Моделирование и оптимизация функционирования многопрофильного обслуживающего комплекса с нестационарным входящим потоком и случайным временем обслуживания тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат технических наук Кирилов, Александр Александрович

• Кирилов, Александр Александрович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кирилов, Александр Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ОСОБЕННОСТИ ОПТИМИЗАЦИИ

МНОГОПРОФИЛЬНЫХ ОБСЛУЖИВАЮЩИХ КОМПЛЕКСОВ. ю

1.1 Анализ функционирования многопрофильных обслуживающих комплексов.

1.2 Системы массового обслуживания как инструмент анализа обслуживающих комплексов.

1.3 Особенности влияния нестационарного потока на функционирование системы.

1.4 Обзор подходов к оценке длительностей работ.

1.5 Цель и задачи исследования.

2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ

ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ МНОГОПРОФИЛЬНОГО ОБСЛУЖИВАЮЩЕГО КОМПЛЕКСА.

2.1 Математическая модель многопрофильного обслуживающего комплекса с несколькими центрами обслуживания.

2.2 Оценка оптимального числа обслуживающих устройств.

2.3 Оценка оптимального числа обслуживающих устройств в каждый момент времени.

2.4 Оценка длительности обслуживания.

2.5 Выводы.

3 ЧИСЛЕННЫЕ ОЦЕНКИ И АЛГОРИТМИЗАЦИЯ РАБОТЫ

МНОГОПРОФИЛЬНОГО ОБСЛУЖИВАЮЩЕГО КОМПЛЕКСА.

3.1 Численный метод оценки оптимального числа обслуживающих устройств.

3.2 Численная оценка длительности обслуживания.

3.3 Эксперименты для оценки длительности обслуживания.

3.4 Разработка алгоритма планирования взаимно - зависимых работ для обслуживающего комплекса при существующем расписании.

3.5 Выводы.

4 ОСОБЕННОСТИ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ С НЕОДНОРОДНЫМ ВХОДЯЩИМ ПОТОКОМ ЗАЯВОК И СЛУЧАЙНОЙ

ДЛИТЕЛЬНОСТЬЮ ОБСЛУЖИВАНИЯ.

4.1 Структура программного комплекса.

4.2 Структура базы данных.

4.3 Применение разработанной системы в многопрофильном лечебно-профилактическом учреждении.

4.4 Экспериментальное обоснование полученных результатов.

4.5 Выводы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование и оптимизация функционирования многопрофильного обслуживающего комплекса с нестационарным входящим потоком и случайным временем обслуживания»

В современных условиях к обслуживающим комплексам предъявляются повышенные требования с точки зрения оптимальности функционирования. Учет ограничений на взаимную зависимость работ, особенностей входящего потока, случайной длительности обслуживания, существующего плана выполнения работ позволит составить наиболее эффективный график функционирования системы в целом, а, следовательно, повысить качество ее работы.

Большой вклад в развитие анализа сложных систем и оптимизацию их функционирования внесли как отечественные, так и иностранные ученые. Базовые результаты теории систем массового обслуживания были получены А.К. Эрлангом, Л. Клейнроком, а также советскими учеными А. Н. Колмогоровым, А.Я. Хинчиным, Б.А. Севастьяновым и др. Разработкой оценок длительности обслуживания сложных систем занимались как отдельные ученые (X. Ахьюджа, Р.В. Конвей, А. Кофман, Д.И. Голенко- Гинзбург и др.), так и целые организации («Буз, Ален и Гамильтон», «Локхид»).

Однако, не все проблемы в данной области можно считать решенными. В частности, исчерпывающие характеристики получены лишь для классических систем массового обслуживания с простейшим входящим потоком заявок. В остальных случаях существуют лишь некоторые формулы, недостаточные для полного описания функционирования сложных систем. В связи с этим возникает необходимость разработки математических моделей, учитывающих все специфические особенности системы и позволяющие определить ее характеристики. Поскольку применение аналитического аппарата зачастую бывает затруднительно в связи со сложностью модели, необходимо для этой цели использовать численные методы.

В частности, одной из важнейших задач является оценка числа обслуживающих устройств при нестационарном входящем потоке. Учет специфики поступления заявок при планировании графика работы обслуживающих 5 устройств позволит минимизировать ситуации, при которых заявка должна получить отказ в связи с пиковой загрузкой системы.

Другой важной задачей является оценка длительности обслуживания. Точная оценка времени обслуживания позволит плановое расписание максимально приблизить к реальному и, вследствие этого, минимизировать ошибки, возникающие при планировании.

Сложность современных обслуживающих систем обуславливает необходимость автоматизации процесса планирования работ с помощью специально разработанного комплекса программ, учитывающего все вышеперечисленные особенности.

Таким образом, актуальность темы диссертационного исследования продиктована необходимостью улучшения функционирования многопрофильных обслуживающих комплексов, отличительными чертами которых являются нестационарный входящий поток заявок и случайная длительность обслуживания.

Работа выполнена в рамках научного направления НОУ ВПО «Международный институт компьютерных технологий» «Моделирование информационных процессов в сложных системах».

Цель работы. Целью работы является разработка моделей, методов и программных средств для оптимизации функционирования многопрофильного обслуживающего комплекса с нестационарным входящим потоком заявок и случайным временем обслуживания.

Задачи исследования. Для достижения этой цели в работе необходимо решить следующие задачи:

1. Проанализировать процесс функционирования многопрофильного обслуживающего комплекса с целью выявления возможных подходов для повышения эффективности его функционирования.

2. Разработать математическую модель системы, учитывающую нестационарный входящий поток, случайную длительность обслуживания и ограничение на время пребывания заявки в очереди.

3. Разработать аналитические и численные методы оптимизации функционирования многопрофильного обслуживающего комплекса.

4. Реализовать программные средства, моделирующие процесс планирования работ на основе разработанных ранее оценок и моделей.

Методы исследования. В работе использованы методы оптимизации, численные методы, а также методы моделирования, теория вероятностей и математическая статистика и теория объектно-ориентированного программирования.

Тематика работы соответствует следующим пунктам паспорта специальности 05.13.18:

3. Разработка, обоснование и тестирование эффективных вычислительных методов с применением современных компьютерных технологий.

4. Реализация эффективных численных методов и алгоритмов в виде комплексов проблемно-ориентированных программ для проведения вычислительного эксперимента.

8. Разработка систем компьютерного и имитационного моделирования.

Научная новизна работьь В работе получены следующие результаты, отличающиеся научной новизной:

1. Математическая модель многопрофильного обслуживающего комплекса, учитывающая нестационарный входящий поток, случайную длительность обслуживания и ограничение на время пребывания в очереди, и позволяющая найти оценки основных параметров, влияющих на эффективность работы системы.

2. Численная оценка длительности обслуживания, построенная на основании наименьшего, наибольшего и наиболее вероятного времени выполнения работ и повышающая точность оценок параметров оптимизационной задачи.

3. Численная оценка числа обслуживающих устройств в каждом центре, учитывающая нестационарный входящий поток и обеспечивающая максимальное приближение реальной загрузки системы к плановой.

4. Разработка системы компьютерного моделирования, особенностью которой является возможность автоматического изменения последовательности исполняемых модулей в зависимости от параметров входящего потока и характеристик обслуживающих устройств, позволяющей оптимизировать процесс функционирования многопрофильного обслуживающего комплекса.

Практическая значимость работы. Практическая значимость работы заключается в разработке комплекса программ, позволяющего автоматизировать процесс планирования работ для многопрофильного обслуживающего комплекса и учитывающего неоднородность входящего потока заявок и случайное время их обслуживания. Использование данного программного комплекса позволит не только значительно сократить время, затрачиваемое на планирование работ, но и существенно повысить качество составляемого графика работ.

Реализация и внедрение результатов работы. Основные теоретические и практические результаты работы реализованы в виде комплекса программных средств, предназначенных для повышения эффективности функционирования многопрофильного обслуживающего комплекса. Эффект от внедрения заключается в приближении реальной загрузки системы к плановой, а также уменьшении вероятности отказа.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационного исследования докладывались на следующих научных конференциях и семинарах: Современные проблемы информатизации в моделировании и социальных технологиях (2009), Управление в социальных и экономических системах (2009), X Всероссийской научно-технической конференции «Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий» (Улан-Удэ, 2009), VIII Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Информационные технологии и математическое моделирование» (Томск, 2009), Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве (Воронеж, 2010), Информационные технологии в связи, вычислительной технике и энергетике (Воронеж, 2010), I

Всероссийской конференции «Критические технологии вычислительных и информационных систем» (Воронеж, 2011), «Наука и просвещение» (Санкт-Петербург, 2011), а также научных семинарах кафедры информатики и вычислительной техники Международного института компьютерных технологий (Воронеж, 2009 -2011).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 18 научных работ, в том числе 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателем предложены: [1] - особенности функционирования системы при наличии нестационарного потока; [2] - определение параметров для численной оценки длительности обслуживания; [3] - алгоритм планирования работ, учитывающий временные ограничения и наличие план-графика для работ, поступивших в систему ранее; [4] - описание программы, автоматизирующей процесс планирования работ; [5-7] - формулы для оценки одного из параметров математической модели многопрофильного обслуживающего комплекса; [8] -разработка алгоритма и программного средства для подсистемы оценки длительности приема пациентов; [11,12] - анализ одного из подходов к оценке одного из параметров математической модели; [16]-Реализация и проведение эксперимента; [17,18] -разработка программного кода.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 108 наименований. Основная часть работы изложена на 109 страницах, содержит 17 таблиц и 32 рисунка.