Cтруктурно-ориентированные версии алгоритмы Dissemination, Recursive Doubling и Combining Tree

procedure CombiningTree(comm)

stage = 0

nstage = ceil((log p) / (log groupsize))

while stage < nstage do

powgroup = pow(groupsize, stage)

relnodeid = rank / powgroup

grprank = relnodeid mod groupsize

if relnodeid - (int)relnodeid == 0 do

if grprank == 0 do

remote = rank - grprank * powgroup

Isend(NULL, 0, remote)

else

i = 1

while i < groupsize do

remote = rank + i * powgroup

Irecv(NULL, 0, remote)

end while

end else

end if

stage = stage + 1

end while

stage = nstage - 1

while stage >= 0 do

powgroup = pow(groupsize, stage)

relnodeid = rank / powgroup

grprank = relnodeid mod groupsize

if relnodeid - (int)relnodeid == 0 do

if grprank == 0 do

remote = rank - grprank * powgroup

Irecv(NULL, 0, remote)

else

i = 1

while i < groupsize do

remote = rank + i * powgroup

Isend(NULL, 0, remote)

end while

end else

end if

stage = stage - 1

end while

end procedure

Структурно-ориентированные версии алгоритмов барьерной синхронизации

На большинстве ВС операция барьерной синхронизации реализуется на основе дифференцированных обменов сообщениями нулевой длины (на базе операций Send/Recv).

Известные алгоритмы (в библиотеках MPICH2, OpenMPI) не учитывают иерархическую организацию современных распределенных ВС:

Dissemination;

Recursive Doubling;

Combining Tree.

Учет структуры распределенной ВС при реализации дифференцированного обмена позволяет сократить время его выполнения.

Параллельная программа, реализующая барьерную синхронизацию, может быть представлена информационным графом , вершинам которого соответствуют ветви программы, а ребрам - информационные обмены между ними. На рисунке 2.4 для 8 ветвей отображены информационные графы алгоритмов барьерной синхронизации Dissemination, Recursive Doubling. Вес ребра отображает количество служебной информации, передаваемой по нему при реализации алгоритма.

Объем данных, передаваемых между ветвями параллельной программы при реализации барьерной синхронизации алгоритмами Dissemination, Recursive Doubling, Combining Tree, различны. Поэтому время работы барьерной синхронизации рассматриваемыми алгоритмами в иерархических распределенных ВС зависит от того, как ветви параллельной программы распределены по элементарным машинам системы.

Подход к созданию структурно-ориентированных версий алгоритмов барьерной синхронизации

Воспользуемся методом оптимального распределения ветвей по ЭМ [22]. Барьерной синхронизации будет реализована в соответствии с ним. Рассмотрим основные этапы метода, производимые до реализации барьерной синхронизации.

Формирование взвешенного информационного графа алгоритма реализации барьерной синхронизации с количеством вершин p.

Строится разбиение информационного графа на непересекающихся подмножеств с целью минимизации суммарного веса ребер, инцидентных различным подмножествам разбиения. Через обозначен номер подмножества разбиения, к которому отнесена вершина . Количество элементов в подмножестве должно быть равно заданному числу . Параметры и определены ранее.

Ветвям с номерами из подмножества назначаются номера ветвей, распределенных на элементарные машины функционального модуля . Таким образом, строится взаимно однозначное отображение , которое сопоставляет исходным номерам ветвей новые номера . Через обозначим отображение, обратное .

На рисунке 2.5 показано применение описанного метода для алгоритма Dissemination на кластерной ВС с иерархической структурой.

Для создания структурно-ориентированных алгоритмов данный метод применяется для алгоритмов барьерной синхронизации Dissemination, Recursive Doubling, Combining Tree.

Предложим структурно-ориентированные версии алгоритмов барьерной синхронизации Dissemination, Recursive Doubling, Combining Tree.

Алгоритм Dissemination exch. На этапе ветвь i передает сообщение нулевой длины ветви с номером и принимает сообщение нулевой длины от ветви с номером , .

Алгоритм Recursive Doubling exch. На этапе ветви i и обмениваются сообщениями нулевой длины.

Алгоритм Combining Tree exch. Обмен информацией ветвью с остальными ветвями осуществляется только тогда, когда выполняется равенство: .

На этапе , если выполняется неравенство , ветвь i отправляет сообщение нулевой длины ветви с номером , иначе, если выполняется условие р(i)<p, принимает сообщения нулевой длины от ветвей с номерами , , , , , .

На этапе , если выпоняется неравенство , ветвь i принимает сообщение нулевой длины от ветви с номером , иначе отправляет сообщения нулевой длины ветвям с номерами , , .

Инициализация структурно-ориентированных версий алгоритмов барьерной синхронизации

Формирование информационных графов алгоритмов барьерной синхронизации Dissemination, Recursive Doubling и Combining Tree, их разбиение и построение их отображений осуществляется только один раз создании подсистемы ЭМ (при создании или изменении коммуникаторов в библиотеках стандарта MPI). После чего отображение многократно используется для реализации операции барьерной синхронизации.

Конфигурация библиотеки TopoMPI

В библиотеке TopoMPI были реализованы структурно-ориентированные версии алгоритмов барьерной синхронизации Dissemination, Recursive Doubling и Combining Tree.

Для разбиения информационного графа алгоритма барьерной синхронизации, библиотека TopoMPI компилировалась (собиралась) с пакетом SCOTCH.

Построена карта принятия решений для выбора оптимального алгоритма барьерной синхронизации на вычислительном кластере Центра параллельных вычислительных технологий ФГОБУ ВПО “СибГУТИ”.

Конфигурация пакета MPIPerf

Для оценки времени выполнения алгоритмов барьерной синхронизации Dissemination, Recursive Doubling, Combining Tree и их структурно-ориентированных версий был использован пакет MPIPerf 0.0.2.

Настройка пакета MPIPerf

Перед сборкой пакета MPIPerf нужно отредактировать файл Makefile.inc и указать корректные пути к компилятору языка С и библиотеки TopoMPI. После сборки, исполняемых файл будет находиться в каталоге src.

Перед проведением тестов нужно запустить MPIPerf в режиме проверки корректности работы таймеров на вычислительных ядрах ВС:

Запрашиваем список поддерживаемых таймеров командой:

mpiexec -n 1 ./mpiperf -T

Из полученного списка таймеров, выбираем тот, который планируем использовать (например, таймер tsc) командой:

mpiexec -n 1./mpiperf -g -t tsc

В случае корректной работы таймера получаем сообщение PASSED.

Далее следует проверить модуль, обеспечивающий синхронизацию показаний локальных часов процессов. Тесты следует проводить на нескольких узлах системы:

mpiexec -n 64 ./mpiperf WaitPatternNull

Время выполнения теста (столбец [Mean]) должно быть 0.ХХ микросекунд. Если значения больше 1 микросекунды (1.ХХ), то это свидетельствует о некорректной синхронизации процессов. Нужно проверить другие таймеры MPIPerf.

Запуск тестов

На вычислительном кластере Центра параллельных вычислительных технологий ФГОБУ ВПО “СибГУТИ” MPIPerf следует запускать штатными средствами: через систему пакетной обработки заданий (TORQUE).

Тест барьерной синхронизации имеет варьируемые параметры:

количество процессов;

общее количество запусков операции;

минимальное количество запусков операции;

максимальное количество запусков операции;

относительная стандартная ошибка;

и другие.

Ниже приведен пример выполнения теста для функции MPI_Barrier (количество процессов изменяется по арифметической прогрессии с шагом 2):

mpiexec -n 64 ./mpiperf -t tsc -s2 Barrier

Организация экспериментов

Экспериментальные исследования проводились на вычислительном кластере (Jet) Центра параллельных вычислительных технологий ФГОБУ ВПО “СибГУТИ”.

Кластер Jet укомплектован 18 вычислительными узлами, управляющим узлом, вычислительной и сервисной сетями связи, а также системой бесперебойного электропитания.

Узлы построены на базе серверной платформы Intel SR2520SAF. На каждом узле размещено два процессора Intel Quad Xeon E5420 с тактовой частотой 2.5 GHz. Пиковая производительность кластера - 1,44 TFLOP.

Таблица 2.1 - Конфигурация вычислительного узла

Системная плата	Intel S5000VSA (Серверная платформа Intel SR2520SAF)
Процессор	2 x Intel Xeon E5420 (2,5 GHz; Intel-64)
Оперативная память	8 GB (4 x 2GB PC-5300)
Жесткий диск	SATAII 500GB (Seagate 500Gb Barracuda)
Сетевая карта	2 x Intel Gigabit Ethernet (Integrated Intel PRO/1000 EB, 80003ES2LAN Gigabit Ethernet Controller) 1 x Intel PRO/1000 MT Server Adapter (PWLA8490MT, 82572EI Gigabit Ethernet Controller)
Корпус	Rack mount 2U

Таблица 2.2 - Конфигурация управляющего узла

Системная плата	Intel S5000VSA (Серверная платформа Intel SR2520SAFR)
Процессор	2 x Intel Xeon E5420 (2,5 GHz; Intel-64)
Оперативная память	16 GB (8 x 2GB PC-5300)
Жесткий диск	3 x SATAII 500 GB (Seagate 500Gb Barracuda)
Сетевая карта	1 x Intel PRO/1000 MT Server Adapter (82572EI Gigabit Ethernet Controller) 1 x Intel PRO/1000 Server Adapter (82545GM Gigabit Ethernet Controller) 1 x Dual Port Gigabit Ethernet Adapter (2 x Intel 80003ES2LAN Gigabit Ethernet Controller)
Корпус	Rack mount 2U
Привод DVD	DVD+/-RW

Таблица 2.3 - Конфигурация коммуникационной среды

Сервисная сеть	Коммутатор Gigabit Ethernet (D-Link DGS-1224T)
Коммутатор	Fast Ethernet (3Com OfficeConnect, 8 ports)
Вычислительная сеть	Коммутатор Gigabit Ethernet (D-Link DGS-1224T)

Кластер размещен в 19'' телекоммуникационном шкафу AESP Black Premium 48U. Система бесперебойного электропитания имеет мощность 12kVA и построена на базе источников бесперебойного питания APC Smart-UPS XL Modular 3000VA (SUM3000RMXLI2U).

Результаты экспериментов

В результате проведенных экспериментов, были получены таблицы со временем выполнения алгоритмов. На основании этих таблиц были построены графики времени работы алгоритмов барьерной синхронизации Dissemination, Recursive Doubling, Combining Tree и их структурно-ориентированных версий. Так же, по результатам этих таблиц была построена карта принятия решений для операции барьерной синхронизации.

Был проведен эксперимент на подсистеме из 144 ядер (был задействован весь кластер). Разбиение производилось пакетом SCOTCH. На рисунке 2.6 можно увидеть графики времени работы алгоритмов Dissemination, Recursive Doubling и их структурно-ориентированных версий, а на рисунке 2.7 - графики времени работы алгоритма Combining Tree с различным размером подгрупп и его структурно-ориентированные версии.

Еще, был проведен эксперимент на подсистеме из 128 ядер (было полностью задействовано 16 узлов). Разбиение производилось пакетом Gpart. На рисунке 2.8 можно увидеть графики времени работы алгоритмов Dissemination, Recursive Doubling и их структурно-ориентированных версий, а на рисунке 2.9 - графики времени работы алгоритма Combining Tree с различным размером подгрупп и его структурно-ориентированные версии.

Так же был проведен эксперимент на произвольной подсистеме размером в 64 ядра. Для этого была выделена подсистема , где 14 - количество задействованных узлов, а 3,6,5,…,3,3,8 - количество выделенных ядер на соответствующем узле. Разбиение производилось пакетом SCOTCH. На рисунке 2.10 можно увидеть графики времени работы алгоритмов Dissemination, Recursive Doubling и их структурно-ориентированных версий, а на рисунке 2.11 - графики времени работы алгоритма Combining Tree с различным размером подгрупп и его структурно-ориентированные версии.



В результате проведенных экспериментов было установлено следующее:

С увеличением количества процессов для структурно-ориентированных версий алгоритмов Dissemination и Recursive Doubling наблюдается увеличение времени их выполнения по сравнению с их обычными версиями. Это можно объяснить изменением последовательности этапов синхронизации ветвей внутри алгоритма.

Время выполнения структурно-ориентированной версии алгоритма Combining Tree существенно меньше времени выполнения стандартной версии алгоритма Combining Tree. Выигрыш по времени работы для подсистемы из 144 ядер составляет 41%.

С увеличением размера группы алгоритма Combining Tree уменьшается время его выполнения. Это связано с уменьшением количества этапов синхронизации ветвей внутри алгоритма. Для подсистемы из 144 ядер выигрыш по времени группы размера 8 над группой размером 4 составляет 19%, а над группой размером 2 - 31%.

Если же сравнивать время выполнения алгоритма Dissemination, используемого в библиотеке MPICH2, со временем выполнения структурно-ориентированной версии (разбиение производилось пакетом SCOTCH) алгоритма Combining Tree, с группой размера 8, то можно увидеть следующее: начиная с подсистемы из 9 ядер, наблюдается выигрыш по времени алгоритма Combining Tree над алгоритмом Dissemination. Для этого приведен рисунок 2.12, на котором это отчетливо видно. Например, для размера подсистемы в 144 ядра, выигрыш по времени алгоритма Combining Tree над Dissemination составит 64%.

Можно сделать вывод, что информационный граф алгоритма Combining Tree, эффективно вкладывается в структуру ВС.



3. РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРОГРАММНОГО ПРОДУКТА

3.1 Расчет себестоимости программного продукта

Под себестоимостью программного продукта понимаются затраты, необходимые для его производства.

Для определения затрат времени на разработку программного продукта был использован метод экспертных оценок. Данный метод заключается в том, что оценка затрат производится несколькими экспертами на основании собственного опыта и знаний. В данном случае в качестве экспертов выступают разработчик данного программного продукта и руководитель проекта. Вся разработка программного продукта разбивается на n этапов.

В данном случае период разработки программного продукта можно разделить на следующие основные этапы:

проектирование (определение и анализ требований к программному продукту, поиск необходимой информации по теме, составление алгоритма);

написание программы;

отладка и тестирование.

Для каждого этапа на основании экспертных оценок определяется средняя величина затрат времени по формуле

,	(3.1)

Где - среднее время, полученное на основании экспертных оценок;

- оценка затрат времени, данная руководителем проекта;

- оценка затрат времени, данная разработчиком.

Экспертные оценки времени рассчитываются по каждому этапу разработки программного продукта для трех ситуаций:

- наименее возможная величина затрат;

- наиболее вероятная величина затрат;

- наиболее возможная величина затрат.

Результаты расчета средней оценки затрат времени приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Оценка затрат времени на разработку программного продукта

Этапы разработки программного продукта	Наименее возможные затраты, , дни	Наиболее вероятные затраты, , дни	Наиболее возможные затраты, , дни
Проектирование	12	10	11.2	13	11	12.2	14	12	13.2
Написание программы	30	31	30.4	31	35	32.6	35	40	37
Тестирование и отладка	12	15	13.2	14	18	15.6	15	20	17
Итого	54	56	54.8	58	64	60.4	64	72	67.2

Далее определяется величина математического ожидания затрат времени по формуле

,	(3.2)

Где - математическое ожидание затрат времени для i-го этапа, где i меняется от 1 до n (количество этапов);

, , - средние оценки.

Стандартное отклонение для каждого этапа определяется по формуле

,	(3.3)

Где - стандартное отклонение для i-го этапа, где i меняется от 1 до n (количество этапов); , - средние оценки.

Общая оценка затрат на разработку программного продукта вычисляется по формуле

,	(3.4)

Где - общая оценка затрат времени;

- математическое ожидание затрат времени для i-го этапа, где i меняется от 1 до n (количество этапов). Стандартное отклонение общей оценки затрат на разработку программного продукта определяется по формуле

,	(3.5)

Где - стандартное отклонение общей оценки затрат времени;

- стандартное отклонение оценки затрат времени для i-го этапа, где i меняется от 1 до n (количество этапов).

Для определения согласованности мнений экспертов определяется коэффициент вариации по формуле

,	(3.6)



Где - коэффициент вариации для i-го этапа;

- стандартное отклонение для i-го этапа;

- математическое ожидание затрат времени для i-го этапа, где i меняется от 1 до n (количество этапов).

Если коэффициент вариации меньше либо равен 0,3, то мнения экспертов считаются согласованными. Результаты расчетов затраты времени, математическое ожидание, стандартное отклонение, коэффициент вариации приведены в таблице 3.2.

Таблица 3.2 - Результаты расчетов

Этапы разработки программы	Средняя величина затрат времени, дни	Оценка затрат времени, дни	Стандартное отклонение,	Коэффициент вариации,
Проектирование	11.2	12.2	13.2	12.2	0,33	0.027
Написание программы	30.4	32.6	37	32.97	1.1	0.033
Тестирование и отладка	13.2	15.6	17	15.43	0.63	0.041
Итого	54.8	60.4	67.2	60.6	2.067	0.034

Так как коэффициент вариации равен 0.034, что меньше 0.3, то мнения экспертов считаются согласованными.

Себестоимость программного продукта определяется тремя составляющими: оплата труда разработчика; оплата машинного времени; оплата работы в Интернет.

Расчётная формула себестоимости имеет следующий вид:

	(3.7)



Где - себестоимость программного продукта;

- среднемесячная заработная плата разработчика с учетом районного коэффициента (примем);

- количество рабочих дней в месяце (примем дням);

- трудозатраты на проектирование ( дней);

- трудозатраты на написание программного кода ( дней);

- трудозатраты на тестирование и отладку программного продукта дней;

- коэффициент, учитывающий отчисления во внебюджетные фонды ;

- коэффициент, учитывающий накладные расходы (примем );

- количество дней работы на компьютере;

- себестоимость одного часа машинного времени;

- количество дней работы в Интернете ();

- себестоимость одного часа работы в Интернете по данным компании “Mbit” ( рублей).

Себестоимость машинного времени рассчитывается по формуле:

	(3.8)

Где - затраты на амортизационные отчисления;

- затраты на электрическую энергию;

- затраты на ремонт ПК;

- затраты на материалы к ПК;

- прочие затраты;

- годовой фонд полезного рабочего времени.

Амортизационные отчисления рассчитываются по формуле:

	(3.9)

Где - рыночная стоимость ПК;

- коэффициент учитывающий затраты персонального времени ;

- норма амортизации.

Рассчитаем амортизационные отчисления. Стоимость компьютера, на котором проводилась разработка программного обеспечения, равна 45000 руб. Амортизационный период для компьютерной техники составляет от 3 до 5 лет. В данном случае примем амортизационный период равный 3 годам. Тогда норму амортизации годовую можно принять в размере 0.33%.

Затраты на электроэнергию рассчитываются так:

	(3.10)

Где - установочная мощность ПК();

- тариф на электроэнергию за 1 кВт/ч по данным Новосибирскэнерго ();

- коэффициент интенсивности использования ();

Годовой фонд рабочего времени рассчитывается по формуле:

	(3.11)



Где - количество рабочих часов в год ();

- профилактика ();

- ремонты в год ();

Рассчитаем затраты на электроэнергию по формуле 4.10:

Затраты на ремонт, материалы и прочие затраты рассчитываются следующим образом:

Рассчитаем стоимость машинного времени по формуле 4.8:

Рассчитаем себестоимость программного продукта по формуле 4.7:

Данный продукт не планируется распространять на коммерческой основе, поэтому расчет цены приводиться не будет.

3.2 Оценка экономического эффекта от использования программного продукта

После подсчета себестоимость необходимо отметить эффект, который принесёт использование данного программного продукта.

Целью создания структурно-ориентированных алгоритмов было снижение времени выполнения барьерной синхронизации ветвей параллельных MPI-программ.

Если считать максимальное (при наиболее неэффективном алгоритме) время выполнения функции за 100%, то средний выигрыш времени составит:

для алгоритма Combining Tree (размер группы равен 2) - 46%;

для алгоритма Combining Tree (размер группы равен 4) - 54%;

для алгоритма Combining Tree (размер группы равен 8) - 63%;

Эти цифры приведены для кластера Jet ЦПВТ «СибГУТИ».

В итоге максимальный выигрыш составит 63%. Это значит, что вычислительная система будет эксплуатироваться более эффективно. Если час её работы стоит 100 рублей, а доля времени барьерной синхронизации ветвей составит 0.03, то максимальный выигрыш составит 3 рубля.



4. БЕЗОПАСТНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

4.1 Характеристика вредных факторов при работе с ПК

Отрицательное воздействие компьютера на человека является комплексным.

На пользователя ПК может воздействовать ряд опасных и вредных факторов, наиболее значимые из которых следующие:

Повышенный уровень напряжения в электрических цепях питания и управления ПК, который может привести к электротравме оператора при отсутствии заземления оборудования (источник - переменный ток промышленной частоты 50Гц напряжением 220В, служащий для питания ПК, а также токи высокой частоты напряжением до 1200В систем питания отдельных схем и узлов дисплея);

Излучения от экрана монитора. Как показали результаты многочисленных научных работ с использованием новейшей измерительной техники зарубежного производства, монитор ПК является источником:

электромагнитного излучения в низкочастотном, высокочастотном и сверхвысокочастотном диапазоне;

мягкого рентгеновского излучения от электроннолучевой трубки (ЭЛТ) (этот фактор имеет место только у старых видеодисплейных терминалов (ВДТ) выпуска ранее 1992 года);

ультрафиолетового излучения;

инфракрасного излучения;

электростатического поля.

Не соответствующие нормам параметры микроклимата: повышенная температура из-за постоянного нагрева деталей ПК, пониженная влажность.

Нарушение норм по аэроионному составу воздуха, особенно в помещениях с разной системой приточно-вытяжной вентиляции и (или) с кондиционерами, при этом концентрация полезных для организма отрицательно заряженных легких ионов кислорода воздуха (аэроионов) может быть в 10-50 раз ниже нормы, а концентрация вредных положительных ионов значительно превышать норму.

Пониженный или повышенный уровень освещенности в помещении; не соответствующие санитарным нормам визуальные параметры дисплея.

Деятельность оператора предполагает, прежде всего, визуальное восприятие отображаемой на экране монитора информации, поэтому значительной нагрузке подвергается зрительный аппарат работающих с ПК. Наиболее сильно влияет на зрение:

Несовершенство способов создания изображения на экране монитора. Эта группа факторов включает в себя:

неоптимальные параметры схем развертки ЭЛТ;

несовместимость параметров монитора и графического адаптера;

недостаточно высокое разрешение монитора, расфокусировка, несведение лучей и низкий уровень других его технических характеристик;

избыточная или недостаточная яркость изображения.

непродуманная организация рабочего места, которая является причиной:

наличия бликов на лицевой панели экрана;

отсутствия необходимого уровня освещенности рабочих мест;

несоблюдения расстояния от глаз оператора до экрана.

Повышенный уровень шума в системном блоке компьютера являются:

вентилятор процессора;

вентилятор видеокарты;

вентилятор блока питания;

вентиляторы системного блока;

жесткий диск;

оптические приводы.

Повышенный уровень шума также может быть от работающих вентилятора охлаждения ПК и принтера, от неотрегулированных источников, люминесцентного освещения. Работающий компьютер создает акустические шумы, включая ультразвук.

Повышенный уровень загазованности воздуха (в первую очередь - по углекислому газу и аммиаку, которые образуются при выдыхании); повышенное содержание в воздухе патогенной (вызывающей заболевания) микрофлоры (прежде всего - стафилококка) особенно зимой при повышенной температуре в помещении, плохом проветривании, пониженной влажности, нарушении аэроионного состава воздуха. Совсем недавно ученые обнародовали данные о наличии связи между появлением аллергии, головной болью, кожным зудом и работой за компьютером. Исследования, проведенные группой ученых из Швеции, показали, что при работе компьютера в атмосферу выделяется трифенил фосфат, входящий в состав огнестойкого материала, используемого для отливки корпуса мониторов. При включенном мониторе пластик нагревается, а вещество высвобождается и попадает в организм, вызывая аллергические реакции.

Психофизиологическая напряженность труда, включающая:

монотонность труда;

повышенное умственное напряжение из-за большого объема перерабатываемой и усваиваемой информации;

повышенное нервно-эмоциональное напряжение (при этом ускоряется вывод из организма многих жизненно важных и необходимых витаминов и микроэлементов);

длительные статические нагрузки. Кроме того, наличие внешних постоянно действующих факторов:

наличие в воздухе рабочей зоны вредных веществ (окиси углерода, озона, аммиака, окислов азота, серы и т.п.), солей тяжелых металлов и органических соединений (фенола, бензопирена, формальдегида, полихлорированных бефенилов, свободных радикалов и др.);

резкое ухудшение качества воздуха по аэроионному составу, увеличения в нем содержания различных аллергенов, грибков, вирусов, бактерий, микроорганизмов; рост информационных нагрузок извне (причем не только во время работы на ПК).

Все это вызывает дополнительные психические перегрузки, стрессы, что также повышает вероятность заболеваний органов зрения и других наиболее нагруженных и ослабленных органов.

Если перечисленные факторы воздействуют на человека, организм которого не совсем здоров, то такое комплексное отрицательное воздействие значительно усугубляется. (По статистике людей, страдающими желудочно-кишечными заболеваниями, (прежде всего гастритами, дисбактериозами различной степени), бронхолегочными заболеваниями, или испытывающих недостаток многих жизненно-важных витаминов, макро- и микроэлементов, белков, аминокислот - почти 90%) [24].

4.2 Профилактика зрительного и статического утомления

программа вычислительный дифференцированный обмен

Влияние статических нагрузок

Характерной особенностью работой за ПК является статический режим: большой объем работы приходится выполнять в сидячем положении. При этом большинство групп мышц находятся в напряжении, что приводит к быстрой утомляемости, способствует развитию профессиональных патологических изгибов позвоночника. Неправильное расположение дисплеев по высоте -слишком низкое, под неправильным углом является основной причиной сутулости; слишком высокое, приводит к длительному напряжению шейного отдела - может привести к развитию остеохондроза.

Для снижения нагрузок на позвоночник необходимо правильно организовать рабочее место и, в первую очередь, правильно выбрать стол и кресло.

Интенсивное и продолжительное задействование клавиатуры при работе на компьютере может стать источником тяжелых профессиональных заболеваний рук. Комплекс этих заболеваний, получивших общее название «травмы повторяющихся нагрузок» (ТПН), включает такие заболевания, как танденит (воспаление и опухание сухожилий, при этом страдает кисть, запястье и плечо), болезнь Де Кервена (воспаление сухожилий большого пальца кисти рук), туннельный синдром запястного канала (ущемление медиального нерва руки в результате опухания сухожилия).

ТПН представляют собой травму накапливающихся недомоганий. Легкая боль в руке, если ее не вылечить, сможет привести к полной инвалидности. Симптом заболевания - трудно поставить небольшой груз на полку, уровень которой чуть выше вашего роста. Обычно начинает болеть правая рука, так как на нее ложится большая нагрузка, затем заболевает и левая.

Вообще использование мыши опасно для здоровья. Кисти, запястья, предплечья, плечи - все это из-за мыши может серьезно пострадать. О "мышиных проблемах" начали говорить с конца 90-х годов. Самым известным заболеванием, связанным с использованием мыши, клавиатуры является карпальный туннельный синдром - КТС или его еще называют синдромом запястного канала - СЗК.

Симптомы карпального туннельного синдрома и жалобы при нем:

появление неприятных ощущений в области запястья, ладони и пальцев рук (в проекции расхождение ветвей среднего нерва);

со временем появляется ослабление пальцев и слабость пораженной ладони, онемение, боль и тяжесть в руке;

болезненность и онемение ладоней приводят к бессоннице, т.к. во сне человек плохо контролирует положение рук;

возникают затруднения при письме из-за неловкости ладони и пальцев, а попытка поднять любой груз приводит к жгучей боли в запястном суставе.

Причины развития и возможные последствия. Указанный синдром по существу представляет собой травму запястья.

Запястье - это место соединения лучевой и локтевой костей (костей предплечья) и восьми костей кисти (мелких костей ладони). Через запястный канал - туннель (отсюда туннельный синдром) проходят срединный нерв и 9 сухожилий мышц кисти. Срединный нерв обеспечивает чувствительность поверхности большого, указательного и среднего пальцев со стороны ладони, поверхности безымянного пальца, обращенной к большому пальцу, а также тыльной стороны кончиков тех же пальцев. Срединный нерв иннервирует мышцы, обеспечивающие движение большого, указательного и среднего пальцев.

Таким образом, срединный нерв выполняет две функции - обеспечивает чувствительность и движение. Сам туннельный канал очень узкий. В нем то и сдавливается, т.е. защемляется срединный нерв. Отсюда и появление расстройств чувствительности и движений рук. Причиной же защемления может быть распухание сухожилий, проходящих вблизи с нервом, а также отеком самого нерва. Это в свою очередь нарушает кровообращение, нарушается питание тканей, что еще больше усиливает отек их и сдавления в туннеле.

Все указанные симптомы и жалобы - есть следствие постоянной статической нагрузки на одни и те же мышцы, большого количества однообразных движений при работе с мышкой, чрезмерного изгиба в запястье.

Вообще человеческий организм всегда болезненно реагирует на длительные постоянные нагрузки. Давно известно, что у тех, кто ранее работал за пишущей машинкой, вручную занимается ковровой росписью или же расшивает узорами ткани развиваются те же симптомы, что и у операторов, работающих с мышью



4.3 Схема механизма появления туннельного синдрома

Рисунок 4.1 - Схема механизма появления туннельного синдрома

Схема механизма появления туннельного синдрома представлена на рис. 4.1 Человек, у которого развился туннельный синдром, теряет работоспособность на срок до нескольких месяцев и даже лет. Следует иметь ввиду, что ощущение боли и дискомфорт в руках могут быть вызваны не только защемлением срединного нерва, но и повреждением позвоночника (остеохондроз, грыжа межпозвоночных дисков) при котором повреждается нерв, идущий к рукам от спинного мозга.

Зрительное утомление

В процессе работы оператору ПК приходится иметь дело с изображениями на экране монитора. Считывание текста, таблиц, графиков с экрана отличается от чтения той же информации с листа бумаги. Отличие в следующем:

При работе с дисплеем пользователь целиком зависит от положения дисплея, тогда как при чтении печатной информации можно найти положения листа для наиболее комфортного восприятия информации.

Экран, являясь источником света, считается прибором активного контраста, в то время как при чтении с листа бумаги мы имеем дело с отраженным светом, т.е. с пассивным контрастом, который в малой степени зависит от интенсивности освещения и угла падения светового потока на бумагу.

Текст на бумаге является неизменным, а текст на экране периодически обновляется в процессе сканирования электронного луча по поверхности экрана. Достаточно низкая частота обновления вызывает мерцание изображений.

Монитор надолго приковывает к себе внимание оператора, что является причиной длительной неподвижности глазных и внутриглазных мышц, что приводит к их ослаблению.

Длительная работа с ПК требует повышенной сосредоточенности, что приводит к большим нагрузкам на зрительную систему пользователя. Развивается зрительное утомление (зрительная астенопия), которое способствует возникновению близорукости, головной боли, раздражительности, нервного напряжения и стресса.

Приведенные выше особенности изображений на экране дисплея в значительной степени влияют на степень утомляемости зрительного аппарата. На утомляемость влияет также четкость и резкость изображения. Эти параметры зависят от разрешающей способности монитора, которая определяется числом дискретных элементов изображения, воспроизводимых монитором по горизонтали и вертикали. Чем выше разрешающая способность, тем четче и точнее изображение на экране.

Изображение на экране монитора обновляется с определенной частотой, называемой частотой смены кадров (или частотой вертикальной развертки). Если эта частота достаточно высока, изображение кажется неизменным, несмотря на то, что фактическая яркость любой точки изображения - переменная величина. Эффект стабильного изображения создается как результат взаимодействия двух факторов: инерционности зрения человека и инерционности монитора.

Критическая частота, при которой изображение начинает восприниматься как неизменное, не является постоянной величиной. Эти колебания воспринимаются, как мерцание экрана.

Крайняя нижняя граница частоты смены кадров, определяется по методике MPR, равняется 76 Гц, для позитивного изображения (светлый фон, темный текст) и 67 Гц для негативного изображения (смешанный фон, разноконтрастный текст).

На утомление зрения влияет и яркость изображения на экране монитора. Необходимо учитывать также, что внешнее освещение в рабочем помещении в некотором смысле «конкурирует» со светом, излучаемый монитором, снижая контраст изображения и ухудшая условия работы. Хорошие показатели яркости могут помочь компенсировать этот фактор.

К факторам очень сильно мешающим воспринимать информацию с экрана, следует отнести блики. Они заставляют неосознанно менять положение головы и корпуса, напрягать зрение, чтобы прочесть нужную информацию. При этом глаза испытывают дополнительную нагрузку, происходит увеличение нагрузки на шею, спину, плечи и руки, что приводит к быстрой утомляемости всего организма.

Блики создает любой пучок света, отраженный экраном дисплея и попавший на оболочку глаза. Их источниками могут быть расположенные напротив монитора яркие поверхности, светлое оборудование, осветительные приборы, не зашторенные окна, часто - светлая одежда оператора. Блики тем заметнее и тем сильнее снижают контрастность изображения, чем выше коэффициент зеркального отражения экрана.

В современных мониторах, чтобы уменьшить отражения, темное или тонированное стекло, проводят специальную химическую обработку лицевой поверхности (покрытие двуокисью кремния, обработку травлением); применяют цилиндрические (или вертикально-плоские экраны - ЭЛТ TRINITRON и DIAMOND-NRON) и плоские прямоугольные экраны (обладают лучшими антибликовыми свойствами в силу действия обычных законов отражения), а также используют защитные фильтры.

Проблемы снижения зрительного утомления решают с помощью применения специальных защитных средств, правильной организации рабочего места, режимов труда и отдыха, специальных упражнений для снятия утомления.

4.4 Пожарная безопасность офисных помещений

По статистике, в зданиях общественно-административных учреждений каждый год происходит примерно 2 тысячи пожаров. Основная причина пожаров - неосторожное обращение с огнем (в частности - курение), а также нарушение правил устройства и эксплуатации электроустановок - электроотопительных приборов, оргтехники и т.п. В условиях нечестной конкурентной борьбы возможен также поджог. Наиболее характерные места возникновения пожара в зданиях административного назначения представлены на рис. 4.2.



Рисунок 4.2 - Характерные места возникновения пожара

Для появления очага пожара необходима горючая среда, а также определенные внешние условия, способствующие появлению и развитию горения. К одному из таких условий следует отнести наличие инициирующего фактора. Очаг пожара чаще всего возникает при самопроизвольном появлении локального источника возгорания в пожароопасной среде или при внесении его туда извне. К локальным инициирующим пожар источникам можно отнести, например, искры от некачественного электроконтакта, горящую спичку или сигарету, перегрев работающих электроприборов и т.п. Другими важными условиями развития пожара являются наличие достаточного количества воздуха, обогащенного кислородом (окислителем), а также характер и условия размещения горючего материала.

Рассмотрим упрощенную модель развития очага пожара, продуктами горения, в котором являются наиболее распространенные в реальных условиях офиса целлюлозосодержащие и полимерные материалы. Для древесины свойственно горение, начинающееся с тления и сопровождающееся при термическом распаде значительным выделением дыма. Под действием тепловых потоков дым разносится в окружающее пространство. При дальнейшем развитии очага пожара, повышении локальной температуры в нём начинают выделяться горючие газы, появляется открытое пламя. Выделяемые аэрозольные продукты в этот период, в основном, сгорают, по-этому количество выделяемого дыма уменьшается.

На рис. 4.3 представлено графическое изображение основных этапов развития пожара в помещении. Сначала поток горячих газов поднимается до потолка (I). Затем происходит его растекание в радиальных направлениях в подпотолочном пространстве (II). И, наконец, после достижения потоком стен помещения происходит накопление газовоздушной смеси под потолком (III). Высокая температура при пожаре, несомненно, является поражающим фактором, но далеко не самым опасным. По статистике, основная причина гибели людей - действие продуктов горения (почти 80%), на долю действия высокой температуры приходится только немногим более 10%. Состав и количественное содержание продуктов газовыделения при пожаре зависит, главным образом, от природы материала и от условий горения. Нагревание древесины до температуры 110 оС приводит к испарению из нее влаги, а при более высокой температуре (150-200 оС) начинается разложение с выделением, в основном, паров воды и углекислого газа. При температуре свыше 200 оС выделяемые газообразные продукты содержат значительное количество окиси углерода, водород и различные углеводороды, прежде всего метан. Максимальное выделение летучих веществ, в том числе и газообразных, происходит при температуре 270-450 оС. Превращение при термическом разложении древесины в уголь приводит к уменьшению газовыделения, при этом образующийся древесный уголь является катализатором, способствующим отделению водорода от некоторых органических веществ с образованием ароматических углеводородов. Всего при пиролизе древесины образуется более 350 индивидуальных веществ, большинство из которых находится в газообразном или летучем состоянии.

Рисунок 4.3 - Развитие пожара в помещении

Полимеры при воздействии во время пожара высоких температур также разлагаются, при этом выделяемые газообразные продукты имеют в основе вещества с относительно небольшой молекулярной массой: Н2, СО, С2Н4, С2Н6, СН4, СО2, О2, НСN и т.д. Наиболее часто образующимися, сильно токсичными и потому потенциально опасными для человека газообразными продуктами термического разложения и горения являются оксиды углерода, сернистый газ, хлороводород, окислы азота, хлор, альдегиды и цианистый водород.

В соответствии с действующими нормами пожарной безопасности (НПБ110-03) здания, используемые под офисы (общественного и административно - бытового назначения), независимо от площади и этажности, а также помещения административного и общественного назначения, в том числе встроенные и пристроенные, обязательно должны быть оборудованы автоматической пожарной сигнализацией. Это же относится и к помещениям, в которых размещаются персональные ЭВМ на рабочих столах пользователей. Система (установка) пожарной сигнализации, представляет собой совокупность технических средств, установленных на защищаемом объекте, для обнаружения пожара, обработки, представления в заданном виде извещения о пожаре, специальной информации и (или) выдачи команд управления на автоматические установки пожаротушения и другие технические устройства.

В настоящее время используются разнообразные системы, различные по составу технических средств, структуре построения, виду каналов сбора и передачи информации, условиям эксплуатации. Основными отличительными характеристиками являются применяемый способ определения места расположения (адрес) извещателя, а также вид передаваемой извещателем информации в приемно-контрольный прибор, которые в значительной степени определяют тактико-технические возможности системы пожарной сигнализации. В связи с этим выделяют безадресные, адресные и адресно-аналоговые системы.

Безадресные системы применяют дискретный способ передачи информации от извещателя в прибор приемно-контрольный, при котором решение о возникновении пожара принимается в извещателе и передается в прибор в виде извещения "Пожар". Такие системы, как правило, имеют радиальную структуру построения с относительно небольшим количеством непосредственно подключаемых к прибору шлейфов сигнализации.

Адресные системы позволяют определять адрес сработавшего извещателя и, соответственно, точное место возникновения пожара.

Наиболее перспективными являются адресно-аналоговые системы. В них, кроме адресации, предусмотрены передача пожарными извещателями информации о количественной характеристике одного или нескольких факторов, сопутствующих пожару; сбор данных о параметрах среды, передаваемых извещателями в приемно-контрольный прибор. Прибор, имея текущую информацию о значениях контролируемого параметра в любом месте защищаемого объекта, устанавливает наличие пожара, основываясь на сигналах от нескольких извещателей, расположенных в одной зоне. Это обеспечивает наиболее раннее обнаружение пожара при низкой вероятности ложных тревог.

В настоящее время наибольшее распространение получили адресно-аналоговые системы с кольцевым шлейфом сигнализации. Пример построения системы с двухпроводным кольцевым шлейфом сигнализации, а также подключаемыми дополнительными адресными модулями представлен на рис. 4.4. Такие системы устойчивы к неисправностям в шлейфе сигнализации в виде обрыва или короткого замыкания. В них осуществляется контроль параметров функционирования пожарных извещателей с формированием извещения о неисправности. Применение управляющих адресных модулей, включаемых в общий кольцевой шлейф сигнализации, позволяет управлять оповещателями, системами пожаротушения, дымоудаления, вентиляции и т.п.

Рисунок 4.4 - Структурная схема типовой адресно-аналоговой системы пожарной сигнализации с кольцевым шлейфом

Выбор вида системы пожарной сигнализации определяется типом и назначением здания, в котором расположен офис. Так, если для небольших офисов, расположенных в арендуемых нежилых помещениях, система может быть построена как простая автономная, для многофункциональных высотных зданий такая система должна входить в состав комплексной системы безопасности на базе единого информационного пространства с использованием самостоятельных структурированных кабельных сетей. При этом здания, сооружения и помещения, подлежащие оборудованию установками охранной и пожарной сигнализации, рекомендуется защищать охранно-пожарной сигнализацией.

Основным элементом системы пожарной сигнализации является пожарный извещатель. Он представляет собой устройство, формирующее сигнал о пожаре. По способу приведения в действие извещатели подразделяют на автоматические и ручные. Автоматический пожарный извещатель реагирует на факторы, сопутствующие пожару. Его срабатывание происходит при достижении установленного порогового значения контролируемого параметра. В качестве контролируемых признаков пожара могут быть повышенная температура воздуха, выделение продуктов горения, турбулентные потоки горячих газов, световое излучение и др.

В соответствии с этим автоматические пожарные извещатели разделяют на дымовые, пламени, газовые и комбинированные. В зданиях и помещениях, используемых под офисы в автоматической пожарной сигнализации следует применять, как правило, дымовые пожарные извещатели.

Наиболее распространенный оптический (оптико-электронный) дымовой пожарный извещатель реагирует на продукты горения, воздействующие на поглощающую или рассеивающую способность излучения в инфракрасном диапазоне спектра.

Принцип действия оптического точечного пожарного извещателя поясняется на рис. 45.5. При проникновении в камеру дыма на выходе оптического приемника появляется электрический сигнал, вызванный отражением света от частиц дыма. Количество и место установки автоматических пожарных извещателей определяется необходимостью надежного обнаружения загораний на контролируемой площади помещений офиса. В каждом защищаемом помещении устанавливают, как правило, не менее двух пожарных извещателей.

1 - оптический излучатель; 2 - экран; 3 - отверстия в дымовой камере; 4 - частицы дыма; 5 - оптический приёмник

Рисунок 4.5 - Принцип действия точечного оптического дымового извещателя

Максимальное расстояние между извещателями, извещателем и стеной определяется, в основном, площадью и высотой помещения и установлена в соответствующих нормативных документах.

В системах пожарной сигнализации офисов, кроме автоматических, используют также ручные извещатели. Перевод такого извещателя из дежурного режима в режим выдачи тревожного извещения осуществляется механическим воздействием человека на приводной элемент извещателя (рычаг, кнопку, хрупкий элемент или иное приспособление).

Ручные пожарные извещатели обеспечивают постоянную передачу в шлейф пожарной сигнализации тревожного извещения при включении приводного элемента. Приводной элемент расположен со стороны лицевой поверхности, контрастно выделяясь на фоне корпуса, окрашенного в красный цвет. На приводном элементе или на лицевой поверхности извещателя нанесены знаки, однозначно определяющие место и направление приложения усилия для срабатывания ручного пожарного извещателя. На лицевой поверхности извещателя, как правило, расположен оптический индикатор также красного цвета. Ручные пожарные извещатели устанавливают в коридорах, холлах, вестибюлях, на лестничных площадках, у выходов из здания.

Действующие нормы пожарной безопасности не требуют обязательной установки в зданиях общественного и административно-бытового назначения автоматических систем пожаротушения. Однако наличие таких систем существенно повышает пожарную безопасность офиса. При этом автоматические установки пожаротушения выполняют одновременно и функции автоматической пожарной сигнализации.

Вид системы пожаротушения и применяемое огнетушащее вещество определяются конструктивными и объёмно-планировочными особенностями защищаемых зданий и помещений, свойствами находящихся в них оборудования и материалов, возможностями и условиями применения огнетушащих веществ. При формировании автоматической системы должны быть предусмотрены меры по обеспечению безопасности людей, находящихся в защищаемых помещениях, и минимизации ущерба материалам, приборам и оборудованию, которые находятся на защищаемом объекте (при тушении и ложном срабатывании). Например, для офисных помещений, содержащих большое количество документов на бумажных носителях, а также ЭВМ и оргтехнику, которые по НПБ 88-2001 можно отнести по степени опасности развития пожара к первой группе помещений, целесообразно применение системы автоматического газового пожаротушения.

Оповещение может быть организовано с помощью звуковых сигналов, передачей специальных речевых текстов, световых сигналов различного вида (мигающих указателей, оповещателей "Выход", статических и динамических указателей направления движения).

Система оповещения служит для своевременного информирования людей о возникновении пожара и (или) необходимости и путях эвакуации. Такая система создается с целью реализации планов эвакуации. В зависимости от функциональных характеристик НПБ 104-03 разделяют все системы на пять типов. Их отличительные признаки - способ формирования сигналов оповещения, структура формирования зон оповещения, наличие обратной связи между ними и помещением пожарного поста-диспетчерской, а также тактические возможности организации эвакуации и управления инженерными системами здания, связанными с обеспечением безопасности людей при пожаре.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В рамках дипломного проекта были разработаны и реализованы в библиотеке TopoMPI структурно-ориентированные версии алгоритмов Dissemination, Recursive Doubling и Combining Tree.

Так же был проведен сравнительный анализ времени работы созданных алгоритмов и известных на ВС с сетью связи стандарта Gigabit Ethernet.

С увеличением количества процессов в параллельной программе время работы структурно-ориентированных версий алгоритмов Dissemination и Recursive Doubling возрастает по сравнению с временем работы их стандартных версий. Данный эффект можно объяснить изменением последовательности этапов синхронизации ветвей внутри алгоритма.

Так же было замечено, что время работы структурно-ориентированной версии алгоритма Combining Tree существенно меньше стандартного алгоритма Combining Tree. Этот объясняется эффективным распределением ветвей в структуре подсистемы ВС.

С увеличением размера группы алгоритма Combining Tree уменьшается время его выполнения. Это связано с уменьшением количества этапов синхронизации ветвей внутри алгоритма.

По результатам экспериментов построена карта принятия решений о выборе наиболее эффективной версии алгоритма барьерной синхронизации.



БИБЛИОГРАФИЯ

1. Хорошевский, В.Г. Архитектура вычислительных систем: Учеб. пособие / В.Г. Хорошевский .- 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - 520 с. - (Информатика в техническом университете, ISBN 987-5-7038-3175-5)

2. Баканов, В.М., Осипов, Д.В. Параллельное программирование в стандарте MPI: Учебно-методическое пособие по выполнению лабораторных работ / В.М.Баканов, Д.В.Осипов. - М.: МГУПИ, 2006. -76 c.

3. Гришагин, В.А., Свистунов, А.Н. Параллельное программирование на основе MPI. Учебное пособие - Нижний Новгород: Изд-во ННГУ им.Н.И. Лобачевского, 2005. - 93 с. - ISBN 5-85746-758-6

4. Митчелл, М. Программирование для Linux. Профессиональный подход: Пер. с англ. С.Н. Гинсбурга. / Марк Митчел, Джефри Оулдем, Алекс Самьюэл; - М.: Вильямс, 2002. - 287 с.

5. Стивенс, У.Р. UNIX. Профессиональное программирование, 2-е издание.: Пер. с англ. А. Киселева. / У.Р. Стивенс, С. Раго - СПб.: Символ-Плюс, 2007. - 1040 с.

6. Джонсон, М.К. Разработка приложений в среде Linux, 2-е издание: пер. с англ под ред. Ю.Н. Артеменко / М.К. Джонсон, Э.В. Троан - 2-е изд. - Издательский дом “Вильямс”, 2007. - 544 с.

7. Герберт, Ш. Полный справочник по С. - 4-е изд.,: Пер. с англ. - М.: Вильямс, 2004. - 704 с.

8. Курносов, М.Г. Модели и алгоритмы вложения параллельных программ в распределенные вычислительные системы: автореф. дис. … канд. тех. наук / М.Г. Курносов - Новосибирск, 2008. - 20 с.