Một số thuật toán giải bài toán phân công nhiệm vụ trong hệ thống tính toán không đồng nhất

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG MỘT SỐ THUẬT TOÁN GIẢI BÀI TOÁN PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ TRONG HỆ THỐNG TÍNH TOÁN KHÔNG ĐỒNG NHẤT LUẬN VĂN THẠC SĨ: KHOA HỌC MÁY TÍNH THÁI NGUYÊN 2012 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan toàn bộ luận văn: "Một số thuật toán giải bài toán phân công nhiệm vụ trong hệ thống tính toán không đồng nhất" do chính bản thân tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Đặng Quang Á. Nếu sai tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định. Thái Nguyên, tháng 06 năm 2012 Người thực hiện Nguyễn Thị Hồng Nhung Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn i MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC i DANH MỤC CÁC BẢNG iii DANH MỤC CÁC HÌNH iv LỜI NÓI ĐẦU 1 CHƢƠNG I: GIỚI THIỆU SƠ LƢỢC VỀ HỆ THỐNG TÍNH TOÁN KHÔNG ĐỒNG NHẤT MỘT SỐ BÀI TOÁN PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ 3 1.1. GIỚI THIỆU SƠ LƢỢC VỀ HỆ THỐNG TÍNH TOÁN KHÔNG ĐỒNG NHẤT. 3 1.1.1. Giới thiệu 3 1.1.2. Mô hình khái niệm HC 6 1.2. GIỚI THIỆU MỘT SỐ BÀI TOÁN PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ 9 1.2.1. Bài toán phân công nhiệm vụ trong hệ thông tính toán không đồng nhất…………………………………………………………………………… 9 1.2.2. Bài toán lập lịch thực hành 13 1.2.3. Bài toán lập lịch gia công 14 1.3. KẾT LUẬN 15 CHƢƠNG II: MẠNG NƠ RON VÀ GIẢI THUẬT DI TRUYỀN GIẢI BÀI TOÁN KHÔNG ĐỒNG NHẤT 16 2.1. GIỚI THIỆU VỀ MẠNG NƠ -RON 16 2.1.1. Lịch sử phát triển 16 2.1.2. Mô hình mạng nơ-ron nhân tạo 17 2.2. PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA MẠNG NƠ -RON 21 2.2.1. Những bài toán thích hợp 21 2.2.2. Các lĩnh vực ứng dụng mạng nơ-ron 22 2.2.3. Ƣu và nhƣợc điểm của mạng nơ-ron 22 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ii 2.3. MẠNG HOPFIELD 23 2.3.1. Mạng Hopfield rời rạc 24 2.3.2 Mạng Hopfield liên tục: 25 2.3.3. Mạng Hopfield với bài toán tối ƣu 27 2.4. GIỚI THIỆU GIẢI THUẬT DI TRUYỀN 30 2.4.2. Các bƣớc quan trọng trong việc áp dụng thuật giải di truyền 31 2.4.3. Các phƣơng thức biến hóa của giải thuật di truyền 32 2.4.4. Các giải thuật di truyền lai 36 2.5. GIẢI THUẬT DI TRUYỀN VỚI BÀI TOÁN TỐI ƢU 37 2.5.1. Ánh xạ hàm mục tiêu sang hàm phù hợp 37 2.5.2. Tỷ lệ hoá giá trị phù hợp 38 2.5.3. Mã hoá tham biến nhờ véctơ nhị phân 39 2.5.4. Bài toán tối ƣu ràng buộc 39 2.6. KẾT LUẬN 40 CHƢƠNG III: MỘT SỐ THUẬT TOÁN GIẢI BÀI TOÁN PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ TRONG HỆ THỐNG TÍNH TOÁN KHÔNG ĐỒNG NHẤT 41 3.1. MỘT SỐ THUẬT TOÁN GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN 41 3.1.1. Mạng Nơron Hopfield với bài toán TSAP 42 3.1.2. Thuật toán lai Mạng Noron Hopfield-Giải thuật di truyền 45 3.1.3. Thuật toán lai Mạng Noron Hopfield và mô phỏng luyện kim 47 3.2. THỬ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ TÍNH TOÁN 49 3.2.1. Các trƣờng hợp thử nghiệm và các thông số metaheuristic 49 3.2.2. GA cho các mục đích so sánh 51 3.2.3. Kết quả và phân tích 52 3.3. KẾT LUẬN 53 KẾT LUẬN 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1: Trƣờng hợp thử nghiệm với 15 công việc và 5 bộ xử lý 50 Bảng 3.2: So sánh các kết quả thu đƣợc của HNNGA và HNNSA 53 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iv DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Mô hình trên trạm làm việc cơ bản. 4 Hình 1.2: Mô hình khái niệm hệ thống HC. 7 Hình 2.1: Mô hình nơ ron sinh học. 17 Hình 2.2 : Mô hình một Nơ-ron . 20 Hình 2.3: Mô hình mạng Hopfield. Hình 2.4: Ví dụ về lời giải bái toán sánh cặp với n = 6 23 28 Hình 2.5: Lƣu đồ mô tả cấu trúc của giải thuật di truyền. 32 Hình 2.6: Lƣu đồ thuật toán của quá trình chọn lọc. 33 Hình 2.7: Lƣu đồ thuật toán quá trình lai ghép. 35 Hình 2.8: Lƣu đồ thuật toán của quá trình đột biến . 36 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -1- LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay, các máy tính có tốc độ xử lý rất cao, đôi khi thực hiện một số công việc thì chỉ dùng đến một phần nhỏ khả năng của tốc độ đó. Điều này là bởi vì các công việc khác nhau cần đến các yêu cầu tính toán rất khác nhau vì vậy phải có các máy tính có khả năng khác nhau để đáp ứng yêu cầu. Một máy tính có cấu trúc đơn lẻ, có thể không đáp ứng đƣợc tất cả các yêu cầu tính toán công việc mà có kết quả tốt nhƣ nhau. Vì vậy, việc sử dụng một môi trƣờng tính toán không đồng nhất là rất thích hợp. Trong hệ thống không đồng nhất, gồm có xử lý song song, phân phối, cụm, lƣới và đƣợc ứng dụng trong các lĩnh vực nhƣ: công nghiệp, phòng thí nghiệm, các cơ quan, trƣờng học, phân tích thiết kế hoặc môi trƣờng thời gian thực Một vấn đề nghiên cứu quan trọng đối với hệ thống tính toán không đồng nhất là làm thế nào để xắp xếp có thứ tự các công việc cần thực hiện để tối ƣu hiệu xuất trong quá trình thực hiện bài toán phân công nhiệm vụ. Bài toán phân công nhiệm vụ trong hệ thống tính toán không đồng nhất là một bài toán khá phức tạp, do trong quá trình phân công nhiệm vụ cần phải linh hoạt sử lý các tình huống khác nhau, trong từng hoàn cảnh khác nhau. Tuy nhiên các tính toán trong mạng nơron Hopfield lại cho phép giải quyết tốt các bài toán có nhiều tính phức tạp. Vì vậy, ứng dụng mạng nơron Hopfield, giải thuật di truyền trong bài toán phân công nhiệm vụ trong hệ thống tính toán không đồng nhất sẽ hứa hẹn là một giải pháp khả thi. Nhận thức đƣợc vấn đề đó và có sự gợi ý, định hƣớng của PGS .TS Đặng Quang Á em đã mạnh dạn nghiên cứu đề tài " Một số thuật toán giải bài toán phân công nhiệm vụ trong hệ thống tính toán không đồng nhất". Nội dung cơ bản của luận văn gồm có ba chƣơng: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -2- Chƣơng I: Giới thiệu sơ lƣợc về hệ thống tính toán không đồng nhất, mô hình khái niệm hệ thống không đồng nhất, bài toán phân công nhiệm vụ. Chƣơng II: Giới thiệu sơ lƣợc về mạng nơ ron, mạng nơ ron Hopfield, giải thuật di truyền, giải thuật di truyền với bài toán tối ƣu. Chƣơng III: Giới thiệu một số thuật toán giải bài toán phân công nhiệm vụ trong hệ thống tính toán không đồng nhất. Trong chƣơng này tập trung giới thiệu phƣơng pháp tiếp cận lai meta-heuristic cho bài toán phân công nhiệm vụ trong hệ thống tính toán không đồng nhất. Phƣơng pháp tiếp cận bao gồm mạng Noron- Hopfield (HNN) để quản lý các ràng buộc của vấn đề, và sử dụng hai thuật toán tìm kiếm toàn cục khác để nâng cao chất lƣợng của giải pháp đƣợc tìm thấy, đó là: Thuật toán lai ghép mạng Nơron Hopfield - giải thuật di truyền và thuật toán lại mạng Nơron Hopfield- mô phỏng luyện kim. Qua luận văn này em xin chân thành cảm ơn: PGS .TS Đặng Quang Á - Viện Công nghệ thông tin đã tận tình giúp đỡ, động viên, định hƣớng, hƣớng dẫn em nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Em xin cảm ơn các thầy cô giáo trong viện Công nghệ thông tin, các thầy cô giáo Trƣờng Đại học Công nghệ thông tin và truyền thông ĐH Thái nguyên, đã giảng dạy và giúp đỡ em trong hai năm học vừa qua, cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của các bạn đồng nghiệp. Xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, tháng 06 năm 2012 Ngƣời viết luận văn Nguyễn Thị Hồng Nhung Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -3- CHƢƠNG I GIỚI THIỆU SƠ LƢỢC VỀ HỆ THỐNG TÍNH TOÁN KHÔNG ĐỒNG NHẤT MỘT SỐ BÀI TOÁN PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ 1.1. GIỚI THIỆU SƠ LƢỢC VỀ HỆ THỐNG TÍNH TOÁN KHÔNG ĐỒNG NHẤT. Hệ thống tính toán không đồng nhất hiệu suất cao (sau đây gọi là HC), trong môi trƣờng này bao gồm các máy với khả năng tính toán khác nhau kết nối với nhau bằng các liên kết tốc độ cao. Môi trƣờng này rất thích hợp để đáp ứng các nhu cầu tính toán của các nhóm bài toán lớn, áp dụng đa dạng cho các ứng dụng. Một yếu tố quan trọng trong việc đạt đƣợc hiệu suất tốt nhất có thể có từ môi trƣờng HC là khả năng phân công có hiệu quả các ứng dụng máy móc và lịch trình thực hiện của họ. 1.1.1. Giới thiệu Máy tính hiệu suất cao hiện nay đôi khi thực hiện một số nhiệm vụ thì chỉ dùng đến một phần nhỏ khả năng hiệu suất của tốc độ đó. Điều này là bởi vì các nhiệm vụ khác nhau sẽ có các yêu cầu tính toán khác nhau mà kết quả trong sự cần thiết cho khả năng máy tính khác nhau. Một kiến trúc máy tính đơn lẻ không thể đáp ứng tất cả các yêu cầu tính toán các nhiệm vụ khác nhau tốt nhƣ nhau. Vì vậy, việc sử dụng của một môi trƣờng tính toán không đồng nhất là thích hợp hơn. Hệ thống tính toán không đồng nhất (HC), bao gồm một bộ các loại máy khác nhau đƣợc kết nối với nhau bằng các liên kết tốc độ cao. Một hệ thống cung cấp một loạt các khả năng, cấu trúc, phối hợp để thực hiện nhiệm vụ với yêu cầu thực hiện khác nhau bằng cách khai thác tính không đồng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -4- nhất của hệ thống. Một hệ thống HC có thể bao gồm một tập hợp các máy tính hiệu suất cao. Một nhóm bao gồm các loại máy khác nhau cũng tạo thành một hệ thống HC. Ngoài ra, một nhóm có thể đƣợc xử lý nhƣ một máy tính đơn trong một bộ HC. Một hệ thống HC cũng có thể là một phần của một mạng lƣới lớn hơn. Một ứng dụng giả định bao gồm một hoặc nhiều nhiệm vụ độc lập (tức là không giao tiếp). Nó cũng đƣợc giả định rằng một số nhiệm vụ có thể đƣợc tiếp tục phân tách thành hai hoặc nhiều công việc phụ giao tiếp với nhau. Các công việc phụ có dữ liệu phụ thuộc trong số đó, nhƣng có thể đƣợc giao cho các máy khác nhau thực hiện. Hình 1.1: Mô hình trên trạm làm việc cơ bản Xét hình 1.1: Trong đó cho thấy một ví dụ giả thuyết của một chƣơng trình ứng dụng với các thành phần khác nhau là tốt nhất phù hợp để thực hiện một kiến trúc máy tính khác nhau. Các ứng dụng trong ví dụ bao gồm một nhiệm vụ đƣợc phân tách thành bốn công việc phụ liên tiếp. Ứng dụng này thực hiện cho 100 đơn vị thời gian trên một máy trạm cơ bản, nơi mà mỗi công việc phụ là phù hợp nhất với kiến trúc máy tính và có số lƣợng thời gian chỉ ra bên dƣới trong hình [5]. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn [...]... võn ờ c ban la s la chon cua sinh viờn: Xột G = {g1, g2, , gN} trong ú N l tp cỏc nhom thc hanh trong mụt mụn hoc Mụi nhom gk s c phõn cụng theo thi khoa biờu (c ngy v gi trong tuõn khi phong thc hnh hoat ụng) v kh nng ti a ca phũng thc hnh l Cg Gi S = {s1, s2,.,sM} trong ú M l tp cỏc sinh viờn c thc hnh trong phũng thớ nghiờm Mụi sinh viờn lai co mong muụn vao mụt nhom ... net nếu khác (2.5) õy UTP>LTP Trong ú: UTP l ngng trờn (Upper Trip Point) LTP l ngng di (Lower Trip Point) (iii) Hm Sigmoid: out f net 1 1 e net , (2.6) trong ú > 0 l hng s xỏc nh nghiờng ca hm Nỳt bias: L mt nỳt thờm vo nhm tng kh nng thớch nghi ca mng n-ron trong quỏ trỡnh hc Trong cỏc mng n-ron cú s dng bias, mi n-ron cú th cú mt trng s tng ng vi bias Trong s ny luụn cú giỏ tr l 1 S húa... ti a tng thi gian thc hin v gim thiu thi gian kt ni gia cỏc nhim v khỏc nhau trong b vi x lý v gm cỏc ni dung sau: (1) Tt c cỏc nhim v cú th c thc hin trong tt c cỏc b vi x lý Hai nhim v ang c thc hin trong cỏc b vi x lý khỏc nhau s phỏt sinh mt chi phớ kt ni Cụng vic ny khụng tớnh n chi phớ kt ni gia cỏc nhim v ang thc hin trong cựng mt b x lý (x lý giao tip ni b) (2) Xỏc nh mt ma trn cỏc chi phớ kt... chi phớ kt ni K, vi mi phn t kijpq i din cho chi phớ kt ni gia mt nhim v i ang thc hin trong b vi x lý j v mt nhim v p thc hin trong mt b x lý q khỏc (3) Gi vj gi l tc trung bỡnh ca b vi x lý j ti b vi x lý chm nht trong h thng, gi l tc ca b x lý chm nht 1 Gi ti l thi gian thc hin mt nhim v i trờn b x lý chy chm nht trong h thng Xỏc nh = : =1 / : L tng s thi gian cn thit b vi x lý j hon thnh... mỏy chuyờn dng c mụ t trong hỡnh1.2 Mụ hỡnh khỏi nim bao gm bn giai on: Giai on 1: a ra cỏc loi d kin v vic s dng thụng tin trong cỏc nhim v ng dng v cỏc mỏy trong b HC, mt tp hp cỏc tham s c to ra cú liờn quan n cỏc yờu cu tớnh toỏn ca cỏc ng dng v kh nng mỏy ca h thng HC Vớ d, nu khụng cú cỏc ng dng, d kin s bao gm cỏc hot ng im ni, khụng cn thit mụ t vic thc hin im ni ca mi mỏy trong b phn mm i vi... cua sinh viờn Xem xet biờn th ny trong trng hp s lng sinh viờn trong cỏc nhúm l nh nhau ch khụng phi nhúm ớt nhúm nhiu hoc nhúm khụng cú sinh viờn Trong trng hp nay, i nh nghi a bi toỏn nh sau (P2): max ( + 2 (1 )), vi = =1 ( 2 ) , Chỳ ý rng P1 ch dnh cho s thớch ca sinh viờn , nờn mụt nhom co thờ nhiờu sinh viờn trong khi nhom khac chi co 1 sinh viờn P1 khụng... -9- Giai on 4: L vic thc hin ca cỏc ng dng nht nh Trong cỏc h thng vic lp ỏnh x tnh c thc hin trong giai on 3, c tớnh thụng tin v tt c cỏc nhim v v cụng vic ph thc hin c bit trc Vic lp ỏnh x ng, thụng tin chung v cỏc ng dng thc hin cú th c bit n nh mt u tiờn (vớ d, phõn tớch mu trong giai on 2), nhng cng cú th l thụng tin c bit khụng c bit n trc Nh vy, trong cỏc h thng ỏnh x ng, thi gian hon thnh nhim... tng quỏt ỏnh giỏ hot ng bờn trong mng - Vic hc i vi mng cú th khú (hoc khụng th) thc hin - Khú cú th d oỏn trc c hiu qu ca mng trong tng lai (kh nng tng quỏt hoỏ) S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn -23- 2.3 MNG HOPFIELD Trong mng hi quy tớn hiu ra ca mt n-ron cú th c truyn ngc li lm tớn hiu vo cho cỏc n-ron cỏc lp trc, hoc cỏc n-ron trong cựng mt lp Phn ny s trỡnh... cho tng nhim v l xỏc nh s lng mó nh hỡnh v d liu Phõn tớch mu c s dng xỏc nh s lng hiu qu ca cỏc mỏy cú sn trong b, th tc thc hin trờn mi loi tớnh toỏn c xem xột Mt trong cỏc chc nng ca giai on 3: L cú th s dng thụng tin t giai on 2 c tớnh c thi gian thc hin ca tng nhim v v nhim v ph trờn mi mỏy trong cỏc b HC v cỏc chi phớ thụng tin liờn lc gia cỏc mỏy cú liờn quan Sau ú, nhng kt qu ny cựng vi mỏy... dng 2 Cỏc mỏy trong b To ra cỏc thụng s liờn quan n ng dng v mỏy Cỏc ng dng Phõn tỏch thnh nhim v, nhim v ph v cỏc c im ca chỳng Trng thỏi ban u, bin phỏp hot ng ca mỏy, mng Cỏc c im thụng tin liờn lc gia cỏc mỏy nh x cỏc ng dng vo cỏc mỏy trong b 3 Hin trng ca cỏc mỏy v mng giỏ tr ca cỏc bin phỏp thc hin Kt hp nhim v v nhim v ph mỏy thc hin theo tin Thc hin cỏc ng dng trờn cỏc mỏy trong b 4 Mm hỡnh . trình thực hiện bài toán phân công nhiệm vụ. Bài toán phân công nhiệm vụ trong hệ thống tính toán không đồng nhất là một bài toán khá phức tạp, do trong quá trình phân công nhiệm vụ cần phải linh. nhị phân 39 2.5.4. Bài toán tối ƣu ràng buộc 39 2.6. KẾT LUẬN 40 CHƢƠNG III: MỘT SỐ THUẬT TOÁN GIẢI BÀI TOÁN PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ TRONG HỆ THỐNG TÍNH TOÁN KHÔNG ĐỒNG NHẤT 41 3.1. MỘT SỐ THUẬT. thuật di truyền, giải thuật di truyền với bài toán tối ƣu. Chƣơng III: Giới thiệu một số thuật toán giải bài toán phân công nhiệm vụ trong hệ thống tính toán không đồng nhất. Trong chƣơng này