CC BY
12
Лупин С.А.,
Национальный исследовательский университет «МИЭТ», Москва
профессор, e-mail: lupin@miee.ru
Тан Шейн,
Национальный исследовательский университет «МИЭТ», Москва
аспирант, e-mail: mieegenius@gmail.com
Чжо Мью Хтун
Национальный исследовательский университет «МИЭТ», Москва аспирант, e-mail: kyawmyohtun.2013@gmail.com
Параллельная реализация алгоритмов дискретной
оптимизации
Введение
Алгоритмы дискретной оптимизации используются при решении различных прикладных задач. В общем случае они направлены на нахождение некоторых координат в N-мерном пространстве, при которых значение функционала, характеризующего состояние системы, достигает оптимума. Практических задач, которые сводятся к дискретной оптимизации, как и методов их решения, существует довольно много, однако большинство из них позволяют получить не точное решение задачи, а лишь некоторое приближение к нему. Для каждого класса задач, точность такого приближения оценивается с помощью сравнения результатов работы алгоритмов с заранее найденным точным или известным нам лучшим решением. Во многих приложениях для его нахождения используется ресурсоемкий метод полного или усеченного (ветвей и границ) перебора. Например, для задачи о ранце, которая относится к NP-сложным и используется в системах криптозащиты, опыт использования метода ветвей и границ описан в [1]. Для NP-полных задач уже при размерности порядка N = 20 такой подход не может быть реализован даже на современных вычислительных системах, поскольку число вариантов решения при этом будет составлять 20!«2.4*1018. С учетом числа операций, необходимых для вычисления оценки каждого варианта, число машинных команд составит 1020 -1021. Это значит, что время выполнения программы даже на суперкомпьютерах с петафлопной производительностью, займет более 1 года.
В качестве алгоритма, который позволяет найти координаты оптимального решения в N-мерном пространстве, авторами настоящей статьи предлагается использовать параллельные реализации алгоритмов случайного поиска. В качестве задач дискретной оптимизации рассматриваются задачи назначения на узкие места и квадратичного
назначения.
Задачи дискретной оптимизации
Задача квадратичного назначения
К задаче квадратичного назначения сводится, в частности, задача размещения элементов на коммутационной плате, которая формулируется следующим образом [2]. Пусть задано множество элементов eN .
Вся схема соединений задается квадратной матрицей соединений R с числом элементов N х N, номера строк и столбцов которой соответствуют элементам схемы, а элементы матрицы r определяют связи элементов друг с другом. Матрица D определяет расстояния dv между посадочными местами элементов на коммутационной плате. Алгоритмы размещения минимизируют квадратичный функционал, косвенно оценивающий суммарную длину печатных соединений:
N N
F = ZZ rdP о) Р (j), (i)
¿=1 j=1
где p(i) задает номер позиции, присвоенной i -му элементу.
Для нахождения точного решения необходимо произвести перебор N! различных вариантов размещения элементов. В алгоритмах случайного поиска решение получается путем выбора лучшего варианта из некоторого множества случайно сгенерированных размещений.
Задача назначения на узкие места
К задаче назначения на узкие места сводится задача диспетчеризации в распределенных системах обслуживания, которую можно представить в следующем виде [3]: пусть N - число заявок, поступивших от обслуживаемых объектов; M - число обслуживающих объектов; yv -целевая переменная, равная 1, если j -ый объект используется для обслуживания i -ого вызова и равная 0 в противном случае; rj - время следования j -ого объекта к источнику i -ой заявки.
Тогда целевая функция системы (2), минимизирующая время реакции, имеет вид:
Tr^t = maxj., "i = IN"j = 1M) ^ min . (2)
При этом:
N _
Z yj * 1 j=1M. (3)
i=1
В такой постановке, число обработчиков заявок должно быть больше или равно числу самих заявок M > N. Исходной информацией для алгоритмов распределения заявок служит матрица R , элементы которой rij, кроме времени движения обработчика к объекту, могут характеризовать и возможность выполнения объектом своей функции по отношению к источнику заявки. В этом случае минимизируя Treact, мы оптимизируем не только время движения, но и комплексный показатель эффективности системы обслуживания.
Программная реализация алгоритмов
На каждой итерации алгоритма случайного поиска осуществляется генерация случайного решения и находится значение целевой функции для него. Если это решение лучше известного нам, то оно запоминается и процесс продолжается заданное число итераций. Сложность алгоритма определяется числом итераций. Точность решения, получаемого случайными алгоритмами, в общем случае зависит от количества итераций.
При параллельной реализации алгоритма исходят из того, что его итерации независимы по данным [4]. Это позволяет распределить число итераций между отдельными процессами или потоками, реализующими алгоритм, которые не будут взаимодействовать между собой в процессе вычислений. Синхронизация необходима только после завершения каждым из них расчетов. В качестве общего решения берется лучший вариант, найденный всеми параллельными ветвями программы.
Использование библиотеки MPI
Параллельная программа решения задачи квадратичного назначения реализуется для кластерной многопроцессорной вычислительной системы и использует библиотеку MPI [4]. Общее число итераций в алгоритме равномерно распределяется между процессорами кластера, пересылка промежуточных результатов вычислений в процессе работы алгоритма не производится.
Использование библиотеки OpenMP
Параллельная программа решения задачи назначения на узкие места реализована для многоядерной вычислительной системы и использует библиотеку OpenMP [4]. Общее число итераций в алгоритме равно произведению количества ядер в системе на количество итераций, выполняемое каждым из них.
Одной из основных проблем при реализации алгоритмов случайного поиска является быстрое получение случайного вектора с неповторяющимися элементами, описывающего решение.
В реализованных авторами алгоритмах используется метод ускорения генерации случайного вектора [5]. Это достигается за счет того, что случайное число получается как комбинация двух случайных чисел меньшей размерности, что снижает вероятность повторов.
Результаты работы алгоритмов
Поскольку случайные алгоритмы ведут неупорядоченный поиск, то вероятность нахождения точного решения будет зависеть от соотношения числа рассмотренных вариантов к общему числу возможных вариантов решений. При N = 18 число вариантов решений будет равно 18!«6.4*1015 и современные вычислительные системы еще позволяют провести полный перебор вариантов, однако даже при незначительном увеличении размерности это потребует больших затрат времени, уже при N = 24, число вариантов составит 24!«0.6*1024. С практической точки зрения представляют интерес решения, которые дают случайные алгоритмы за 106
- 1010 итераций. При соотношении числа итераций к числу вариантов меньшим 10-6, вероятность нахождения точного решения будет пренебрежимо мало отличаться от нуля. Задачей проводимых исследований является определение точности параллельных алгоритмов случайного поиска при решении МР-полных задач дискретной оптимизации.
Задача квадратичного назначения
В качестве тестовой для задачи квадратичного назначения используется тест-задача Штейнберга [1]. Размерность задачи составляет N = 36, точного решения для нее в литературе не приводится. Она используется в качестве оценочной для алгоритмов решения задачи размещения элементов. Особенностью задачи является разреженная матрица R и слабо выраженная кластеризация элементов.
Результаты работы параллельного алгоритма [6] на многопроцессорной кластерной вычислительной системе представлены в табл. 1. В каждом случае эксперимент повторялся 5 раз, а полученные данные усреднялись.
Таблица 1. Решение задачи квадратичного назначения (N = 36 )
Число итераций Число процессо ров
1 8 16 32
103 6820 6120 6156 5817
104 5901 5639 5780 5400
105 5566 5200 5532 5418
106 5150 4954 5084 4935
107 4751 4850 4830 4699
Задача назначения на узкие места
В идеальном случае, оценку точности решений алгоритмов, нужно давать, сравнивая их результаты с точным решением, но далеко не для всех задач такое решение может быть получено. Для задачи назначения на узкие места нижняя граница точного решения может быть получена с помощью последовательного решения задачи линейного назначения для преобразованной матрицы R . Этот фактор повлиял на выбор ее в качестве объекта исследований. Для рассмотренных в работе примеров такое решение составляет: Treact =141 (для N = 18 ) и Treact =151 (для N = 24).
Исследования проводились на рабочей станции, имеющей два четырехядерных процессора Intel. Число задействованных потоков совпадало с числом доступных приложению ядер. Результаты работы алгоритма представлены в табл. 2 и 3.
Таблица 2. Решение задачи назначения на узкие места
T react
Число итераций Эксперименты Среднее
1 2 3 4 5 значение
104 189 177 178 180 176 180
5*104 167 155 170 167 162 164
105 146 162 169 153 132 152
5*105 141 146 143 146 141 143
106 141 143 143 143 143 143
5*106 143 143 141 141 141 142
107 141 141 143 141 143 142
Таблица 3. Решение задачи назначения на узкие места (
Число итераций T react
Эксперименты Среднее значение
1 2 3 4 5
104 342 353 342 307 348 338
5*104 330 333 245 345 321 314
105 316 342 316 339 312 325
5*105 314 293 285 299 196 277
106 245 204 225 239 225 227
5*106 221 187 221 230 225 217
107 204 204 199 194 199 200
5*107 196 187 181 188 188 188
108 185 193 186 185 185 187
5*108 186 174 178 185 185 182
109 171 185 178 151 171 171
5*109 151 170 173 169 151 163
Как и в предыдущем случае, было проведено пять серий вычислительных экспериментов. Поскольку решение является целочисленным, полученные данные были усреднены с округлением. Ячейки, соответствующие точному решению задачи, выделены серым цветом. Результаты исследований быстродействия алгоритма для N = 24 отражены в табл. 4.
Таблица 4. Время решения задачи назначения на узкие места (N = 24 )
Число итераций Время решения (сек) Среднее значение
1 2 3 4 5
104 0.1 0.08 0.1 0.09 0.1 0.094
5*104 0.12 0.1 0.11 0.1 0.12 0.11
105 0.14 0.15 0.14 0.13 0.14 0.14
5*105 0.39 0.39 0.39 0.38 0.39 0.39
106 0.78 0.72 0.67 0.74 0.71 0.72
5*106 3.3 3.59 3.28 3.28 3.34 3.36
107 6.42 6.82 6.24 6.49 6.21 6.47
5*107 32.1 31.1 32.1 32.9 32.1 32.1
108 66.8 61.4 66.7 63 61.5 64
5*108 319 322 319 320 320 320
109 662 639 626 622 642 638
5*109 3264 3322 3292 3434 3431 3349
Обсуждение результатов
Проанализируем полученные данные с точки зрения точности
алгоритмов и эффективности их распараллеливания.
Задача квадратичного назначения
Результаты эксперимента (табл.1) подтверждают, что и при параллельной реализации алгоритмов с увеличением числа итераций точность решения повышается для любого количества процессоров, участвовавших в эксперименте. Итерации равномерно распределялись между узлами системы и зависимость точности решения от числа процессоров менее очевидна. Хотя лучшее решение и получается всегда при максимальном числе узлов системы, худшее не всегда соответствует системе с одним узлом. Наблюдаются и некоторые другие отклонения. Объяснить это можно тем, что инициализация генератора случайных чисел в программе происходит от системного таймера. Кластер собран на двухпроцессорных модулях, для которых характерно то, что оба процессора используют общий системный таймер. Это приводит к тому, что в процессах, работающих на таких узлах, генераторы случайных чисел достаточно сильно коррелированы. Этот факт и снижает эффективность вычислений. Для устранения этого явления следует использовать внешний генератор случайных последовательностей.
Задача назначения на узкие места
Во всех экспериментах был реализован алгоритм, использующий все доступные для вычислений ядра процессоров. В отличие от многопроцессорных систем, все потоки многоядерного процессора используют единственный таймер, поэтому инициализация генераторов случайных чисел проводилась с помощью случайного массива, полученного за пределами потока.
Результаты исследования точности решений параллельной реализации (табл. 2 и 3) не противоречат общепринятой теории -увеличение числа итераций повышает точность. Отметим, что точные решения задачи алгоритм стабильно находит даже при соотношении числа итераций к числу возможных вариантов решений 10-10 для размерности N = 18 и 10-15 для размерности N = 24. Казалось бы, при таком низком соотношении точные решения получить невозможно. Однако это справедливо лишь для тех задач, в которых точное решение является единственным. В работе не ставилась задача определить количество различных вариантов решений, обладающих минимальным значением Тгеаог, но полученные данные косвенно подтверждают, что существует некоторое множество таких решений. Это и определяет высокую точность алгоритмов.
Рассмотрим еще один аспект, отражающий временные характеристики работы случайных алгоритмов. В табл. 4 представлены результаты исследования быстродействия алгоритма случайного поиска при решении задачи с N = 24. Точное решение получается алгоритмом при числе итераций 109 и более. При этом многопоточное приложение затрачивает на расчеты около 1 часа при использовании рабочей станции,
имеющей два четырехядерных процессора Intel. Для алгоритмов, которые позволяют получить точное или близкое к нему решение, используемое для оценки точности других алгоритмов, это является приемлемым.
Но как определить необходимое число итераций, в том случае, если нам неизвестна нижняя граница оптимизируемого функционала? Одним из косвенных признаков получения алгоритмом локального оптимума, который может быть использован на практике, является тот факт, что в течение определенного числа итераций найденное решение не изменяется. В силу причин, отмеченных выше, необходимое число итераций будет зависеть не только от типа оптимизационной задачи, но также и от ее условий.
На наш взгляд, в качестве критерия окончания работы для алгоритмов случайного поиска целесообразно только временное ограничение. При необходимости реализации длительных вычислений, работу алгоритма можно разделить на несколько этапов. Например, 1010 итераций можно получить путем 10 запусков алгоритма с числом итераций 109. Кроме того, можно использовать вычислительные системы с большим числом ядер.
Заключение
Таким образом, проведенные исследования подтвердили высказанное предположение о высокой эффективности параллельных реализаций алгоритмов случайного поиска при решении NP-полных задач дискретной оптимизации, встречающихся при цифровой обработке информации. Получаемые с их помощью решения могут быть использованы как в качестве эталонных для оценки работы быстрых алгоритмов, так и в самостоятельном виде в информационных системах, не критичных ко времени обработки.
Литература
1. Колпаков Р. М., Посыпкин М. А. Об оценках вычислительной сложности варианта параллельной реализации метода ветвей и границ для задачи о ранце // Известия РАН: Теория и системы управления. № 5, 2011, C. 74-83.
2. Селютин В.А. Машинное конструирование электронных устройств. М.: Сов. радио, 1977.
3. Лупин С.А., Мью Мьинт Ту. Оценка вычислительной сложности основных этапов моделирования распределенных систем // Естественные и технические науки. 2004. №4.
4. Лупин С.А., Посыпкин М.А. Технологии параллельного программирования. Учебное пособие // М.: ИД «ФОРУМ»: ИНФРА-М, 2007.
5. Лупин С.А., Бажанов Е.И., Дорошенко Е.С., Подкопаев И.В. Практическая работа на кластере под управлением Microsoft HPC Server 2008: учебное пособие. М.: Москва, МИЭТ, 2011. 60 с.
6. Зей Яр Вин. Распараллеливание итерационных алгоритмов для многопроцессорных систем // Системный анализ и информационно-управляющие системы: Сборник научных тр. под ред. д.т.н., проф. В.А. Бархоткина. М.: МИЭТ, 2008. С. 164-168.
