Терентьєв В'ячеслав Юрійович

Факультет комп'ютерних наук і технологій
Спеціальність: Системне программування

Науковий керівник: Святний Володимир Андрійович

Реферат з теми випускної роботи

Розробка та дослідження клієнтського інтерфейсу підсистеми візуалізації розподіленого паралельного моделюючого середовища

Вступ

Актуальність

Наука і технології не стоять на місці - вони стрімко розвиваються в усіх галузях людської діяльності. При цьому майже будь-яка розробка або дослідження потребують експериментальне підтвердження своїх результатів. Часто технічно неможливо або не доцільно проводити експерименти. У цьому випадку необхідна побудова моделі та моделювання в певному середовищі.

Багато галузей науки і техніки досягли вже такого рівня розвитку, що звичайні однопоточні моделюючі середовища не можуть впоратися з часовими або деталізуючими вимогами моделювання. Таким чином - необхідно впровадження нових методів моделювання і побудови моделюючих середовищ. Однією з систем, яка виконує більшість технологічних запитів, є - розподілене паралельне моделююче середовище (РПМС).

Одним з важливих моментів при проведенні чисельних експериментів є візуалізація отриманих даних і взаємодія з користувачем. Коли проміжних результатів замало, наприклад важливо відобразити лише факт закінчення чергової ітерації. Однак найчастіше виникає необхідність візуалізувати проміжні результати, отримані після закінчення кожної окремої ітерації. Іноді отримана картинка може вплинути на рішення про доцільність подальшого рахунку. Наприклад, якщо побачена динаміка процесу далека від очікуваної, то це може свідчити про можливі помилки в чисельному алгоритмі або невірних початкових і граничних умовах завдання.

Цілі і завдання

Метою роботи є розробка моделюючого програмного забезпечення, яке реалізує функції клієнтського інтерфейсу підсистеми візуалізації РПМС, яке дозволить поліпшити дружність РПМС до користувачів і розробникам моделей і розширити сферу застосування засобів паралельного моделювання в різних предметних областях.

Новими завданнями цієї проблеми є розгляд РПМС як об'єкта діалогу користувача і розробника моделей (експерта предметної області) з багатоплановими ресурсами середовища, а також візуалізація проміжних і кінцевих результатів обчислень. Теоретичне обґрунтування та розробка засобів ефективної підтримки цього діалогу на всіх етапах побудови різнопланових моделей і візуалізації результатів моделювання динамічних систем.

Основні завдання, які підлягають вирішенню:

1. Аналіз стану розробок моделюючого програмного забезпечення РПМС.
2. Розробка концепції підсистеми (вимоги, функції, структура технічних і програмних засобів).
3. Розробка алгоритмів, структур, підходів даної підсистеми.
4. Імплементація та експериментальні дослідження підсистеми у складі версії РПМС.

Наукова новизна

Будуть розроблені нові підходи до розпаралелювання, розвинуто методику побудови складних динамічних систем у рамках функцій підсистеми, експериментально підтверджено доцільність декомпозиції РПМС на підсистеми і працездатність моделюючого програмного забезпечення.

Плановані практичні результати

Планується побудова експериментального зразка системи, а також використання моделюючого програмного забезпечення підсистеми в навчальному процесі та в складі діючої РПМС.

Декомпозиція на підсистеми

Розподілене паралельне моделююче середовище (РПМС) є доброзичливою до користувача моделюючою системною організацією паралельних апаратних засобів, архітектурно-залежного програмного забезпечення, зокрема, спеціально розробленого моделюючого програмного забезпечення, що складається з моделюючих та системних підсистем, яка підтримує всі етапи паралельного моделювання складних динамічних систем з зосередженими (СДСЗП) і розподіленими (СДСРП) параметрами з найбільш повним урахуванням сучасних вимог.

Виходячи з визначення, РПМС складається зі спеціалізованих підсистем, які відповідають за певні функції, що реалізують всі етапи паралельного моделювання. Підсистеми РПМС:

1. Підсистема діалогу (організація роботи підсистем, інтерактивне навчання користувача).
2. Підсистема топологічного аналізу (аналіз поточної топології, підготовка вхідних даних для генератора рівнянь).
3. Підсистема генератора рівнянь (генерування рівнянь).
4. Підсистема віртуальних моделей (опис віртуальних моделей в залежності від цільової архітектури, апріорний аналіз).
5. Підсистема паралельного розв'язувача рівнянь (рішення рівнянь певним методом).
6. Підсистема обміну даними (забезпечення обміном даними, а також його контроль).
7. Підсистема балансування завантаження (регулювання завантаження окремих вузлів).
8. Підсистема візуалізації (забезпечення відображення інформації, підтримка GUI).
9. Підсистема бази даних (доступ до даних, зберігання даних).
10. Підсистема ІТ-підтримки (взаємодія з клієнтським програмним забезпеченням і браузерною частиною).

Таке розкладання було запропоновано виходячи з функцій і вимог до розподіленого паралельного моделюючого середовища, що пред'являються сучасними умовами моделювання різних процесів, а також цільовою архітектурою.

Основні функції підсистеми візуалізації

Підсистема візуалізації РПМС відповідає за всі дії, пов'язані з відображенням для користувача необхідної йому інформації. Звідси випливає, що основними функціями підсистеми є:

1. Візуалізація проміжних і результуючих даних обчислень:
   • відображення тексту і таблиць;
   • відображення графіків, графів, технологічних схем і моделей в 2D-поданні;
   • відображення графіків, графів, технологічних схем і моделей в 3D-поданні.
2. Реалізація графічного інтерфейсу користувача (Graphic User Interface - GUI):
   • відображення діалогових вікон;
   • Видача повідомлень, що вимагають безпосередньої уваги користувача (інформаційні повідомлення, повідомлення помилок і попереджень).

Структура та взаємодія з іншими підсистемами

Серед сучасних інформаційних технологій (ІТ) домінує Інтернет. Глобальний доступ, незалежність від платформ, мінімізація технічного обслуговування, можливість повторного використання та функціональна сумісність - ось його основні аспекти та вимоги.

Інтеграція веб-технологій та технологій моделювання забезпечує нову методологію для розв'язання проблем побудови моделей з радикально зниженим обсягом робіт. Такий спосіб моделювання називається веб-базованим моделюванням, яке являє собою поєднання методологій комп'ютерного моделювання та програм у "Всесвітній Павутині" (World-Wide Web, WWW).

Користувачеві необхідно встановити клієнтську програму, яка буде з'єднаються з веб-сервером, який є точкою входу на супер-ЕОМ. Потім веб-сервер, отримавши заявку від користувача, обробить її на кластері і передасть необхідні дані клієнтського комп'ютера, на якому власне і буде проводитися візуалізація отриманих даних. Дані можуть змінюватися безперервно з затримкою тільки на виконання моделі і на час передачі даних через Інтернет. Узагальнена схема представлена на рис. 1.

Рисунок 1 - Віддалене моделювання та передача даних (Анімація: розмір - 131 Кб, кіл. кадрів - 5, затримка між кадрами - 0,9 с)

З функцій видно, що підсистема візуалізації тісно взаємодіє з підсистемою ІТ-підтримки. Але насправді за допомогою ІТ-підтримки підсистема візуалізації взаємодіє практично з усіма підсистемами РПМС. Взаємодія підсистеми візуалізації з іншими підсистемами зображено на рис. 2.

Рисунок 2 - Взаємодія з іншими підсистемами

Вимоги до реалізації підсистеми

У сучасному світі до перспективних апаратно-програмних засобів та мов моделювання пред'являються наступні вимоги:

1. Дружність до користувача - спеціаліста предметної області, який розробляє і досліджує моделі динамічних систем. Ця вимога передбачає певний стиль розробки засобів моделювання: вони повинні бути такими, щоб користувач міг зосередитися на проблемах моделювання у своїй галузі знань, а не на необхідності освоювати апаратно-програмні ресурси, складність яких адекватна складності об'єктів моделювання.
2. Високоінтелектуальний графічний інтерфейс користувача на всіх етапах моделювання динамічних систем (ДС):
   • специфікація об'єктів моделювання мовними засобами, зрозумілими експертами предметних областей;
   • топологічний аналіз специфікацій і автоматичне генерування формальних відображень структури та параметрів ДС;
   • автоматичне генерування рівнянь ДС за даними топологічного аналізу та надання їм форми, яка є придатною для чисельного рішення;
   • вирішення рівнянь чисельними методами, які обираються розробником моделі;
   • проведення модельних експериментів по програмі дослідження ДС;
   • візуалізація та документування результатів моделювання;
   • архівація моделей ДС з метою їх повторного використання у дослідженнях.
3. Можливість моделювати ДС реальної складності та вирішувати при цьому завдання реального часу з можливим підключенням до моделей частин динамічних систем, які виготовляються в міру виконання проекту.
4. Можливість інтеграції з методами автоматизованого проектування, модельна підтримка всіх етапів проектних робіт по створенню динамічних систем.
5. Об'єктна орієнтація і системна організація на основі нових інформаційних технологій з включенням паралельних ЕОМ високої продуктивності.
6. Моделювання динамічних систем з розподіленими параметрами (ДСРП) і з зосередженими параметрами (ДСЗП) на загальній методичній основі, можливість побудови об'єктно- і проблемно-орієнтованих методів моделювання.
7. Наявність ефективних методів навчання користувачів, застосування моделей у режимі тренажерів.

Аналіз цих вимог дозволяє зробити висновок, що є необхідність у розробці проблемно-орієнтованого паралельного моделюючого середовища (ПОПМС). Проблемна орієнтація середовища повинна полягати в дружньому для користувача описі об'єкта моделювання та завдань, які вирішуються, в специфічному поданні результатів моделювання, а також в загальному складанні інтерфейсу користувача. Будучи новою формою системної організації роботи паралельних обчислювальних ресурсів, ПОПМС є актуальним об'єктом досліджень і розробок в сучасному моделюванні.

Огляд досліджень у Донецькому національному технічному університеті

Дослідження за темою "розподіленого паралельного моделюючого середовища" в ДонНТУ ведуться давно і завдяки цьому були досягнуті добрі результати. У даному напрямку займалися багато викладачів, магістрів, аспірантів та студентів. У числі вищеперелічених такі викладачі як Фельдман Л.П., Святний В.А., Анопрієнко А.Я., Молдованова О.В., Солонін А.М., Надєєв Д.В., Бондарева О.С., Гусєва А. Б., а також магістри Степанов І.С., Стародубцев Д.М., Меренков О.В., Дудін Т.С., Войтенко А.В., Войтов А.В. та інші.

Завдяки дисертаціям, магістерським роботам і статтями, написаним цими людьми, були отримані нові вирішення актуальних проблем у галузі паралельного моделювання.

Огляд досліджень в Україні

В Україні ця тема не нова, цим напрямком займаються такі університети як Донецький національний технічний університет, Київський політехнічний інститут та інші. Зокрема такі автори як Томашевський В.М., Жданова Є.Г., Жолдак А.А., які у своїх роботах розглядають практичні завдання комп'ютерного моделювання (у т.ч. СДС).

Огляд досліджень у світі

Тема паралельного моделювання дуже актуальна зараз у світі, так як все більше і більше досліджень і експериментів неможливо без попереднього моделювання і взагалі без нього. Провідними країнами з розвитку паралельного моделювання та розробці моделюючих систем є Сполучені Штати Америки, Великобританія, Німеччина та Україна. Також останнім часом цьому питанню стали більше приділяти увагу та інші розвинені країни.

Висновок

У роботі був проведений комплексний аналіз функціональності підсистеми візуалізації (ПВ) розподіленого паралельного моделюючого середовища. В якості теоретичної частини, запропонована структура ПВ РПМС, яка забезпечує системну організацію засобів моделювання РПМС та їх взаємодія при виконанні всіх етапів побудови і дослідження моделей ДС, а також при спостереженні та управлінні реальними об'єктами. Розроблено загальну концепцію та набір основних функцій ПВ.

Запропонована концепція підсистеми візуалізації розподіленого паралельного моделюючого середовища як форми системної організації засобів моделювання ДСЗП і ДСРП відкриває позитивні перспективи ефективного використання наявних сучасних паралельних обчислювальних ресурсів та комплексного вирішення проблеми.

Підсистема візуалізації грає важливу роль в комплексному функціонуванні РПМС, тому що вона реалізує діалог з користувачем і відображає дані, які необхідно обробляти або аналізувати. Таким чином, дослідження і розробка цієї підсистеми - це ще один крок постійного розвитку РПМС і систем моделювання в цілому.

Література

1. 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.
2. Святний В.А. Паралельне моделювання складних динамічних систем // Моделирование - 2006: Международная конференция. Киев, 2006 г. - Киев, 2006. - С. 83-90.
3. Стан та перспективи розробок паралельних моделюючих середовищ для складних динамічних систем з розподіленими та зосередженими параметрами [Електроний ресурс] / В.А Святний, О.В. Молдованова, А.М. Чут // "Паралельне моделювання 2008" - Электрон. дан. - Режим доступа: http://www.nbuv.gov.ua/portal/natural/Npdntu/2008/ikot/08svasgt.pdf, свободный. - Загл. с экрана.
4. Аноприенко А. Я., Святный В. А. Универсальные моделирующие среды // Сборник трудов факультета вычислительной техники и информатики. Вып.1. - Донецк: ДонГТУ. - 1996. - С. 8-23.
5. Розподілене паралельне моделююче середовище [Електроний ресурс] / И.С. Степанов - Электрон. дан. - Режим доступа: http://masters.donntu.ru/2001/fvti/stepanov/thesis/index.htm, свободный. - Загл. с экрана.
6. Автореферат магистерской работы по теме "Разработка и организация подсистемы баз данных распределенной параллельной моделирующей среды (РПМС)" [Електроний ресурс] / А.В. Меренков - Электрон. дан. - Режим доступа: http://masters.donntu.ru/2010/fknt/merenkov/diss/index.htm, свободный. - Загл. с экрана.
7. Разработка и исследование решателя уравнений параллельной моделирующей среды на основе OpenMP-стандарта [Електроний ресурс] / П.В. Скворцов — Электрон. дан. — Режим доступа: http://www.masters.donntu.ru/2007/fvti/skvortsov/diss/index.htm, свободный. — Загл. с экрана.
8. Forschungsgebiet: parallele Simulationstechnik [Електроний ресурс] / L. P. Feldmann, V. A. Svjatnyj, M. Resch, M. Zeitz — Электрон. дан. — Режим доступа: http://www.nbuv.gov.ua/portal/natural/Npdntu/Pm/2008/08flpfps.pdf, свободный. — Загл. с экрана.
9. Стан та перспективи розробок паралельних моделюючих середовищ для складних динамічних систем з розподіленими та зосередженими параметрами [Електроний ресурс] / В.А Святний, О.В. Молдованова, А.М. Чут // «Паралельне моделювання 2008» — Электрон. дан. — Режим доступа: http://www.nbuv.gov.ua/portal/natural/Npdntu/2008/ikot/08svasgt.pdf , свободный. — Загл. с экрана.
10. Автореферат магистерской работы по теме «Разработка параллельного MIMD-симулятора, 2 уровень распараллеливания» [Електроний ресурс] / А.В. Войтов — Электрон. дан. — Режим доступа: http://masters.donntu.ru/2009/fvti/voitov/diss/index.htm, свободный. — Загл. с экрана.

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2011 р. Повний текст роботи і матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.