Einleitung
Eine
Implementierung von mathematischen Modellen für komplexe
dynamische Systeme mit konzentrierten (DSKP) und mit verteilten
(DSVP) Parametern auf modernen parallelen Rechnerarchitekturen gehört
zu den aktuellen Forschungsproblemen der parallelen
Simulationstechnik. Die Entwicklung von parallelen DSKP- und
DSVP-Simulatoren für verschiedene Anwendungsfelder stehen im
Mittelpunkt einer engen Kooperation zwischen der NTDU und dem HLRS
auf dem Gebiet von verteilten parallelen Simulationsumgebungen [1].
In dem Beitrag werden Ansätze für virtuelle parallele
DSKP- und DSVP-Simulationsmodelle und zur Entwicklung von parallelen
Simulatoren betrachtet Insbesondere wird Devirtualisierungsvorgang
definiert und anhand von Beispielen erläutert.
Virtuelle
Simulationsmodelle
Die
formale DSKP- und DSVP-Modellierung in verschiedenen
Anwendungsfeldern umfasst als wesentlichen Komponenten die
Beschreibung der Topologie und des dynamischen Prozessverhaltens mit
Hilfe von partiellen und gewöhnlichen differential-algebraischen
Gleichungssystemen. Die DSKP- und DSVP-Simulationsmodelle werden als
örtlich diskretisiertes und zur numerischen Lösung geeignet
umgewandeltes Gleichungssystem definiert. Infolge der örtlichen
Diskretisierung ensteht eine sekundäre Topologie, die in der
Modellumwandlung eine wichtige Rolle spielt und im
Gleichungsgenerator berücksichtigt wird. Die DSKP- und
DSVP-Modellierung ist ein Vorgang, der die Etappen der
rechnergestützten Erstellung von Modellen und
Simulationsmodellen sowie ihre Implementierung umfasst. Diese Etappen
werden für die Topologien von verfahrenstechnischen
Fließbildern, automatisierungs-technischen Strukturen und
dynamischen Netzobjekten analysiert. Dabei wird vorausgesetzt, dass
dem Modellentwickler in dem jeweiligen Anwendungsfeld eine
hochentwickelte Benutzeroberfläche (BOF), ein
Topologieanalysator sowie ein Gleichungsgeneratoren zur Verfügung
stehen.
Virtuelle
parallele DSKP- und DSVP-Simulationsmodelle (VPSM) bilden eine
Abstraktion, die aus dem vorverarbeiteten Gleichungssystem und der
mit dem Parallelisierungsansatz erstellten Struktur von virtuellen
MIMD-Prozessen besteht. Ein virtueller MIMD-Prozess ist ein
weitgehend autonomes Programm, das dem Lösungsalgorithmus des
Gleichungsteilsysteme entspricht und über eine Schnittstelle mit
den benachbarten Prozessen kommuniziert. Die durch einen
Kommunikationsgraphen dargestellte logische Verbindungen zwischen den
virtuellen MIMD-Prozessen stellen ein virtuelles
Verbindungsnetzwerk dar. Die minimale Körnigkeit der
virtuellen Prozesse (VP) charakterisiert den Umfang der
Prozess-Berechnungsarbeiten und die VP-Menge. Sie ist von der
Dekomposition der Topologie und Modellgleichungen sowie der örtlichen
DSVP-Approximation abhängig. Bei der Dekomposition und
Approximation entstehen Teilsysteme, deren nicht zerlegbare Elementen
diskretisiert werden. Deshalb wird vorgeschlagen, die minimale
Körnigkeit der virtuellen Prozessen entsprechend der bei der
Dekomposition und Diskretisierung hergeleitete Simulationsgleichungen
zu definieren.
Die
mit der minimalen VP-Körnigkeit verbundenen Ansätze zur
DSKP- und DSVP-Parallelisierung führen auf die
Parallelitätsebenen der virtuellen parallelen
Simulationsmodelle. Nach der Auswahl der numerischen Verfahren werden
die den Parallelisierungsansätzen und den Parallelitätsebenen
zugeordneten virtuellen Simulationsmodelle und deren Blockdiagramme
erstellt.
Devirtualisierung
Die
Zielrechnerarchitektur ist die dem Modellentwickler zur Verfügung
stehende lose oder/und eng gekoppelte, nach MIMD-Prinzip
funktionierte, beschränkte heterogene Menge der installierten
vollfunktionellen Prozessoren mit lokalem oder/und gemeinsamem
Speicher und verfügbarem vordefiniertem programmgesteuertem
Verbindungsnetzwerk. Als paralleler Simulator für das
betrachtete komplexe dynamische System wird eine
Hardware/Software-Systemorganisation definiert, die den
Modellierungsvorgang und paralleles virtuelles Simulationsmodell auf
Zielrechnerarchitektur sofwaretechnisch effizient realisiert und den
Modellentwicklern sowie den Modellbenutzern eine benutzerfreundliche
Kommunikation mit den Modellierungs- und Simulationsressourcen
erlaubt. Die benötigte Devirtualisierung von virtuellen
parallelen Simulationsmodellen betrifft deren Umwandlung im Hinblick
auf die Simulatorrealisierung mit Hilfe der vorgegebenen
Zielrechnerarchitektur.
Hierzu
werden die einzelnen Entwicklungsetappen des
Devirtualisierungsvorgang auf parallelen DSKP- und DSVP-Simulatoren
vorgeschlagen. Ausgangspunkt der Entwicklung ist eine detaillierte
Darstellung der parallelen virtuellen Simulationsmodelle und
Parallelitätsebenen. Die weitere Schritte sind die
Apriori-Analyse und eine Optimierung der Lastverteilung zwischen den
virtuellen Prozessen unter Berücksichtigung der
Datenaustauschoperationen im Vergleich zu dem Umfang der
Rechenoperationen.
Dabei
werden die zur Implementierung geeigneten optimierten virtuellen
Simulationsmodelle ausgewählt und deren Kommunikationsgraphen
definiert. Außerdem werden die Struktur und das Blockdiagramm
der devirtualisierten parallelen Simulationsmodelle mit den
Parametern die Simulation der jeweiligen DSKP- und DSVP-Systeme
befüllt. Schließlich werden die Implementierung und das
Debugging des parallelen DSKP- und DSVP-Simulators untersucht.
Die
betrachteten virtuelle Simulationsmodelle und deren Devirtualisierung
werden auf das Beispiel eines Grubenbewetterungssystem angewendet.
Zusammenfassung
Die
vorgestellten Untersuchungen liefern einen Beitrag für die
rechnergestützte Erstellung von Modellen, Simulationsmodellen
und Simulatoren von komplexen dynamischen Systeme mit konzentrierten
und mit verteilten Parametern. Dabei stehen die simulationstechnisch
effiziente Nutzung der parallelen Rechnerressourcen sowie die
Erhöhung der Benutzerfreundlichkeit von parallelen
Simulationsumgebungen im Mittelpunkt. Die vorgeschlagenen virtuellen
parallele Simulationsmodelle und Devirtualisierungsvorgänge
werden an der Fakultät für Rechentechnik und Informatik der
NTUD in Zusammenarbeit mit dem HLRS untersucht und implementiert.
Literatur
Svjatnyj,
V.A., Moldovanova, O.V., Feldmann, L.P.: Parallele
Simulationsumgebung für dynamische Netzobjekte mit verteilten
Parametern. In: F.Hülsemann u.a. (Hrsg.), Tagungsband 18.
ASIM-Symposium Simulationstechnik, Erlangen 2005, SCS 2005, 416-421.
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