基于簡化粒子群和蟻群優(yōu)化的云計(jì)算資源調(diào)度算法

王 猛，譚躍生（內(nèi)蒙古科技大學(xué)工程訓(xùn)練中心，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

基于簡化粒子群和蟻群優(yōu)化的云計(jì)算資源調(diào)度算法

王 猛，譚躍生
（內(nèi)蒙古科技大學(xué)工程訓(xùn)練中心，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

為了提高云計(jì)算環(huán)境下資源調(diào)度的效率，將BPSO-ACO算法應(yīng)用到云計(jì)算的資源調(diào)度過程中，通過CloudSim平臺(tái)的仿真實(shí)驗(yàn)，與粒子群算法和蟻群算法做比較，得到在同等條件下，簡化粒子群優(yōu)化和蟻群優(yōu)化算法（BPSO-ACO）比單獨(dú)的粒子群算法或蟻群算法在進(jìn)行資源調(diào)度時(shí)，總?cè)蝿?wù)的完成時(shí)間更短、收斂性更好。

云計(jì)算；資源調(diào)度；粒子群算法；蟻群算法

0　引言

1　云計(jì)算資源調(diào)度模型

云計(jì)算環(huán)境中有n個(gè)任務(wù)的集合T=（T1，T2， …，Tn） 分配到m個(gè)虛擬資源集合VM=（VM1，VM2， …，VMm） 上完成，其中Ti（i=1，2，3…n）表示第i個(gè)子任務(wù)，VMj（j=1，2，3…m）表示第j個(gè)虛擬資源，粒子群中一個(gè)粒子位置就是一個(gè)可行解，即一個(gè)資源分配序列，任務(wù)集合T在虛擬資源VM上的分配關(guān)系可表示為：

這是一個(gè)N維向量，其中xij表示任務(wù)i被分配到虛擬資源VMj上，xij是一個(gè)可行的資源分配方案。

定義CTij（i∈｛1，2，…，m｝，j∈｛1，2，…，n｝）表示任務(wù)Ti在虛擬資源VMj的完成時(shí)間:

目標(biāo)是使得CTmax的值最小。

2　粒子群算法的優(yōu)化及編碼

對(duì)于粒子群算法的優(yōu)化，大多數(shù)的改進(jìn)是通過對(duì)參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整或雜交、變異參數(shù)或增加操作算子獲得的。上述調(diào)整使得PSO算法越來越復(fù)雜，使得對(duì)于PSO收斂性的定量分析非常麻煩［2-3］。

通過分析粒子群算法可以發(fā)現(xiàn)：在粒子群中 ， 粒子速度概念不是必需的，因此 ，只需要考慮粒子位置的直接變化。參數(shù)vi代表粒子的速度，粒子速度的不能表示粒子趨近最優(yōu)解位置的趨勢。通過上述分析，粒子群算法可以優(yōu)化為公式2.1：

在粒子群中，每一個(gè)粒子就代表一個(gè)可行的調(diào)度方案，各虛擬資源節(jié)點(diǎn)VMj處理所有分配到該資源節(jié)點(diǎn)上的任務(wù)的總完成時(shí)間CTj，選取CTj｛j=1，2，3，4，5｝中完成時(shí)間最長的。

1.1 材料 試驗(yàn)于2017年7月進(jìn)行，材料選擇廣西南亞熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所名優(yōu)茶種植基地1芽1葉黃觀音秋季鮮葉。基地位置屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，海拔>100 m，全年平均氣溫21～22 ℃，地勢平坦，土壤pH 5.5～6.5。制茶主要設(shè)備：搖青機(jī)、6CR-35型揉捻機(jī)、YX-6CFJ-10B型全自動(dòng)紅茶發(fā)酵機(jī)、理?xiàng)l機(jī)、6CTH型烘干機(jī)。檢測主要設(shè)備：氣相-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC- MS)、紫外分光光度儀、全自動(dòng)化學(xué)分析儀、電子天平、茶葉審評(píng)用具。

3　蟻群算法

3.1信息素初始化

初始階段，蟻群算法用粒子群算法的調(diào)度結(jié)果作為其初始節(jié)點(diǎn)，并對(duì)節(jié)點(diǎn)上的信息素加強(qiáng)若干倍數(shù)，使得蟻群算法在初期的收斂速度變快，讓其盡快搜索到最優(yōu)解。

3.2路徑的選擇

現(xiàn)在假設(shè)，在t時(shí)刻，螞蟻k選擇xij節(jié)點(diǎn)的概率如公式3.1所示。

3.3信息素更新規(guī)則

當(dāng)每只螞蟻經(jīng)過一個(gè)虛擬資源節(jié)點(diǎn)或遍歷過所有虛擬資源節(jié)點(diǎn)的時(shí)候，要對(duì)虛擬資源節(jié)點(diǎn)上的信息素更新。在t+1時(shí)刻信息素更新規(guī)則如公式3.3和公式3.4所示。

表示信息素的揮發(fā)系數(shù)，1-ρ表示信息素的殘留系數(shù)，通常ρ的取值范圍是0到1之間。

Δτj（t）表示t時(shí)刻，虛擬資源節(jié)點(diǎn)VMj上的信息素增量。

其中Q為常數(shù)，表示所有任務(wù)執(zhí)行完的總時(shí)間，CTi表示任務(wù)Ti的執(zhí)行花費(fèi)即時(shí)間。

4　仿真實(shí)驗(yàn)

本文選擇CloudSim仿真平臺(tái)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，將簡化粒子群結(jié)合蟻群的算法（BPSO-ACO）云計(jì)算資源調(diào)度模型引入到CloudSim的資源調(diào)度系統(tǒng)中，通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證簡化粒子群結(jié)合蟻群的算法（BPSOACO）的云計(jì)算資源調(diào)度性能。

本實(shí)驗(yàn)中，為了檢驗(yàn)粒子群算法（PSO）、蟻群算法（ACO）與簡化粒子群結(jié)合蟻群算法（BPSO-ACO）的性能，在CloudSim平臺(tái)下設(shè)置3個(gè)虛擬資源節(jié)點(diǎn)和20到100個(gè)子任務(wù)，對(duì)比分析。

各類算法的參數(shù)設(shè)置如下描述：

（1）對(duì)于簡化粒子群算法的參數(shù)設(shè)置如下：粒子的規(guī)模設(shè)置為100，c1=c2=2，迭代次數(shù)設(shè)置為30次。

（2）對(duì)于蟻群算法的參數(shù)設(shè)置如下：蟻群的規(guī)模設(shè)置為100，α=β=1，ρ=0.7，迭代次數(shù)設(shè)置為70次。

圖1　PSO與BPSO-ACO的對(duì)比

（3）對(duì)于簡化粒子群結(jié)合蟻群算法的參數(shù)設(shè)置如下：與粒子群算法和蟻群算法相同的參數(shù)，設(shè)置為相同的值，迭代次數(shù)設(shè)置為100次。通過CloudSim進(jìn)行20次仿真實(shí)驗(yàn)，取平均值，進(jìn)行測試，結(jié)果如圖1，圖2所示。

圖1與圖2可以看出，在初始狀態(tài)，當(dāng)任務(wù)量較少的情況下，BPSO-ACO算法的完成時(shí)間與PSO算法、ACO算法的總完成時(shí)間相差不多，但是隨著任務(wù)量的增加，完成時(shí)間的差距越來越明顯，說明BPSO-ACO算法在任務(wù)量大的情況下的收斂性明顯好于PSO算法和ACO算法。

通過仿真實(shí)驗(yàn)證明：BPSO-ACO算法能夠?qū)Y源進(jìn)行合理的調(diào)度，總得完成時(shí)間要優(yōu)于PSO算法和ACO算法。

圖2　ACO與BPSO-ACO的對(duì)比

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