ДонНТУ   Портал магистров

Андрющенко Ольга Эдуардовна

Факультет компьютерных наук и технологий

Кафедра компьютерной инженерии

Специальность «Компьютерные системы и сети»

MIMD-симулятор сетевого динамического объекта с распределёнными параметрами

Научный руководитель: д.т.н., проф. Святный Владимир Андреевич

Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Введение
• 1. Цель и задачи магистерской работы
• 2. Обзор разработок в области параллельного моделирования
• 3. Определение и структура распределенной параллельной моделирующей среды (РПМС)
• 4. МІМD компонента РПМС
• 5. Сетевой динамический объект с распределенными параметрами как объект моделирования
• 6. Этапы разработки и применения параллельных симуляторов
• Список источников

Введение

Необходимость решения сложных задач, характеризуется большими объемами вычислений, с одной стороны, и принципиальная ограниченность быстродействия традиционной вычислительной техники с фоннеймановской архитектурой с другой стороны, привела к появлению и развитию новых аппаратных средств и соответствующего программного обеспечения. Существенное ускорение процессов решения задач обеспечило появление новых аппаратных модулей-каналов или контроллеров устройств и, как следствие, многопроцессорных машин.

С активным развитием вычислительной техники все более популярным становится компьютерное моделирование, которое может быть осуществлено в условиях, когда реальные эксперименты невозможны по финансовым или физическим причинам. Объектам моделирования внутренне присуща сложность, которая переносится на компьютерную модель. Так что вполне целесообразно использование для решения задач параллельных вычислительных систем [1].

Опыт разработки и реализации параллельных моделей сложных динамических систем показывает, что эффективное применение параллельных вычислительных систем требует решения задач системной организации работы средств моделирования. Работы в этом направлении ведутся институтами кибернетики и проблем моделирования в энергетике НАН Украины, ДонНТУ, зарубежными университетами и фирмами. Новой формой системной организации средств моделирования является распределенная параллельная моделирующая среда.

Интенсивно развиваются теория и методика построения параллельных моделей и симуляторов сложных динами ческих систем с сосредоточенными и распределенными параметрами в рамках распределенной параллельной моделирующей среды.

В последние годы, при переходе к параллельному выполнению основных и вспомогательных процессов в вычислительных системах, поиски привели к появлению на компьютерном рынке ряда параллельных вычислительных систем MIMD- и SIMD-структур. По оценкам экспертов, в ближайшее время эти параллельные системы станут основной силой на верхних ступенях иерархии вычислительных сетей [2].

Необходимо отметить, учитывая все выше указанное, что в настоящее время разработка MIMD-симулятора сетевого динамического объекта с распределенными параметрами является вполне целесообразной и актуальной темой, которая открывает возможности в расширении опыта разработки и реализации параллельных моделей сложных динамических систем.

1. Цель и задачи магистерской работы

Целью работы является исследование, разработка и реализация аппаратно-программная системной организации, которая эффективно реализует удобную для применения средств моделирования модель сложной динамической системы с распределенными параметрами.

В рамках магистерской работы необходимо решить следующие задачи:

1. Проанализировать работы, которые ведутся в направлении распределенных параллельных моделирующих сред (РПМС) и симуляторов сетевых динамических объектов.
2. Дать определение модели и симулятора сетевого динамического объекта (CДО).
3. Сделать априорный анализ подходов к распараллеливания CДО.
4. Разработать MIMD-симулятор.
5. Выполнить анализ эффективности подходов к визуализации и девиртуализации.

2. Обзор разработок в области параллельного моделирования

Основную концепцию РПМС для сложных динамических систем было предложено в 1992 году в рамках научного сотрудничества факультета ВТИ (ныне КНТ) Донецкого национального технического университета (ДонНТУ) и Института параллельных и распределенных систем (IPVS) Штуттгартского университета (Германия). Эта концепция была более детализировано изложена в докладе на ASIM-симпозиуме в 1994 году и была далее развита в работах, таких научных деятелей, как   Аноприенко А.Я., Фельдман Л.П., Святный В.А., Braunl T., Ройтер А. М. Zeitz и другие [3-10]. Опытные образцы РПМС строились на основе теледоступа к параллельным ресурсам Штуттгартского университета. За этот период получено практический опыт реализации параллельных моделей.

Интенсивное развитие параллельных вычислительных систем MIMD-архитектуры, объектно-ориентированных подходов стимулировал стандартизацию средств параллельного и распределенного программирования. Так, ANSI и ISO определили С++-стандарты с библиотеками MPI, PVM.

Данной проблематикой занимались также Молдованова А.В., Солонин А.М., Надеев Д.В.. В их работах раскрываются особенности паралельниних моделирующих сред.

Разработками в этом направлении также занимались магистры ДонНТУ: Шило А.В., Навоев А.С., Меренков А.В., Войтов А.В., Войтенко А.В., Степанов И.С., Скворцов П.В., Назаренко К.С., Зима К.М..

3. Определение и структура распределенной параллельной моделирующей среды (РПМС)

Динамическими системами (ДС) называются объекты техники и технологий, в которых происходят целенаправленные   управляемые процессы изменения состояний, характерные изменением физических параметров во времени [3]. По характеру изменения процессов   динамические системы делятся на системы с сосредоточенными (ДССП) и системы с распределенными в пространстве   параметрами (ДСРП).

К сетевым динамических объектам с распределенными параметрами (МДОРП) относятся: технологические установки и аппараты; сети трубопроводов, технологические схемы и объединяющие установки и аппараты по производству различных продуктов и веществ, технические сети (электрические, гидравлические, пневматические, аэродинамические, газодинамические) эколого-технические объекты, электростанции и термодинамические установки в энергетике [4].

Распределенные параллельные моделирующие среды (РПМС) – это совокупность дружественной к пользователю моделирующей технической аппаратной системы, системного программного обеспечения для данной архитектуры, специально разработанного программного обеспечения для моделирования, симуляции и поддержки подсистем. РПМС поддерживает все стадии параллельного моделирования и имитации работы динамических систем согласно всем возможным требованиям. Концептуальная структура РПМС приведена на рисунке 3.1. [5].

РПМС можно декомпозировать на десять основных подсистем (приведены на рисунке 3.2) [6,7]:

- Подсистема топологического анализа. Вербальное и графическое представление, соответствующее кодированию исходных топологий – технологические схемы, структуры системы автоматизации, динамические сетевые объекты. Декомпозиция и аппроксимация полученных вторичных топологий. Формирование связанных с топологией векторов и матриц. преобразование топологических данных в форму, пригодную для генерирования уравнений и выдача результатов топологического анализа.

- Подсистема генерирования уравнений. Коммуникация с подсистемой топологического анализа, представления выходных уравнений в векторно-матричной форме. Генерирование дискретных моделей симулирования для решения средствами, которыми обладает среды. Преобразование аппроксимированных уравнений в векторно-матричную форму, генерирование дискретных симуляционных моделей для заданного численного метода.

- Подсистема виртуальных параллельных симуляционных моделей. Отвечает за интерактивное представление иерархии виртуальных параллельных моделей в зависимости от возможных подходов к распараллеливания. Составление топологий по помощью средств подсистемы топологического анализа. Формирование уравнений по уровням с помощью подсистемы генерирования   уравнений. Априорный анализ всех уровней. Интерактивное представление в распоряжение других подсистем.

- Подсистема параллельного решения уравнений. Взаимодействие с подсистемами топологического анализа и подсистемой виртуальных параллельных моделей. Подсистема выполняет решения систем уравнений с помощью параллельных библиотек.

- Подсистема балансировки нагрузки. Осуществляется сравнительный анализ подходов распараллеливания по критериями распределения нагрузки.

- подсистема обмена данными. Выполнение обмен данными по запросу от компонент, а также отображение потоков данных по запросу пользователя.

- Подсистема визуализации. Выполняется подготовка и структурирование результатов моделирования в двумерном или трехмерном вида отображения. Составление графиков во время и после проведения экспериментов.

- Подсистема баз данных. Взаимодействие со всеми подсистемами и хранения данных о программно-аппаратное РПМС,  данные о пользователях, выходные и преобразованные данные моделирования сложных динамических систем всех топологий,  данные об экспериментах и выполняет архивацию результатов.

- Подсистема диалога. Предназначена для презентации РПМС. Подсистема осуществляет диалог пользователя и системы,  а также взаимодействует со всеми ресурсами среды.

- Подсистема IT-поддержки. Занимается организацией режимов работы распределенных вычислительных, коммуникационных и моделирующих ресурсов на основе современных сетей.

4. МІМD компонента РПМС

MIMD-параллельное моделирующее программное обеспечение развивается согласно концепции РПМС. Интенсивно развиваются теория и методика построения параллельных моделей и симуляторов сложных ДССП, ДСРП в рамках РПМС.

Необходимо подчеркнуть следующие термины связаны с указанной тематикой [ 8 , 9 ] :

- Моделью сложной динамической системы называется ее формальное описание, содержащее формализованное топологическое представление и системы уравнений физических процессов сложной динамической системы (СДС), что объединяет их с помощью векторно-матричных выражений и операций.

- Модель СДС с распределенными параметрами в виде, удобном для применения средств моделирования (Simulation Model) – это дискретизированного по пространственной координате и разрешима относительно векторов производных переменных, которые необходимо найти, модель. Средствами моделирования могут быть многочисленные методы решения уравнений, а также языка моделирования.

- Симулятором (Simulator) сложной динамической системы называется аппаратно-программная системная организация, которая эффективно реализует Simulation Model на некотором аппаратной платформе.

Состав моделирующего программного обеспечения МИМD - компоненты РПСМ для ДСРП приведены на рисунке 4.1. [7]. Подсистема диалога (ПД) представляет собой совокупность программных, аппаратных, языковых, визуальных средств, которая обеспечивает взаимодействие пользователя и системы. ПД составляют с системной и модельно-ориентированной частей. В MIMD-компоненте РПМС предусмотрены параллельные блочно-, уравнение- и объектно-ориентированные языки моделирования ДСРП. Независимо от типа языка компилятор выполняет преобразование спецификации модели функционирующую параллельную программу  и формирует запрос на MIMD-ресурс для реализации модели. На основе языка спецификации моделей может быть выполнена  интерактивная построение ДСРП-моделей с использованием библиотечных конструктивов.

5. Сетевой динамический объект с распределенными параметрами как объект моделирования

Под сетевым динамическим объектом понимается совокупность элементов, связанных между собой физическими узлами, через которые осуществляются целенаправленные распределения потоков (электрический ток, потоки жидкости, газа и проч.). Сетевые объекты распространены в различных областях техники как класс объектов исследования, проектирования и управления. Реальные сети имеют большое количество элементов, сильную взаимосвязь управляемых переменных, нелинейность и распределенность параметров. Как примеры могут выступать электрические, вентиляционные, гидравлические сети [10].

Вентиляционные сети играют важную роль при решении задач безопасности в шахтах, где обеспечивают распределение воздуха между объектами проветривания.

Формальное описание сетевых динамических объектов состоит из двух следующих основных частей:

- описания уравнений физических процессов, протекающих в ветвях и узлах сетевого объекта;

- описис топологии сети.

Топология сетевых объектов может быть представлена в виде графа G (m, n), где m – количество ветвей графа, n – количество узлов.

Сетевые объекты характеризуются топологией связей между ветвями и узлами, расположением активных элементов в сети и физическими процессами динамики потоков в ветвях и узлах. Топологическое описание дает однозначное представление о структуре динамической системы.

Математическое описание сетевых динамических объектов сводится к составлению системы уравнений.

Пример графу сетевого динамического объекта, вентиляционная сеть, приведены на рисунке 5.1.

Система уравнений для j-й ветви, не имеет утечек воздуха, динамика расхода и давления [10]:

где Pj, Qj – давление и расход воздуха вдоль координаты х, отсчитываемый от начального Aп до конечного Eк узлов

rj – удельное аэродинамическое сопротивление

Fj – площадь поперечного сечения ветви;

p – плотность воздуха

a – скорость распространения звука в воздухе

х – координата.

Граничные условия для системы уравнений (1) – это функции давления в начальном Рп и конечном Pк узлах ветви.

6. Этапы разработки и применения параллельных симуляторов

Целесообразно выделить следующие этапы разработки и применения параллельных симуляторов [ 9 ] :

- Подходы к распараллеливания МГО, определения минимальной грануляции MIMD-процессов.

- Виртуальная модель МГО.

- Выбор численных методов, генерирование дискретных виртуальных параллельных симмоделей (ВПСМ) с помощью системы диалога (ПД).

- Pазработка алгоритмов решения. Распараллеливание процедур численных методов.

- Выбор целевой архитектуры (ЦА), анализ возможностей имеющихся ресурсов (архитектура, количество узлов, программные модели, модели коммутации, имеющееся системное и моделирующее программное обеспечение, языки программирования и библиотеки).

- Априорный анализ виртуального параллельного среды, интеграция соответствующей  функциональности в интерфейс для машинной поддержки анализа по следующим критериям: балансировка загрузки виртуальных процессов, уменьшение расходов на мижпроцесний обмен.

- Внесение изменений в ВПСМ за учетом: результатов априорного анализа; различных подходов к распараллеливания и группировки процессов для конкретной ЦА, организация обмена данными в виртуальной сети ЦА.

- Готовая ВПСМ.

- Параллельная реализация ВПСМ для ЦА.

- Подготовка и планирование симуляционных тестовых экспериментов (СТЭ). Визуализация результатов.

- Этапы отладки параллельных решателей и симуляторов с помощью СТЭ. Визуализация результатов, анализ эффективности, внесение изменений.

- Выполнение исследований в предметной области с помощью разработанных моделей.

- Анализ эффективности подходов к визуализации и девиртуализациии.

Имеют место следующие уровни распараллеливания, и минимальные гранулярности MIMD-процессов:

- Первый уровень: уравнения – процесс.

- Второй уровень: элемент ветви – процесс.

- Третий уровень: ветка – процесс.

- Четвертый уровень: подграф – процесс.

На рисунке 6.1 приведены уровни распараллеливания для графу вентиляционной сети, взята упрощенной для примера.

При написании данного афтореферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2013 г. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

1. Аксак Н.Г. Паралельні та розподілені обчислення : підруч. / Н.Г. Аксак, О.Г. Руденко, А.М. Гуржій – X. :Компанія СМІТ, 2009. – 480 с.
2. Бройнль Т. Паралельне програмування (переклад з німецької мови В.А. Святного), Київ: ВШ, 1997, 358с.
3. Святний В.А. Проблеми паралельного моделювання складних динамічних систем. Наукові праці ДонДТУ, Серія «ІКОТ», вип. 6, 1999.
4. Святний В.А. Паралельне моделювання складних динамічних систем / Моделирование -– 2006: Международная конференция. Киев, 2006 г. – Киев, 2006. – С. 83–90.
5. Святний В.А., Молдованова О.В., Чут А.М.: Стан та перспективи розробок паралельних моделюючих середовищ для складних динамічних систем з розподіленими та зосередженими параметрами.
6. Svjatnyj V.A., Nadeev D.V., Solonin O.M., Rothermel K., Zeitz M.: Subsysteme einer verteilten parallelen Simulationsumgebung fur dynamische Systeme. 16. Symposium ASIM 2002, Tagungsband, 2002
7. Forschungsgebiet: parallele Simulationstechnik [Електронний ресурс] / L. P. Feldmann, V.A. Svjatnyj, M. Resch, M. Zeitz — Електрон. дані — Режим доступу: http://www.nbuv.gov.ua/portal/natural/Npdntu/Pm/2008/08flpfps.pdf, вільний.
8. Svjatnyj V., Moldovanova O., Smagin A., Resch M., Keller R., Rabenseifner R.: Virtuelle Simulationsmodelle und ein Devirtualisierungsvorgang fur die Entwicklung der parallelen Simulatoren von komplexen dynamischen Systemen. In: DonNTU, FRTI-Werke, Reihe “Probleme der Modellierung und rechnergestutzten Projektierung von dynamischen Systemen”, Band 5(116). – Donezk, 2006.
9. Молдованова О.В. Магістерська дисертація, ДонДТУ, Донецьк, 2000.
10. Гусєва Г.Б. MIMD-паралельний вирішувач рівнянь для мережного динамічного об’єкту з розподіленими параметрами / Г.Б.Гусєва, О.В.Молдованова. / Проблемы моделирования и автоматизации проектирования динамических систем: Сб. научн. тр. ДонНТУ, вып.6, Донецк, 2007.