Например, Бобцов

ЗАДАЧИ СИНТЕЗА СИСТЕМ С ПОТЕРЯМИ

57
УДК 681.2
Т. И. АЛИЕВ
ЗАДАЧИ СИНТЕЗА СИСТЕМ С ПОТЕРЯМИ
Формулируются задачи синтеза систем с потерями при наличии различных ограничений на характеристики их функционирования. В процессе синтеза определяются емкость накопителя и производительность устройства, обеспечивающие минимальную стоимость системы. Ключевые слова: система с потерями, накопитель ограниченной емкости, производительность, вероятность потери, время пребывания, стоимость системы.
Введение. Проектирование дискретных систем со стохастическим характером функционирования, примерами которых могут служить информационно-управляющие системы, серверы локальных вычислительных сетей, сетевое оборудование (маршрутизаторы, коммутаторы) и т.п., осуществляется с использованием различных моделей и методов в зависимости от класса проектируемой системы, ее особенностей и требований, предъявляемых к качеству ее функционирования. При проектировании технических систем в качестве моделей целесообразно использовать системы и сети массового обслуживания с потерями, которые имеют накопители ограниченной емкости [1]. При некоторых предположениях могут быть получены аналитические зависимости для расчета характеристик дискретных систем со стохастическим характером функционирования, что позволяет эффективно решать задачи оптимального синтеза.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 10

58 Т. И. Алиев

К основным характеристикам, определяющим эффективность функционирования сис-

тем с потерями, относятся: вероятность потери заявок π , среднее время пребывания заявок в

системе u и стоимость системы S .

Требуемое качество функционирования системы, задаваемое в виде ограничений, нала-

гаемых на характеристики, обеспечивается в процессе синтеза за счет выбора структурно-

функциональной организации системы.

Описание системы. Положим, что исследуемая система содержит одно устройство, об-

рабатывающее заявки (запросы, команды, транзакции, детали и т.п.), поступающие в систему

в случайные моменты времени из неограниченного источника заявок. Поступающие заявки

образуют однородный поток и создают в системе однородную нагрузку. Средний интервал

между заявками равен a. Средняя ресурсоемкость, измеряемая количеством работы, которое

затрачивается на обработку одной заявки, равна θ . Скорость обработки одной заявки устрой-

ством (производительность, или быстродействие, устройства), измеряемая количеством рабо-

ты, выполняемой устройством за единицу времени, равна V . В каждый момент времени уст-

ройство может обрабатывать только одну заявку. Заявки, поступившие в систему во время

обработки устройством ранее поступившей заявки, располагаются в накопителе емкостью E,

при этом обрабатываемая заявка также занимает одно место в накопителе. Заявка, поступив-

шая в систему, теряется, если накопитель заполнен.

Расчет характеристик системы с потерями. Положим, что в систему поступает про-

стейший поток заявок с интенсивностью λ = 1 a , длительность обработки которых распреде-

лена по экспоненциальному закону со средним значением b, причем нагрузка может прини-

мать любые положительные значения:

y

=

λθ V

>

0

.

(1)

В этом случае вероятность того, что в системе с накопителем емкостью E находится k

заявок k = 0, 1, 2, ..., E, рассчитывается в зависимости от значения нагрузки:

pk

=

⎧ ⎪⎪ ⎨

yk (1 − y) 1 − yE+1

,

⎪ ⎪⎩

E

1 +

1

,

y ≠ 1, y = 1.

Тогда вероятность потери заявки из-за ограниченной емкости накопителя:

(2)

π

=

⎧ ⎪⎪ ⎨

yE (1 − y) 1 − yE+1

,

⎪ ⎩⎪

E

1 +

1

,

Соответственно загрузка системы составит

y ≠ 1, y = 1.

(3)

⎧⎛ ρ = λ0b = ⎪⎪⎨⎜⎜⎝1 −

yE (1 − y) 1 − yE+1

⎞ ⎟⎠⎟

y,

⎪ ⎪⎩

E E+

1

,

y ≠ 1, y = 1,

(4)

где λ0 = (1 − π)λ — интенсивность потока обслуженных заявок.

Среднее число заявок, находящихся в системе, и следовательно в накопителе, определяет-

ся через вероятности состояний (2):

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 10

Задачи синтеза систем с потерями

59

∑ ∑E
m = k pk
k =1

=

1

1 −

−y y E+1

E
k yk
k =1

,

из этого соотношения после некоторых преобразований получим:

m

=

⎧ ⎪⎪⎨1 −

y y E+1

⎡1 − yE

⎢ ⎣⎢

1−

y



E

y

E

⎤ ⎥

,

⎦⎥

⎪ ⎩⎪

E 2

,

Тогда среднее время пребывания заявок в системе:

y ≠ 1, y = 1.

(5)

u

=

m λ0

=

⎧ b ⎡1− yE

⎪ ⎪(1 − ⎨

π)(1 −

y E+1)

⎢ ⎢⎣

1−

y

⎪ ⎩⎪

2 (1

E −

π)λ

,



E

y

E

⎤ ⎥

,

⎦⎥

y ≠ 1, y = 1.

(6)

Анализ свойств системы. Одной из основных характеристик, определяющих эффек-

тивность функционирования систем с потерями, является вероятность потери заявок π

вследствие переполнения накопителя. Очевидно, что значение этого параметра зависит от

емкости накопителя E и производительности устройства V: π = f (E, V ) , чем больше E и V ,

тем меньше π .
На рис. 1 показан характер зависимостей вероятности потери заявок от емкости накопи-
теля (рис. 1, а) и производительности устройства (рис. 1, б) для системы с низкой (y11).
а) б) ππ 11

π2 π1 V1 > V2

E1 > E2

π∞

π1 = f(V)

π2 = f(V)

01

0 E0

V

Рис. 1
Вероятность потери заявок в случае единичной емкости накопителя (E=1) определяется

как

πi

=

1

yi + yi

(i = 1, 2) .

Заметим,

что

для

высоконагруженных

систем

( y2 > 1)

вероятность

потери заявок с увеличением емкости накопителя (E → ∞) стремится к некоторому пределу

π∞ . Этот предел обусловлен тем, что в случае λ2 > µ2 даже при неограниченной емкости накопителя доля обработанных заявок за единицу времени, равная отношению интенсивности

обработки µ2 = 1 b2 к интенсивности поступления λ2 , составит π0 = µ2 λ2 = 1 y2 . Следова-

тельно, доля необработанных заявок π∞ = 1 − y2−1 может рассматриваться как доля потерян-
ных заявок. Уменьшение вероятности потери заявок в системе за счет увеличения производительно-
сти V устройства и емкости E накопителя приводит к увеличению стоимости системы, кото-

рая может быть рассчитана как

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 10

60 Т. И. Алиев

S = Sу + Sн = αV β + s0 E ,

(7)

где Sу = αV β — стоимость устройства ( α и β — стоимостные коэффициенты пропорцио-

нальности и нелинейности соответственно); Sн = s0 E — стоимость накопителя ( s0 — стои-

мость единицы накопителя, предназначенной для одной заявки).

Постановка задачи синтеза. При отсутствии ограничений на характеристики функ-

ционирования системы в качестве обобщенного критерия эффективности может использо-

ваться функция следующего вида:

F = γ1π + γ2u + γ3S ,

(8)

где γ1, γ2 , γ3 — весовые коэффициенты, определяющие степень ценности (важности) соот-

ветствующей характеристики для синтезируемой системы и удовлетворяющие условию

γ1 + γ2 + γ3 = 1, а π, u и S — определяются соответственно выражениями (3), (6) и (7).

В этом случае задача синтеза формулируется следующим образом: определить емкость

накопителя и производительность устройства, при которых критерий эффективности (8) при-

нимает минимальное значение.

На рис. 2 иллюстрируется задача определения оптимальных значений емкости накопи-

теля и производительности устройства. Здесь представлены графики, показывающие зависи-

мость вероятности потерь π(E,V ) , среднего времени пребывания u(E) и u(V ) , стоимости

системы S = αV (предполагается, что β = 1) и критерия эффективности (8) от вектора опти-

мизируемых параметров (E,V ) . Значения (E,V )opt , соответствующие минимуму критерия

эффективности F , являются оптимальными.
π, u, S, F
1

F

u(V) π1
u(E)

S

π(E, V)

0 (E, V)opt

(E, V)

Рис. 2

Отметим, что зависимости среднего времени пребывания заявок в системе u(E) и u(V ) ,

представленные на рис. 2 пунктирными кривыми, ведут себя по-разному при увеличении со-

ответственно емкости накопителя Е и производительности устройства V: среднее время пре-

бывания заявок в системе растет с увеличением емкости и снижается с увеличением произво-

дительности. При этом зависимость u(E) может иметь разный характер — возрастающий,

убывающий или любой другой.

При наличии ограничений на характеристики задача синтеза системы с одним устройст-

вом и накопителем ограниченной емкости может быть сформулирована в четырех постановках

в зависимости от ограничений, а именно — определить производительность V устройства и

емкость E накопителя, обеспечивающие выполнение ограничений (обозначено звездочкой):

1) на вероятность потери заявок π ≤ π* при минимальной стоимости системы S ;

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 10

Задачи синтеза систем с потерями

61

2) на вероятность потери заявок π ≤ π* и среднее время пребывания заявок в системе
u ≤ u* при минимальной стоимости системы S ;
3) на вероятность потери π ≤ π* и стоимость системы S < S* при минимальном значении среднего времени пребывания заявок в системе u ;
4) на среднее время пребывания заявок в системе u ≤ u* и на стоимость системы S ≤ S* при минимальном значении вероятности потери заявок π .
Алгоритм синтеза. Рассмотрим задачу синтеза применительно к первой и второй постановкам.
Выражение (2) позволяет определить емкость накопителя для заданного ограничения
π* при известной нагрузке y , т.е. при известной производительности V устройства:

E



⎧⎪log ⎪

y

1



⎨ ⎪1 ⎩⎪

− π* π*

,

π* y(1 −

π*

)

,

y ≠ 1, y = 1.

В общей постановке задачи синтеза производительность устройства неизвестна и под-

лежит определению. Поскольку получить решение задачи оптимального синтеза в явном ана-

литическом виде с использованием зависимостей (1)—(6) не представляется возможным,

один из подходов к решению задачи ввиду небольшого числа оптимизируемых параметров

состоит в последовательном переборе значений емкости накопителя E. При этом для каждого

значения E с использованием выражения (3) может быть определена минимальная произво-

дительность устройства V, при которой выполняется заданное ограничение на вероятность

потери заявок:

yE (1 − y) 1 − yE+1



π* .

С учетом (1) преобразуем последнее неравенство к виду:

V E+1



(λθ)E π*

V

+

(λθ)E

+1

⎛ ⎝⎜

1 π*

− 1⎞⎠⎟



0.

Решив полученное неравенство относительно V при заданном значении емкости E , например, с использованием одного из численных методов [2], можно определить минимальное
значение производительности устройства V , при котором обеспечивается ограничение π* . В частности, при E = 1 последнее выражение примет вид:

V

2



λθ π*

V

+

(λθ)2

⎛ ⎝⎜

1 π*

− 1⎠⎟⎞



0

,

откуда получим:

V



1 − π* π*

λθ .

Рассмотрим пример со следующими исходными данными: λ = 1с–1; θ = 400 единиц (ед.); α = 100 ; β = 0,5 ; s0 = 50 ; π* = 0, 05 .

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 10

62 Т. И. Алиев

В таблице представлены результаты расчетов для разных значений емкости накопителя, из которой следует, что минимальная стоимость системы S = 2534 у.ед. достигается при E = 7 и V = 477 ед./с.

Е m u, c V, с–1 S, у.ед.

4 1,5 1,5 594 2637

5 1,9 2,0 537 2567

6 2,8 2,5 501 2538

7 2,9 3,0 477 2534

8 3,4 3,6 459 2542

9 3,9 4,1 446 2562

10 4,5 4,7 436 2588

11 5,1 5,3 428 2619

12 5,6 5,9 422 2654

Во второй постановке задачи синтеза дополнительное ограничение налагается на среднее время пребывания заявок: u ≤ u*. Если в результате синтеза на предыдущем этапе это ограничение не выполняется, необходимо увеличить производительность устройства, что приведет к повышению стоимости системы. При этом вероятность потери заявок уменьшится и, следовательно, можно попытаться снизить стоимость системы за счет уменьшения емкости накопителя.
Положим, что в нашем примере дополнительно задано ограничение u* = 2,5 с. Для того
чтобы при E = 7 выполнялось это условие, необходимо увеличить производительность устройства до V = 518 ед./с, что приведет к увеличению стоимости системы до S = 2626 у.ед.
В результате предпочтительным оказывается вариант построения системы с накопителем емкостью E = 6 (см. таблицу) и стоимостью S = 2538 у.ед.
Синтез систем с двумя устройствами. Предложенный подход может быть распространен на системы с двумя последовательно расположенными устройствами, в которых заявки после обработки в первом устройстве направляются ко второму устройству. Производительность 1-го и 2-го устройства и емкость накопителей обозначим как V1, V2 и E1, E2 . Тогда стоимость системы и вероятность потери заявок в системе:
S = α1V1β1 + α2V2β2 + s0 (E1 + E2 ) и π = π1 + π2 (1 − π1) .
С учетом ограничения на вероятность потери в системе π* и последнего выражения по-
лучим: π2 ≤ (π* − π1) (1 − π1) , где правая часть неравенства представляет собой ограничение на вероятность потери во втором устройстве при известном значении вероятности потери в первом устройстве. Таким образом, если известна вероятность потери заявок в первом устройстве, то задача синтеза для второго устройства при некоторых условиях может быть сведена к задаче синтеза системы с одним устройством.
Положим, что в первое устройство поступает простейший поток заявок с интенсивностью λ , а длительности обработки в устройствах распределены по экспоненциальному закону со средним значением bi = θi Vi (i = 1; 2) . При этих предположениях задача синтеза для
первого устройства решается с использованием выражений (1)—(6) для π1* = (0, 25⎯ 0, 75) π* .
В качестве результирующего принимается значение π1*, при котором обеспечивается минимальная стоимость первого устройства. Тогда ограничение на вероятность потери для второго устройства: π*2 = (π* − π1* ) (1 − π1*). Для того чтобы можно было воспользоваться выражениями (1)—(6) для второго устройства и решения задачи синтеза, необходимо выполнить анализ характера потока заявок, покидающих первое устройство и образующих входной поток заявок во второе устройство.
Многочисленные имитационные эксперименты показали, что коэффициент вариации ν выходящего потока из первого устройства зависит от нагрузки y1 и емкости E1 накопителя и

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 10

Задачи синтеза систем с потерями

63

принимает значения в интервале ν = 0,7—1 при E1 = 1 и ν = 0,95—1 при E1 = 4 (рис. 3), причем наименьшие значения коэффициента вариации достигаются при нагрузке y = 1. Другими
словами, чем больше E1, тем ближе к единице коэффициент вариации выходящего потока, что при E1 ≥ 4 позволяет использовать выражения (1)—(6) с высокой степенью точности для расчета характеристик функционирования второго устройства.
ν

1,0 Е=4

0,9 Е=2

0,8

Е=1 0,7

0,5 0,9 1 2

4 10 y

Рис. 3

Кроме того, предположение о простейшем потоке заявок ко второму устройству позво-

ляет получить верхнюю оценку вероятности потери во втором устройстве.

Заключение. Рассмотренный подход к решению задач синтеза систем с потерями и по-

лученные результаты позволяют определить не только емкость накопителей, но и оценить

требования к производительности устройств, входящих в состав системы, с учетом совокуп-

ных затрат на построение системы для широкого диапазона параметров нагрузки.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алиев Т. И. Основы моделирования дискретных систем. СПб: СПбГУ ИТМО, 2009. 363 с.
2. Формалев В. Ф., Ревизников Д. Л. Численные методы. М.: Физматлит, 2006. 398 с.
Сведения об авторе Тауфик Измайлович Алиев — д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский национальный исследова-
тельский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра вычислительной техники; заведующий кафедрой; E-mail: aliev@d1.ifmo.ru

Рекомендована кафедрой вычислительной техники

Поступила в редакцию 08.02.12 г.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 10