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 Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan toàn luận văn: "Một số thuật toán giải toán phân công nhiệm vụ hệ thống tính toán không đồng nhất" thân thực hướng dẫn PGS.TS Đặng Quang Á Nếu sai xin chịu hình thức kỷ luật theo quy định Thái Nguyên, tháng 06 năm 2012 Người thực Nguyễn Thị Hồng Nhung Số hóa 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 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 1.1.1 Giới thiệu 1.1.2 Mô hình khái niệm HC 1.2 GIỚI THIỆU MỘT SỐ BÀI TOÁN PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ 1.2.1 Bài toán phân công nhiệm vụ hệ thông tính toán không đồng nhất…………………………………………………………………………… 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 toán thích hợp 21 2.2.2 Các lĩnh vực ứng dụng mạng nơ-ron 22 2.2.3 Ƣu nhƣợc điểm mạng nơ-ron 22 Số hóa 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 toán tối ƣu 27 2.4 GIỚI THIỆU GIẢI THUẬT DI TRUYỀN 30 2.4.2 Các bƣớc quan trọng việc áp dụng thuật giải di truyền 31 2.4.3 Các phƣơng thức biến hóa 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 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 mô luyện kim 47 3.2 THỬ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ TÍNH TOÁN 49 3.2.1 Các trƣờng hợp thử nghiệm thông số metaheuristic 49 3.2.2 GA cho mục đích so sánh 51 3.2.3 Kết phân tích 52 3.3 KẾT LUẬN 53 KẾT LUẬN 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 Số hóa 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 xử lý 50 Bảng 3.2: So sánh kết thu đƣợc HNNGA HNNSA 53 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iv DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Mô hình trạm làm việc Hình 1.2: Mô hình khái niệm hệ thống HC Hình 2.1: Mô hình nơ ron sinh học 17 Hình 2.2 : Mô hình Nơ-ron 20 Hình 2.3: Mô hình mạng Hopfield 23 Hình 2.4: Ví dụ lời giải bái toán sánh cặp với n = 28 Hình 2.5: Lƣu đồ mô tả cấu trúc giải thuật di truyền 32 Hình 2.6: Lƣu đồ thuật toán trình chọn lọc 33 Hình 2.7: Lƣu đồ thuật toán trình lai ghép 35 Hình 2.8: Lƣu đồ thuật toán trình đột biến 36 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -1- LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay, máy tính có tốc độ xử lý cao, thực số công việc dùng đến phần nhỏ khả tốc độ Điều công việc khác cần đến yêu cầu tính toán khác phải có máy tính có khả khác để đáp ứng yêu cầu Một máy tính có cấu trúc đơn lẻ, không đáp ứng đƣợc tất yêu cầu tính toán công việc mà có kết tốt nhƣ Vì vậy, việc sử dụng môi trƣờng tính toán không đồng thích hợp Trong hệ thống không đồng nhất, gồm có xử lý song song, phân phối, cụm, lƣới đƣợc ứng dụng lĩnh vực nhƣ: công nghiệp, phòng thí nghiệm, quan, trƣờng học, phân tích thiết kế môi trƣờng thời gian thực Một vấn đề nghiên cứu quan trọng hệ thống tính toán không đồng làm để xắp xếp có thứ tự công việc cần thực để tối ƣu hiệu xuất trình thực toán phân công nhiệm vụ Bài toán phân công nhiệm vụ hệ thống tính toán không đồng toán phức tạp, trình phân công nhiệm vụ cần phải linh hoạt sử lý tình khác nhau, hoàn cảnh khác Tuy nhiên tính toán mạng nơron Hopfield lại cho phép giải tốt toán có nhiều tính phức tạp Vì vậy, ứng dụng mạng nơron Hopfield, giải thuật di truyền toán phân công nhiệm vụ hệ thống tính toán không đồng hứa hẹn giải pháp khả thi Nhận thức đƣợc vấn đề có gợi ý, định hƣớng PGS TS Đặng Quang Á em mạnh dạn nghiên cứu đề tài " Một số thuật toán giải toán phân công nhiệm vụ hệ thống tính toán không đồng nhất" Nội dung luận văn gồm có ba chƣơng: Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -2- Chƣơng I: Giới thiệu sơ lƣợc hệ thống tính toán không đồng nhất, mô hình khái niệm hệ thống không đồng nhất, toán phân công nhiệm vụ Chƣơng II: Giới thiệu sơ lƣợc mạng nơ ron, mạng nơ ron Hopfield, giải thuật di truyền, giải thuật di truyền với toán tối ƣu Chƣơng III: Giới thiệu số thuật toán giải toán phân công nhiệm vụ hệ thống tính toán không đồng Trong chƣơng tập trung giới thiệu phƣơng pháp tiếp cận lai meta-heuristic cho toán phân công nhiệm vụ hệ thống tính toán không đồng Phƣơng pháp tiếp cận bao gồm mạng Noron- Hopfield (HNN) để quản lý ràng buộc vấn đề, sử dụng hai thuật toán tìm kiếm toàn cục khác để nâng cao chất lƣợng giải pháp đƣợc tìm thấy, là: Thuật toán lai ghép mạng Nơron Hopfield - giải thuật di truyền thuật toán lại mạng Nơron Hopfield- mô luyện kim Qua luận văn em xin chân thành cảm ơn: PGS TS Đặng Quang Á Viện Công nghệ thông tin tận tình giúp đỡ, động viên, định hƣớng, hƣớng dẫn em nghiên cứu hoàn thành luận văn Em xin cảm ơn thầy cô giáo viện Công nghệ thông tin, thầy cô giáo Trƣờng Đại học Công nghệ thông tin truyền thông ĐH Thái nguyên, giảng dạy giúp đỡ em hai năm học vừa qua, cảm ơn giúp đỡ nhiệt tình bạn đồng nghiệp Xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, tháng 06 năm 2012 Ngƣời viết luận văn Nguyễn Thị Hồng Nhung Số hóa 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 hiệu suất cao (sau gọi HC), môi trƣờng bao gồm máy với khả tính toán khác kết nối với liên kết tốc độ cao Môi trƣờng thích hợp để đáp ứng nhu cầu tính toán nhóm toán lớn, áp dụng đa dạng cho ứng dụng Một yếu tố quan trọng việc đạt đƣợc hiệu suất tốt có từ môi trƣờng HC khả phân công có hiệu ứng dụng máy móc lịch trình thực họ 1.1.1 Giới thiệu Máy tính hiệu suất cao thực số nhiệm vụ dùng đến phần nhỏ khả hiệu suất tốc độ Điều nhiệm vụ khác có yêu cầu tính toán khác mà kết cần thiết cho khả máy tính khác Một kiến trúc máy tính đơn lẻ đáp ứng tất yêu cầu tính toán nhiệm vụ khác tốt nhƣ Vì vậy, việc sử dụng môi trƣờng tính toán không đồng thích hợp Hệ thống tính toán không đồng (HC), bao gồm loại máy khác đƣợc kết nối với liên kết tốc độ cao Một hệ thống cung cấp loạt khả năng, cấu trúc, phối hợp để thực nhiệm vụ với yêu cầu thực khác cách khai thác tính không đồng Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -4- hệ thống Một hệ thống HC bao gồm tập hợp máy tính hiệu suất cao Một nhóm bao gồm loại máy khác tạo thành hệ thống HC Ngoài ra, nhóm đƣợc xử lý nhƣ máy tính đơn HC Một hệ thống HC phần mạng lƣới lớn Một ứng dụng giả định bao gồm nhiều nhiệm vụ độc lập (tức không giao tiếp) Nó đƣợc giả định số nhiệm vụ đƣợc tiếp tục phân tách thành hai nhiều công việc phụ giao tiếp với Các công việc phụ có liệu phụ thuộc số đó, nhƣng đƣợc giao cho máy khác thực Hình 1.1: Mô hình trạm làm việc Xét hình 1.1: Trong cho thấy ví dụ giả thuyết chƣơng trình ứng dụng với thành phần khác tốt phù hợp để thực kiến trúc máy tính khác Các ứng dụng ví dụ bao gồm nhiệm vụ đƣợc phân tách thành bốn công việc phụ liên tiếp Ứng dụng thực cho 100 đơn vị thời gian máy trạm bản, nơi mà công việc phụ phù hợp với kiến trúc máy tính có số lƣợng thời gian bên dƣới hình [5] Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read ... MỘT SỐ BÀI TOÁN PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ 1.2.1 Bài toán phân công nhiệm vụ hệ thông tính toán không đồng nhất ………………………………………………………………………… 1.2.2 Bài toán lập lịch thực hành 13 1.2.3 Bài toán. .. 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 1.1.1 Giới thiệu... 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