и rk соответственно). Исходные данные - показатели надежности в виде вероятностей отказа элементов каждого типа и их стоимость. Требуется определить количество резервных элементов каждого типа, обеспечивающих заданный уровень надежности объекта (требуемая вероятности отказа q) при условии, что суммарная стоимость (С) резервируемых компонентов вычислительной сети должна быть минимальной. В качестве целевой функции F выбрана стоимость резервируемых компонентов, т. е. F=С. Оптимальному решению будет соответствовать условие минимума Fmin. Технико-экономическими показателями, не вошедшими в целевую функцию F, являются уровень надежности. При реализации адаптивным логическим устройством метода динамического программирования на первом шаге в анализе рассматриваются КВС первого и второго типов. Расчет значений q1,2, С1,2 производится по формулам соответственно 1, 2:

; (1)

, (2)

где r1, r2 – количество резервных элементов соответственно первого и второго типов.

После расчета АЛУ на первом шаге в память записываются только те компоненты (результаты расчета), которые удовлетворяют заданным требованиям по надежности и имеют минимальную стоимость.

На втором шаге в анализе рассматриваются уже элементы первого, второго, третьего типов и снова рассматриваем компоненты. Значения q1,2,3, С1,2,3 на втором шаге рассчитываются по формулам 3, 4 соответственно:

; (3)

(4)

где r3 – количество резервных элементов третьего типа.

После расчета АЛУ на втором шаге в память записываются только те результаты, которые удовлетворяют заданным требованиям по надежности и имеют минимальную стоимость. В дальнейшем алгоритм расчета аналогичен, отличается только составом рассматриваемых компонентов. Количество шагов будет определяться количеством КВС и определяется в соответствии с выражением 5:

(5)

Таким образом, устройство для решения задач оптимизации позволяет конкретизировать требования к резерву компонентам вычислительной сети АСУП, обеспечивающих заданный уровень надежности вычислительной сети при ограничении затрат на ее реализацию. Полученные результаты, могут быть использованы для адаптивного управления надежностью информационного обмена в АСУП.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. , Цодиков задачи оперативного управления непрерывным производством. М: Энергия, 1979, 279с.

2. Вишневский и перспективы развития информационно-вычислительных сетей в России // Электросвязь. -1998. № 7. С. 20-23.

3. Прикладные задачи динамического программирования. М: Наука, 1965.

4. Кожухов оперативной оценки надежности информационных телекоммуникационных систем в условиях неопределенности исходных данных / / Телекоммуникации. -2007. №5 С

Государственный университет учебно-научно-производственный комплекс, г. Орел

аспирант кафедры «Электроника, вычислительная техника и информационная безопасность»

Тел.: +

E-mail: *****@***ru

Академия ФСО России, г. Орел

преподаватель кафедры «Сети связи и систем коммутации»

Тел.: +

E-mail: *****@***ru