Современные отрасли науки и техники постоянно требуют решения задач, сложность которых перманентно возрастает. Круг таких задач неуклонно расширяется. Вследствие широкого внедрения вычислительной техники произошли фундаментальные изменения в самой организации научных исследований – значительно усилилось направление математического моделирования. Моделирование, заполняя промежуток между физическими экспериментами и аналитическими подходами, позволяет изучать явления, которые являются либо слишком сложными для исследования аналитическими методами, либо слишком дорогостоящими или небезопасными для экспериментального изучения. При этом создание моделей позволяет прогнозировать результат эксперимента и снижать количество ошибок в ходе физического исследования, а, следовательно, значительно удешевить процесс научного и технологического поиска. В настоящее время научно-технические задачи могут быть решены в приемлемые сроки только при использовании высокопроизводительных параллельных систем. В США, Японии, Германии и многих других странах созданы специализированные вычислительные центры для решения такого класса задач.
Сетевые динамические объекты распространены в различных областях науки и техники как класс объектов исследования, проектирования, наблюдения и управления. Реальные сети имеют большое количество элементов, сильное взаимодействие управляемых переменных, нелинейность параметров [1]. При разработке и исследовании динамических систем с помощью вычислительных машин предъявляются определенные требования [4] к математическим моделям. В связи с этим на первый план выходит вопрос о построении параллельных моделирующих сред [2,3], удовлетворяющих поставленным требованиям, имеющих интерфейс пользователя и способных решать заданные задачи в тесном взаимодействии с пользователем.

данной работы является разработка, отладка и экспериментальные исследования параллельной моделирующей среды (ПМС) для моделирования сетевого динамического объекта с сосредоточенными параметрами (СДОСП).

Предложена параллельная моделирующая среда, разработана ее полнофункциональная структура, которая обеспечивает алгоритмическую и компьютерную интерактивную поддержку всех этапов построения параллельных моделей сетевых динамических объектов с сосредоточенными параметрами.

Рисунок 1. Структура параллельной моделирующей среды

Разработки в области построения параллельной моделирующей среды (ПМС) для динамических систем с сосредоточенными параметрами были начаты еще в 90-х годах ХХ ст. Данные исследования проводились на базе кафедры электронных вычислительных машин в рамках научного сотрудничества факультета вычислительной техники и информатики (ВТИ) ДонНТУ и института параллельных и распределенных систем (IPVS) Штутгартского университета (Германия). В настоящее время определено понятие и выработана концепция построения ПМС для СДОСП и СДОРП, сформулированы требования моделируемых объектов и пользователей к ПМС [4]. Построены опытные образцы ПМС на основе теледоступа к параллельным ресурсам Штутгартского университета – на системах MasPar (16K процессорных элементов), Intel Paragon, CRAY T3E и NEC SX8 (576 узлов).

Главным положением ПМС-концепции является необходимость полнофункциональной разработки параллельных методов и алгоритмов функционирования моделирующего программного обеспечения (Modeling and Simulation Software) для ДССП, ДСРП [4]. Параллельные системы SIMD- та MIMD-структур 90-х годов имели фирменные языки параллельного программирования, которые базируются на языках Fortran, C, C++, Modula-2 и др.[6]. Интенсивное развитие параллельных вычислительных систем MIMD-архитектуры, объектно-ориентированных подходов стимулировал стандартизацию средств параллельного и распределенного программирования. ANSI и ISO определили С++ стандарты с библиотеками MPI, PVM та Pthreads [7]. Концепция параллельной моделирующей среды предусматривает обеспечение пользователей и разработчиков параллельных моделей языковыми и системно-организационными средствами, которые по уровню сервиса будут превосходить системы и языки моделирования пятого поколения [4].

Обеспечена преемственность распараллеливания численных методов ПМС со средствами моделирования предыдущих поколений, которые реализованы в ЭВМ SISD-структуры.

Разработана декомпозиция среды на полнофункциональное множество подсистем [4], диалога, параллельных решателей уравнений, обмена информацией, балансирования загрузки процессоров, организации массивов данных, организации работы в режимах теледоступа пользователей.
Построены разные SIMD- и MIMD-компоненты ПМС из-за своеобразных принципов работы и уровней распараллеливания. SIMD- и MIMD-параллельное моделирующее программное обеспечение для ДССП развивается согласно с концепцией ПМС и структурами, описанными в [4]. Интенсивно развиваются теория и методика построения параллельных моделей и симуляторов ДССП, ДСРП в рамках ПМС.

В данный момент обеспечена компьютерная поддержка всех этапов построения моделей для численного решения уравнений СДС с учетом специфики видов топологий [5].Определены виртуальная (ВПС) и целевая (ЦПС) параллельные системы, основние функции девиртуализации. [Virt-Devirt] Этапы разработки и применения параллельных симуляторов ведутся в сотрудничестве с HLRS относительно ТС- и ДСО- топологий [8].

На протяжении многих десятилетий кафедра ЭВМ Донецкого национального технического университета ведет разработки в области параллельного и распределенного программирования. По данной тематике были защищены магистерские работы, кандидатские и докторские диссертации.

Солонин А. Н. в магистерской работе занимался диагностикой систем автокоммутации параллельных вычислительных структур.
В кандидатской диссертации:
1. Представлена классификация видов обмена информацией в параллельной моделирующей среде и схема функционирования среды, которая базируется на объединении организации процессов обмена с этапами построения параллельных моделей динамических систем.
2. Предложен унифицированный подход к топологическому представлению технологических схем, структур автоматизации и сетевых объектов.
3. Разработан метод построения оптимальных, с минимизацией времени выполнения параллельных программ, определены формулы оценки критериев оптимальности программ, которые реализуют параллельные модели.
4. Предложена методика тестирования и система тестов MPI-библиотеки, которая обеспечивает получение данных, необходимых для решения задачи оптимизации программ параллельного моделирования.

Чепцов А. А. разработал MIMD-генератор и решатель уравнений, определил подходы к распараллеливанию алгоритмов моделирования процессов аэродинамического сетевого объекта с распределёнными параметрами.

Смагин А. Н. в магистерской диссертации выполнил разработку, отладку и экспериментальные исследования MIMD-модели, ориентированной на решение задач моделирования шахтных вентиляционных сетей (ШВС), которые рассматриваются как динамические объекты с сосредоточенными параметрами.

Макашов А.В. произвел анализ эффективности многошаговых многоточечных параллельных методов решения задачи Коши для обыкновенных дифференциальных уравнений.

Чайка М. А. занимался созданием и исследованием параллельной моделирующей среды, обеспечивающей топологический анализ, генерацию уравнений (систем уравнений), а также решение полученных уравнений с основным упором на целевую архитектуру параллельного вычислительного комплекса NEC SX-8.

Скворцов П. В. «Разработка и исследование решателя уравнений параллельной моделирующей среды на основе OpenMP-стандарта».

Харьковский национальный университет радиоэлектроники. Кафедра автоматизации проектирования вычислительной техники

Запорожский национальный технический университет. Kафедра компьютерных систем и сетей

Таврический национальный университет. Kафедра компьютерной инженерии.

Киевский национальный университет им. Т.Г. Шевченко.

High Performance Computing Center Stuttgart (HLRS) of the University of Stuttgart

Институт параллельных и распределенных систем IPVS (Германия, Штутгарт).
Основное направление деятельности: разработка распределенных параллельных моделирующих сред для сложных динамических объектов.

Институт высокопроизводительных вычислений IHR .(Германия, Штутгарт)
Основное направление деятельности: разработка проблемно-ориентированных параллельных и моделирующих сред для сетевых динамических систем с распределенными параметрами.

Max-Plank институт MPI(Германия, Магдебург).
Институт сложных динамических технических систем.

Kафедрa математического обеспечения ЭВМ
Нижегородского университета. Содержит большое количество материалов по проблематике параллельных вычислений.

Несмотря на достигнутые успехи в развитии и внедрении ПМС, она остается еще мало исследованным объектом разработки и реализации. Создание параллельной среды, ориентированной на моделирование сетевых динамических объектов с сосредоточенными параметрами позволит повысить дружественность средств моделирования к пользователям и обеспечить эффективную модельную поддержку исследования, проектирования и автоматизации СДОCП.

1. IPVR–FRTI MIMD-Modell des Netzobjektes mit konzentrierten Parametern

2. Anoprienko A.J., Svjatnyj V.A., Braunl T., Reuter A., Zeitz M.: Massiv parallele Simulationsumgebung fur dynamische Systeme mit konzentrierten und verteilten Parametern. 9. Symposium ASIM’94, Tagungsband, Vieweg, 1994, S. 183-188.

3. http://www.computerbase.de/lexikon/Parallele_Programmierung
Основные понятия и термины параллельного программирования.

4. Святний В.А. Паралельне моделювання складних динамічних систем // Моделирование ­– 2006: Международная конференция. Киев, 2006 г. – Киев, 2006. – С. 83–90.

5. Стан та перспективи розробок паралельних моделюючих середовищ для складних динамічних систем з розподіленими та зосередженими параметрами.

6. Бройнль Т. Паралельне програмування: Початковий курс: Навч. посiбник / Переклад з нiм. В. А. Святного. – К.: Вища шк., 1997. – 358 с.

7. Хьюз К., Хьюз Т. Параллельное и распределенное программирование на С++ / Пер. с англ. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2004. – 672 с.: ил.

8. Бондарева Е. С. Генератор уравнений параллельной моделирующей среды для технологических процессов // Проблемы моделирования и автоматизации проектирования динамических систем: Сб. научн. тр. ДонНТУ, вып.6, Донецк, 2007.