Анотація до роботи:

Щербакова М.Є. „Балансування навантаження та планування задач для підвищення ефективності керуючих обчислювальних систем”.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.05 – Комп’ютерні системи та компоненти. - Державний вищий навчальний заклад «Донецький національний технічний університет», м. Донецьк, 2008.

Дисертація присвячена питанням балансування обчислювального навантаження в системах керування технологічними процесами.

Було розроблено три варіанти методу розподілу програм між вузлами мережі в комп'ютерних системах керування. В першому знаходиться така конфігурація програмного комплексу, що час взаємодії програм у мережі стає мінімальним. В другому варіанті методу мінімізується час виконання програм контролером, в третьому - час гарантованої відповіді мережевої обчислювальної системи.

Був розроблений метод планування задач для робочих станцій систем керування технологічними процесами, що забезпечує рівномірне використання обчислювальних ресурсів. За рахунок збалансованого використання ресурсів збільшується завантаження процесора робочої станції, підвищується її продуктивність, збільшується пропускна спроможність.

Розроблено засоби управління вибірковою (умовною) векторною обробкою великих масивів даних, що забезпечують практично повне завантаження конвейєра центрального процесора на ділянках векторної обробки з галуженнями довільної складності і ділянках з послідовностями залежних по операндах векторних операцій. Програмна реалізація методу показала менший час виконання програм, ніж схожі програмні засоби з меншими можливостями.

В дисертаційній роботі запропоновано вирішення декількох задач балансування навантаження і планування задач в керуючих обчислювальних системах, зокрема:

1. Розроблено метод оптимізації розподілу програмних модулів між вузлами обчислювальної мережі, в першому варіанті якого знаходиться така конфігурація програмного комплексу, що час взаємодії програм по мережі стає мінімальним. Другий варіант методу мінімізує час виконання програм контролером за рахунок перенесення частини програмних модулів для виконання з контролерів до робочих станцій. Третій варіант методу розподіляє програми між робочими станціями і контролерами так, що час гарантованої відповіді обчислювальної системи стає мінімальним.

2. Для розподілу програмних модулів між двома комп'ютерними вузлами використовується представлення множини програм у вигляді графа і метод знаходження максимального потоку - мінімального розрізу на графі, який ділить множину програмних модулів на дві частини, що відповідають різним комп'ютерним вузлам. Розділення комплексу програмних модулів на дві частини виконується для кожної пари робоча станція – контролер.

3. Експериментальні дослідження розробленої програми розподілу програмних модулів між комп'ютерними вузлами на тестових наборах показали: для першого варіанту методу час взаємодії програм з різних вузлів мережі скоротився на 19%; для другого - час виконання програм контролерами скоротився на 26% з незначним зростанням завантаженості робочої станції; для третього - час гарантованої відповіді системи на зовнішні події зменшився на 16%.

4. Для робочих станцій систем управління розроблено метод планування задач по багатьох характеристиках, що забезпечує рівномірне використання обчислювальних ресурсів. У розробленому методі однаковий ранг присвоюється групі задач, що збалансовано завантажують обчислювальні ресурси робочої станції, за рахунок чого збільшується завантаження процесора робочої станції, підвищується її продуктивність, збільшується пропускна спроможність. В результаті час виконання типових задач верхнього рівня автоматизованої системи управління технологічним процесом зменшується приблизно на 9 – 11%. Цей метод був застосований і перевірений на ефективність в диспетчері задач реального часу пакету програм КВАРЦ.

5. Розроблено метод і програмні засоби управління умовною векторною обробкою масивів даних, орієнтовані на більш повне завантаження конвейєра центрального процесора на ділянках довільної складності, що гілкуються, і ділянках з послідовностями залежних по операндах векторних операцій. Доведено, що розроблені засоби умовних векторних обчислень дають можливість обробляти масиви даних по будь-яких алгоритмах, зокрема таких, що включають структурні оператори галуження і циклів, вкладених один в одний на будь-яку глибину.

6. Розроблений і програмно реалізований шаблон класів vcarray забезпечує більш повне завантаження конвейєра процесора і дозволяє підвищити швидкість обробки великих масивів даних більш ніж в 2 рази в порівнянні зі стандартним шаблоном класів valarray з бібліотеки STL мови програмування C++, що має менші можливості.

7. Розроблені програмні методи і засоби були апробовані на практиці і довели свою працездатність і ефективність у складі пакету програм АСКТП КВАРЦ на об'єктах багатьох підприємств, зокрема, в Дніпропетровському метрополітені, на Дніпропетровському лакофарбному заводі, Лисичанському желатиновому заводі, Самарській ТЕЦ, Юльївському нафтогазоконденсатному родовищі, Хоростковському цукровому заводі.

Публікації автора:

1. Щербакова М.Е. Автоматизированное проектирование ППО КСУ на базе пакета программ "КВАРЦ" : монография [под ред. д.т.н., проф. А.Г. Руденко] / Щербаков Е.В., Щербакова М.Е., Охрамович В.К. - Луганск: Издательство Восточноукраинского национального университета имени В.Даля, 2003. - 200 с.

2. Щербакова М.Є. Мовні засоби системного програмування / Щербаков Є.В., Щербакова М.Є. – Луганськ: Вид-во Східноукр. Нац. Ун-ту, 2005. – 387 с.

3. Щербакова М.Е. Особенности SCADA-системы пакета "КВАРЦ" / Щербаков Е.В., Щербакова М.Е., Рязанцев А.И. // Вестник ХГТУ. Херсон. – 2003. - № 2 (18). - С. 188 - 192

4. Щербакова М.Е. Система SCADA на базе пакета КВАРЦ / Щербакова М.Е. // Промышленные контроллеры АСУ. – Москва, 2004. - № 10. - С. 30 - 32

5. Щербакова М.Є. Диспетчеризація задач за структурним критерієм / Щербакова М.Е. // Сборник научных трудов: Спецвыпуск: Информационные технологии в научных исследованиях и в учебном процессе (международ. научн. – практ. конф., Луганск – Алчевск, 21 – 24 ноября 2005 г.). – Алчевск: ДонГТУ, 2005. – 204 с. - С. 178 - 186

6. Щербакова М.Е. Оптимизация распределения программных модулей между узлами сети в компьютерных системах управления / Щербакова М.Е. // Материалы 7-го Международного молодежного форума "Радиоэлектроника и молодежь в 21 веке". - Харьков, 2003. - С. 479

7. Щербакова М.Е. Методика диспетчеризации задач реального масштаба времени / Щербакова М.Е., Гудкович Н.В. // Збірник наукових праць Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля (на підставі матеріалів VIII Міжнародної науково-практичної конференції „Університет і регіон”). - Луганськ, 2002. - С. 205

8. Щербакова М.Е. Распределение программных модулей между узлами сети в компьютерных системах управления / Щербакова М.Е. // Збірник тез доповідей науково-технічної конференції студентів, аспірантів та молодих вчених "Технологія – 2003". - Сєвєродонецьк, 2003. - С. 99 - 100

9. Щербакова М.Е. Управление выборочной векторной обработкой с помощью массива индексов / Щербакова М.Е. // Материалы 8-го Международного молодежного форума "Радиоэлектроника и молодежь в 21 веке". - Харьков, 2004. - С. 267

10. Щербакова М.Е. Пакет программ „КВАРЦ” для автоматизированных систем управления / Щербаков Е.В., Охрамович В.К., Щербакова М.Е. // Збірник наукових праць Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля (на підставі матеріалів IХ Міжнародної науково-практичної конференції „Університет і регіон”). - Луганськ, 2003. - С. 103

11. Щербакова М.Е. Управление выборочной векторной обработкой с помощью векторов ветвления / Щербакова М.Е. // Збірник (частина 2) тез доповідей науково-технічної конференції студентів, аспірантів та молодих вчених "Технологія – 2004". - Сєвєродонецьк, 2004. - С. 24 - 25

12. Щербакова М.Е. Оптимизация вычислений в высокопроизводительных информационно-вычислительных системах / Щербакова М.Е. // Сборник докладов Международной научно-практической конференции „Единое информационное пространство 2004”. - Днепропетровск, 2004. - С. 205 - 208

13. Щербакова М.Е. Диспетчеризация задач по структурному критерию / Щербакова М.Е. // Материалы 9-го Международного молодежного форума "Радиоэлектроника и молодежь в 21 веке". - Харьков, 2005. - С. 398

14. Щербакова М.Е. Пакет программ АСУТП КВАРЦ / Щербакова М.Е. // Тезисы докладов международной научно-методической конференции „Математические методы и информационные технологии в управлении, образовании, науке и производстве”. - Мариуполь: ПГТУ, 2005. - 242 с. - С. 120 - 121

15. Щербакова М.Є. Розподіл програм між вузлами мережі в комп’ютерних системах керування / Щербакова М.Е. // Інформаційні технології в наукових дослідженнях і навчальному процесі: Матеріали Міжнародної науково-практичної конференції, 21 – 23 листопада 2005. – Луганськ, 2005. – 219 с. - С. 215 - 219

16. Shcherbakova M.E. Methods of computing optimization used in program package Kvarts /Shcherbakova M.E. // Материалы десятого Юбилейного Международного молодежного форума "Радиоэлектроника и молодежь в 21 веке". - Харьков 2006. – С. 569

17. Щербакова М.Е. Программные средства, использующие векторную обработку данных / Щербакова М.Е.// Інформаційні технології в наукових дослідженнях і навчальному процесі: Матеріали 2-го Міжнар. наук.-практ. конф., м. Луганськ, 14-16 листоп. 2006 р. Т. 2. – Луганськ, 2006. – 216 с. - С. 213 - 215

18. Щербакова М.Е. Программные средства, использующие векторную обработку данных / Щербаков Е.В., Горбатюк А.Ф., Щербакова М.Е. // Сборник научных трудов Донбасского государственного технического университета: Спецвыпуск: Информационные технологии в научных исследованиях и учебном процессе: Мат-лы 2-й Международ. научн.-практ. конференц.(14 – 16 ноября 2006 г., г.Луганск). – Алчевск: ДонГТУ; Луганск: ЛНПУ, 2006 – 248 с. - С. 238 - 244

19. Щербакова М.Е. Использование моделирования при балансировке нагрузки в компьютерной сети управления / Щербакова М.Е. // Моделирование и компьютерная графика : Материалы 2-й международной научно -технической конференции, г. Донецк, 10-12 октября 2007 г . — Донецк , ДонНТУ , Министерство образования и науки Украины, 2007. — 358 с. - С. 291 - 294

20. Щербакова М.Е. Методы балансирования нагрузки в управляющих вычислительных системах / Рязанцев А.И., Щербакова М.Е. // Інформатика та комп’ютерні технології – 2007 / Матеріали третьої науково-технічної конференції молодих учених та студентів. – Донецьк, ДонНТУ – 2007. – 580 с. - С. 231 - 233.

Особистий внесок здобувача в опублікованих роботах.

В роботах, опублікованих зі співавторами, автору належать: [1, 10] - розроблено підсистему оперативної бази даних робочої станції, програми відображення даних історії технологічного процесу, конфігуратор пакету, диспетчер задач реального часу та програму установки пакету КВАРЦ; [2] - написано розділи про структурне програмування, модульне програмування, перевантаження операторів, узагальнене програмування, стандартну бібліотеку шаблонів мови програмування C++; [3] - розроблено диспетчер задач, що є частиною SCADA – системи пакету КВАРЦ; [7] - метод планування задач за структурним критерієм; [18, 20] - метод умовної векторної обробки технологічних даних. Роботи [4 - 6, 8, 9, 11 - 17, 19] написані без співавторів.