基于博弈策略的應(yīng)急資源網(wǎng)格化調(diào)度研究

曹杰　王少鵬

摘 要：文章建立基于博弈策略的網(wǎng)格化應(yīng)急資源調(diào)度模型，三個(gè)目標(biāo)函數(shù)分別為：（1）完成任務(wù)花費(fèi)的時(shí)間最??；（2）整個(gè)任務(wù)花費(fèi)的費(fèi)用最低；（3）任務(wù)的生存性。在建立模型之后，結(jié)合傳統(tǒng)的網(wǎng)格化調(diào)度算法，運(yùn)用基于靜態(tài)貝葉斯博弈的多目標(biāo)進(jìn)化算法（SBG-MOEA）求解模型，得出Pareto最優(yōu)解集，并針對(duì)模型結(jié)果將SBG-MOEA算法和經(jīng)典的NSGA-∏算法進(jìn)行了比較測(cè)試，發(fā)現(xiàn)算法SBG-MOEA在收斂性Pareto非支配解的分布性上都表現(xiàn)優(yōu)異。決策者可以根據(jù)實(shí)際情況從最優(yōu)解中選取最符合條件的解。

關(guān)鍵詞：突發(fā)事件；網(wǎng)格化調(diào)度；多目標(biāo)優(yōu)化；SBG-MOEA

中圖分類號(hào)：F253 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： The essay establishes meshing model of emergency resource schedule on the basis of game strategies， and the three objective functions are respectively： （1）It takes minimum time to finish the task； （2）It takes the minimum cost for the whole task； （3）Survivability of the task. After establishing the model， combine with traditional meshing schedule algorithm to solve the model with multi-objective evolutionary algorithm（SBG-MOEA）which is based on static bayesian game， then the optimal solution set of Pareto has been concluded. Based on the model result， the comparison test is done between algorithm SBG-MOEA and classical algorithm NSGA-∏. Then it has been found that algorithm SBG-MOEA shows excellent distinction in distributivity of non-dominated solution for convergence Pareto. The decision maker can select the solution which most matches condition from the optimal solution set according to reality.

Key words： emergency； meshing schedule； multi-objective optimization； SBG-MOEA

0 引 言

作為網(wǎng)格計(jì)算中的一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題，網(wǎng)格任務(wù)調(diào)度受到了眾多研究學(xué)者的關(guān)注。網(wǎng)格利用互聯(lián)網(wǎng)或?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)邏輯上分離的各種資源（包括計(jì)算機(jī)資源、存儲(chǔ)資源等）連接起來(lái)，采用一定的網(wǎng)格調(diào)度算法，將這些任務(wù)合理分配到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行，達(dá)到充分利用資源的效用[1]。網(wǎng)格為用戶提供高性能的計(jì)算服務(wù)，然而對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，網(wǎng)格確實(shí)透明的。為了提高資源利用率和縮短完成任務(wù)的時(shí)間，就要優(yōu)化調(diào)度方法。因此，網(wǎng)格任務(wù)調(diào)度實(shí)質(zhì)上是一類優(yōu)化問(wèn)題。已經(jīng)被證實(shí)是一類NP完全問(wèn)題[2]。

當(dāng)前的網(wǎng)格任務(wù)調(diào)度算法并不能很好地解決其中存在的問(wèn)題。我們利用基于博弈策略的多目標(biāo)進(jìn)化算法對(duì)網(wǎng)格任務(wù)調(diào)度進(jìn)行求解，該方法主要考慮了任務(wù)完成時(shí)間、完成費(fèi)用和任務(wù)的生存性三個(gè)方面的指標(biāo)[3]。

1 網(wǎng)格任務(wù)調(diào)度概述

1.1 網(wǎng)格任務(wù)調(diào)度特點(diǎn)及目標(biāo)

1.1.1 網(wǎng)格任務(wù)調(diào)度的特點(diǎn)

網(wǎng)格環(huán)境下，資源數(shù)量多，任務(wù)數(shù)目大，而且兩者的匹配關(guān)系復(fù)雜。這些使得網(wǎng)格任務(wù)調(diào)度具有以下幾個(gè)特點(diǎn)[4]：

（1）任務(wù)調(diào)度面向異構(gòu)平臺(tái)；

（2）采用分布式并行的調(diào)度方法；

（3）調(diào)度與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部策略無(wú)關(guān)；

（4）必須滿足擴(kuò)展性要求。

1.1.2 網(wǎng)格任務(wù)調(diào)度的主要目標(biāo)

網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)分布性的異構(gòu)系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)程序可以看作一個(gè)任務(wù)集。調(diào)度問(wèn)題就是要滿足性能要求和約束關(guān)系的前提，將眾多任務(wù)按照一種分配和執(zhí)行順序?qū)⑵浞峙涞礁骶W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上。但網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是復(fù)雜、異構(gòu)和動(dòng)態(tài)的，而且應(yīng)用程序?qū)Ω骶W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的資源要求不同，另外對(duì)任務(wù)的調(diào)度順序也有要求等，這些問(wèn)題的存在導(dǎo)致網(wǎng)格任務(wù)調(diào)度變得非常復(fù)雜。不好的調(diào)度算法會(huì)造成資源調(diào)度不合理，任務(wù)執(zhí)行時(shí)間延長(zhǎng)等問(wèn)題。因此，網(wǎng)格任務(wù)調(diào)度算法的主要目的就是要優(yōu)化調(diào)度，提高網(wǎng)格系統(tǒng)的計(jì)算性能。主要的性能指標(biāo)如：負(fù)載均衡（Load Blancing）、最優(yōu)跨度（Optimal Makespan）、服務(wù)質(zhì)量QoS（Quality of Service）和經(jīng)濟(jì)原則（Economic Principles）等[5]。

負(fù)載均衡，主要保證各個(gè)資源節(jié)點(diǎn)的負(fù)載達(dá)到均衡，不會(huì)出現(xiàn)某些節(jié)點(diǎn)任務(wù)分配過(guò)多，而其它一些節(jié)點(diǎn)“空閑”的現(xiàn)象；最優(yōu)跨度是關(guān)于調(diào)度的長(zhǎng)度的一個(gè)指標(biāo)，長(zhǎng)度越短越好。調(diào)度的長(zhǎng)度是從第一個(gè)任務(wù)開(kāi)始運(yùn)行到最后一個(gè)任務(wù)運(yùn)行完畢經(jīng)歷的時(shí)間；服務(wù)質(zhì)量，主要保障用戶的任務(wù)計(jì)算和資源需求等內(nèi)容。它是對(duì)性能、可靠性和可用性等參數(shù)的一種表示、協(xié)商和管理機(jī)制；經(jīng)濟(jì)原則，網(wǎng)格環(huán)境中的各個(gè)資源由于地理位置、機(jī)制和政策等因素的不同，其使用費(fèi)用也不同，經(jīng)濟(jì)原則的目標(biāo)是盡量減少網(wǎng)格調(diào)度的費(fèi)用。endprint

1.2 網(wǎng)格調(diào)度算法現(xiàn)狀

在現(xiàn)有的研究中，網(wǎng)格調(diào)度算法已有大量成果，其中比較經(jīng)典的有[6-8]：UDA（User Direetly Assigning）算法即用戶直接指派。這類算法主要是用戶直接將自己的任務(wù)指派給某個(gè)網(wǎng)格資源去執(zhí)行。用戶往往不知道網(wǎng)格資源的狀態(tài)如何。而網(wǎng)格調(diào)度器僅僅按照用戶的指派，將相應(yīng)任務(wù)發(fā)送給某個(gè)網(wǎng)格資源處理，其他的不多過(guò)問(wèn)。OLB（Opportunistie Load Balaneing）即隨機(jī)負(fù)載均衡算法，其算法思想是：隨機(jī)的將某個(gè)任務(wù)分派給某個(gè)網(wǎng)格資源。這種方法通過(guò)隨機(jī)分配任務(wù)盡量使所有資源都處于工作狀態(tài)，對(duì)網(wǎng)格系統(tǒng)的負(fù)載均衡起到一定作用。MCT（Minimum Completion Time）即最小完成時(shí)間算法，其算法過(guò)程是：按照某一順序調(diào)度所有任務(wù)，對(duì)每個(gè)任務(wù)簡(jiǎn)單的將其分配到最短完成預(yù)期的機(jī)器上。對(duì)于單個(gè)任務(wù)，該算法可以保證最短時(shí)間完成。MIN-MIN算法，其過(guò)程是將所有的待調(diào)度任務(wù)組成一個(gè)集合，從集合中找出預(yù)期完成時(shí)間最短的任務(wù)分配給相應(yīng)的機(jī)器執(zhí)行，從集合中刪除任務(wù)，繼續(xù)迭代，直到集合為空停止。MAX-MIN算法是選取最長(zhǎng)執(zhí)行時(shí)間作業(yè)進(jìn)行執(zhí)行，作業(yè)執(zhí)行完畢后從集合中刪除，再執(zhí)行新的調(diào)度。

以上傳統(tǒng)的調(diào)度算法更多的考慮對(duì)任務(wù)完成時(shí)間的優(yōu)化。根據(jù)第一節(jié)網(wǎng)格調(diào)度問(wèn)題的特點(diǎn)，網(wǎng)格調(diào)度除了最小化任務(wù)完成時(shí)間以外，還要考慮最小化資金花費(fèi)、任務(wù)存在性等指標(biāo)。該問(wèn)題基于以下假設(shè)：每個(gè)網(wǎng)格資源單位占用時(shí)間花費(fèi)的資金是不同的，顯然，運(yùn)算速度快的機(jī)器其單位時(shí)間花費(fèi)要小。因此以此任務(wù)調(diào)度需要同時(shí)優(yōu)化三個(gè)目標(biāo)：時(shí)間最短、花費(fèi)最小、任務(wù)存在性，因此這是一個(gè)典型的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，兩個(gè)目標(biāo)是一對(duì)相互矛盾的優(yōu)化方向。顯然，通過(guò)傳統(tǒng)的網(wǎng)格調(diào)度算法很難解決該問(wèn)題。

基于此本章提出了基于SBG-MOEA的網(wǎng)格調(diào)度算法。該算法首先對(duì)網(wǎng)格調(diào)度解空間進(jìn)行遺傳編碼，通過(guò)基于靜態(tài)貝葉斯博弈模型的多目標(biāo)遺傳算法找出符合網(wǎng)格調(diào)度的Pareto[9]解。因?yàn)榛诓┺哪Ｐ偷亩嗄繕?biāo)遺傳算法存在非支配排序和博弈張力兩方面的力量共同推動(dòng)種群向Pareto前沿移動(dòng)，因此該算法具有很強(qiáng)的全局尋優(yōu)能力和快速收斂能力，適合于求解在線實(shí)時(shí)調(diào)度問(wèn)題。

2 算法設(shè)計(jì)

2.1 問(wèn)題描述及模型

設(shè)：有n個(gè)獨(dú)立任務(wù)T=T■，T■，…，T■，其中T■為第i個(gè)任務(wù)；m個(gè)計(jì)算機(jī)資源R=R■，R■，…，R■表示，其中R■為第j個(gè)計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)；X■=1表示把任務(wù)T■分配到計(jì)算資源R■上執(zhí)行，否則為0；ET是一個(gè)n*m矩陣，為任務(wù)T■在計(jì)算節(jié)點(diǎn)上R■的預(yù)期執(zhí)行時(shí)間，任務(wù)調(diào)度時(shí)b■表示資源R■的最早可用時(shí)間；CT■表示任務(wù)T■在計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)R■上的預(yù)期完成時(shí)間，CT■=b■+ET■；m個(gè)計(jì)算機(jī)單位時(shí)間價(jià)格為D=D■，D■，…，D■；m個(gè)計(jì)算機(jī)的單位時(shí)間執(zhí)行的任務(wù)數(shù)為S=S■，S■，…，S■。

根據(jù)以上定義，考慮到目前網(wǎng)格任務(wù)調(diào)度主要考慮的是：（1）完成任務(wù)t時(shí)間最小化。（2）完成整個(gè)任務(wù)的費(fèi)用最低。（3）現(xiàn)實(shí)計(jì)算節(jié)點(diǎn)可能會(huì)因?yàn)橛布e(cuò)誤或軟件錯(cuò)誤不能保證任務(wù)的正常完成，因此還需要考慮任務(wù)的存在性即網(wǎng)格計(jì)算環(huán)境中任務(wù)在計(jì)算節(jié)點(diǎn)上能夠正常執(zhí)行完成的概率[10]，因此待優(yōu)化目標(biāo)可以描述為：

f■T，R，X=maxX■×b■×ET■ （1）

CT，R，X=■■λ■×X■×ET■ （2）

DT，R，X=■■D■×X■×ET■ （3）

其中：λ表示計(jì)算節(jié)點(diǎn)的失效率，CT，R，X代表了網(wǎng)格任務(wù)調(diào)度所發(fā)生的無(wú)效情況的累積，它間接地反映了網(wǎng)格任務(wù)調(diào)度的存在性，其值越小，網(wǎng)格任務(wù)的存在性越大。

2.2 算法描述

2.2.1 編碼設(shè)計(jì)

多目標(biāo)網(wǎng)格調(diào)度任務(wù)的解是x=x■，x■，…，x■，…，x■形式，其中n為任務(wù)數(shù)，x■∈R，它表示將任務(wù)T■分配給第x■個(gè)計(jì)算資源，因此本算法采用如下改進(jìn)的比特編碼設(shè)計(jì)：

n

L L L

0010…101 0100…001 … 1010…011

如果計(jì)算資源總數(shù)為m個(gè)，那么每一個(gè)T■需要染色體的長(zhǎng)度L=「log■M？骎，編碼的長(zhǎng)度為n*「log■M？骎。

2.2.2 適應(yīng)度函數(shù)

本文采用任務(wù)與資源相配對(duì)的關(guān)系構(gòu)成了染色體基因，因?yàn)橛?jì)算資源都是整數(shù)。因此，本算法中的變量值即每一段染色體的值也為整數(shù)，多目標(biāo)網(wǎng)格調(diào)度優(yōu)化問(wèn)題可數(shù)學(xué)描述為如下的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題：

MinF=f■，f■，f■

其中■，即目標(biāo)函數(shù)f■T，R，X，CT，R，X和■■D■×X■×ET■的計(jì)算需要網(wǎng)格調(diào)度的參數(shù)信息，它由具體的問(wèn)題來(lái)決定。這三個(gè)目標(biāo)的求解都是最小化問(wèn)題。

2.2.3 進(jìn)化操作

針對(duì)具體的網(wǎng)格任務(wù)調(diào)度問(wèn)題，在根據(jù)問(wèn)題環(huán)境確定了染色體的編碼方式和適應(yīng)度函數(shù)計(jì)算方法之后，接下來(lái)就是要利用我們提出的算法進(jìn)行優(yōu)化。主要包括初始化種群、博弈過(guò)程和更新歸檔集等。其中博弈模型描述如下：

博弈參與者，本文設(shè)計(jì)的多目標(biāo)網(wǎng)格任務(wù)調(diào)度主要有完成時(shí)間和費(fèi)用以及生存性三個(gè)目標(biāo)，因?yàn)椴┺膮⑴c人有三個(gè)，表示為P=P■，P■，P■；他們會(huì)根據(jù)收益情況—一定概率選擇合作或者懲罰策略，來(lái)取得最大的效用值。

種群在進(jìn)化過(guò)程中對(duì)應(yīng)這一個(gè)適應(yīng)值矩陣，通過(guò)適應(yīng)值矩陣我們可以求出收益矩陣，它表示其中一個(gè)參與者做出行動(dòng)都會(huì)對(duì)另外一個(gè)參與者產(chǎn)生一定的收益，用U=■表示。那么他們的支付函數(shù)：每個(gè)博弈者的最終目標(biāo)是最大化■u■，即各個(gè)博弈者通過(guò)博弈追求各個(gè)目標(biāo)上的最優(yōu)值。

戰(zhàn)略空間定義為：S=s■，s■，這里s■代表合作戰(zhàn)略，s■代表懲罰策略。

戰(zhàn)略概率矩陣定義為：PS=■，它是指一個(gè)參與者對(duì)另一個(gè)參與者選擇某種戰(zhàn)略的概率。endprint

博弈的整個(gè)過(guò)程描述為：兩個(gè)目標(biāo)對(duì)應(yīng)的博弈參與者根據(jù)概率選取策略并采取行動(dòng)，為了追求自身利益的最大化它們?cè)诿看涡袆?dòng)后根據(jù)損益情況更新混合概率，以實(shí)現(xiàn)自己的目標(biāo)。策略的選擇主要依據(jù)概率矩陣PS，矩陣的更新根據(jù)收益矩陣U。參與者對(duì)各個(gè)目標(biāo)有個(gè)偏好程度，通過(guò)采取的策略來(lái)更新各個(gè)目標(biāo)偏好。參與者對(duì)各個(gè)目標(biāo)的偏好可以轉(zhuǎn)換為權(quán)值向量w

=w■，w■，…，w■，當(dāng)參與者i選定了一個(gè)戰(zhàn)略后，將得到一個(gè)權(quán)值向量，根據(jù)這個(gè)權(quán)值向量計(jì)算種群個(gè)體的映射適應(yīng)值，構(gòu)造子種群，完成一次博弈過(guò)程。

2.2.4 算法流程

根據(jù)前面定義，整體算法流程如下：

Step1：初始化種群P0、概率矩陣PS，并初始化一個(gè)外部歸檔集，令迭代次數(shù)t=0；

Step2：每個(gè)博弈參與者給出自己的戰(zhàn)略，并采取相應(yīng)行動(dòng)；

Step3：產(chǎn)生一個(gè)新的種群，令t=t+1；

Step4：計(jì)算種群的適應(yīng)值矩陣FIT，找出其中的非支配個(gè)體；

Step5：更新歸檔集，按照每個(gè)博弈參與者的收益情況更新概率矩陣等；

Step6：判斷是否滿足終止條件，如果滿足則輸出最終解，算法結(jié)束，否則轉(zhuǎn)到Step2。

3 實(shí)驗(yàn)仿真分析

3.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

模擬的網(wǎng)格任務(wù)調(diào)度情況如下：

網(wǎng)格擁有計(jì)算資源數(shù)m，任務(wù)數(shù)n，則有的網(wǎng)格調(diào)度方式為m■個(gè)，這是一個(gè)NP問(wèn)題：

（1）計(jì)算機(jī)上有被占用時(shí)間B=b■，b■，…，b■滿足5，15上隨機(jī)分布；

（2）任務(wù)的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上執(zhí)行時(shí)間滿足10，100上的隨機(jī)分布；

（3）每個(gè)節(jié)點(diǎn)的失效率λ■滿足10-4，10-3上均勻分布；

（4）單位時(shí)間執(zhí)行指令數(shù)S=S■，S■，…，S■在1，5上隨機(jī)分布；

（5）計(jì)算機(jī)單位時(shí)間價(jià)格D與S滿足函數(shù)關(guān)系D=gS=0.5*S■+1.5。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.2.1 仿真實(shí)驗(yàn)一

（1）測(cè)試問(wèn)題

本實(shí)驗(yàn)的主要目的是對(duì)比在不同數(shù)量的任務(wù)和資源情況下，多目標(biāo)網(wǎng)格任務(wù)調(diào)度的優(yōu)化效果，以及任務(wù)完成時(shí)間、完成費(fèi)用和生存性兩個(gè)指標(biāo)之間的關(guān)系。

（2）參數(shù)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)對(duì)比了在計(jì)算資源數(shù)為12 的情況下，任務(wù)數(shù)分別為300，400，600是求出的最優(yōu)解的情況；還對(duì)比了任務(wù)數(shù)為400的情況下，計(jì)算資源數(shù)目分別為9和15的最優(yōu)解情況。主要參數(shù)設(shè)置為：種群規(guī)模設(shè)為100，循環(huán)迭代為5 000，歸檔集大小100，交叉概率為0.6，變異概率為1/N。

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如圖1～圖5所示：

圖1～圖3主要對(duì)比了不同任務(wù)數(shù)下網(wǎng)格化調(diào)度結(jié)果，圖4和圖5對(duì)比了不同資源數(shù)量下的網(wǎng)格化調(diào)度結(jié)果。通過(guò)對(duì)上圖結(jié)果進(jìn)行比較分析，可以得出如下結(jié)論：

（1）多目標(biāo)網(wǎng)格任務(wù)調(diào)度問(wèn)題屬于離散型的優(yōu)化問(wèn)題，其最優(yōu)解是不連續(xù)的，形狀是不規(guī)則的，當(dāng)資源數(shù)和任務(wù)數(shù)不斷增加時(shí)，圖5將分離的Pareto解連接起來(lái)更好地刻畫了網(wǎng)格調(diào)度問(wèn)題的Pareto解的形狀；

（2）網(wǎng)格化調(diào)度的完成時(shí)間和任務(wù)的生存性以及完成任務(wù)費(fèi)用三個(gè)指標(biāo)是相互沖突的，不可能同時(shí)獲得三者的最優(yōu)值，即不存在一種調(diào)度方式使三個(gè)目標(biāo)同時(shí)處于最優(yōu)的狀態(tài)；

（3）在計(jì)算資源一定的情況下，隨著調(diào)度任務(wù)數(shù)量的增加，網(wǎng)格化調(diào)度時(shí)間不斷增加，網(wǎng)格任務(wù)調(diào)度的失效性不斷增加，完成任務(wù)費(fèi)用不斷降低。

3.2.2 仿真實(shí)驗(yàn)二

（1）測(cè)試問(wèn)題

本實(shí)驗(yàn)的主要目的是對(duì)比本文算法和NSGA-∏算法在求解多目標(biāo)網(wǎng)格任務(wù)調(diào)度問(wèn)題上的效果。

（2）參數(shù)設(shè)定

網(wǎng)格調(diào)度的任務(wù)數(shù)為400，計(jì)算資源為12，其余參數(shù)如上節(jié)，主要參數(shù)兩種算法取相同的參數(shù)：種群規(guī)模設(shè)為100，循環(huán)迭代5 000次，歸檔集100，交叉概率0.6，變異概率0.002。

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行50組，表1為兩種算法的收斂性和分布性指標(biāo)在50組實(shí)驗(yàn)求解結(jié)果的平均值。

從表1中我們可以看到，在解得分布性方面SBG-MOEA算法比NSGA∏差，但在解的收斂性分布方面明顯優(yōu)于NSGA∏。網(wǎng)格化調(diào)度問(wèn)題是離散型多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，真正的Pareto前沿形狀也未必是均勻的，所以評(píng)價(jià)優(yōu)化算法好壞主要看覆蓋性指標(biāo)。從表1得出在求解網(wǎng)格化調(diào)度問(wèn)題上優(yōu)于NSGA∏算法。

4 小 結(jié)

本文首先介紹了網(wǎng)格任務(wù)調(diào)度的基本知識(shí)，包括網(wǎng)格任務(wù)調(diào)度的主要特點(diǎn)，主要目標(biāo)以及網(wǎng)格任務(wù)調(diào)度的經(jīng)典算法。然后針對(duì)基于完成時(shí)間和完成價(jià)格以及生存性的多目標(biāo)網(wǎng)格化調(diào)度問(wèn)題，提出了基于博弈策略的SBG-MOEA的網(wǎng)格化調(diào)度算法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真和結(jié)果分析，表明該算法在解決多目標(biāo)網(wǎng)格任務(wù)調(diào)度問(wèn)題上具有較好的收斂性。

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