Проблемно-ориентированная параллельная моделирующая среда

Авторы: Feldman L.P., Svjatnyj V.A., Moldovanova O.V. (Nationale technische Universitat Donezk), Resch M., Kuster U. (Hochstleistungsrechenzentrum Stuttgart).
Оригинальное название: Problemorientierte parallele Simulationsumgebung
Перевод: Скорич В.И.
Источник: http://ea.donntu.ru:8080/jspui/bitstream/123456789/15779/1/145-150.pdf

Краткий обзор работы

В связи со сложностью технологических сетей в таких предметных областях как моделирование объектов с распределенными параметрами, предлагается разработка проблемно-ориентированной параллельной моделирующей среды (ПОПМС). В статье представлена структурная организация ПОПМС, параллельные алгоритмы и программное обеспечение для моделирования, а также результаты имплементации и перспективы применения. Концепция моделирующей среды объединяет различные аспекты процесса моделирования, аппаратных ресурсов, системного программного обеспечения и моделирующего программного обеспечения, которые поддерживают все этапы моделирования.

1. Введение

Объектами моделирования с распределенными параметрами являются функционирующие в различных предметных областях технологические сети. Из-за нелинейности, больших размеров первоначальных и дискретизированных топологий сети, большого разнообразия физических динамических процессов, а также необходимости применения из-за этого сложных систем дифференциальных уравнений, данные сетевые объекты относят к сложным динамическим системам. Системный подход к моделированию таких систем рассматривается в качестве важного объекта исследований и разработок в области параллельного моделирования [1], которая предлагает новую системную организацию средств моделирования в виде проблемно-ориентированной параллельной моделирующей среды (ПОПМС) на основе сформулированных требований, специфичных для конкретного сетевого объекта. Концепция ПОПМС была предложена в рамках сотрудничества факультета КНТ с институтами TSR, IPVS, HLRS Университета Штутгарта.

2. Структура параллельной моделирующей среды

Проблемно-ориентированная параллельная моделирующая среда для сетевых динамических объектов с распределенными параметрами (СДОРП) – это система, состоящая из параллельных вычислительных ресурсов, рабочих мест, периферийных устройств, системного и моделирующего программного обеспечения, которая поддерживает как разработку модели, так и ее исследование. Проблемная ориентированность моделирующей среды состоит в удобном для пользователя описании сетевого объекта, специфическом представлении результатов моделирования, выборе эффективных методов визуализации, а также в разработке проблемно-ориентированного программного обеспечения и интерфейса пользователя.

К параллельным ресурсам относятся вычислительные системы MIMD-архитектуры, а также кластеры ПК. Доступ к аппаратному обеспечению осуществляется по сети с рабочих мест пользователей. Периферийное оборудование регистрирует и визуализирует результаты моделирования. Веб-сервер позволяет реализовать клиент-серверную модель в контексте моделирования сетевого динамического объекта с распределенными параметрами.

Веб-моделирование основывается на принципе удаленного моделирования [3]. Common Gateway Interface (CGI) поддерживает передачу данных по сети и запуск CGI-скриптов на сервере. CGI-скрипты реализуются с использованием языка программирования С++ (рис. 2). CGI-скрипт запускает моделирование, формирует результаты в виде HTML-страницы и возвращает ее пользователю.

Системное программное обеспечение ПОПМС включает параллельную операционную систему MIMD-вычислителя, систему параллельного программирования, веб-ориентированный интерфейс пользователя, систему управления базами данных, а также системное программное обеспечение периферийных устройств.

Моделирующее программное обеспечение ПОПМС состоит из следующих основных компонентов: программное обеспечение для моделирования СДОРП, подсистема связи, подсистема авторизации пользователей, подсистема управления пользователями, подсистема визуализации, а также база данных моделей и их параметров. Все эти программные компоненты обеспечиваются веб-ориентированным пользовательским интерфейсом для разработчиков модели.

3. Моделирующее программное обеспечение СДОРП

Программное обеспечение для моделирования СДОРП разрабатывается в виде интегрированных программных компонентов (топологического анализатора, генератора уравнений и решателя уравнений на основе различных численных методов), имплементируется и экспериментально исследуется.

Топологический анализатор предоставляет необходимую информацию о первоначальной дискретизированной сетевой топологии для создания имитационной модели.

Генератор уравнений – это программа, которая на основе предоставленных топологическим анализатором данных и информации составляет уравнения СДОРП и трансформирует их в обычные и виртуальные параллельные модели. Реализация топологического анализатора и генератора уравнений СДОРП должна обеспечивать компьютерное моделирование объектов рассматриваемого класса. Реализация осуществляется на языке С++.

Решатель уравнений представляет собой программу, которая осуществляет циклическое выполнение алгоритма численного решения сгенерированной матричной системы уравнений. На основе требований к ПОПМС алгоритм решения представляется таким образом, что пользователь имеет возможность выбора из нескольких параллельных реализаций различных численных методов. Это численные методы Рунге-Кутта (4-го порядка) и Адамса-Башфорта (2-го порядка), которые реализованы в современных языках моделирования. Их применение в ПОПМС исходит из принципа преемственности параллельных сред моделирования с последовательными средствами моделирования сетевых динамических объектов. Кроме того для моделирования применяется блочный двухточечный одношаговый разностный метод. Для систем обычных дифференциальных уравнений метод имеет следующий вид [4]:

Здесь n – номер блока;

q – номер уравнения;

τ – интервал между точками блока;

Нелинейная система уравнений (1) решается с помощью следующего итерационного метода:

Здесь s – номер итерации.

Были исследованы возможные подходы к распараллеливанию [2] для разработки параллельной модели СДОРП. Решатель уравнений был реализован при помощи языка С++ и библиотеки MPI. Для распараллеливания была выбрана SPMD-организация решателей.

Результаты моделирования сохраняются в текстовых файлах. Специальный CGI-скрипт преобразовывает данные из текстовых файлов в GIF-формат при помощи программы GNUPlot, а затем создает HTML-страницу с графическим представлением результатов.

4. Выводы

ПОПМС была реализована авторами в виде распределенной системы с параллельными вычислительными ресурсами и экспериментально исследована. В качестве динамических моделируемых объектов рассматривались сети шахтной вентиляции с распределенными параметрами. Анализ результатов моделирования показывает, что ПОПМС работоспособна, ее структурные компоненты корректно выполняют предопределенные функции, реализована компьютерная поддержка разработки модели сетевого объекта, предложенные подходы к распараллеливанию служат базой для разработки параллельных алгоритмов моделирования и упорядочивания процессоров. ПОПМС могут быть использованы в угольной промышленности для модельной поддержки разработки систем автоматизации шахтной вентиляции и для преподавания в университетах.

Список источников

1. L. Feldmann, V. Svjatnyj, V. Lapko, E.-D. Gilles, A. Reuter, K. Rothermel, M. Zeitz: Parallele Simulationstechnik.- Problems of Simulation and Computer-Aided Design of Dy-namic Systems. Collected Volume of scientific papers. Donetsk State Technical University, Donetsk, 1999, 9 – 19.
2. Svjatnyj, V.A., Moldovanova, O.V., Tschepzov, A.A., Zeitz, M., Rothermel, K.: Generierung und parallele Losung von Simulationsmodellen fur Netzobjekte mit verteilten Parametern. In: R. Hohmann (Hrsg.), Tagungsband 17. ASIM-Symposium Simulationstechnik, Magdeburg 2003, SCS 2003, S. 193 – 198. 14. Symposium ASIM'2000, Tagungsband, SCS, 2000, 235 – 240.
3. Lorenz,P., Schriber, T.J., Dorwarth, H., Ritter, K.-C.: Towards a web based simulation environment. Proceedings of the 29th conference on Winter simulation. p. 1338-1344. December 07-10, 1997. Atlanta, Georgia, United States.
4. Feldmann, L.P., Svjatnyj, V.A.: Stabilitat von parallelen Simulationsverfahren fur dynamische Systeme mit konzentrierten Parametern. In: R. Hohmann (Hrsg.), Tagungsband 17. ASIM-Symposium Simulationstechnik, Magdeburg 2003, SCS 2003, S.