Diz 80 cz
Energeticky efektivní rozvrhování zohledňující stav zdroje: Modelování a optimalizace
Autor: Ondřej Benedikt
Energeticky efektivní rozvrhování si v posledních letech zísaklo značnou pozornost vědecké komunity. Tento trend bude s největší pravděpodobností pokračovat i v budoucnu, protože energeticky efektivní rozvrhování pomáhá dosáhnout udržitelnosti výroby, zlepšit energetickou účinnost a snížit tak náklady na spotřebu energie. Tato práce se zaměřuje na offline rozvrhování s důrazem na energetickou efektivitu v prostředích, kde se stav zdroje mění v čase a ovlivňuje spotřebu energie. Příklady takových zdrojů zahrnují například průmyslové pece používané pro kalení oceli, výrobní zařízení (CNC) nebo dokonce vestavěné systémy na čipu.Velký důraz je v této práci kladen zejména na modelování stavu zdroje a návrh energeticky efektivních optimalizačních metod, které tento model zdroje integrují.Cílem je ukázat, jak může vhodné modelování zdrojů v kombinaci s vhodnou optimalizační metodou překonat doposud používané metody a postupy.Abychom tohoto cíle dosáhli, studujeme tři nezávislé problémy představující průřez teoretických i praktických výzkumných problémů zahrnujících energeticky efektivní offline rozvrhování s netriviálním zdrojem.
Motivace pro první problém vznikla během spolupráce s firmou Škoda Auto. Cílem je analyzovat a modelovat kalící pec, které je součástí linky na kalení oceli, a navrhnout optimalizační metodu pro minimalizaci spotřeby energie v časových intervalech, kdy je pec nečinná. Druhý problém se zaměřuje na obecný zdroj, který lze charakterizovat konečným automatem v prostředí, kde se ceny energie mění v čase. Opět je cílem navrhnout optimalizační metodu zahrnující model zdroje, která by optimalizovala celkové náklady na spotřebu energie.. Třetí problém, definovaný ve spolupráci se společností Honeywell, zahrnuje energeticky efektivní rozvrhování bezpečnostně kritických úkolů na víceprocesorovém systému na čipu, kde rozvrhování jednotlivých úloh podléhá omezením časové izolace.
Pro řešení prvního problému analyzujeme chování pece na kalení oceli a identifikujeme bilineární model, který jej dokáže věrně simulovat. Na základě tohoto modelu jsme schopni poté odvodit optimální řízení pece pro jakoukoli délku intervalu její nečinnosti. Optimální spotřeba energie pro libovolně dlouhý interval je pak abstrahována a zachycena tzv. energetickou funkcí. Pomocí této abstrakce jsme schopni navrhnout rozvrhovací algoritmus řešící studovaný problém (rozvrhování na jednom zdroji s fixním pořadím úloh) v polynomiální časové složitosti. Abychom vyřešili druhý problém, rozšíříme definici energetické funkce tak, aby zahrnovala nejen délku intervalu nečinnosti, ale také náklady na energii. Poté můžeme vyvinout matematický model integrující tuto rozšířenou energetickou funkci. Abychom vyřešili třetí problém, analyzujeme chování několika reálných fyzických platforem reprezentující moderní multiprocesorové systémy. Poté navrhneme několik modelů příkonu, které integrujeme do několika optimalizačních metod. Výsledkem je srovnávací studie hodnotící věrnost modelů příkonu, výkon metod a jejich škálovatelnost.Výsledky napříč všemi studovanými problémy ukazují, že pečlivým návrhem modelu a optimalizační metody lze dosáhnout výsledků podstatně překonávající nejmodernější metody a postupy používané v příslušných oblastech.