基于貪心算法的普洱學院智慧校園運維優(yōu)化模型構建

鄢翔

（普洱學院 云南省普洱市 656000）

1 引言

伴隨著我國智慧校園建設的推進，師生們對校園網(wǎng)的依賴逐漸加深，由此帶來運維工作量的激增。在此背景下，普洱學院師生對負責校園網(wǎng)建設和運維的信息中心提出了更高的要求。但由于高校編制有限，因此如何使用合理的運維服務與管理算法使得有限的人力資源可以進行標準化，高效低成本的故障處理，有效提高響應速度和用戶滿意度成為了普洱學院智慧校園建設中的必須要認真思考的問題。

2 國內智慧校園智慧運維服務與管理研究現(xiàn)狀

目前國內對于智慧校園的研究可謂汗牛充棟，目前的新興熱點主要集中于人工智能在智慧校園建設中的應用上，集中于解釋智慧校園的智慧是什么的問題。從知網(wǎng)查詢可知智慧校園中關于智慧運維服務的研究較少，少量的研究又集中于運維平臺的構建，很少有文章正面闡述智慧運維能智慧的關鍵算法。例如趙磊磊認為“基于人工智能的智慧校園可被視為智慧校園的智能升級。需要優(yōu)化教育人工智能算法和倫理監(jiān)管制度”[1]，但未具體進行算法舉例。于長虹認為“智慧服務與運維的實現(xiàn)主要通過建立數(shù)據(jù)規(guī)范或標準、確立規(guī)范化運維流程、構建智慧校園的智慧服務與運維平臺實現(xiàn)。”[2]，也未進行具體的算法舉例。若將運維標的放大到IT 運維，則研究運維管理的著作以及算法的文章明顯增多。例如：葛世倫認為信息系統(tǒng)的運維包括了信息系統(tǒng)設施運維、信息系統(tǒng)軟件運維、信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源運維、信息系統(tǒng)安全運維四個部分。[3]陳芮瑩對考慮服務水平的IT運維人員調度的智能遺傳算法進行了建模和深度分析。[4]姚海琪對智慧校園運維資源調度提出了建立云平臺，對智慧校園運維人員調度算法的研究則從單維運維中心和多維運維中心的兩個視角進行了比較分析和數(shù)學建模。[5]類似的文章還有需多，基本思路都是先進行建模假設，再進行數(shù)學建模，然后在該模型下進行案列設計并針對各算子進行影響分析，最后再進行案例驗證。這是一種比較成熟的研究運維算法的思路。

3 普洱學院傳統(tǒng)校園運維算法問題描述與時間復雜度分析

3.1 普洱學院傳統(tǒng)校園運維方式流程與問題描述

圖1

圖2：普洱學院校園網(wǎng)分布示意圖

圖3：普洱學院核心結點字母標注圖

普洱學院信息中心目前在實際工作中采用的是自主運維模式。其運維的行為流程為：用戶（師生）在工作日工作時段內發(fā)起報修，信息中心根據(jù)工作人員的責任分工和是否空閑的情況，安排人員進行運維。運維人員帶著常用材料到達現(xiàn)場后根據(jù)運維制度進行依次運維，處理完一個故障后若還有故障報修一般不會返回辦公室而是直接到下一個故障點繼續(xù)運維，直至下班時間，若該故障點未能排除則下一個工作日繼續(xù)運維。若遇到難以處理的故障則會尋求同事幫助共同解決。若有多個故障同時報修且信息中心人手不夠的情況下則會優(yōu)先運維核心結點和影響嚴重的故障。問題的目標是各種故障均得到處理，且響應時間短，薪酬成本最小。

3.2 普洱學院傳統(tǒng)校園運維方式數(shù)據(jù)模型抽象

圖4：普洱學院智慧校園運維材料中心選址

圖5：普洱學院網(wǎng)絡核心結點Huffman 樹

圖6：普洱學院運維人員派遣圖

若將普洱學院傳統(tǒng)校園運維方式流程描述進行抽象并選取運維任務作為研究對象將其描述為一個數(shù)據(jù)類型Maintenance，則我們可以得到如下抽象模型：

若將普洱學院傳統(tǒng)校園運維方式以運維任務作為研究對象進行圖形化，則可以用高校運維部門作為頭節(jié)點。設信息中心運維人員數(shù)量為N，所有運維任務都一樣重要，運維人員M 只負責安排給自己的運維任務m，運維人員A 只負責安排給自己的運維任務鏈表a，且運維任務之間相互獨立，則可用得圖1。

對于普洱學院傳統(tǒng)運維而言，問題可以抽象為：每個運維人員進行運維的過程其實就是在工作時間內遍歷以信息中心為頭結點的各自運維任務鏈表的過程。

3.3 普洱學院傳統(tǒng)校園運維算法模型算法時間復雜度與缺陷分析

3.3.1 時間復雜分析

由數(shù)據(jù)結構的知識我們知道，遍歷單鏈表的時間復雜為O(n),n表示問題規(guī)模。由圖1 可知信息中心中心有N 名運維人員，若設所有運維人員的工作能力相同，每天的運維任務n 是有限值，則人員越多運維用時就越少，時間復雜度為O(n)/N。

3.3.2 普洱學院傳統(tǒng)運維模型缺陷分析

顯而易見以上模型存在的假設缺陷是：

首先未考慮故障點的影響成本和故障點的故障發(fā)生頻率。

其次傳統(tǒng)模型未充分考慮任務匹配的費效比，高校內運維人員的職稱不同支付工資也大不相同。

再次，傳統(tǒng)運維模型對運維任務鏈表進行遍歷過程中未考慮運維任務難度與運維人員能力匹配的問題，例如對于運維人員A，若其運維能力為w，對于其運維鏈表?ai的運維難度為w’,且w’>w,則運維鏈表將不能繼續(xù)遍歷。

最后模型考慮的是校區(qū)較小和單校區(qū)的情況，若超大校園或多校區(qū)則除了考慮人員調配的問題外還需考慮運維材料調配的問題。

4 基于貪心算法的智慧校園運維優(yōu)化設計

4.1 普洱學院智慧校園運維中心選址（運維材料調度）貪心算法的應用與優(yōu)化

從姚海琪[5]的研究中可知由于智慧校園運維中心的選址會顯著影響運維人員的到達故障點的工作路徑長度，進而影響運維效率和運維材料的調度。因此在普洱學院從數(shù)字校園向智慧校園轉型過程中運維材料堆積中心的選址顯得尤為重要。普洱學院現(xiàn)有傳統(tǒng)運維抽象模型也存在未考慮故障點的影響成本和故障點的故障發(fā)生頻率的問題。

為解決上述問題普洱學院運維材料堆積中心（信息中心）在智慧校園建設中將采用貪心算法來重新考慮選址。其具體步驟如下：

首先將普洱學院各樓棟網(wǎng)絡節(jié)點設置權重，在權重的設置中主要考慮影響成本和故障頻率這兩個影響因子。影響成本包含影響范圍和業(yè)務樓宇重要性兩個因子。影響范圍是指該結點故障后所造成的網(wǎng)絡癱瘓面積，癱瘓面積越大造成的損失也隨之增大，經對歷年故障影響情況分析，普洱學院信息中心將影響范圍占權重的比例設置為40%，結點所在樓宇在普洱學院運營業(yè)務的重要性占權重的比例設置為20%。網(wǎng)絡節(jié)點的故障頻率是指該結點在一個工作月內故障的次數(shù)，經對歷年故障影響情況分析，普洱學院信息中心將網(wǎng)絡節(jié)點的故障頻率設置為占結點權重值的40%。

其次，根據(jù)普洱學院網(wǎng)絡結點拓撲圖和歷年數(shù)據(jù)計算每一個網(wǎng)絡節(jié)點的權重后，根據(jù)貪心算法來構造Huffman 樹來確定信息中心的新位置。普洱學院網(wǎng)絡節(jié)點拓撲圖如圖2 所示。

表1：普洱學院網(wǎng)絡結點權重表

表2：普洱學院核心結點運維難度表

表3：普洱學院信息中心人員運維能力表

由圖2 可知普洱學院目前的核心結點均已用藍色結點圖標注，灰色用于標注的二級結點，由于二級結點的影響有限故本文在討論中將主要討論藍色核心結點。根據(jù)藍色核心結點所鏈接二級結點數(shù)量即可確定其影響范圍。我們可以將上述藍色結點從左到右依次進行標記為A、B、C、D、E、F、G、H、I、J，如圖3 所示。本文以其所鏈接的二級交換機的個數(shù)作為其影響范圍的權值可得：A、B 的權值為2，C 的權值為4，G 的權值為6，F(xiàn) 的權值為0，H 的權值為7，I、J 的權值為3，D、E 為互為備份的核心匯聚鏈接所有交換機，其權值為：2(A+B)+4C+6G+0*F+7H+3(I+J)+(A+B+C+F+G+H+I+J)=2+4+6+0+7+6+8=33。

本文將樓宇在普洱學院運營業(yè)務的重要性一般樓宇結點重要性設置為1，行政樓結點的重要性置為2，教學用樓宇結點的重要性置為3。由此可得I 結點為行政樓其重要權值為2，G、J 結點為教學樓其重要權值為3，其余節(jié)點的重要權值為1。由普洱學院信息中歷年故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)求平均可得單位工作月內各結點的故障次數(shù)為：A、B、G、F 結點為2 次，C、D、E、H、I 結點為1 次，J 結點為3 次。由此可計算出各個核心結點在Huffman 樹中的權值。

結點權值=影響范圍*0.4+結點樓宇重要性*0.2+故障頻率*0.4，由表1 可得個結點的權值。

表4

表5

根據(jù)表1 采用貪心算法來構建Huffman 樹（最優(yōu)二叉樹），讓權重大的盡量靠近根。由于普洱學院是一個小規(guī)模的二本院校，因此選擇信息中心辦公室（運維中心）作為根節(jié)點root 即可，若是大規(guī)模多校區(qū)院校則應當每個校區(qū)至少設置一個運維中心，以各運維中心為根來構建Huffman 森林。由圖5 可見普洱學院運維材料堆積中心的選址應該在D、E 結點同時盡可能的靠近G、H 結點，唯有如此加權路徑長度最短。因此普洱學院智慧校園運維中心的實際選址應該選在明德樓1 樓靠近健行樓D 區(qū)一側最為合適，如圖4 所示。

4.2 普洱學院智慧校園運維人員調度的貪心算法應用與優(yōu)化

設w 代表運維人員的運維能力，w’代表各核心結點的運維難度。普洱學院信息中心目前網(wǎng)絡運維人員共計4 人，其中正高職稱1 人設為Ops1，其運維能力w1置為4，中級職2 人設為Ops2、Ops3，其運維能力w2置為2、w3置為2，初級職1 人設為Ops4，其運維能力w4置為1。由信息中心多年運維記錄單阻滯記錄可知，結點的運維難度與結點在網(wǎng)絡中的權重成正比，權重越重的結點其故障后運維的難度和復雜度越大。為了方便，根據(jù)表1 我們將權重大于10 的結點運維難度w’置為4，權重小于10 但大于或等于5以上的結點運維難度w’置為3，權重小于5 但大于或等于2 以上的結點運維難度w’置為2，權重小于2 的結點運維難度w’置為1。由此可得表2、表3 所示。

普洱學院智慧校園運維人員調度的目標是讓所有運維任務都能順利推進，同時讓薪酬成本最少。由于薪酬與職稱高低成正比關系，因此根據(jù)貪心算法，在派遣運維任務時，在滿足w’

圖6 中以運維人員為根結點，根結點位置即為該運維人員每天上班應該到達的位置，葉子結點代表運維人員負責的結點。

5 智慧運維服務與管理算法效率分析

5.1 普洱學院傳統(tǒng)運維模式與新運維模式運維材料調度效率分析

在運維材料調度對各結點的故障響應時間的影響方面，信息中心分別對單個工作月使用兩種方式進行運維，對相關數(shù)據(jù)進行求平均后統(tǒng)計，如表4 所示。

由表4 可看出權值最大的D、E 兩個核心結點的運維材料調配響應時間得到了大幅度的降低降幅達90%，而由于D、E 兩個結點的影響范圍最廣，因此新運維中心的選址有效控制了故障影響成本，提高了運維響應速度。

5.2 普洱學院傳統(tǒng)運維模式與新運維模式運維人員調度效率分析

在運維人員調度對故障順利處理方面，信息中心分別對單個工作月使用兩種方式進行運維，對相關數(shù)據(jù)進行求平均后統(tǒng)計可得表5 所示。

由表5 可知新運維模式下未出現(xiàn)過運維阻滯現(xiàn)象，究其原因就是按難度和能力的匹配去分配運維任務。此外實驗中由于運維人員按區(qū)域負責設備運維，運維標的進一步明確，致使運維人員的運維熟練程度有較大程度的提高，故障處置時間也有較大縮短，運維人員責任心顯著加強，出現(xiàn)主動巡檢運維。而學校若按運維次數(shù)支付工資的話，由于高職稱只負責核心結點運維，可知人力成本也得到了集約化使用。

6 結語

本文基于貪心算法對普洱學院智慧校園運維優(yōu)化模型進行了探討，在研究中對運維模型的假設條件進行了一定的簡化，文章未考慮多人協(xié)同運維，運維中的動態(tài)調度等問題。對新舊模型的對比實驗中，未選取更為眼睛單位工作年作為研究標的等。這些都是后續(xù)后的研究和學習中需要繼續(xù)完善的地方。