Синтез и управление развитием кластерных структур автоматизированных систем управления космических систем

Жизнеспособность автоматизированных систем управления (АСУ) космическими системами (КС) в равной мере определяется как аппаратно-программными компонентами системы (надежностью их функционирования, сетевым и ресурсным обеспечением), так и информационными потоками и их возможностями. Очевидно, что информационное пространство АСУ КС должно выполнять роль средства, объединяющего пространственно разобщенные подразделения и службы, включая космический сегмент [1; 2].

Следовательно, коммуникационные и информационные технологии проектируемого пространства должны быть такими, чтобы, по меньшей мере, обеспечивать полноценный информационный обмен между структурными компонентами, такими как региональные станции, пункты контроля и управления, центральная станция и т. п.

Существенно, что ресурсы на создание компонентов структуры АСУ КС могут выделяться в разные периоды времени, т. е. допустимо поэтапное финансирование и поэтапная реализация системы без противоречия ее характеристикам полезности [3]. Таким образом, в связи с проектированием и созданием информационной среды для поддержки управления АСУ КС все большее значение и актуальность приоб- ретает решение задачи синтеза и планирования развития ее структуры.

Постановка задачи. Управление развитием информационно-технической инфраструктуры АСУ КС требует разработки модельно-алгоритмических и программных средств, обеспечивающих формирование оптимального плана развития [4], и заключается в определении моментов ввода типов кластеров, формирующих структуру АСУ КС.

Рассматриваемая структура информационного пространства АСУ КС в рамках предлагаемой обобщенной модели включает в себя совокупность информационных центров (ИЦ), функционально соответствующих региональным/центральной станциям, и структурных подразделений, участвующих в информационном пространстве на правах пунктов управления (ПУ – пункты или устройства управления различных модификаций), связанных между собой коммуникационными каналами, обеспечиваемых сетью высокой готовности (для дисковых массивов предоставляется связь непрерывного доступа).

Каждый ИЦ характеризуется величиной потребности своих узлов в информационно-технических ресурсах и категорией катастрофоустойчивости для кластерной архитектуры в каждый период планирования развития кластерной инфраструктуры АСУ КС [5; 6].

Категория катастрофоустойчивости ИЦ характеризуется, в первую очередь, значением кластер-кворума, а также составом комплекса используемых аппаратнопрограммных средств в ПУ. Тогда процесс развития кластерной инфраструктуры АСУ КС, обеспечивающий последовательное поэтапное повышение уровня катастрофоустойчивости, представляется в виде набора путей на многодольном альтернативном графе, множество вершин которого отображает набор возможных категорий катастрофоустойчивости (тип кластера) каждого ИЦ в заданные периоды, а множество дуг – возможные переходы из одной категории в другую [5; 7].

Задача планирования развития кластерной инфраструктуры состоит в поиске оптимального плана развития кластерного информационного пространства, который должен определить моменты ввода центров обработки информации, а также инфраструктуру кластерной сети в каждый период планирования. Необходимо также учитывать динамику изменения потребностей узлов системы и затраты на развитие кластерной сети АСУ КС.

Аппаратно-программные решения для АСУ КС, обеспечивающие катастрофоустойчивость, могут соответствовать различным типам кластеров. Для защиты от катастроф узлы кластеров необходимо разнести на достаточное расстояние. Узлы размещаются в разных помещениях, на разных этажах здания, в разных районах города и даже в разных городах [2]. Расстояние между узлами определяется исходя из конкретной ситуации и в соответствии с используемой технологией репликации данных [5].

Метод решения задачи. В зависимости от конкретных особенностей постановки задачи формализуется критерий оптимальности для плана развития кластерной инфраструктуры АСУ КС [6]. В ряде случаев целесообразно ввести коэффициенты, учитывающие важность информационно-технических ресурсов, требуемых каждым ПУ (узлом кластера). Важными также являются ограничения на степень удовлетворения потребностей пользователей в информационнотехнических услугах по периодам планирования. Рассматриваемая модель позволяет проводить оптимизацию и анализ вариантов развития кластерной инфраструктуры АСУ космических систем.

Оптимизационная задача планирования развития кластерной структуры АСУ КС может быть сформулирована следующим образом. Имеется АСУ КС, представляющая собой совокупность I кластеров.

Обозначим номер кластера i = 1, I . Каждый кластер характеризуется катастрофоустойчивой категорией ( к = 1, K ), районным коэффициентом ц i и потребностью в кластер-кворуме Q it в момент времени t . На интервале времени Т в каждый период планирования t = 1, T выделяются материальные средства в размере R t на развитие инфраструктуры кластеров АСУ КС.

Районный коэффициент µ i учитывает увеличение капитальных затрат на строительство кластера в особых районах (северных, сейсмических и т. д.).

Каждой категории k соответствует минимальное работоспособное значение целостности (кластер-кворум) Q k и капитальные затраты (требуемые ресурсы) R k на развитие кластера.

Для формализации поставленной задачи введем следующие переменные величины: x ikt = 1, если i -й кластер имеет k -ю категорию в t -й период планирования; x ikt = 0 в противном случае.

Обозначим через q ikt = Q it – Q k разность между требуемой минимальной целостностью i -го кластера в t -й период и кластер-кворумом k -й категории.

Пусть

• -    = J^- q -kt , если q -kt <  0;

q -kt ⁱ      а                  a

L     0, ^если q -kt ^ 0,

• -    = J q -kt , если q -kt >  0;

q-kt i a            /A

L 0, ^если q -kt ^ 0.

Тогда выражение, характеризующее степень превышения потребностей в устойчивости к нарушению целостности, выглядит следующим образом:

TIK

ZZZ Q -kt ■ x -kt . t = 1 - = 1 k = 1

Условие выбора для каждого кластера одной категории из допустимого множества формализуется в виде

K

Z x-kt = 1; i = 1,1; t = 1, T, k=1

где I – общее количество кластеров.

Условие, ограничивающее набор возможных категорий -го кластера в каждый t -й период:

K

Z k ■ x -kt ^ K * ; i = 1, I ; t = 1, T , k = 1

где K*tt = min k - минимальная категория, кластер- кворум которой полностью удовлетворяет потребности --го кластера в t-й период планирования k = 1, K.

Учитывая районный коэффициент µ , ограничение на капитальные затраты в период времени t формализуется в следующем виде:

IK

Z ^ - Z ^x-kt ■ ( R k ■ x -kt — R k ■ x -k ( t - 1 ) ) ^ R t . i = 1 k = 1

Важным условием является удовлетворение потребительских запросов, и поэтому в качестве критерия оптимальности плана развития используем выражение (1), взятое по минимуму:

TIK min ZZZ<--kt ■ x-kt.

t = 1 - = 1 k = 1

Таким образом, план, обеспечивающий минимум дефицита надежности, на всем интервале времени, выделенном на развитие системы, будет являться оптимальным.

Экспериментальная часть. С использованием подхода, изложенного в статье, разработан программный комплекс анализа надежности и управления развитием кластерных структур АСУ космических систем, предназначенный для работы как с уже существующими кластерными структурами, так и с создающимися. Функциональное назначение разработанного программного комплекса заключается в анализе различных кластерных структур, выявлении сценариев отказов системы и создании новых структур по определенным входным параметрам (рис. 1).

Описание классов программного комплекса:

• –    TNode – класс, описывающий общее поведение моделируемых объектов;

• –    TArbitrator – класс, описывающий объекты-арбитраторы;

• –    TComponent – класс, описывающий объекты – пункты управления;

• –    TDataCenter – класс, описывающий объекты – информационные центры;

• –    TController – класс, управляющий процессом моделирования;

• –    Plan – класс, создающий план эксперимента.

Рассмотрим работу предлагаемого программного комплекса на примере создания кластерной структуры для обеспечения надежности и катастрофоустой-чивости АСУ космической системы. Разработано два варианта формирования комплекса:

• 1)    два ИЦ, в каждом по одному ПУ, сроки реализации – 60 дней, бюджет – 150 000 у. е. (рис. 2);

• 2)    два ИЦ, в каждом по два ПУ, сроки реализации – 60 дней, бюджет – 200 000 у. е. (рис. 3).

  

  Рис. 1. Диаграмма классов программного комплекса

  
  

■ ПК анализа надежности и управления развитием кластерных структур АСУ

	Конструктор кластера		Расчет кворума	"L
		Сценарий	Не работает	Отказ	Целостность кластера	Осталось	Последствия А
		111			100%	3 из 3
		2 2		Арбитратор 1;	66%.	2 из 3	Нет последствий
		3 3		Узел 2,	66%.	2 из 3	Перенаправление на другие узлы
		4 4		Узел 2, Арбитратор 1,	33%	1 из 3	Кластер остановлен
		5 5		Узел 1,	66%	2 из 3	Перенаправление на другие узлы
		6 6		Узел 1, Арбитратор 1;	33%	1 из 3	Кластер остановлен
		7 7		Узел 1, Узел 2,	33%	1 из 3	Кластер остановлен
		8 8		Узел 1, Узел 2, Арбитратор 1;	0%.	0 из 3	Кластер остановлен
		9 9	Арбитратор 1,		100%	2 из 2
			Арбитратор 1,	Узел 2,	50%.	1 из 2	Перенаправление на другие узлы
		11 11	Арбитратор 1,	Узел 1,	50%	1 из 2	Перенаправление на другие узлы
		12 12	Арбитратор 1,	Узел 1, Узел 2,	0%	0 из 2	Кластер остановлен
							V
		<		--------------1111--------------		1	>1

Рис. 2. Сценарии отказов по первому варианту структуры АСУ КС

Рис. 3. Сценарии отказов по второму варианту структуры АСУ КС

Анализ результатов работы программного комплекса по расчету надежности разрабатываемых вариантов АСУ КС показал, что первый вариант имеет 27 различных сценариев отказов, из них в 10 сценариях работа кластера останавливается, т. е. 37,1 % сценариев отказов приводит к остановке работы АСУ. Второй вариант имеет 243 сценария отказов, из них 80 приводит к остановке кластера, что составляет 32,9 % сценариев. При этом время на реализацию предложенных вариантов одинаково.

Это означает, что с точки зрения надежности и ка-тастрофоустойчивости АСУ КС реализация кластерной структуры по второму варианту выглядит более целесообразной, чем по первому варианту.

Итак, предложено решение задачи синтеза и управления развитием кластерной структуры АСУ космической системы. На основе анализа сценариев отказов кластеров, формирующих структуры АСУ космических систем, показано, что кластеры способны к реконфигурации в случае, если число одновременно вышедших из строя узлов строго меньше половины работающих. Для различных кластерных структур при оценке последствий того или иного сценария отказов достаточно рассчитать значение кластер-кворума. Реконфигурация кластерных структур АСУ космических систем, использующих арбитраторы, существенно повышает уровень готовности АСУ КС. При введении второго арбитратора более высокий уровень готовности АСУ космической системы позволяет избежать остановки кластера, что неизбежно для аналогичных сценариев отказов в конфигурации с одним арбитратором.

Разработанный программный комплекс анализа надежности и управления развитием кластерных структур может быть успешно применен для решении указанных задач при создании и развитии широкого спектра систем управления и обработки информации.