Фельдман Л.П., Святний В.А., Реш М., Цайтц М. Наукова область: паралельне моделювання. Паралельне моделювання як актуальний науковий напрямок досліджується впродовж ряду останніх років в рамках співпраці науковців Штуттгартського та Донецького національного технічного університетів. Головною проблемою є розробка високопродуктивного і дружнього до користувачів моделюючого середовища з ефективним використанням паралельних апаратно-програмних ресурсів. За допомогою середовища і чисельних методів досліджуються моделі складних динамічних систем з зосередженими і розподіленими параметрами. Як приклади подано моделі систем шахтної вентиляції та технологічних процесів у відповідних проблемно орієнтованих паралельних моделюючих середовищах.
Ключові слова: паралельне моделювання, моделююче середовище, чисельні методи, паралельний симулятор, технологічні процеси.
Фельдман Л.П., Святный В.А., Рэш М., Цайтц М. Научная область: параллельное моделирование. Параллельное моделирование как актуальное научное направление исследуется на протяжении ряда последних лет в рамках сотрудничества учёных Штутгартского и Донецкого национального технического университетов. Главной проблемой является разработка высокопродуктивной и дружественной к пользователю моделирующей среды с эффективным использованием параллельных аппаратно-программных ресурсов. С помощью среды и численных методов исследуются модели сложных динамических систем с сосредоточенными и распределёнными параметрами. В качестве примеров приведены модели систем шахтной вентиляции и технологических процессов в соответствующих проблемно ориентированных параллельных моделирующих средах.
Ключевые слова: параллельное моделирование, моделирующая среда, численные методы, параллельный симулятор, технологические процессы.
Feldmann L.P., Svjatnyj V.A., Resch M., Zeitz M. Forschungsgebiet: parallele simulationstechnik. Die parallele Simulationstechnik wird im Rahmen einer langjahrigen Kooperation von Informatikern und Simulationstechnikern der Universitat Stuttgart und der Nationalen Technischen Universitat Donezk als ein aktuelles Forschungsthema untersucht. Im Mittelpunkt steht dabei die Entwicklung einer leistungsfahigen und benutzerfreundlichen Simulationsumgebung mit einer effizienten Nutzung von parallelen Hardware-und Softwareressourcen. Mit dem entwickelten Simulationswerkzeug werden komplexe Modelle von dynamischen Systemen mit ortlich konzentrierten und mit verteilten Parametern numerisch gelost. Als Beispielprozess werden mathematische Modelle von Grubenbewetterungssystemen zusammen mit verschiedenen Automatisie-rungsfragestellungen betrachtet.
Schlagworter: parallele Modellierung und Simulation, Simulationsumgebung, numerische Verfahren, paralleler Simulator, verfahrenstechnische Prozesse.
Feldmann L.P., Svyatnyy V.A., Resch M., Zeitz M. Research area: parallel simulation. Parallel simulation engineering as an actual research direction is investigated in course of a long-term cooperation between University Stuttgart and Donetsk National Technical University. The major research goal concerns the development of an high performance and user friendly simulation environment with an efficient use of parallel hardware and middleware resources. The simulation environment and advanced numerical methods allow to investigate complex models of dynamical systems with spatially lumped and distributed parameters. As benchmark example, the mathematic-cal model of mine ventilation systems together with related automation problems are investigated.
Keywords: parallel modelling and simulation, simulation environment, numerical methods, parallel simulator, technological processes.
Die Anwendungsgebiete der Simulationstechnik reichen sich von den "traditionellen" technischen dynamischen Systemen (DS) mit konzentrierten und mit verteilten Parametern (DSKP, DSVP) iiber biotechnologische und okologische Prozesse bis hin zu den zu projektierenden und zu optimierenden Unternehmens-, Wirtschafts- und Offentlichkeitsstrukturen. Die modellgestiitzte Entwicklung von komplexen technischen und nichttechnischen DS in alien Bereichen ist ein entscheidender Faktor zur Qualitatssicherung und Konkurrenzfahigkeit bei laufenden und zukiinftigen technischen und technologischen Projekten. Als Folge von steigenden Anforderungen an die Qualitat, Sicherheit und Wirtschaftlichkeit der DS-Prozesse werden immer genauere und damit auch komplexere Simulationsmodelle benotigt. Bei dieser Entwicklung ergibt sich in einer natiirlichen Weise eine Komplexitatsschwelle fur die Implementierung und Anwendung der Simulationsmodelle, die nur durch die Verwendung von neuen Simulationswerkzeugen iiberwunden werden kann. Hierzu gehoren u.a. die parallelen Hochstleistungsrechner der MIMD-Architektur mit eng (iiber gemeinsamen Adressraum von Shared Memory) und lose (mit dem autonom zugeordneten Adressraum) gekoppelten Prozessoren sowie mit einer hybriden Speicherorganisation. Die effiziente Nutzung von diesen Simulationswerkzeuge erfordert eine benutzerfreundliche system- und informationstechnische Organisation der parallelen Ressourcen sowie eine hoch entwickelte Simulationssoftware, die neue Ansatze zur Modellerstellung und Simulationsdurchfuhrung zur Verfugung stellt. Die hierbei zu losenden theoretischen und praktischen simulationstechnischen Probleme gehoren zum Fachgebiet der parallelen Simulationstechnik. Dieses Forschungsgebiet wird im Rahmen der langjahrigen Kooperation von Informatikern und Simulations-technikern der Universitat Stuttgart und der Nationalen Technischen Universitat Donezk (Ukraine) untersucht.
Problem der Entwicklung von VPSU- Simulationssoftware
Die Hauptbestandteile der VPSU-Simulationssoftware sind in Abb.4 dargestellt . Die Funktionalitat dieser zugrundeliegenden Komponente der Simulationsumgebung wird von in Abbildungen 2, 3 zusammengefassten Etappen der parallelen Modellierung und Simulation von komplexen dynamischen Systemen bedingt. Das Problem der vollfunktionellen Entwicklung der VPSU-Simulationssoftware wird mit Hilfe der Verteilung der gesamten Funktionalitat zwischen folgenden Subsystemen gelost:
1. Dialogsubsystem (DiSuS, die Benutzeroberflache - BOF) - eine Presentation der VPSU; Schulung von Benutzern; aktives Dialog der Modellentwickler mit alle Ressourcen des verteilten Rechnersystems; Integration mit alle anderen Subsystemen; Anpassung an die Simulationsaufgaben der Gegenstandsgebiete; Planung und Fuhrung der Simulationsexperimente
2. Topologieanalysesubsystem (TASuS) - verbale und grafische rstellung
sowie geeignete Kodierung von ursprimglichen VTF-, SAS-, DNO-Topologien; Dekomposition und Aproximierung, Erstellung der
sekundaren Topologien; Formierung der topologierelevanten Vektoren und Matrizen; Umwandlung der ursprunglichen Kodierungstabellen in die Zwischenformen; Darstellung der topologischen Informationseinheiten in der fur die Gleichungsgenerierung geeigneten Form; eine Ausgabe der Topologieanalyseergebnissen.
3. Subsysten der Gleichungsgenerierung (SuGG) - Kommunikation mit dem TASuS; Darstellung der ursprunglichen Gleichungen (Modelle) in Vektormatrixform; formale Vektor-Matrix-Operationen der Umwandlung „DSKP-Modell - Simulationsmodell"; Darstellung der approximierten DSVP-Gleichungen (1D-, 2D-, 3D-ortsdiskretisierten Modelle) in der Multivektor-Matrix-Form; die formale Umwandlung „DSVP-Modell -Simulationsmodell"; die Generierung von diskreten DSKP-, DSVP-Simulationsmodelle fur gegebenes numerisches Losungsverfahren; die Visualisierung der Modelle und Simulationsmodelle.
4. Subsystem der virtuellen parallelen Simulationsmodelle (VPSMSu) -interaktive Darstellung der Hierarchie von virtuellen parallelen Simulationsmodelle abhangig von moglichen Parallelisierungsansatze; TASuS-gestutzte Erstellung der Topologien entsprechend den VPSM-Ebenen; SuGG-unterstutzte Formierung der VPSM-Ebene-Gleichungssysteme; Apriori-Analyse der diskreten VPSM aller Ebenen; interaktive Bereitstellung von implementierungsfahigen diskreten VPSM.
5. Subsystem von parallelen Gleichungslosern (SuPaGL) -Kommunikation mit dem TASuS und VPSMSu, die Eingabe der implementierungsfahigen diskreten VPSM; die Losung von algebraischen, gewohnlichen und partiellen Differentialgleichungssysteme mit Hilfe der in den DSKP-, DSVP-Bibliotheken zusammengefassten parallelen numerischen Verfahren; die Analyse der Konvergenz, Stabilitat und Genauigkeit der Losungen, Optimierung der varriirten Parametern; Abschatzung und Optimierung der Effizienzmerkmalen von parallelen Losungen in Vergleich mit den sequentiellen Verfahren; Formierung der Losungsergebnisse fur die anschaulichen Prasentation.
6. Datenaustauschsubsystem (DASu) - die vollfunktionelle Liste der angemeldeten VPSU-Teilnehmern und vorhandenen VPSU-Ressourcen, die ein Datenaustausch nach gemeinsame Initiative durchfuhren sollen; eine Hierarchiedarstellung von Datenstrome fur ausgewahlten ZRS; Testsystem fur die Ermittlung der realen Parametern von Austauschoperationen im ZRS-Verbindungsnetzwerk; Optimierung der parallelen Programme bezuglich der Datenaustauschoperationen; Zusammenstellung der in der Apriori-Analyse und im ZRS erhaltene Wirkung der DA-Operationen auf die Werte der Effizienz von Parallelisierungsansatzen.
7. Lastbalancierungssubsystem (LaBSu) - Abschatzung der Lasthohe von virtuellen Prozessen in VPSM-Ebenen, statische Lastbalancierung der VPSM aller Ebenen; Spezifikation der Auftrage auf VPSU-Ressorcen von implementierten VPSM; eine Ermittlung der Lastverteilung zwischen Prozessen und zwischen ZRS-Prozessoren; Vergleichsanalyse der Parallelisierungsansatze nach Kriterium der gleichmaBigen Lastverteilung.
8. Visualisierungssubsystem (ViSuS) - in Integration mit BOF und Subsystem von Gleichungslosern eine Vorbereitung und Strukturierung der imulationsergebnissen zu den Formen, die fur grafischen 1D-, 2D-und 3D-Visualisierung geeignet sind; interaktive Erstellung von Grafiken wahrend und nach der Durchfuhrung von Simulationsexperimenten.
9. Datenbanksubsystem (DaBSu) - in der Integration mit alien anderen Subsystemen: Daten iiber VPSU-Hardware und Systemsoftware; Benutzerdaten; ursprimgliche und umgewandelte Daten der modellierten VTF-, SAS- und SNO-KDS; Archivierung der lauffahigen parallelen und sequentiellen Programme; Daten der Testaufgaben, Plane der Simulationsexperimenten, Archivierung der Simulationsergebnissen.
10. Subsystem der IT-Unterstiitzung (SuIT) - Betriebsorganisation von verteilten Rechen-, Kommunikations- und Simulationsressourcen durch die Technologien der modernen Netzwerke; entfernter WEB-basierter Ansatz zur parallelen Modellierung und Simulation; Funktionierung der Ketten „WEB-Client (Modellentwickler) - WEB-Server PARSIMULATOR" und „WEB-Client (Modellentwickler) - WEB-Server - DATABASE-Server"; Integration mit anderen Subsystemen.