Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

Диссертационная работа:

Резников Владимир Борисович. Разработка и исследование метода построения программного комплекса моделирования для распределенных систем с многоуровневым представлением сложных объектов : дис. ... канд. техн. наук : 05.13.18 Таганрог, 2006 237 с. РГБ ОД, 61:07-5/1063

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ МОДЕЛИРОВАНИЯ 13

1J Проблемы моделирования сложных технических систем 13

ХЛЛ Задачи моделирования сложных систем 13

  1. Виды моделирования 17

  2. Проблемы компьютерного моделирования сложных систем 18

1.2 Развитие систем моделирования 20

13 Анализ современных систем моделирования 24

1.3.1 Порядок проведения анализа 24

1.3.2 Анализ характерных признаков наиболее распространенных систем
моделирования 27

1.3.3 Сравнительный анализ современных систем и предлагаемого решения...32
L4 Выводы 37

2 МЕТОД ПОСТРОЕНИЯ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА

МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ ВЫСОКОЙ

РАЗМЕРНОСТИ 38

2 J Выдвигаемая гипотеза решения поставленной задачи 38

2.2 Разработка таксономии современных систем моделирования и

классификация объекта исследования 40

23 Задачи и цели системы моделирования 52

2А Принципы представления моделируемых объектов 53

23 Многоуровневый базис представления структурных моделей 55

2.5 Л Иерархия уровней 55

  1. Математический базис представления структурных моделей 57

  2. Функциональный базис представления структурных моделей 59

  3. Алгоритмический базис представления структурных моделей 62

  4. Вычислительный базис представления структурных моделей 64

  5. Описательный базис представления структурных моделей 67

2.6 Разработка метода автоматизации построения математических

моделей сложных систем структурно-функциональным способом... 68

  1. Предлагаемый способ решения задачи 68

  2. Разработка базиса структурных элементов 70

  3. Метод автоматизации функционального описания сложных систем 72

  4. Реализация построения структурного способа описания объектов 83

  5. Разработка методики автоматической генерации общей математической модели 85

2.7 Разработка метода автоматической генерации эффективных
параллельных программ расчета структурных моделей
87

  1. Цели и задачи метода 87

  2. Исследование способов распределения структурной модели 89

  3. Построение моделей распределенного вычислителя 91

2.74 Оценка сложности структурной модели 94

2.7.5 Оценка эффективности вариантов распределения структурных моделей .96

2.7.6 Разработка алгоритма автоматического распределения структурных
моделей 100

2.7.7 Разработка методики автоматизации программирования распределенного
вычислителя 102

2.8 Выводы 103

Ъ РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМ СТРУКТУРНОГО

МОДЕЛИРОВАНИЯ 105

ЗЛ Исследование архитектуры и технологии моделирования структурно-
функционального моделирующего комплекса
105

3-2 Построение интерфейса программирования системы 112

33 Разработка баз хранения структурных моделей 120

3.5 Разработка модуля символьной обработки для системы структурного
моделирования
126

  1. Структура модуля символьной обработки 126

  2. Разработка модуля лексического разбора 128

3.53 Разработка модуля синтаксического разбора 131

3.6 Исследование эффективных методов численного решения моделей 134

  1. Принципы численного решения структурных моделей 134

  2. Генерация программ численного интегрирования 136

3.6 Разработка распределенного вычислителя системы структурного

моделирования 141

3,6.1 Архитектура распределенного вычислителя 141

3.7 Выводы 147

4 КОМПЛЕКСНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ С

ПРИМЕНЕНИЕМ ССПМ 149

4.1 Пример решения задачи синтеза систем управления в среде SimNG.... 149

  1. Постановка задачи 149

  2. Декомпозиция исследуемой системы 149

  3. Составление библиотеки структурного базиса 151

4Л .4 Программирование структуры модели в среде моделирования 155

  1. Программирование алгоритма расчета многоуровневой модели 158

  2. Программирование вычислительного уровня многоуровневой модели ., 160 4,17 Проведение моделирования структурной модели многозвенного маятника

4.2 Пример моделирования электромеханических систем в среде SimNG,. 162

  1. Постановка задачи моделирования сильносвязанных объектов 162

  2. Исходная структурная модель энергоустановки 163

43 Решение задач подборки оптимальных параметров 167

4.3.1 Исходная модель гидроакустической антенны 167

4.4 Выводы 168

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 170

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ

ЛИТЕРАТУРЫ 174

ПРИЛОЖЕНИЕ А 189

А. 1 Язык структурного моделирования 1Н9

АЛ.] Основные принципы построения языка 189

А. 1.2 Разработка лексики языка 191

А1.3 Разработка грамматики языка 193

АЛ .4 Примеры SML программ 196

А.2 Организация взаимодействия акселератора с ведущим компьютером 199

А.2 Л Модуль связи акселератора с хост-компьютером 199

А.2.2 Протокол взаимодействия модуля связи акселератора с хост-
компьютером 201

A3 Фрагмент программы моделирования маятника 211

А.4Л Результаты моделирования системы многозвенного маятника 217

А.5 Л Численное решение модели энергоустановки 219

А.6Л Проведение моделирования гидроакустической антенны 221

Введение к работе:

Актуальность темы. Моделирование как метод познания, издавна служит основным инструментом как исследователя, расширяющего границы науки, так и инженера, развивающего существующие технические средства. Обеспечение успешного решения задач моделирования является крайне актуальной научно-технической проблемой. Сложность решаемых задач, а так же качество их решения в значительной мере зависят от уровня развития и возможностей моделирующих средств.

В современной науке и технике объектами моделирования преимущественно являются технические (инженерные) системы - системы созданные человеком. Бурное развитие науки и техники ведет к тому, что объект исследования непрерывно усложняется, И уже сейчас технические объекты представляются в виде сложных систем, состоящих из большого числа взаимосвязанных друг с другом компонент. Для исследования таких систем наиболее пригодным и нередко единственно возможным является современный метод компьютерного моделирования, который позволяет изучать системы без их физической реализации, исследовать критические режимы работы технических объектов, а так же поведение таких систем, функционирование, которых опасно для человека или окружающей среды.

В настоящее время компьютерное моделирование бурно развивается во всем мире. За рубежом проблемам разработки систем моделирования уделяется очень большое внимание. Ведутся широкие исследования в США, Швеции, Франции, Германии и во многих других странах. Заметна тенденция к объединению усилий ученых разных стран для решения этой важной проблемы, примером может служить проект Modelica, организованный в 1997г. двумя десятками университетов и компаний различных европейских стран. В нашей стране моделирование было существенно продвинуто школой академика Самарского А А. (МГУ), сформулировавшим понятие «вычислительного эксперимента». Значительный вклад в эту область внесли академики Тихонов

7 A. H., Виттенберг И.М., Прангишвили ИЗ. и др. В ТРТУ широкие исследования в области цифровых моделей были начаты академиком Каляевым А.В. и в настоящее время развиваются под руководством профессоров Гузика В.Ф,, Пъявченко О.Н., Золотовского В.Е. и др. Исследования, проводимые в рамках школы профессоров Гузика В.Ф. и Золотовского В.Е., направлены на развитие моделирующих средств, как в сторону расширения их возможностей, так и упрощения работы с ними с учетом достигнутого уровня современного аппаратного и программного обеспечения вычислительной техники.

Постоянный рост сложности моделируемых объектов требует разработки соответствующих вычислительных средств, способных обеспечить расчет их моделей. Поэтому развитие высокопроизводительных проблемно-ориентированных систем, решающих современные задачи моделирования представляется достаточно актуальным. Поскольку сложные инженерные объекты в общем случае описываются совокупностью моделей разной физической природы, то для их создания привлекаются ученые из различных областей науки, нередко не обладающие навыками программирования вычислительных средств. Кроме того, большое количество компонент объектов и их высокая размерность делают невозможным ручную обработку этих моделей. Поэтому не менее актуальным представляется разработка систем моделирования обеспечивающих максимальную автоматизацию всех этапов вычислительного эксперимента, от разработки общих математических моделей до их программирования на параллельных системах.

В этой связи диссертационная работа посвящена актуальной и важной научно-технической проблеме, как разработка новых и развитие существующих принципов организации и функционирования систем моделирования, обеспечивающих не только достижение требуемых характеристик для решения задач исследования сложных объектов, но и поднимающих процесс моделирования тта высокий уровень, не требующий от ученых-исследователей квалификации в области программирования вычислительных средств, организуя их совместную работу в условиях территориального распределения,

Данная работа является развитием результатов исследований, проводимых на кафедре вычислительной техники ТРТУ под руководством д.т.н., профессора Гузика В.Ф, и д,т,н., профессора Золотовского В.Е. в рамках научной школы «Высокопроизводительные проблемно-ориентированные вычислительные системы для структурно-процедурного моделирования и интеллектуального управления».

Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработки и исследование метода построения проблемно-ориентированного программного комплекса моделирования, способного обеспечить поддержку конструирования моделей структурно сложных многокомпонентных технических систем и эффективное проведение вычислительного эксперимента с ними. Для достижения поставлениой цели В работе были решены следующие основные задачи:

  1. проведено исследование, показана возможность и разработаны методы автоматизации проведения основных этапов вычислительного эксперимента, таких как формирование общей математической модели и программная реализация её численного решения для распределенных систем;

  2. разработаны методы оптимизации распределения решаемых моделей и автоматизации процесса их параллельного решения на различных аппаратных платформах с неоднородными вычислительными узлами;

3) разработана специализированная форма многоуровневого
представления моделируемых объектов для автоматизации их обработки;

4) синтезирована архитектура и детализирован состав модулей
высокопроизводительного распределенного комплекса имитационного
моделирования;

5) реализована программно-аппаратная система структурного
моделирования «СимНП» на базе вычислительной сети и многопроцессорных
акселераторов.

Методы исследования. В качестве методов исследования использованы: элементы теории множеств, теории алгоритмов, теории графов и теории

9 численных методов. Так же в работе были использованы методы и средства математического моделирования, теории вычислительных систем, параллельного и объектно-ориентированного программирования.

Научная новизна заключается в создании нового метода организации и функционирования систем моделирования сложных технических объектов и принципов создания на его основе оригинального программно-аппаратного комплекса структурного моделирования на базе неоднородной проблемно-ориентированной вычислительной системы.

К числу наиболее важных результатов диссертации относятся:

1) новая форма представления моделей сложных технических объектов,
которая в отличие от существующих объединяет основные способы описания
объектов в виде вложенных уровней, что позволяет автоматизировать процесс
проведения вычислительного эксперимента;

2) новый метод построения систем структурного моделирования,
отличающийся от существующих распределенным характером компонент и
реализацией конструирования моделей с учетом архитектуры базового
распределенного вычислителя;

  1. Разработан оригинальный метод распределения структурных моделей, отличающийся от существующих последовательной декомпозицией, динамической оценкой трудоемкости, ориентированный на неоднородные вычислительные среды, и позволяющий повысить скорость расчета математических моделей за счет более эффективного использования имеющихся вычислительных ресурсов;

  2. усовершенствованная форма организации базы моделей (репозитария) в части реализации многопользовательского распределенного характера, введения ссылок (метаданных) для хранения зависимостей между элементами структурных моделей (артефактами проектирования), что позволяет осуществлять модификацию отдельных уровней моделей без перестраивания всей модели в целом,

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов подтверждается полнотой и корректностью исходных посылок, непротиворечивостью математических выкладок, проведенным теоретическим обоснованием и практической реализацией. Исследования и эксперименты были осуществлены при решении широкого класса задач моделирования (задачи управления, оптимизации параметров, расчет критических режимов работы) с использованием действующих прототипов многопроцессорных акселераторов. Получены свидетельства о регистрации программ для ЭВМ.

Научная и практическая ценность работы. В диссертационной работе решена важная научно-техническая задача, заключающаяся в развитии технологии создания систем моделирования для обеспечения проведения исследований сложных технических объектов.

Научная ценность заключается в создании нового метода построения моделирующего комплекса, основанного на многоуровневом представлении моделей, которое устанавливает соответствие между моделями исследуемых объектов и моделями вычислителей, на которых они рассчитываются. Использование этого метода позволяет снизить трудоемкость этапов подготовки и сократить длительность проведения вычислительного эксперимента над сложными техническими объектами с использованием распределенных неоднородных вычислительных сред.

Практическая ценность работы заключается в реализации оригинального программно-аппаратного моделирующего комплекса «СимНП», использование которого позволяет 2-4 раза ускорить процесс построения моделей сложных систем и полностью исключить ручное написание программ их численного решения, благодаря использованию наглядной визуальной форме описание структурных компонент моделей и автоматизации процессов их обработки. Данная среда позволяет сделать процесс моделирования доступным для специалистов различных областей науки, не обладающих квалификацией в области программирования вычислительных средств.

Реализация и внедрение результатов работы. Основные теоретические и практические результаты диссертационной работы использованы при проведении научно-исследовательских работ кафедрой вычислительной техники Таганрогского государственного радиотехнического университета (ВТ ТРТУ) совместно с Университетом штага Южная Каролина в области разработки промышленного моделирующего стенда VTR, при выполнении совместных работ ФНПЦ ОАО «НПО «Марс» и ТРТУ, при выполнении грантов Министерства образования Российской Федерации на проведение фундаментальных исследований в области естественных и гуманитарных наук (шифры грантов Г00-4.2-13, Г02-4.2-48, T02-G3.3-3584), а так же в ряде госбюджетных и хоздоговорных работах.

Материалы диссертации использованы в учебном процессе на кафедре ВТ ТРТУ при проведении практических занятий в цикле лабораторных работ по курсу; «Проблемно-ориентированные высокопроизводительные системы».

Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на всероссийских и международных научно-технических конференциях и выставках.

На международной научно-практической конференции "Развивающиеся интеллектуальные системы автоматизированного проектирования и управления", Новочеркасск, 2001; на IV научной сессии МИФИ, Москва, 2001, на международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, 2001, 2002; на всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов "Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании" (НИТ-2001), Рязань, 2001; на международной научно-технической конференции «СуперЭВМ и многопроцессорные вычислительные системы МВС2002» - Таганрог, 2002, на международной научной конференции «Системный подход в науках о природе, человеке и технике», Таганрог, 2003; па международной научно-технической конференции «Интеллектуальные системы» - Дивноморское, 2006.

Практические результаты выставлялись на выставке «Студент и научно-технический прогресс», Таганрог, 2001, на выставке посвященной 50-летию ТРТУ, Таганрог, 2002. Работа является лауреатом конкурса «Фундаментальные и прикладные проблемы современной техники», Ростов-на-Дону, 2002.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1) метод построения программных комплексов структурного
моделирования структурно сложных технических объектов;

2) новый способ многоуровневого представления моделируемых
объектов;

3) новый метод распределения структурных моделей для параллельного
расчета в неоднородной вычислительной среде;

4) усовершенствованные алгоритмы автоматизации синтеза
математического описания сложных систем и генерации параллельных
программ их численного решения;

5) программно-аппаратный комплекс моделирования сложных
технических объектов.

Личный вклад автора. Все научные и практические результаты, анализ организации систем моделирования, разработка оригинальной таксономии современных средств моделирования, многоуровневая форма представления моделей сложных технических объектов, метод построения распределенной системы моделирования с адаптацией под базовый вычислитель, усовершенствованная форма организации репозитария моделей, метод распределения структурных моделей в неоднородном вычистителе, создание программно-аппаратного моделирующего комплекса «СимНП», получены автором лично.

Публикации, Но теме диссертационной работы опубликовано 27 печатных работы, из них 15 статьей, 7 тезисов и материалов докладов на российских и международных научно-технических конференциях, 5 отчетов о НИР, а так же 3 свидетельства о регистрации программ для ЭВМ и 1 руководство к лабораторной работе.

1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ

МОДЕЛИРОВАНИЯ

Подобные работы
Драгныш Николай Васильевич
Исследование и разработка методов и моделей построения комплексов программ
Маньковский Андрей Геннадьевич
Исследование и разработка комплекса программ для геомоделирования размещения объектов недропользования
Щипанов Кирилл Александрович
Разработка и исследование математических моделей, создание программного обеспечения для управления объектами в металлургии
Утешева Тамара Шатовна
Исследование методов, разработка алгоритмического и программного обеспечения пространственного анализа графической информации
Кузнецова Юлия Геннадьевна
Разработка методов исследования функционально-технологических свойств пищевых рецептурных смесей на основе теории нечетких множеств
Авдеенко Татьяна Владимировна
Разработка методов исследования структурной идентифицируемости моделей в пространстве состояний
Кучуганов Александр Валерьевич
Разработка и исследование методов и технологий автоматического анализа полутоновых изображений
Буланов Сергей Георгиевич
Разработка и исследование методов программного моделирования устойчивости систем линейных дифференциальных уравнений на основе матричных мультипликативных преобразований разностных схем
Солина Нелли Игоревна
Разработка и исследование методов и алгоритмов улучшения визуального качества изображения в инфракрасном диапазоне на базе нейропроцессора NM6403 (Л1879ВМ1)
Хачумов Максим Александрович
Разработка и исследование методов моделирования Интернет портала

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net