Подсистема топологического анализа в распределенной параллельной моделирующей среде
Авторы: Мирошниченко К.В., Молодых А.Г.
Источник: Інформатика і комп'ютерні технології — 23-25
листопада 2010 / Електроний збірник VI міжнародної науково-технічної конференції
студентів, аспірантів та молодих науковців. — Донецьк, ДонНТУ —
2010.
1. Введение
Математическая модель сложной динамической системы (СДС) включает формальное представление ее топологии и систему уравнений, описывающих физическую природу динамических процессов. Топологическая составляющая модели требует значительных затрат времени квалифицированных экспертов предметных областей по графическому, визуальному описанию элементов топологии СДС и связей между ними, по правильному кодированию топологий и построению топологических характеристик, которые в явном или трансформированном виде входят в математическое описание СДС. Эта работа требует активной компьютерной поддержки. В докладе рассматриваются основные вопросы построения подсистемы топологического анализа (ТА), призванной решать задачи по работе с топологиями СДС в составе распределенной параллельной моделирующей среды (РПМС).
2. Определение и функции подсистемы топологического анализа
Подсистема топологического анализа – это часть аппаратных, системных и прикладных средств РПМС, которые обеспечивают компьютерную поддержку работы экспертов предметных областей (разработчиков параллельных моделей СДС) с топологической составляющей моделируемых СДС от исходного представления топологий до их формализации.
Сформулированы следующие функции подсистемы:
- Ввод исходных данных, описывающих топологию динамического объекта и
уравнений ее компонент:
- Получение исходных подготовленных данных описания СДС из подсистемы диалога (управления).
- Чтение и анализ (проверка корректности) данных из специализированного файла, полученного непосредственно от пользователя через подсистему диалога.
- Описание с помощью языка спецификации объектов моделирования на технологическом уровне (например, DIANA – Dynamic sImulation And Numerical Analysis tool).
- Процесс топологического анализа:
- Разбиение графов на дерево/антидерево и генерирование на их основе матриц инцидентности и контуров.
- Декомпозиция технологических схем и структурных схем автоматизации на компоненты, которые больше не разделяются.
- Создание иерархий компонент технологических схем и структурных схем автоматизации.
- Переход к вторичной топологии и составление матриц, необходимых подсистеме генерирования уравнений.
- Предоставление возможностей другим подсистемам по переводу различных видов представления графов (мультиграф, гиперграф).
- Перевод полученных результатов в вид, пригодный для использования другими подсистемами, и их возврат в подсистему диалога (управления).
3. Основные требования к подсистеме
Требования к подсистеме топологического анализа можно сформулировать следующим образом:
Сформулированы следующие функции подсистемы:
- Поддержка различных видов топологий, задаваемых пользователем в качестве входных данных, которые описывают определенный динамический сетевой объект, технологический процесс, либо структурную схему автоматизации (обработка матриц, графов).
- Поддержка возможности задания исходных данных о топологии модели динамического объекта и уравнений, описывающих ее компоненты, в различной форме: передача напрямую из подсистемы диалога в виде готовой матрицы либо описания графа, обработка специализированных загружаемых напрямую файлов (например, Excel).
- Проверка корректности исходных данных и выдача подробных ошибок подсистеме диалога с целью предоставления пользователю помощи по их устранению.
- Возможность обработки динамических объектов и технологических процессов реальной сложности с учетом их реальных физических свойств.
- Реализация алгоритмов топологического анализа с использованием современных средств и технологий проектирования программного обеспечения (в частности, использование средств библиотек MPI для распараллеливания отдельных частей алгоритмов на кластере).
- Переносимость разработанного программного обеспечения для возможности запуска на различном аппаратном обеспечении.
Состав функций топологического анализатора приведен на рис. 1.
Рисунок 1 – Состав функций подсистемы
топологического анализа
Входными параметрами топологического анализатора являются различные варианты описания первичных топологий, которые программно приводятся к наиболее удобному внутреннему представлению. В зависимости от вида топологии выполняются различные преобразования для получения представлений, наиболее подходящих для обработки подсистемой генератора уравнений. Для технологических схем и структурных схем автоматизации производится декомпозиция на компоненты, которые больше не разделяются, в результате чего создаются наборы иерархий для каждой из топологий. Для динамического сетевого объекта производится кодирование графа, после чего производится расчет гранулярности и формирование вторичной топологии.
4. Задачи разработки и исследования подсистемы топологического анализа
Намечены следующие задачи:
- Спецификация входных данных для моделирования с возможностью их последующей декомпозиции.
- Разработка алгоритмов декомпозиции технологических схем и структурных схем автоматизации.
- Разработка алгоритмов кодирования динамических сетевых объектов.
- Разработка высокоскоростных алгоритмов получения первичных и вторичных топологий.
- Расчет гранулярности и создание вторичных топологий.
- Реализация алгоритмов преобразований различных представлений графов.
- Спецификация выходных данных для передачи в другие подсистемы.
Имплементация алгоритмов в составе топологического анализатора – программного модуля распределенной параллельной моделирующей среды, который в автоматическом режиме на основе заданных графов, технологических схем и уравнений, описывающих исходную топологию динамического объекта, производит подготовку информации о связях между элементарными блоками для последующих подсистем, решающих задачи построения параллельных моделей.
5. Роль подсистемы топологического анализа в общем процессе моделирования сложной динамической системы
Подсистема топологического анализа является одним из этапов, звеньев разработки параллельных моделей сложных динамических систем и взаимосвязана с другими подсистемами.
В рассматриваемой структуре разрабатываемой системы топологический анализатор находится в тесной взаимосвязи с подсистемой диалога (управления), которая обеспечивает передачу входных данных для обработки и сохранения результатов для дальнейших этапов (других подсистем). Данная взаимосвязь изображена на рис. 2.
Рисунок 2 – Взаимодействие с подсистемами
РПМС
В цепочке построения модели технологического процесса, динамического сетевого объекта и структурной схемы автоматизации (рис. 3) топологический анализатор стоит на первом месте, принимая входные данные, описывающие топологию объекта и уравнения ее компонент. Результаты топологического анализа поступают на подсистему генерирования уравнений. Сгенерированные в результате работы уравнения передаются в подсистему виртуальных параллельных симуляционных моделей. Данные из этой подсистемы получает решатель уравнений, который воспроизводит поведение моделируемого динамического объекта и передает результаты решений в подсистемы визуализации и диалога для визуального отображения пользователю.
Рисунок 3 – Подсистема ТА в общем процессе
моделирования СДС
6. Выводы
В работе дано определение подсистемы топологического анализа, сформулированы ее функции в рамках разрабатываемой общей распределенной параллельной моделирующей среды. Выработана модель взаимодействия подсистем между собой. Составлен ряд возможных способов задания входных данных, описывающих топологию динамического объекта, и форм выдаваемых результатов в ходе топологического анализа, которые будут передаваться последующим подсистемам РПМС. Определены требования к подсистеме, намечены задачи, программные средства и технологии ее разработки.
Литература
- Святний В.А. Паралельне моделювання складних динамічних систем // Моделирование – 2006: Международная конференция. Киев, 2006 г. – Киев, 2006. – С. 83–90.
- Бондарева К.С. Топологічний аналізатор технологічно орієнтованого паралельного моделюючого середовища / В.А.Святный, К.С. Бондарева // Наукові праці ДонНТУ, серія МАП. – Донецьк, 2005. – №78. – С.5-12.
- Feldmann L., Svjatnyj V., Lapko V., Gilles E.-D., Reuter A., Rothermel K., Zeitz M. Parallele Simulationstechnik. // Научные труды ДонГТУ, серия «Проблемы моделирования и автоматизации проектирования динамических систем», вып. 10. – Донецк, 1999. – С. 9–19.
- Святний В.А., Молдованова О.В., Перерва А.О. Проблемно орієнтоване паралельне моделююче середовище для динамічних мережних об'єктів. // Наукові праці ДонДТУ, серія «Інформатiка, кибернетика та обчислювальна технiка», вип. 29. – Донецьк, 2001. – С. 246–253.