Макогон Володимир Миколайович

Факультет комп'ютерних наук і технологій
Спеціальність: Системне програмування

Науковий керівник: Святний Володимир Андрійович

Реферат з теми випускної роботи

Організація підсистеми діалогу в розподіленому паралельному моделюючому середовищі

В даний час складність завдань, які постають перед усіма галузями науки і техніки, постійно зростає. Усе частіше людина стикається з необхідністю використання моделей складних динамічних систем (СДС) з метою отримання найкращого рішення, або для моделювання ситуацій, коли система виходить з ладу (події березня 2011 року на АЕС Фукусіма в Японії ще раз показали, що без модельної підтримки людина опиняється абсолютно безпорадною перед обличчям стихії). Динамічна система - будь-який об'єкт або процес, в якому відбуваються однозначно визначені цілеспрямовані процеси зміни стану, що розглядаються як зміна сукупних величин в даний момент часу, що супроводжується зміною параметрів, станів протягом певного часу, для яких заданий закон, що описує зміну початкового стану з плином часу [3]. До складних динамічних систем можна віднести технологічні установки, лінії, автоматизовані технічні об'єкти, електростанції, термодинамічні установки, мережі трубопроводів і т. ін.

Застосування розпаралелювання при вирішенні СДС відкриває принципово нові можливості. Однак при такому підході виникають додаткові труднощі:
1) Головна проблема паралельного моделювання СДС - побудова розподілених паралельних моделюючих середовищ (РПМС), які будуть відповідати всім поставленим вимогам, мати інтерфейс для ефективної взаємодії з користувачем, дружній до самого користувача. Користувач-експерт предметної області ні в якому разі не повинен відволікатися від завдань своєї предметної області, і вдумуватися як в програмну, так і в апаратну архітектуру РПМС.
2) Необхідні найпотужніші обчислювальні ресурси. Виходячи з цього, темпи наукового-технічного прогресу залежать від рівня розвитку обчислювальної техніки, яка може забезпечити модельну підтримку різних завдань науки і техніки.

РПМС - системна організація розподілених паралельних обчислювальних архітектур, архітектурно залежного системного програмного забезпечення, спеціально розробленого моделюючого програмного забезпечення, що складається з умовних підсистем, які відповідають поставленим вимогам і підтримують всі етапи побудови та використання моделей складних динамічних систем з зосередженими та розподіленими параметрами [4].

Як виявилося в результаті аналізу існуючих розподілених паралельних моделюючих середовищ, організація зручного діалогу між користувачем, експертом предметної області та ресурсами РПМС є досить гострою проблемою. Інтерфейси, які надають сучасні проекти, такі як SEGL (проект інституту IHR та HLRS Штутгартського університету), DEISA і багато інших, не відрізняються дружністю до користувача. Дружність до користувача передбачає те, що фахівець предметної області може повністю зосередитися на виконанні свого завдання в термінах, зрозумілих йому (термінах його предметної області). При цьому, повинна здійснюватися високоінтелектуальна підтримка користувача на всіх етапах його роботи. Важливість якості інтерфейсу будь-якого програмного продукту підкреслив Джеф Раскін (творець проекту Apple "Макінтош" і один з головних спеціалістів по користувальницьких інтерфейсів) у своїй книзі "Інтерфейс: нові напрямки в проектуванні комп'ютерних систем": «Якщо індивідуальна взаємодія з деякою системою не проходить для користувача легко і комфортно, то в результаті цей недолік негативним чином відбивається на якості роботи всієї системи, незалежно від того, наскільки вона якісна в інших своїх проявах »[10]. Таким чином, розгляд РПМС як об'єкта діалогу користувача і розробника моделей (експерта предметної області) з багатоплановими ресурсами середовища, теоретичне обгрунтування та розробка засобів ефективної підтримки цього діалогу на всіх етапах побудови та застосування різнопланових моделей динамічних систем, є новим і дуже важливим завданням.

1. Масюк А.Л. Підсистема діалогу паралельного моделюючого середовища, орієнтованого на шахтні вентиляційні мережі / А.Л.Масюк. // Наукові праці ДонНТУ. Випуск 70. Серія ІКОТ: - Донецьк: ДонНТУ, 2003.
На локальному рівні лише деякі роботи стосуються діалогових засобів доступу до засобів паралельного моделювання. Найбільш повно підсистему діалогу розглянув Масюк А.Л. У його роботі обгрунтовано виділення підсистеми діалогу як окремої системної одиниці моделюючого середовища, сформульовані основні вимоги.
У роботі Масюка А.Л. було отримано такі наукові результати:

• Запропонована підсистема діалогу інтегрує ресурси проблемно-орієнтованого моделюючого середовища і систематизує розробку мовних засобів високого рівня, що забезпечують формування моделей динамічних систем [1];
• Розроблено загальну концепцію та набір основних функцій ПД [1];
• Розроблено діалогові алгоритми підтримки етапів моделювання та управління, які апробовані на багатозв'язному мережному об'єкті і можуть бути поширені на інші предметні області [1];
• Запропоновано і обгрунтовано ідею використання єдиного (універсального) формату опису моделі мережного динамічного об'єкта. Даний формат представляє об'єкт у вигляді ієрархії складових його підоб'єктів і виступає в ролі єдиного сховища даних, потрібних для різних представлень його моделі при вирішенні відповідних задач моделювання та управління [1];
• Запропоновано і обгрунтовано спосіб використання моделі безпосередньо при діалоговому управлінні мережним динамічним об'єктом, що відрізняється тим, що за допомогою засобів ПД експерт предметної області вмикається у контур моделі і в систему управління [1];
• Сформульовані, обгрунтовані і вирішені завдання побудови підсистем діалогу ПОМС є розвитком методів і засобів паралельного моделювання динамічних систем різних предметних областей [1].

Практична цінність роботи Масюка А.Л. також дуже велика, і полягає в розробц:

• Методів інтеграції послідовних та паралельних засобів моделювання ПОМС та створенні програмних компонентів, що дозволяють забезпечити однаковий доступ до них, візуальну побудову моделей, підтримку моделювання, управління та візуалізації результатів [1];
• Програмного забезпечення, що реалізує функції телеметрії та контролю параметрів об'єкта. ПО призначене для функціонування під управлінням ОС сімейства Microsoft Windows і Posix-сумісних ОС (Unix, Linux) [1];
• Засобів об'єктно-орієнтованого підходу до реалізації підсистеми діалогу ПОМС [1].

Основні думки дисертації та розроблене програмне забезпечення впроваджено в навчальний процес на кафедрі ЕОМ в ДонНТУ і використовуються при проведенні навчальних занять [1]. Більшість з теоретичних і практичних результатів, отриманих Масюком А.Л. можуть бути використані як основа для подальшого дослідження та удосконалення діалогових засобів взаємодії користувача-експерта предметної області з різними проблемно орієнтованими моделюючими середовищами.

2. Магістр ДонНТУ Брахнов П.Г.
Цією проблемою також займався Брахнов П.Г. Тема магістерської роботи: «Паралельне моделювання системи управління мережним динамічним об'єктом з зосередженими параметрами», 2008р. http://www.masters.donntu.ru/2008/fvti/brakhnov/diss/index.htm.
У роботі Брахнова П.Г. були отримані такі наукові результати:

• Визначено підсистема діалогу (ПД) як системна одиниця ПОМС, сформульовані вимоги до ПД [11];
• Розроблено функціональну та алгоритмічну структуру ПД ПОМС, орієнтовану на реалізацію в MIMD-системах [11];
• Розроблено функціональну та алгоритмічну структуру ПД ПОМС для діалогової підтримки [11];
• Виконано теоретичний аналіз і розробка методики роботи ПД ПОМС [11];
• Розроблено графічний дизайн ПД ПОМС, що реалізує візуальне спілкування розробника моделі з системою та потрібне відображення результатів моделювання [11];
• Виконана імплементація та експериментальні дослідження основних компонент ПД ПОМС [11].

DEISA (Distributed European Infrastructure for Supercomputing Applications) – проект, який об'єднує суперкомп'ютери Європейського Союзу. Проект DEISA підтримує європейські наукові дослідження, надаючи їм доступ до розподіленого суперкомп'ютерного середовища. У розподілену мережу суперкомп'ютерів об'єднані одинадцять суперкомп'ютерів з семи країн Європи [12]:

• Max Planck Gesellschaft, Німеччина;
• Bavarian Academy of Sciences and Humanities, Німеччина;
• Barcelona Supercomputing Center, Іспанія;
• CINECA, Італія;
• CSC, Scientific Computing Ltd, Фінляндія;
• European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, Великобританія;
• Julich Research Centre, Німеччина;
• Institut du Developpement et des Ressources en Informatique Scientifique (CNRS), Франція;
• Stichting Academisch Rekencentrum Amsterdam, Нідерланди;
• Edinburgh Parallel Computing Centre, Великобританія;
• High Performance Computing Center Stuttgart (HLRS), University of Stuttgart, Німеччина;

Інфраструктура DEISA об'єднана високошвидкісним (10 Гбіт / с) мережевим з'єднанням, яке надається провайдерами GEANT2 (офіційний сайт http://www.geant2.net/) - на європейському рівні, і NRENs - на національному рівні [12].
 Для того, щоб скористатися ресурсами суперкомп'ютерів DEISA, користувач повинен звернутися в один з інститутів-партнерів цього проекту. В інституті-партнері повинен бути встановлений пакет спеціальних програмних продуктів. Крім того, після отримання дозволу користувач повинен встановити на своєму комп'ютері певний програмний продукт, що становить певні незручності. Більш детальну інформацію про проект DEISA можна отримати на офіційному сайті http://www.deisa.eu/.

DIANA (Dynamic simulation and numerical analysis tool) – симулююче середовище, призначене для чисельного аналізу задач хімічної технології та системної біології. DIANA - «open source» проект магдебурзького інституту складних динамічних систем імені Макса Планка. Ключові складові системи DIANA: об'єктно-орієнтовані моделі, чисельне ядро, і використання скриптової мови Python як потужного інтерфейсу командної строки. Моделі створюються за допомогою інструменту ProMoT (Process Modeling Tool, офіційний сайт http://www.mpi-magdeburg.mpg.de/projects/promot) і перетворюються в C + + код, але можуть також бути керованими інтерактивно як звичайні об'єкти Python. ProMoT - програмне забезпечення, яке призначене для створення складних технічних і біологічних систем, та подальшого управління ними. Для застосувань, що відносяться до системної біології ProMoT використовує спеціальні модульні моделі та бібліотеки моделювання. Підтримка моделей обміну відповідає міжнародному стандарту SBML (Systems Biology Markup Language, офіційний сайт http://sbml.org/Main_Page). Більш детальну інформацію про проект DIANA можна отримати на офіційному сайті http://www.mpi-magdeburg.mpg.de/projects/diana.

DIVA (Dynamische Simulation verfahrenstechnischer Anlagen) – попередник DIANA - симулюче середовище, проект інституту ISR (в даний час ISYS) Штутгартського університету, який було започатковано у 1985 році. Чисельні алгоритми проекту DIVA були написані на мові Fortran, а інтерфейс з користувачем здійснювався за допомогою командної строки. Пізніше було створено GUI (graphic user interface) - розширення DIVA, яке забезпечує графічний діалоговий контроль симулятора, чисельних алгоритмів і моделі. Для імплементації та з'єднання GUI з DIVA-симулятором були застосовані технології Java і Corba [13].

SEGL (Science Experimental Grid Laboratory) – "open source" проект інституту IHR і HLRS Штутгартського університету для опису, перевірки, запуску, моніторингу та аналізу великих наукових і промислових експериментів, що вимагають високопродуктивних обчислень. Для опису експериментів SEGL використовує GriCol (Grid Concurrent Languge), який представляє весь експеримент як безліч блоків, які можна з'єднувати у довільній послідовності, пересилати між ними дані. Для виконання на високопродуктивних системах GriCol використовує «згортку» коду. Користувач «згортає» завдання в елемент рішення GriCol, який передається віддалено на суперкомп'ютер. Більш детальну інформацію про проект SEGL можна отримати на офіційному сайті http://segl.hlrs.de/.

Розробити моделююче програмне забезпечення, яке реалізує функції підсистеми діалогу РПМС, яке дозволить поліпшити дружність РПМС до користувача і розробника моделей і розширити сферу застосування засобів паралельного моделювання у різних предметних областях. Будуть розроблені нові підходи до розпаралелювання, розвинуто методику побудови моделей складних динамічних систем у рамках функцій підсистеми, експериментально підтверджено доцільність декомпозиції РПМС на підсистеми і працездатність моделюючого програмного забезпечення. Завдання:

• Аналіз стану розробок моделюючого програмного забезпечення (МПЗ);
• Розробка концепцій підсистеми (вимоги, функції, структура HW / SW-засобів);
• Розробка алгоритмів, структур, підходів, імплементація та експериментальне дослідження у складі версії РПМС.

Побудова експериментального зразка підсистеми; використання МПО у складі РПМС. Тема є складовою частиною наукового співробітництва кафедри КД з HLRS Штутгартського університету. Використання підсистеми в навчальному процесі та діючої РПМС: