任务选择（精选3篇）
任务选择 篇1
摘要：任务投放的任务挑选问题是负荷控制理论中任务投放策略的关键问题之一。针对模具车间任务投放选择问题,提出了一种在等周期条件下基于瓶颈资源所确定任务投放上界,采用0-1整数规划模型挑选任务的启发式算法,并通过仿真实验加以验证。
关键词：负荷控制,任务投放,任务选择,瓶颈资源
1 引言
模具生产属于面向资源的工程订货型单件生产,客户订单以项目的形式驱动车间运作,模具项目的生产特点使其制造过程具有非常强的随机性和经验依赖性,这些特点主要包括:1)模具项目随机下达到车间;2)车间同时有多个项目在制,并且共享加工资源;3)模具项目的工艺路线各不相同,工序所需资源及其能力需求具有不确定性。这使得模具车间生产难以得到有效控制,经常造成交货期延误等系列问题。
为了有效地缩短模具制造周期和保证模具按时交货,关键之一是要提高模具车间生产的可计划性,即保证车间在正确的时间进行正确的生产。首先必须将正确的任务投入到车间,其次必须保证各个车间负荷的均衡性,其实质就是要有效地控制车间的生产负荷。文献[1]最早进行了这方面的研究,提出了负荷控制(Work-Load Control)理论。负荷控制理论是一种针对于订货型企业的生产计划与控制方法,适用于模具企业领域。目前,随着学术界对任务等周期投放问题研究的不断深入,任务投放控制问题在负荷控制理论中所起的作用已经被大多数学者认可。其中文献[2]总结了当今负荷控制理论发展的成果,着重阐述了兰卡斯特大学提出的负荷控制理论方法及其发展方向;文献[4]~[6]说明了负荷控制能够使订货型企业车间生产平稳有序进行,并且减轻订单到达不确定性对车间生产的影响;[7]则针对单机投放问题,给出了关于在制品量(WIP)、设备产能和输出量之间的关系数学公式,[8]则通过仿真实验验证了该公式针对单个生产单元具有一定的合理性,并且指出对于多个生产单元该数学公式并不适用。
对国内外相关研究情况的初步调研表明,在等周期任务投放方式下,文献[9]针对具有两道工序的柔性同序加工车间任务投放上限值确定问题,提出了一种在等周期条件下通过仿真求解任务投放量上限值的方法,而关于确定模具车间任务负荷投放的任务挑选问题,还没有学者进行深入的研究。本文将围绕这个问题进行展开,通过理论方法研究和系统仿真实验确定任务投放的上界范围。
2 问题描述
在等周期部件投放时刻,考虑前面建立的车间综合负荷计算方法和车间任务投放上界定界方法,模具车间投放选择决策包括以下两个决策目标:目标一,保证每个投放周期内车间加工中心的负荷平衡,确保车间加工中心能够充分被利用;目标二,确保任务池中部件能够尽可能及时地投放到车间进行加工,从而保证部件的交货期。然而,如果只考虑车间加工中心的负荷,那么某些任务可能无法及时地投放,从而产生拖期;反之,如果只考虑部件的交货期,又会影响到车间各加工中心的负荷平衡。因此,在部件投放时需要同时考虑这两个方面,并且在这两个目标之间进行协调,本文采用0-1整数规划模型挑选部件来平衡加工车间的负荷,使得两个目标都有保证。下面将描述部件投放过程模型的假设与参数定义。
假定含n个工艺阶段模具车间前有个虚拟的任务池(job pool),任务在这里等待投放到车间。假定该车间的瓶颈资源所在工艺阶段i缀I2={1,…,n}中包含ni个非同等工作中心,其中每个工作中心j缀I3={1,…,ni}又包含nj台平行加工机器,并且假定与该车间相对应的所有部件来自ns个部件。其它参数说明如下:
每个投放周期TRJ其投放时刻记为tnow;
RWLUjBR为瓶颈资源i中第j个工作中心的负荷上限值;
WLj为从任务池中投放到瓶颈资源i中第j个工作中心的部件所产生的实际投放负荷;
SWLjBR为瓶颈资源i中第j个工作中心在当前投放时刻的库存负荷;
RWLjBR为瓶颈资源中第j个工作中心的投放负荷,其值为WLj+SWjBR;
DS为部件S的交货期;
LRDS为部件S最晚投放时间;
LDS表示每个部件的松弛时间,即当前投放时刻与部件最晚投放时间的差值,取整数;
Ψ1表示满足部件交货期的相对权重;
Ψ2表示满足工作中心负荷平衡的相对权重;
模具企业车间部件投放选择整数规划模型:
其中,目标函数(1)由两部分构成,第一项代表了加工中心负荷平衡的目标,希望各加工中心的加载负荷越接近其负荷限额越好;第二项代表了部件的交货期目标,该函数分母采用了分段函数,对于第二项,为了实现部件的交货期,采用尽量早开工的原则,因此,当tnow-LRDS≤0时,分母取0.1×0.95LRDS-tnow,反之,分母则取tnow-LRDS,这样最早投放时间距离当前时刻越近的部件,其投放越有利于优化目标函数,并且在tnow-LRDS≤0情况下,任务池部件已经错过了计划投放时间,其函数值迅速减小,这样越有可能被投放。
约束条件(2)中(1)~(ni)表示瓶颈资源所在各工作中心的加载负荷不能超过其负荷限额,工作中心加载负荷WLj,由部件投放时刻工作中心的库存负荷(包括直接负荷和间接负荷)以及所有要经过本工作中心的任务所产生的投放负荷所构成。
对于被决策者强制投放的部件,如紧急部件,可以预先将其对应的决策变量YS设置为1,此种情况下,这些被强制投放的部件将不会参与优化求解,它们产生的负荷相当于增加了工作中心的库存负荷。
3 任务选择启发式算法
根据前面的分析,本文提出一种启发式投放控制方法,投放步骤如下。
第一步,通过第二章提出的方法确定每个周期投放时刻的车间瓶颈资源,并计算出车间负荷上限值。
第二步,根据各类部件在车间的平均等待时间计算出任务池中各个部件的最晚计划投放时间LRDS。
第三步,将任务池中的投放部件按照最晚计划投放时间LRDS升序排序,并作为待选部件。对于某些需要强制投放的部件其相应决策变量YS设置为1,将用本文上述中建立的0-1整数规划模型求解得出部件集合Jnow。
在上述整数规划模型求解过程中,可能的解的数量为2ns。当任务池中部件数量增大时求解速度会明显变慢,而过长的计算时间在实际生产中是无法被接受的,考虑到这一点,本文将任务池中分成四类部件:紧急、重要、普通和剩余部件,依次对这四类部件运行整数规划求解模型,这样一方面使参与一次运算的部件数量大大减少,从而降低运算的时间代价,另一方面由于同类部件其投放优先级比较相近,而不同类部件之间则差异较大,依次对这四类部件池进行挑选,可以一定程度地协调平衡负荷和满足交货期这两个订单投放控制目标。
第四步,部件集合Jnow投放完毕后,本次部件投放过程结束。
4 仿真验证
为验证上述瓶颈资源辨识方法的合理性,笔者将该投放模型建立在仿真系统平台之上,利用所建立模型进行大量仿真加以验证。主要工具为:EM-Plant仿真软件。硬件环境为:双核CPU2.0GHz,2G内存。
4.1 仿真模型描述
对某模具企业调研,该企业其中一模具车间有5个工艺阶段,每个工艺阶段含有多个工作中心,各工作中心含多台加工设备。车间生产的部件可分为7类,每类部件含有1个关键零件和多个非关键零件;零件的加工路线已知,各工艺阶段对工作中心的资源需求和概率为已知,仿真模型如图1所示。
设备占有性:在任意时刻,每台设备最多只能加工一个任务;
任务加工过程不可中断:一旦某个任务在某台设备上开始加工,则在该台设备上的加工过程不可中断,直到这一任务在该台设备上的工序完成加工为止;
设备服务准则:针对已投放的部件,车间设备都遵循先到先服务(FCFS)的加工准则;
投放机制:采用等周期投放,周期值为7天。
4.2 仿真案例设计
方案一:直接投放。
部件到达后直接进入车间进行生产,即不含有任务投放控制的情况。
方案二:本文所提出的启发式任务投放控制方法。
部件到达之后进入任务池等待投放,在每个投放周期初期投放部件时,将任务池中的所有部件作为待选部件,用0-1整数规划模型求解部件投放方案。
本文将通过更改部件的交货期(交货期服从均匀分布)及部件的到达率,采用上述两种方案实验进行仿真实验,观察上述所提出的启发式任务投放控制方法可行性及适用性。
4.3 性能指标设计
仿真实验的性能指标包括:
(1)任务平均流水时间:任务在车间的流水时间的平均值;
(2)任务平均生产提前期:任务在车间的流水时间加上在任务池中等待时间的平均值;
(3)任务平均履约率:履约任务除以到期任务加未到期已完成任务的和的商;
(4)设备平均资源利用率:设备运行时间与总时间的比值。
4.4 仿真结果分析
通过大量的仿真实验,每次仿真实验进行了220个投放周期(1周期=7天)的仿真。根据仿真实验的结果记录到表1中。实验结果显示:(1)在同等条件下,方案二相比于方案一,有着很大程度上的优越性;(2)方案二采用的本文任务挑选方法,在任务到达率一定的情况下,适用于不同部件交货期的车间;(3)当任务的到达率比较低的时候,由于车间的任务量不是很大,即车间不存在瓶颈资源,此时采用直接投放更为合适,当到达率达到一定程度时,车间存在瓶颈资源时,此时采用方案二更为合适。
仿真实验结果表明,针对于存在瓶颈资源的模具车间,本文提出的采用0-1整数规划模型挑选任务的启发式算法,相比于直接投放具有很好的优越性和合理性,并且对于不同的部件交货期、不同的部件到达率具有良好的适用性。
5 结束语
针对模具车间任务投放选择问题,本文提出了一种在等周期条件下基于车间瓶颈资源所确定任务投放上界,采用0-1整数规划模型挑选任务的启发式算法,并通过仿真实验验证了该方法的合理性,同时指出了当模具车间存在瓶颈资源时,对于不同的部件交货期、不同的部件到达率具有良好的适用性。
参考文献
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[9]陈田,陈庆新,毛宁,等.具有两道工序的柔性同序加工车间任务投放策略[J].工业工程,2010,13(5):69-74.
任务选择 篇2
题目01 2001年，我国对外开放进入了一个全面开放的新阶段，其标志性事件是（）。
正确答案是：加入世界贸易组织
题目02 2012年党的十八大提出要加快完善社会主义市场经济体制，强调经济体制改革的核心是处理好（）的关系。正确答案是：政府和市场
题目03“三个有利于”标准是（）。
正确答案是：判断改革得失成败的标准
题目04中国人民当家作主的根本途径和最高实现形式是（）。
正确答案是：人民代表大会制度
题目05中国共产党对各民主党派的领导是（）。
正确答案是：政治领导
题目06中国共产党领导的多党合作与政治协商制度的核心内容是（）。
正确答案是：多党合作
题目07中国特色社会主义共同理想作为社会主义核心价值体系的主题，解决的是（）、实现什么样目标的问题
正确答案是：走什么路
题目08先进文化是符合人类社会发展方向、体现先进生产力发展要求、代表最广大人民根本利益、反映时代（）的文化。正确答案是：进步潮流
题目09党的十八大指出，（）是解决“三农”问题的根本途径。
正确答案是：城乡发展一体化
题目10党的（）明确把建立社会主义市场经济体制作为我国经济体制改革的目标。
正确答案是：十四大
题目11党的（）第一次明确提出，公有制为主体、多种所有制经济共同发展，是我国社会主义初级阶段的基本经济制度。正确答案是：十五大
题目12发展社会主义民主政治，建设社会主义政治文明，核心在于坚持（）。
正确答案是：以经济建设为中心
题目13哲学社会科学作为现代国家的一种（），其研究能力和成果是综合国力的重要组成部分。
正确答案是：战略性资源
题目14国有经济起主导地位，主要体现在（）。
正确答案是：对国民经济的控制力上
题目15在改革开放和社会主义现代化建设新时期，邓小平创造性地阐述了关于社会主义（）建设的思想。
正确答案是：精神文明
题目16实施创新驱动发展战略，必须把（）摆在国家发展全局的核心位置。
正确答案是：科技创新
题目17对外开放是我国的（）。
正确答案是：一项基本国策
题目18就性质而言，我国的改革是（）。
正确答案是：社会主义制度的自我完善和发展
题目19建设社会主义核心价值体系，既是丰富发展中国特色社会主义理论体系的迫切需要，也是推动文化大发展、大繁荣，提高国家文化（）的必然要求。正确答案是：软实力
题目20开启改革开放历史新时期，是在党的（）。
正确答案是：十一届三中全会
题目21当今时代，（）越来越成为民族凝聚力和创造力的重要源泉，越来越成为综合国力竞争的重要因素。
正确答案是：文化
题目22 思想政治工作是经济工作和其他一切工作的生命线，是中国共产党和我们国家重要的（）优势。
正确答案是：政治
题目23想思道德建设，解决的是整个中华民族的（）和精神动力问题。
正确答案是：精神支柱
题目24我们党提出改革开放决策的理论基础是（）。
正确答案是：社会主义社会基本矛盾运动学说
题目25 我国实行民族区域自治的现实条件是（）。
正确答案是：各民族大杂居、小聚居的人口分布格局
题目26 我国的国体是（）。
正确答案是：人民民主专政
题目27 我国的改革（）。
正确答案是：我国的改革（）。
题目28 我国的政体是（）。
正确答案是：人民代表大会制度
题目29我国的根本政治制度是（）。
正确答案是：人民代表大会制度
题目30实行对外开放定为基本国策，是在（）。
正确答案是：党的十二届三中全会
题目31 推动中国特色社会主义发展的动力是（）。
正确答案是：改革开放
题目32 提高全民（）素质是社会主义道德建设的基本任务。
正确答案是：道德
题目33改革开放初期，邓小平提出了一个大政策，即（）。
正确答案是：允许和鼓励一部分地区、一部分人先富起来
题目34 新时期最鲜明的特点是（）。
正确答案是：改革开放
题目35
核心价值体系是兴国之魂，是社会主义（）的精髓，决定着中国特色社会主义发展方向。正确答案是：先进文化
题目36 正确处理改革、发展、稳定关系的重要结合点是（）。
正确答案是：不断改善人民生活
题目37 民族区域自治的核心是（）。
正确答案是：保障少数民族当家作主，管理本民族、本地方事务的权利
题目38 民族精神是民族文化中固有的并且延绵不断的一种历史文化传统，是（）最本质、最集中的体现。
正确答案是：民族文化
题目39现代市场经济运行离不开政府，政府主要运用（）手段调节和干预经济。
正确答案是：经济
题目40现代市场经济运行离不开政府，政府主要运用（）手段调节和干预经济。
正确答案是：经济
题目41 社会主义初级阶段的多种分配方式是指按劳分配以外的分配方式，基本上可以归结为按（）分配。
正确答案是：生产要素
题目42 社会主义市场经济是宏观调控下的市场经济，能利用（）两种手段的长处，既注重发挥市场的调节作用，又注重发挥政府的宏观调控作用。正确答案是：计划和市场
题目43 社会主义政治文明建设的根本出发点和归宿是（）。
正确答案是：人民当家作主
题目44 社会主义核心价值体系是社会主义制度在价值层面的本质规定，是全党全国各族人民团结奋斗的共同（），是实现科学发展、社会和谐的推动力量。正确答案是：思想基础
题目45 社会主义民主政治的本质和核心是（）。
正确答案是：人民当家作主
题目46 社会主义的分配原则是（）。
正确答案是：按劳分配
题目47 社会主义荣辱观弘扬了（）的精华，确立了人们行为的价值尺度。
正确答案是：中华民族传统道德
题目48 邓小平对“三个有利于”标准的重要表述，是在（）。
正确答案是：1992年
题目49首次把基层群众自治制度纳入中国特色社会主义民主政治制度的基本范畴是党的（）。
正确答案是：十七大
题目50（）是民族振兴和社会进步的基石，办好人民满意的教育是中国特色社会主义教育的根本任务。正确答案是：教育
二、多项选择题
题目51 1992年，邓小平在南方谈话中明确地提出衡量一切工作是非得失的判断标准是（）。
正确答案是：是否有利于发展社会主义社会的生产力 ；是否有利于增强社会主义国家的综合国力；是否有利于提高人民生活水平
题目52 中华民族伟大复兴必然伴随中华文化繁荣兴盛，我们要努力开创（）和中华文化国际影响力不断增强的新局面。
正确答案是：全民族文化创造活力持续迸发；社会文化生活更加丰富多彩；人民基本文化权益得到更好保障；人民思想道德素质和科学文化素质全面提高
题目53 中国特色社会主义制度包括（）。
正确答案是：人民代表大会制度 ； 中国共产党领导的多党合作和政治协商制度；民族区域自治制度 ；基层群众自治制度
题目54 人民政协的主要职能是（）。
正确答案是：政治协商；民主监督 ；参政议政
题目55 今天，全面建成小康社会，加快推进社会主义现代化，实现中华民族伟大复兴的百年梦想，必须大力弘扬（）教育，弘扬时代新风，促进人际和谐。正确答案是：民族精神；时代精神
题目56 依法治国是（）。
正确答案是：社会文明进步的显著标志；国家长治久安的重要保障；社会主义民主政治的基本要求；建设中国特色社会主义经济、政治、文化，构建和谐社会的必然要求
题目57 党在20世纪70年代末作出实行改革开放重大决策的深刻历史背景是（）。
正确答案是：我国整个经济情况实际上是处于一个缓慢发展和停滞的状态；我国经济实力、科技实力与国际先进水平的差距明显拉大，面临着巨大的国际竞争压力
题目58 党的十五大指出，公有制的主体地位主要体现在：（）。
正确答案是：公有资产在社会总资产中占优势；国有经济控制国民经济命脉；国有经济起主导作用
题目59 党的十八大强调加快形成新的经济发展方式，主要是做到一个立足点、“四个着力”、“五个更多依靠”，其中“四个着力”是指（）。
正确答案是：激发各类市场主体发展新活力；增强创新驱动发展新动力；构建现代产业发展新体系；培育开放型经济发展新优势
题目60 公有制经济包括（）。
正确答案是：国有经济；集体经济；混合所有制经济中的国有成分；混合所有制经济中的集体成分
题目61 发展社会主义先进文化所要构建的新型文化管理体制包括（）。
正确答案是：党委领导； 政府管理；行业自律
题目62 坚持“三个有利于”标准主要是强调（）。
正确答案是：对于改革的一些具体政策措施，必须从抽象的姓“社”姓“资”的争论中摆脱出来；在改革的性质问题上不能不问姓“社”姓“资”，必须理直气壮地坚持社会主义方向
题目63 我国处理民族关系的原则是（）。
正确答案是：民族平等；民族团结；各民族共同繁荣
题目64 我国改革开放的目的是（）。
正确答案是：解放和发展社会生产力、实现现代化、人民富裕、民族振兴；推动我国社会主义制度自我完善和发展；建设和发展中国特色社会主义；确保我们党在改革开放中始终走在时代前列
题目65 我国政治体制改革的基本原则包括（）。
正确答案是：坚持党总揽全局、协调各方的领导核心作用；坚持国家一切权力属于人民；全面落实依法治国基本方略；坚持社会主义政治制度的特点和优势
题目66 我国政治体制改革的必要性主要体现在（）。
正确答案是：这是政治制度完善和发展的必然要求； 这是推动经济与社会发展的必然要求
题目67 我国社会主义新农村建设的总体要求是：生产发展、（）。
正确答案是：生活富裕；乡风文明；村容整洁；管理民主
题目68 把以公有制为主体、多种所有制经济共同发展确立为社会主义初级阶段的基经济制度，是由（）决定的。
正确答案是：社会主义性质；社会主义初级阶段国情
题目69 改革、发展、稳定三者之间的关系是（）。
正确答案是：改革是动力； 稳定是前提；发展是目的
题目70 改革开放是党在新的时代条件下领导人民进行的新的伟大革命，是指（）。
正确答案是：改革是对原有经济体制进行根本性的变革；改革涉及到经济、政治、文化和社会生活的各个领域和各个方面；改革是为了解放和发展生产力；改革是社会主义制度的自我完善和发展
题目71 文化是民族的血脉，中国特色社会主义文化建设的重要意义在于（）。
正确答案是：它是凝聚和激励全国各族人民的重要力量；是综合国力的重要标志；它为现代化建设提供智力支持、精神动力和思想保证
题目72 深化文化体制改革中的“三加快”、“一加强”的重点任务包括（）。
正确答案是：加快构建公共文化服务体系；加快发展文化产业； 加强对文化产品创作生产的引导
题目73 社会主义核心价值体系的基本内容包括（）。
正确答案是：马克思主义指导思想； 中国特色社会主义共同理想； 以爱国主义为核心的民族精神和以改革创新为核心的时代精神
题目74 践行社会主义荣辱观的长效机制的要求是（）。
正确答案是：坚持以制度建设为根本；重在实际行动；重在持之以恒； 重在形成机制
题目75 非公有制经济是社会主义市场经济的重要组成部分，主要包括（）。
任务选择 篇3
随着信息技术的高速发展,云计算[1]已经成为产业界、学术界、政府等各界关注的焦点。至今为止,云计算以其便利、高效、高扩展性等优势吸引了许多企业的目光,各大IT商业巨头,例如Google、IBM、亚马逊等,都提出了自己的云计算平台,并把云计算发展作为最主要战略之一。
云计算是分布式计算的一种,是并行计算、网格计算的发展与延伸,其最基本的思想还是利用网络将海量用户提交的作业分割成若干个较小的任务,再交给多个计算机组成的庞大系统,经过查询、计算、合并后将处理结果返回给用户,提供这些资源的网络被称为“云”。云计算所面向的用户群是庞大的,因此云环境中的任务量也是巨大的,所以任务调度就成为了云计算中的重点与难点。现有的常见任务调度算法有三种:FIFO调度算法、公平调度算法以及计算能力调度算法,但都存在的一些不足[2]。另外,还有一些借鉴遗传算法、免疫算法、蚁群算法等智能算法的云环境任务调度算法相继被提出,王永贵、韩瑞莲提出了一种基于改进的蚁群算法的云环境任务调度算法[3],在传统的蚁群优化算法的基础上引入逆转变异策略,避免蚁群优化算法陷入局部最优,缩短了任务平均运行时间,提高了资源自用效率。李建锋,彭舰针对云计算的编程模型框架,提出了一种具有双适应度的遗传算法的任务调度算法[4],不仅能够快速确定总任 务完成时间的较短的调度策略,而且还能保证该调度策略的任务平均完成时间也较短,增加了问题搜索空间,避免局部最优。
本文根据克隆选择机理,利用生物工程中的基因重组技术,提出一种基于基因重组的克隆选择算法(GRCSA),并应用于云环境的任务调度问题中。根据抗体与抗原之间亲和力的大小,获取优秀抗体的优秀基因片段,并对亲和力低的抗体进行基因的交换与重新组合,实现定向变异的目的,防止种群退化,提高变异效率。另外,根据不同抗体浓度进行不同规模的克隆增殖,保持抗体种群的多样性,扩大全局的搜索范围,防止陷入局部收敛。最后通过仿真实验,验证其算法的有效性,并能够快速确定任务调度最优策略,提高了系统的整体性能与资源利用效率。
1 云环境中任务调度的形式化描述
目前,云计算环境中大多采用Google提出的Map-Reduce编程模型[5],它是一种并行编程模式,非常适用于产生和处理大规模的数据集。在Map-Reduce计算框架模型中,主要的分为Map阶段和Reduce阶段:(1) Map阶段 将用户提交的较大的作业拆分成若干个较小的任务,然后分配给多个任务服务器(Task Tracker)并行执行,输出处理后的中间数据;(2) Reduce阶段将Map阶段处理后的中间数据进行汇总分析处理,输出最终结果。执行过程如图1所示。
在云计算环境中,作业调度就是将合适作业的合适任务分配到合适的任务服务器上。Map-Reduce框架是由一个单独运行在主节点的JobTracker和运行在每个集群从节点上的TaskTracker共同组成,其中作业服务器JobTracker主要负责作业任务的调度以及监控它们的执行情况,任务服务器TaskTracker负责任务的执行。当用户提交作业后,每一个作业被拆分成若干个任务,包含Map任务和Reduce任务等,任务是具体执行的基本单位,它们被分配到合适的任务服务器上去执行,并且随时报告各个任务的状态,帮助作业服务器了解作业执行的整体情况、分配新的任务等。根据上述过程,将云环境的作业调度作如下形式化描述:
定义1 将作业调度问题描述为一个四元组JS=<J,T,N,W>的形式,其中,J=<Job1,Job2,…,Jobp>代表用户提交的作业队列,由p个作业组成;T=<task1,task2,…,taskm>代表由p个作业拆分成的m个任务的集合;N=(node1,node2,…,noden)代表n个任务服务器TaskTracker(计算资源)的集合;W=<wi,j|wi,j是任务taski在任务服务器nodej上的执行时间,1≤i≤m,1≤j≤n> 。
定义2 假设X代表所有可能的调度方案集π中的一种调度策略,在该调度策略下,完成全部作业所需要的总时间由下式给定:
其中,xi,j为二进制变量:当且仅当任务taski被分配给任务服务器nodej(计算资源)时,xi,j=1;否则,xi,j=0。
定义3 对于云环境的作业调度问题,就是以下式作为目标函数的优化问题。
2基于GRCSA的云环境中任务调度算法设计
克隆选择算法(CSA)是Castro根据免疫克隆选择机理提出的,并行性和自主学习是CSA的两个最显著的特点[6]。针对云环境下的任务调度问题,用克隆选择算法进行任务调度可以得到较好的效果。参考Map-Reduce模型,为了能得到总任务执行时间和任务平均执行时间都较短的任务调度策略,本文在传统克隆选择算法的基础上,结合生物工程中的基因重组技术[7],提出一种基于基因重组的克隆选择算法。根据抗体亲和力大小对抗体进行选择,获取优秀抗体的优秀基因片段[8],对抗体进行不同程度的基因重组,实现高频变异过程中的定向控制,避免种群退化,加快收敛速度,提高全局搜索范围,防止局部收敛。
2.1 抗体基因序列的编码与解码
对抗体基因序列的编码有很多方法,既可以采用直接编码,也可以采用间接编码,本文采用一种任务-资源的间接编码方式。抗体基因序列由一维数组表示,长度等于全部任务的个数,每个基因位的编号代表任务的编号,而该基因位的基因值为该任务分配到的任务服务器(计算资源)的编号。
假设有p个作业(Job),n个任务服务器TaskTracker(计算资源),第t个作业被拆分为的任务(Task)的数量为:taskNum(t)。则任务的总数量为TaskNum:
例如有3个Job,3个任务服务器TaskTracker,每一个Job又拆分成若干个Task,如Job1被分为:Task1,1,Task1,2两个Task;Job2被分为:Task2,1,Task2,2,Task2,3;Job3被分为Task3,1,Task3,2,Task3,3,Task3,4,Task3,5,则一共有10个Task,然后再对这些任务进行编号,采用作业-任务顺序编号方法,即第i个Job中的第j个Task的序号为m:
抗体基因序列的长度为10,每个基因位的取值为1~3,随机产生下面一个抗体基因序列:{2,1,3,1,2,3,1,1,2,3},这个抗体基因序列代表第1个Task在第2个TaskTracker上执行,第2个Task在第1个TaskTracker上执行,……,第10个Task在第3个TaskTracker上执行。
然后要对抗体基因序列进行解码,完成从基因型到表现型的映射,得到TaskTracker上的Task的分布情况,生成以TaskTracker编号的Task序列。如上述抗体基因序列解码为:
TaskTracker1:{2,4,7,8}
TaskTracker2:{1,5,9}
TaskTracker3:{3,6,10}
因此得到了每个TaskTracker上执行的任务的序列,然后再根据矩阵W(W[i,j]表示第i个Task在第j个TaskTracker上执行所需要的时间),可以计算出每个TaskTracker执行的所有任务需要的总时间以及完成所有作业的平均时间。
2.2 初始抗体种群生成
若初始抗体种群规模为S,Job个数为J,Task个数为m,任务服务器TaskTracker(计算资源)的个数为n,则抗体的种群初始化描述如下:系统随机产生S个抗体,抗体基因序列的长度为m,每个基因位的取值在任务服务器个数的范围内随机选取,即在[1,n]中随机选择。
2.3 克隆选择
克隆选择是根据抗体与抗原之间的亲和力大小,从抗体种群中选取优秀抗体进行克隆,增加优秀抗体的浓度,并通过不断地变异进化,从而找到最优抗体(问题的最优解)。因此,对于亲和力的计算显得尤为重要,它关系到算法的收敛速度以及解的优劣性。
对于云环境的作业调度,一个最主要的性能指标就是全部作业的完成时间。另外还需考虑作业的平均完成时间。在保证所有作业完成的时间最短的基础上,还应该满足作业的平均完成时间也要最短,因此亲和力函数定义如下:
F1(X)为完成所有作业的总时间函数,其中,tasktracker(j,i)为在第j个TaskTracker执行该第i个任务所用的时间,T为分配到该TaskTracker上的任务的数量。X为一种任务调度策略(抗体基因序列)。
F2(X)为完成所有任务的平均所用时间的函数,其中:k为第i个任务在被分到的TaskTracker中的位置,w[j,i]为第j个TaskTracker执行第i任务所需要的时间,X为一种任务调度策略(抗体基因序列)。
所有任务的完成时间和任务平均所用时间越短的抗体,其亲和力值越大,越容易被克隆选择。
2.4 抗体基因序列重组
在传统克隆选择算法中,抗体种群通过高频变异抗体克隆种群的亲和力,从而实现抗体种群不断进化最终找到最优的抗体,但是高频变异的随机性和不确定性可能导致出现种群的部分退化现象,影响算法的收敛速度和全局搜索能力。因此,本文利用生物工程中的基因重组技术,根据抗体与抗原之间亲和力的大小,获取优秀抗体的优秀基因片段,并对亲和力低的抗体进行基因的交换与重新组合,实现定向变异的目的,防止种群退化,提高变异效率。抗体的基因重组包含两个过程:① 获取优秀抗体的优秀基因片段。假设抗体种群,其中每个抗体基因序列的长度为l,根据亲和力大小,选取η个优秀抗体,定义一个参照抗体,用来记录优秀基因片段;② 定向改造抗体基因组成。利用参照抗体Abs,对亲和力低的抗体的基因进行交换与重组,将获取的优秀基因片段注入其基因序列内,定向改造抗体的亲和力,从而达到定向变异的目的。
2.5 基于GRCSA任务调度算法的流程
云环境下,基于GRCSA的任务调度算法的流程如下:
Step1 初始化抗体种群:随机产生为S的初始抗体种群Ag={ag1,ag2,…,agS},对于任意抗体agi,其基因序列的长度均为m,每个基因位的取值为c,i∈[1,S],c∈[1,n]。其中。m表示总任务的个数,n表示任务服务器TaskTracker的个数,agi表示任意一种任务调度策略。
Step2 针对每一代种群循环执行算法:
Step2.1 在初始抗体种群中,对于每一个抗体agi(调度策略),i∈[1,S],根据亲和力函数式(5)和式(6),分别计算抗体的亲和力Aff(i),并根据亲和力对抗体进行由小到大排序。另外,计算克隆选择概率P={p1,p2,…,pS},计算公式如下:
其中,pi表示第i种调度策略对应的抗体的克隆选择的概率。根据抗体亲和力大小,从初始种群中选择出N个抗体生成临时种群Ag
Step2.2 对于选择出来的临时种群Ag
Nc(i)=Round(μ×rank(i)1-γ) (8)
其中,Nc(i)是第i个抗体的克隆数量,μ为一个控制参数,γ是抗体浓度,Round()为取整函数,rank(k)是对抗体k在抗体种群中根据亲和力大的大小进行排序(升序)后所得到序号,序号越大,抗体的亲和力越大,那么克隆增殖的数量也就越多。另外,对于相同亲和力的抗体,根据其不同浓度进行不同规模的克隆增殖,抗体浓度越小,增殖的规模越大,这样有利于丰富抗体种类,提高抗体多样性,避免陷入局部最优的情况。
Step2.3 对于增殖种群Agp中亲和力低的抗体,借助生物工程中基因重组技术,进行定向变异,具体过程分为两步:
① 提取基因优势片段。根据抗体亲和力大的大小,选取η个优秀抗体。定义一个参照抗体abs,用来记录基因优势点,从而提取优秀基因片段,获取方法如下:
abs=ab1⊙ab2⊙…⊙abη (9)
② 定向改造抗体的基因组成。利用参照抗体abs,对亲和力低的抗体进行基因的交换与重新组合,将获取的优秀基因片段注入其基因序列中,定向改造亲和力低的抗体,从而达到定向变异的目的。具体方法如下:
ab′m=remove(abm,ab
其中,abm表示亲和力较低的抗体,ab′m表示经过基因重组改造以后的抗体,k∈[1,η],remove()是根据参照抗体ags对抗体agm内部的基因片段交换运算与重新组合,达到定向改变抗体基因组成的目的。将改造以后的抗体与增殖种群中亲和力低的抗体进行交换,生成目标种群Ag′p。此时完成变异过程。
Step2.4 从目标种群Ag′p中选取亲和力最高的抗体进入记忆细胞种群,成为记忆细胞。
Step2.5 将原种群S中亲和力低的(l+r)个抗体用l个优秀抗体和r个随机生成抗体细胞进行代替进入下一代新的抗体种群;本文引入随机生成的抗体,避免陷入局部最优解。
Step3 直到满足算法结束条件。
Step4 从抗体种群中选择出亲和力最高的抗体(使目标函数式(5)、式(6)达到最小值的解),确定最佳的任务调度方案,使完成所有任务的总时间和平均任务完成任务的时间最小。
3 仿真试验及结果分析
由于云计算可以看作是一个特殊的网格环境,所以本文用Gridsim来模拟一个云计算的局部环境。在相同情况下,分别用传统克隆选择算法(CSA)与GRCSA对云环境中的任务进行调度,并对这两种算法得到的总任务完成时间以及任务平均完成时间进行比较。
初始条件: Job个数为10,Task个数为20,任务服务器TaskTracker(计算资源)的个数为5,初始抗体种群规模为50。
算法终止条件:① 到达最大进化代数(这里取最大进化代数为100);② 连续20代总任务完成时间和任务平均完成都没有变化时,认为算法基本收敛,算法结束。
从图2、图3中可以看出,在进化初期,GRCSA的收敛速度要明显快于CSA的,并且GRCSA得出的总任务的完成时间和任务平均完成时间均要小于CSA得出的。GRCSA是借助基因重组技术,在进化迭代过程中,每次变异都保留了前一代优秀抗体的优秀基因,并将优秀基因通过交换与重组作用到亲和力较低的抗体中,实现了高频变异中的定向变异,防止出现种群退化现象,提高了抗体变异效率和算法收敛速度。另外,GRCSA根据相同亲和力的不同的抗体浓度,对抗体进行不同规模的克隆增殖,增加了优秀抗体的种类及多样性,避免了算法在收敛速度加快的同时,陷入局部收敛,造成局部最优的情况。因此在进化后期,虽然两种算法都达到了一种基本收敛,但是通过GRCSA得出的收敛迭代次数以及总任务完成时间和任务平均完成时间均小于CSA得到的,证明了其算法的优良性与有效性。
4 结 语
本文提出了一种基于基因重组克隆选择算法的任务调度算法,该算法在传统克隆选择算法的基础上,借鉴了生物工程中的基因重组技术,记录了每一代优秀抗体的优秀基因,实现了变异过程中的定向变异,降低了传统高频变异过程中的随机性与不确定性,提高了变异效率和算法收敛速度。通过本算法可以解决云计算环境中的任务调度问题,能够确定较优的任务调度策略,提高了系统效率与资源利用率,是一种有效的作业调度算法。
摘要：在云计算中,系统要面对庞大的用户群,处理大量任务以及数据。如何对云环境中的大量任务进行高效的调度、满足用户需求成为了云计算中所要解决的重要问题。针对云计算的并行编程模型,借鉴生物免疫系统的克隆选择机制,利用生物工程中基因重组技术,提出一种基于基因重组的克隆选择算法,将此算法应用到云环境的任务调度问题中,可以确定最佳的任务调度方案。通过仿真实验将此算法与传统克隆选择算法进行比较,结果证明此算法的收敛速度与收敛精度均优于传统克隆选择算法,并且通过此算法可以确定较优的任务调度策略,是一种云计算环境中有效的任务调度算法。
关键词：云计算,克隆选择,基因重组,任务调度
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