Макогон Владимир Николаевич

Факультет компьютерных наук и технологий
Специальность: Системное программирование

Научный руководитель: Святный Владимир Андреевич

Реферат по теме выпускной работы

Организация подсистемы диалога в распределенной параллельной моделирующей среде

В настоящее время сложность задач, которые предстают перед всеми областями науки и техники, постоянно растет. Все чаще человек сталкивается с необходимостью использования моделей сложных динамических систем (СДС) с целью получения наилучшего решения, либо для моделирования ситуаций, когда система выходит из строя (события марта 2011 года на АЭС Фукусима в Японии еще раз показали, что без модельной поддержки человек оказывается абсолютно беспомощным перед лицом стихии). Динамическая система – любой объект или процесс, в котором происходят однозначно определенные целенаправленные процессы изменения состояния, рассматриваемые как изменение совокупных величин в данный момент времени, сопровождающийся изменением параметров, состояний на протяжении определенного времени, для которых задан закон, описывающий изменение начального состояния с течением времени [3]. К сложным динамическим системам можно отнести технологические установки, линии, автоматизированные технические объекты, электростанции, термодинамические установки, сети трубопроводов и т. д.  Сложная динамическая система как объект моделирования [4] изображена на рисунке 1.

Рисунок 1 – СДС как объект моделирования

Применение распараллеливания при решении СДС открывает принципиально новые возможности. Однако при таком подходе возникают дополнительные сложности: 1) Главная проблема параллельного моделирования СДС - построение распределенных параллельных моделирующих сред (РПМС), которые будут удовлетворять всем поставленным требованиям, обладать интерфейсом для эффективного взаимодействия с пользователем, дружественного к самому пользователю. Пользователь-эксперт предметной области ни в коем случае не должен отвлекаться от задач своей предметной области, и вникать как в программную, так и в аппаратную архитектуру РПМС. 2) Необходимы мощнейшие вычислительные ресурсы. Исходя их этого, темпы научного-технического прогресса зависят от уровня развития вычислительной техники, которая может обеспечить модельную поддержку различных задач науки и техники. РПМС – системная организация распределенных параллельных вычислительных архитектур, архитектурно зависимого системного программного обеспечения, специально разработанного моделирующего программного обеспечения, состоящего из условных подсистем, которые соответствуют поставленным требованиям и поддерживают все этапы построения и использования моделей сложных динамических систем с сосредоточенными и распределенными параметрами [4].

Как оказалось в результате анализа существующих распределенных параллельных моделирующих сред, организация удобного диалога между пользователем, экспертом предметной области и ресурсами РПМС является довольно острой проблемой. Интерфейсы, которые предоставляют современные проекты, такие как SEGL (проект института IHR и HLRS Штутгартского университета), DEISA и многие другие, не отличаются дружественностью к пользователю. Дружественность к пользователю предполагает то, что специалист предметной области может полностью сосредоточиться на выполнении своей задачи в терминах, понятных ему (терминах его предметной области). При этом, должна осуществляться высокоинтеллектуальная поддержка пользователя на всех этапах его работы. Важность качества интерфейса любого программного продукта подчеркнул Джефф Раскин (создатель проекта Apple «Макинтош» и один из главных специалистов по пользовательским интерфейсам) в своей книге «Интерфейс: новые направления в проектировании компьютерных систем»: «Если индивидуальное взаимодействие с некоторой системой не проходит для пользователя легко и комфортно, то в результате этот недостаток негативным образом отражается на качестве работы всей системы, независимо от того, насколько она хороша в других своих проявлениях» [10]. Таким образом, рассмотрение РПМС как объекта диалога пользователя и разработчика моделей (эксперта предметной области) с многоплановыми ресурсами среды, теоретическое обоснование и разработка средств эффективной поддержки этого диалога на всех этапах построения и применения разноплановых моделей динамических систем, является новой и очень важной задачей.

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 локальном уровне лишь немногие посвятили свои работы диалоговым средствам доступа к средствам параллельного моделирования. Наиболее полно подсистему диалога рассмотрел Масюк А.Л. В его работе обосновано выделение подсистемы диалога как отдельной системной единицы моделирующей среды, сформулированы основные требования.
В работе Масюка А.Л. были получены следующие научные результаты:

• Предложенная подсистема диалога интегрирует ресурсы проблемно-ориентированной моделирующей среды и систематизирует разработку языковых средств высокого уровня, обеспечивающих формирование моделей динамических систем [1];
• Разработана общая концепция и наборы основных функций ПД [1];
• Разработаны диалоговые алгоритмы поддержки этапов моделирования и управления, которые апробированы на многосвязном сетевом объекте и могут быть распространены на другие предметные области [1];
• Предложена и обоснована идея использования единого (универсального) формата описания модели сетевого динамического объекта. Данный формат представляет объект в виде иерархии составляющих его подобъектов и выступает в роли единого хранилища данных, требующихся для различных представлений его модели при решении соответствующих задач моделирования и управления [1];
• Предложен и обоснован способ использования модели непосредственно при диалоговом управлении сетевым динамическим объектом, отличающийся тем, что с помощью средств ПД эксперт предметной области вводится в контур модели и в систему управления [1];
• Сформулированные, обоснованные и решенные задачи построения подсистем диалога ПОМС являются развитием методов и средств параллельного моделирования динамических систем различных предметных областей [1].

Практическая ценность работы Масюка А.Л. также очень велика, и заключается в разработке:

• Методов интеграции последовательных и параллельных средств моделирования ПОМС и создании программных компонентов, позволяющих обеспечить единообразный к ним доступ, визуальное построение моделей, поддержку моделирования, управления и визуализации результатов [1];
• Программного обеспечения, реализующего функции телеметрии и контроля параметров объекта. ПО предназначено для функционирования под управлением ОС семейства Microsoft Windows и Posix-совместимых ОС (Unix, Linux) [1];
• средств объектно-ориентированного подхода к реализации подсистемы диалога ПОМС [1].

Основные положения диссертации и разработанное программное обеспечение внедрены в учебный процесс на кафедре ЭВМ в ДонНТУ и используются при проведении учебных занятий [1]. Многие теоретические и практические результаты полученные Масюком А.Л. могут быть использованы как основа для дальнейшего исследования и усовершенствования диалоговых средств взаимодействия пользователя-эксперта предметной области с различными проблемно ориентированными моделирующими средами.

2. Магистр ДонНТУ Брахнов П.Г.
Этой проблемой также занимался Брахнов П.Г. Тема магистерской работы: «Параллельное моделирование системы управления сетевым динамическим объектом с сосредоточенными параметрами», 2008г. http://www.masters.donntu.ru/2008/fvti/brakhnov/diss/index.htm.
В работе Брахнова П.Г. были получены следующие научные результаты:

• Определена подсистема диалога (ПД) как системная единица ПОМС, сформулированы требования к ПД [11];
• Разработана функциональная и алгоритмическая структура ПД ПОМС, ориентированная на реализацию в MIMD-системах [11];
• Разработана функциональная и алгоритмическая структура ПД ПОМС для диалоговой поддержки [11];
• Выполнен теоретический анализ и разработка методики работы ПД ПОМС [11];
• Разработан графический дизайн ПД ПОМС, реализующий визуальное общение разработчика модели с системой и требуемое отображение результатов моделирования [11];
• Выполнена имплементация и экспериментальные исследования основных компонент ПД ПОМС [11].

DEISA (Distributed European Infrastructure for Supercomputing Applications) – проект, объединяющий суперкомпьютеры Европейского Союза. Проект DEISA поддерживает европейские научные исследования, предоставляя им доступ к распределенной суперкомпьютерной среде. В распределенную сеть суперкомпьютеров объединены одиннадцать суперкомпьютеров из семи стран Европы [12]:

• Max Planck Gesellschaft, Германия;
• Bavarian Academy of Sciences and Humanities, Германия;
• Barcelona Supercomputing Center, Испания;
• CINECA, Италия;
• CSC, Scientific Computing Ltd, Финляндия;
• European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, Великобритания;
• Julich Research Centre, Германия;
• Institut du Developpement et des Ressources en Informatique Scientifique (CNRS), Франция;
• Stichting Academisch Rekencentrum Amsterdam, Нидерланды;
• Edinburgh Parallel Computing Centre, Великобритания;
• High Performance Computing Center Stuttgart (HLRS), University of Stuttgart, Германия;

Инфраструктура DEISA объединена высокоскоростным (10 Гбит/с) сетевым соединением, которое предоставляется провайдерами GEANT2 (официальный сайт http://www.geant2.net/ ) - на европейском уровне, и NRENs – на национальном уровне [12]. Для того, чтобы воспользоваться ресурсами суперкомпьютеров DEISA, пользователь должен обратиться в один из институтов-партнеров этого проекта. В институте-партнере должен быть установлен пакет специальных программных продуктов. Кроме того, после получения разрешения пользователь должен установить на своем компьютере определенный программный продукт, что составляет определенные неудобства. Более подробную информацию о проекте DEISA можно получить на официальном сайте http://www.deisa.eu/ .

DIANA (Dynamic simulation and numerical analysis tool) – симулирующая среда, предназначенная для численного анализа задач химической технологии и системной биологии. DIANA – «open source» проект магдебургского института сложных динамических систем имени Макса Планка. Ключевые составляющие системы DIANA: объектно-ориентированные модели, численное ядро, и использование скриптового языка Python как мощного интерфейса командной строки. Модели создаются при помощи инструмента ProMoT(Process Modeling Tool, официальный сайт http://www.mpi-magdeburg.mpg.de/projects/promot) и преобразуются в C++ код, но могут также быть управляемыми интерактивно как обычные объекты Python. ProMoT – программное обеспечение, которое предназначено для создания сложных технических и биологических систем, и дальнейшего управления ними. Для приложений, относящихся к системной биологии ProMoT использует специальные модульные модели и библиотеки моделирования. Поддержка моделей обмена соответствует международному стандарту SBML(Systems Biology Markup Language, официальный сайт http://sbml.org/Main_Page ). Более подробную информацию о проекте DIANA можно получить на официальном сайте http://www.mpi-magdeburg.mpg.de/projects/diana.

DIVA (Dynamische Simulation verfahrenstechnischer Anlagen) – предшественник DIANA – симулирующая среда, проект института ISR (в настоящее время ISYS) Штутгартского университета, который был начат в 1985 году. Численные алгоритмы проекта DIVA были написаны на языке Fortran, а интерфейс с пользователем осуществлялся посредством командной строки. Позже было создано GUI(graphic user interface) - расширение DIVA, которое обеспечивает графический диалоговый контроль симулятора, численные алгоритмы и модели. Для имплементации и соединения GUI с DIVA-симулятором были применены технологии Java и Corba [13].

SEGL (Science Experimental Grid Laboratory) – «open source»-проект института IHR и HLRS Штутгартского университета для описания, проверки, запуска, мониторинга и анализа больших научных и промышленных экспериментов, требующих высокопроизводительных вычислений. Для описания экспериментов SEGL использует GriCol (Grid Concurrent Languge), который представляет весь эксперимент как множество блоков, которые можно соединять в произвольной последовательности, пересылать между ними данные. Для выполнения на высокопроизводительных системах GriCol использует «свертку» кода. Пользователь «сворачивает» задачу в элемент решения GriCol, который передается удаленно на суперкомпьютер. Более подробную информацию о проекте SEGL можно получить на официальном сайте http://segl.hlrs.de/.

Разработать моделирующее программное обеспечение, которое реализует функции подсистемы диалога РПМС, которое позволит улучшить дружественность РПМС к пользователю и разработчику моделей и расширить сферу применения средств параллельного моделирования в различных предметных областях. Будут разработаны новые подходы к распараллеливанию, развита методика построения моделей сложных динамических систем в рамках функций подсистемы, экспериментально подтверждена целесообразность декомпозиции РПМС на подсистемы и работоспособность моделирующего программного обеспечения. Задачи:

• Анализ состояния разработок моделирующего программного обеспечения (МПО);
• Разработка концепций подсистемы (требования, функции, структура HW/SW-средств);
• Разработка алгоритмов, структур, подходов, имплементация и экспериментальное исследование в составе версии РПМС.

Построение экспериментального образца подсистемы; использование МПО в составе РПМС. Тема является составной частью научного сотрудничества кафедры КИ с HLRS Штутгартского университета. Использование подсистемы в учебном процессе и действующей РПМС. В итоге подсистема диалога должна работать примерно так, как это показано в анимации: