НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАІНИ

ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МОДЕЛЮВАННЯ В ЕНЕРГЕТИЦІ ім. Г.Є. ПУХОВА

Потапенко Вячеслав Анатолійович

УДК 681.3

МОДУЛЬНІ середовища для мережного розподіленого моделювання складних динамічних систем

Спеціальність 01.05.02 - математичне моделювання та обчислювальні методи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Київ - 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донецькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник кандидат технічних наук, доцент

Анопрієнко Олександр Якович,

доцент кафедри “Електронні обчислювальні машини”

Донецького національного технічного університету (м. Донецьк)

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Верлань Анатолій Федорович,

Завідуючий відділом моделювання динамічних систем

Інституту проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова

НАН України (м. Київ)

кандидат технічних наук

Ланде Дмитро Володимирович,

Заступник директора ТОВ "Інформаційний центр "Електронні вісті"

(м. Київ)

Провідна установа Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, кафедра обчислювальної техніки, Міністерство освіти і науки України (м. Київ)

Захист відбудеться “29” ___січня____ 2004 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.26.185.01 Інституту проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова Національної академії наук України за адресою:

03164, Київ, вул.. Генерала Наумова, 15.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова Національної академії наук України за адресою:

03164, Київ, вул.. Генерала Наумова, 15.

Автореферат розісланий “26” __грудня__ 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д.26.185.01

кандидат технічних наук Семагіна Е.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Комп'ютерне моделювання складних динамічних систем (ДС) у даний час є одним з найбільш ефективних інструментів прогнозування й аналізу в різних областях людської діяльності. Моделювання дозволяє передбачати наслідки внесення змін у систему і проводити оптимізацію її параметрів відповідно до різних критеріїв, тим самим підвищуючи ефективність прийнятих рішень і знижуючи імовірність помилок, що особливо важливо в критичних по безпеці технологіях, зокрема, у хімічній промисловості. З ростом обсягу і складності моделей систем, а також – з появою специфічних вимог до самих моделей і процесу моделювання, підвищуються вимоги до функціональних можливостей відповідних середовищ моделювання.

Стрімкий розвиток засобів комп’ютерного зв'язку в останнє десятиріччя, і у першу чергу - глобальної мережі Інтернет, сформував достатні умови для ефективного здійснення нового виду мережних послуг – спеціальних моделюючих сервісів. Це відкриває можливість множинного доступу географічно віддалених клієнтів до такого роду сервісів, що особливо актуально, між іншим, для систем on-line навчання і тренінгу.

Таким чином, методи організації і розробки розподілених моделюючих середовищ (РМС), які здатні на базі комунікаційних можливостей сучасної інфраструктури Інтернет ефективно використовувати ресурси різноманітних моделюючих серверів географічно розподіленими кінцевими користувачами, в сучасних умовах здобули досить актуальний характер.

На сьогодні існує два принципово різних підходи до організації мережних РМС: розробка цілком нових мережно-орієнтованих програмних засобів і реалізація середовища з максимальним використанням існуючих немережевих засобів моделювання. При реалізації першого підходу розробляється цілком нова система, що дозволяє максимально повно використовувати всі переваги сучасних інформаційних технологій. До систем такого роду можна віднести такі відомі середовища, як DEVSJAVA, JSIM, AnyLogic і т.д. Але даний підхід має два істотних недоліки. Перший полягає в необхідності значних фінансових, часових і інтелектуальних витрат. Другий – у неможливості або складності використання вже існуючих модельних баз, реалізованих для успадкованих немережевих систем моделювання.

Іншим підходом до реалізації РМС є організація на базі вже існуючої немережевої системи моделювання полнофункціонального мережного моделюючого середовища (системи типу NetSim, WSE і т.д.). Даний підхід передбачає комплексну модернізацію або реінжиніринг успадкованої системи моделювання, що дозволяє розширити її функціональні можливості і забезпечити ефективну експлуатацію системи з використанням усіх переваг сучасної мережної інфраструктури. Реалізація таких систем за звичай характеризується досить стиснутими термінами розробки і впровадження. Однак, даний підхід, особливо у випадку застосування сучасних технологій розподіленої взаємодії (наприклад, на базі архітектури об'єктних брокерів) на сьогодні є недостатньо дослідженим, з причин як новизни самих технологій, так і досить високої складності їх практичного застосування. При цьому особливий інтерес представляють модульні архітектури моделюючих середовищ, що дозволяють забезпечити досить гнучку адаптацію конкретних реалізацій мережних РМС до сучасних вимог і умов. У першу чергу мається на увазі можливість доступу до моделюючого сервісу з будь-якого місця, що має мережне підключення, можливість максимального використання всіх сервісних функцій, реалізованих в однокористувальницькій версії моделюючого середовища, а також можливість використання декількох мережних моделюючих ресурсів для організації єдиного процесу моделювання.

Таким чином, дисертаційна робота присвячена розвитку методів організації процесів моделювання в гетерогенному мережному середовищі, які орієнтовані на роботу з моделями складних динамічних систем, що є в сучасних умовах актуальною науковою задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до плану науково-дослідної роботи Г5-01 "Теоретичні основи побудови модульних моделюючих середовищ для мережного розподіленого моделювання" (№ ДР 0101U001110), а також у рамках договорів про міжнародне науково-технічне співробітництво між Донецьким національним технічним університетом та Інститутом динаміки складних технічних систем товариства Макса-Планка (Німеччина, Магдебург), Інститутом паралельних та розподілених систем Штутгартського університету (Німеччина, Штутгарт) по проблемі моделювання динамічних систем з зосередженими та розподіленими параметрами.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розвиток (за рахунок підвищення ефективності проектних рішень) методів організації процесів моделювання в гетерогенному мережному середовищі, які орієнтовані на роботу з моделями складних динамічних систем, зокрема хіміко-технологічних процесів. Для досягнення поставленої мети в роботі вирішуються наступні задачі:

1. Аналіз стану проблеми моделювання складних динамічних систем, математичних методів і засобів моделювання (на прикладі хіміко-технологічних процесів), робіт в області організації розподілених моделюючих середовищ, а також WEB-орієнтованих моделюючих систем з метою виявлення найбільш перспективних методів і засобів організації ефективного мережного моделювання.

2. Дослідження варіантів, вибір і розробка компонентної архітектури з можливістю різноманітних реалізацій РМС, орієнтованих на різні режими роботи в мережному середовищі, а також - об'єктно-орієнтоване моделювання основних структурних рішень, життєвих циклів компонент і програмних модулів РМС.

3. Розробка алгоритмів, прикладних протоколів обміну і відповідного програмного забезпечення модулів розподіленого моделюючого середовища, а також – відповідний реінжиніринг типової блочно-орієнтованої системи моделювання.

4. Експериментальні дослідження РМС у режимі мережного моделювання в мережах з різною топологією і різною пропускною спроможністю каналів зв'язку. Визначення основних параметрів і закономірностей, що впливають на швидкість, а також інші характеристики моделювання в мережному середовищі.

Об'єктом дослідження є методи і засоби організації процесів моделювання розподілених моделюючих середовищ.

Предметом дослідження є структури, протоколи й алгоритми функціонування мережних розподілених моделюючих середовищ, а також технології мережної модернізації (реінжиніринга) успадкованих систем моделювання.

Методи досліджень базуються на принципах об'єктно-орієнтованого аналізу і синтезу систем з використанням уніфікованої мови моделювання UML (Unified Modeling Language), об'єктно-орієнтованого проектування і програмування розподілених інформаційних систем, методів імітаційного моделювання, а також - методів розробки програмного забезпечення в середовищі об'єктних брокерів (ORB, Object Request Broker).

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Запропоновано удосконалені методи організації мережних і WEB-орієнтованих розподілених моделюючих середовищ, що дозволяють реалізувати множинний доступ до ресурсів моделюючих середовищ, які відрізняються від раніше відомих тим, що вони мають модульну структуру, є гнучкими в використанні, допускають різноманітне виконання і забезпечують наступність з раніше розробленими засобами моделювання.

2. Розроблено об'єктно-орієнтовані моделі РМС, що дозволяють скоротити зусилля розроблювачів на стадії проектування і реалізації аналогічних мережних моделюючих середовищ за рахунок виділення набору типових структур, які забезпечують ефективну реалізацію можливостей мережного розподіленого моделювання в гетерогенному середовищі.

3. Запропоновано удосконалені методи реінжинірингу успадкованих систем моделювання, які відрізняються тим, що дозволяють за рахунок застосування модульної архітектури, можливості повторного використання коду, використання об'єктно-орієнтованого підходу, а також - сучасних засобів організації розподіленої взаємодії, у тому числі на базі об'єктних технологій (CORBA, RMI), значно розширити функціональні можливості базових систем моделювання і реалізувати на їх основі багатофункціональні мережні моделюючі середовища, що забезпечують можливість ефективного дослідження моделей у різних режимах функціонування, у тому числі вирішують проблему модернізації і спеціалізації користувальницьких інтерфейсів.

4. Методом імітаційного моделювання досліджено і виявлено основні характеристики, що впливають на ефективність роботи розроблених мережних РМС. Досліджено вплив таких параметрів, як: інтенсивність і тип вхідного потоку запитів, продуктивність серверних вузлів РМС, пропускної здатності каналів зв'язку на середній час обробки запиту.

Практичне значення одержаних результатів.

Розроблені в дисертаційній роботі моделі і методики реалізації розподілених моделюючих середовищ на базі успадкованих систем моделювання дозволяють значно скоротити часові витрати на стадії проектування і реалізації аналогічного програмного забезпечення основних модулів РМС. У роботі розроблено і пропонуються декілька варіантів організації РМС, що відрізняються як ступенем інтеграції з базовою системою моделювання, так і реалізованими функціональними можливостями, що дає можливість вибору найбільш підходящого варіанта для реалізації в кожній конкретній ситуації. Модульність розробленої архітектури РМС забезпечує формування системи як комплексу взаємозалежних функціонально закінчених блоків – модулів. Модулі забезпечення мережної роботи РМС в якості інформаційної інфраструктури системи дозволяють використовувати широкий спектр устаткування, технологій і засобів передачі даних. Використання WEB-технологій забезпечує можливість доступу клієнтів до РМС із будь-якого комп'ютера, підключеного до мережі Інтернет і оснащеного стандартним WEB-браузером.

Розроблене програмне забезпечення розподіленого моделюючого середовища використовується на Северодонецькому підприємстві “АЗОТ” для досліджень та моделювання складного технологічного процесу виробництва оцтової кислоти.

Розроблені методи організації розподілених обчислень з застосуванням сучасних інформаційних технологій використовуються в навчальному процесі на кафедрі електронних обчислювальних машин Донецького національного технічного університету по дисциплінах “Мережні інформаційні технології” та “Програмне забезпечення інформаційних мережних систем”.

Особистий внесок здобувача. Усі наукові результати, подані у дисертації, одержані здобувачем особисто. У друкованих працях, опублікованих у співавторстві, особистий внесок здобувача такий: [3] - дано огляд сучасних методів організації тренажерних систем; [4] - дано огляд перспективної технології організації розподілених обчислень, у тому числі розподілених моделюючих середовищ, CORBA; [5] - запропоновано методику організації розподілених моделюючих середовищ з використанням платформонезалежної технології Java; [7] - дано аналіз сучасних засобів комп'ютерного моделювання складних динамічних систем та технологічних процесів; [8] - запропоновано методику реалізації тренажера складного технологічного процесу з використанням технології розподілених обчислень.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи та результати досліджень доповідалися, обговорювалися й одержали позитивну оцінку на:

- Міжнародній науково-технічній конференції і виставці “Сучасні засоби автоматизації і комп’ютерно-інтегровані технології”, м. Краматорськ, 11-13 лютого 2003 р.

- 8-ій Міжнародній відкритій науковій конференції “Сучасні проблеми інформатизації в техніці та технологіях”, м. Воронеж, 2003 р.

- 4-ому Міжнародному науково-практичному семінарі “Практика і перспективи розвитку інституційного партнерства”, м. Донецьк, 9-11 квітня 2003 р.

- Міжнародному семінарі “Проблеми моделювання складних динамічних систем”, м. Донецьк, 27 березня 2003 р.

- Наукових семінарах кафедри ЕОМ ДонНТУ (у тому числі міжнародних), а також в інституті товариства Макса-Планка в м. Магдебург (Німеччина) під час наукового стажування.

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 8 друкованих праць, з них 5 статей опубліковані у фахових виданнях ВАК України, 3 - у працях міжнародних наукових конференцій й семінарів, а також у збірниках магістерських робіт ДонНТУ.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота обсягом 165 машинописних сторінок складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел, складених з 155 найменувань. Дисертація містить 54 рисунка, 3 таблиці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтовується актуальність теми, формулюється мета та основні задачі досліджень, викладено основні наукові та практичні результати, отримані в роботі, відомості про апробації роботи, а також основні положення, які виносяться на захист.

У першому розділі дано аналіз стану імітаційного моделювання складних динамічних систем, до класу яких відносяться моделі технологічних процесів, зокрема хімічних. Дано класифікацію динамічних систем як об'єктів моделювання. Введено основні поняття та визначення, що використовуються в роботі: об'єктно-орієнтоване моделювання, WEB-орієнтоване моделювання, моделююче середовище, паралельне моделююче середовище, розподілене моделююче середовище та ін. Відзначається наявність проблем при виборі засобів моделювання складних технологічних процесів, відсутність достатньо устояних підходів до побудови математичних моделей, моделюючих середовищ та способу обміну даними між ними, проблеми спільного використання різних математичних моделей та систем моделювання. Виділяється актуальний у даний час напрямок організації WEB-орієнтованих розподілених моделюючих середовищ, у тому числі на базі вже існуючих успадкованих (legacy) систем моделювання. Дано огляд сучасних підходів до організації розподілених моделюючих середовищ.

У контексті даної роботи розподілене моделююче середовище (РМС) визначається як комплекс апаратних, програмних і інформаційних засобів, що складається, по-перше, з деякої кількості зосереджених локальних підсистем, по-друге - з деякої кількості засобів, що забезпечують з'єднання і взаємодію таких територіально розділених модулів з метою забезпечення дружньої для користувача підтримки всіх етапів розробки, настроювання і дослідження моделей динамічних систем реальної складності (рис. 1).

Для досліджень та організації розподілених моделюючих середовищ було обране середовище моделювання складних динамічних систем і технологічних процесів - DIVA. Моделювання в даному середовищі дозволяє одержати обґрунтовані рекомендації для ухвалення рішення при виборі варіанта реалізації як технологічного процесу в цілому, так і організації окремого підпроцесу. Відомим розвинутим університетським системам моделювання (таким, як DIVA) властиві наступні основні недоліки:

- системи реалізовані на різних мовах програмування для різних апаратних платформ, що значно ускладнює їх спільне використання при об'єднанні для створення більш потужних та складних моделей;

- відсутній зручний графічний інтерфейс користувача, робота із системою обмежується взаємодією тільки через інтерфейс командного рядка;

- відомі системи моделювання в основному призначені для роботи в рамках локальної обчислювальної системи і не здатні до ефективної взаємодії в межах інфраструктури Інтернет.

- існуючі системи моделювання здебільшого є недостатньо компактними для забезпечення необхідної мережної мобільності, особливо при організації спільної роботи великої кількості користувачів у глобальній мережі Інтернет, наприклад, при використанні технології “клієнт-сервер”.

Для дослідження розроблених прототипів РМС було обрано модель виробництва оцтової кислоти, де мають місце процеси, описані системою алгебраїчних та диференціальних рівнянь великої розмірності.

Другий розділ присвячений розробці об'єктно-орієнтованих моделей РМС у різних варіантах організації. Для створення моделей була обрана сучасна мова уніфікованого моделювання UML, яка є підкласом CASE-засобів і найбільш ефективна для моделювання інформаційних систем, у тому числі розподілених та WEB-орієнтованих. З метою можливості багаторазового використання модулів РМС в інформаційних системах різної конфігурації при проектуванні нових (або удосконаленні існуючих) моделюючих середовищ було використано компонентну (модульну) архітектуру. Це дає можливість багаторазово використовувати розроблені модулі в різних системах і розвивати їх незалежно. Такі компоненти можуть замінятися аналогічними по зовнішньому інтерфейсу та реалізувати при цьому іншу функціональність.

У дисертаційній роботі розроблена і пропонується UML-модель РМС на базі класичної архітектури “клієнт-сервер”. Дана модель включає три основних модулі: клієнтський модуль, серверний модуль (Unix демон) і модуль базової системи моделювання (у нашому випадку система DIVA) (рис. 2).

У клієнтському модулі реалізуються основні функції керування типовим процесом моделювання, а саме:

- наочна візуалізація технологічного процесу й отриманих результатів моделювання;

- можливість інтерактивної зміни різних органів керування.

Серверний модуль обслуговує вхідні підключення з боку зовнішніх клієнтів і реалізує наступні операції:

- підготовку вихідних файлів для моделювання на базовій системі DIVA шляхом використання інформації, отриманої від клієнта;

- системний запуск системи DIVA та настройка шляху до вихідних файлів для даного сеансу;

- одержання результатів моделювання і пересилання їх клієнтському модулеві.

Використання даної моделі дозволить у максимально короткий термін і з мінімальними змінами в базовій системі моделювання реалізувати повнофункціональне РМС.

У розподілених гетерогенних мережах нерідко виникає ситуація, коли мережні з'єднання між різними учасниками (з метою безпеки) обмежені спеціальними засобами, наприклад такими, як файрвол (firewall). У цьому випадку прямі сокетні з'єднання будуть недоступні в силу обмежень. Для рішення даної проблеми і забезпечення нормального функціонування РМС у таких мережах пропонується модель з використанням стандарту електронної пошти в якості транспортного середовища для передачі даних. Вибір протоколу електронної пошти серед інших стандартних протоколів обміну даними обґрунтовано з позицій універсальності, надійності, швидкодії і безпеки (рис. 3).

Моделювання складних динамічних систем і технологічних процесів висуває особливі вимоги до продуктивності моделюючих середовищ. У даній роботі пропонується модель високопродуктивного РМС на базі обчислювального кластера з диспетчером розподілу задач (рис. 4).

Спеціальний модуль диспетчера контролює потік запитів і розподіляє їх відповідно до закладеного алгоритму між вузлами моделюючого кластера. При цьому для клієнта процедура взаємодії абсолютно прозора: використовується єдиний моделюючий сервер або кластер серверів. Ефективність роботи такої системи багато в чому визначається алгоритмом розподілу запитів між вузлами кластера. Дана модель передбачає практично не обмежену кількість моделюючих серверів. Також можливе створення ієрархічних систем, де в кожному диспетчерському модулі може бути використаний власний алгоритм розподілу запитів.

У середовищі розподілених, гетерогенних систем актуальною є підтримка платформо-незалежного коду модулів РМС, здатного функціонувати на різних апаратних платформах під керуванням різних операційних систем. Розроблено модель WEB-орієнтованого РМС на базі технології Java – ефективного засобу при створенні такого роду програм (рис. 5).

Основною перевагою даної моделі є те, що клієнтське програмне забезпечення у вигляді Java-аплета функціонує в середовищі стандартного Інтернет-браузера, не вимагає процедури інсталяції на робочому місці оператора, маючи при цьому практично ідентичну традиційним програмам функціональність.

У роботі розроблена і пропонується модель РМС з використанням технології проміжного програмного забезпечення (ППЗ) CORBA (рис. 6).

Одним з основних переваг використання ППЗ при розробці розподілених систем є відсутність необхідності в реалізації специфічних мережних протоколів взаємодії між клієнтом і сервером. У роботі запропоновано успадковану систему моделювання DIVA доповнити об'єктними інтерфейсами, що дозволило представити таку систему як моделюючий сервіс у гетерогенному просторі Інтернет, поряд з такими сервісами, як FTP, NEWS і т.д.

Модуль “ObjectDIVA” - модифікована версія системи DIVA з інтерфейсами ППЗ технології CORBA. Об'єктні інтерфейси інкапсулюють у собі основні механізми керування системою DIVA, забезпечуючи можливість взаємодії з віддаленими клієнтами. Модулі “ORB-сервера” і “ORB-клієнта” реалізують специфікацію CORBA по обміну інформацією через канали зв'язку. Клієнтський модуль у виді Java-аплета дає можливість взаємодії із середовищем моделювання з застосуванням стандартного Інтернет-браузера.

Третій розділ дисертаційної роботи присвячений синтезу програмних модулів розроблених моделей розподілених моделюючих середовищ. Для реалізації операцій файлового обміну виконано аналіз формату вхідних/вихідних файлів моделюючої системи DIVA, а також розроблено модель взаємодії її функціональних блоків. Розроблено алгоритми роботи модулів серверної і клієнтської частин, а також протокол взаємодії між ними (рис. 7).

Система DIVA може бути відкомпільована для використання в середовищі практично будь-якої POSIX-сумісної операційної системи, проте це потребує від обслуговуючого персоналу достатньо високої кваліфікації. Реалізований у даній роботі серверний модуль на базі платформо-незалежної мови програмування Java дозволив значно знизити поріг складності організації й адміністрування розподіленого моделюючого середовища.

Ефективність моделювання в мережному середовищі багато в чому визначається пропускною здатністю каналів зв'язку між клієнтом і сервером. Для зменшення мережних затримок у даній роботі реалізовано ряд ефективних засобів, таких як:

- механізм збереження незмінних файлів опису і параметрів моделі в спеціальній директорії на сервері, що дозволило уникнути необхідність їх завантаження по мережі від клієнта;

- механізм перетворення результатів моделювання з текстових файлів в об'єктно-орієнтовані структури даних, що дозволило значно скоротити обсяг інформації для обміну;

- модуль архівації переданих по мережі даних.

Система моделювання DIVA, як і багато інших систем такого класу, не орієнтована на роботу в мережному середовищі й не має у своєму складі достатньо розвинених інтерфейсних засобів. Роботу цієї системи можна представити у вигляді узагальненої моделі (рис. 8).

У даній моделі можна виділити вектор вхідних математичних моделей:

Т (1)

де - визначений набір моделей, описаних у спеціальних файлах, n – кількість існуючих моделей.

Для кожної моделі існує вектор початкових умов:

Т, (2)

де - визначений набір описів початкових умов для відповідних моделей, n – кількість файлів.

Набір усіх команд системи DIVA можна представити вектором команд:

Т, (3)

де - усі типи команд DIVA, n – кількість команд.

У процесі роботи системи DIVA можуть виникати різноманітні помилки. Їх можна описати вектором помилок:

Т, (4)

де - стандартний набір помилок системи DIVA, n – кількість усіх можливих помилок.

За допомогою системних засобів взаємодії між мовами програмування FORTRAN та C++ розроблені відповідні інтерфейсні модулі (рис. 9).

На наступному етапі були сформовані зовнішні об'єктні інтерфейси. Вони призначені для надання доступу віддалених клієнтів до розподіленої системи моделювання за допомогою комунікаційних можливостей сучасних засобів зв'язку, у тому числі мережі Інтернет. Для цього за допомогою язика опису віддалених інтерфейсів IDL були розроблені відповідні програмні модулі (рис. 10).

На базі технології XML розроблено спеціальний репозиторій моделей. За допомогою цієї інформації можливо динамічне формування графічного інтерфейсу користувача на боці клієнта. Це дозволяє практично для будь-якої моделі реалізувати зручний та інформаційно-насичений інтерфейс, включаючи органи керування, специфічні для конкретної моделі технологічного процесу без необхідності зміни коду програми.

У четвертому розділі методом експериментальних досліджень з використанням спеціально розробленої імітаційної моделі досліджено та виявлено основні характеристики, які впливають на ефективність мережного розподіленого моделювання в мережах з різною топологією і різною пропускною здатністю каналів зв'язку.

Для досліджень продуктивності розподілених обчислювальних систем, до класу яких відносяться і РМС, традиційно використовуються або методи теорії масового обслуговування, або методи імітаційного моделювання. У даній роботі був обраний метод імітаційного моделювання, оскільки досліджувана система є досить складною та зазнає вплив стохастичних процесів, що мають місце в РМС. Іншою перевагою використання імітаційного моделювання є можливість досить зручної імітації різних режимів роботи РМС, що вкрай складно зробити на реально працюючих модулях (без необхідності значної модифікації коду програми). Структура імітаційної моделі представлена на рис. 11.

У роботі досліджувався вплив характеру потоку запитів у РМС при фіксованій інтенсивності протягом заданого інтервалу (рис. 12).

Аналіз експериментальних даних показує, що регулювання вхідного потоку запитів у РМС дозволяє знизити середній час обробки та підвищити ефективність роботи із системою. У реальних РМС таке регулювання забезпечується за рахунок введення спеціального диспетчера запитів, що контролює вхідний потік або перерозподіляє його по різних серверах РМС.

У роботі досліджено вплив продуктивності серверних обчислювальних вузлів РМС на середній час обробки запиту. Виявлено, що при зменшенні періоду надходження запитів у систему T після подолання величини Rm – часу обробки в монопольному режимі користування, стрімко починає збільшуватися середня тривалість обробки запиту R (рис. 13).

У процесі досліджень експериментально доведено, що при відсутності локально установленого високопродуктивного моделюючого сервера, використання запропонованих РМС для розподіленого моделювання через Інтранет або Інтернет може значно підвищити ефективність роботи (рис. 14).

Отримані дані показують, що вплив мережних затримок може бути компенсований за рахунок використання зовнішнього високопродуктивного сервера. При цьому величина мережних затримок залежить як від пропускної здатності й обсягу переданих даних, так і від інтенсивності запитів. Тобто, запропоновані засоби дозволяють суттєво підвищити ефективність процесу моделювання в цілому за рахунок використання віддалених високопродуктивних моделюючих серверів.

ВИСНОВКИ

Еволюція обчислювальних систем та засобів комунікації відкрила принципово нові можливості для моделювання складних динамічних систем, у першу чергу, на базі архітектури “клієнт-сервер” як найбільш перспективного рішення для реалізації програмного забезпечення РМС у гетерогенному середовищі.

Проведені дослідження показали, що існуючі технічні засоби і апаратно-програмне забезпечення дозволяють здійснювати стійкий та надійний доступ до ресурсів розроблених WEB-орієнтованих розподілених моделюючих середовищ. При цьому використання об’єктно-орієнтованого підходу на всіх стадіях проектування програмного забезпечення модулів РМС дозволяє максимально ефективно використовувати існуючи ресурси та в мінімально короткий термін досягти бажаного результату.

Запропоновані підходи до організації інтерфейсних модулів розподіленого моделюючого середовища дають можливість користувачеві зосередитися переважно на дослідженні моделі з використанням принципів та термінів, знайомих користувачеві як експертові в даній предметній області.

У процесі роботи над дисертацією були отримані наступні основні теоретичні і практичні результати.

1. Запропонована архітектура модульної організації РМС, яка забезпечує:

- зниження порога складності системи та максимально паралельне виконання робіт з її розробки, розвитку й супроводу за рахунок незалежної розробки та налагодження окремих модулів;

- можливість поступового розвитку системи за рахунок еволюції та заміни окремих модулів;

- високу гнучкість й можливості адаптування системи до конкретних умов використання;

- розширення можливостей інтеграції системи з іншими програмними продуктами за рахунок використання об'єктних інтерфейсних модулів для зв'язку з зовнішніми системами.

2. Досліджені й запропоновані методи впровадження сучасних інформаційних технологій для реалізації реінжиніринга успадкованих систем моделювання складних динамічних систем та технологічних процесів з метою додання можливостей мережної роботи та сучасних інтерфейс них засобів. Запропоновані підходи до реінжинірингу складних систем забезпечують повторне використання неоднорідних інформаційних ресурсів та, як наслідок, продовжують життєвий цикл систем у цілому.

3. Виконано реінжиніринг типової блочно-орієнтованої системи моделювання DIVA, що дозволило значно розширити її функціональні можливості для ефективного дослідження моделей динамічних систем реальної складності.

4. Виконано дослідження розроблених РМС у режимі мережного моделювання в мережах з різною топологією і різною пропускною здатністю каналів зв'язки і виявлені основні характеристики, що впливають на продуктивність РМС.

5. Розроблено тренажер складного технологічного процесу виробництва оцтової кислоти, що дозволяє ефективніше здійснювати підготовку обслуговуючого персоналу, який керує технологічною установкою.

6. На базі розроблених модулів РМС введено в експлуатацію багатофункціональний моделюючий сервер з доступом через Інтернет.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Потапенко В.А. Web-ориентированное моделирование как часть распределенной моделирующей среды // Проблемы моделирования и автоматизации проектирования: 52. науч. тр. –Д.: ДонНТУ, 2002. – С. 27-34.

2. Потапенко В.А. Реализация клиент-серверного подхода в рамках реинжиниринга системы DIVA // Информатика, кибернетика и вычислительная техника: 39. науч. тр. – Д.: ДонНТУ, 2002. – С. 222-226.

3. Аноприенко А.Я., Забровский С.В., Потапенко В.А. Современные тенденции развития тренажерных систем и их модельного обеспечения // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: 10. науч. тр. – Д.: ДонГТУ, 2000. – С. 3-7.

4. Аноприенко А. Я., Забровский С.В., Потапенко В.А. Использование технологии CORBA в распределённом моделировании сложных технологических систем // Обчислювальна техніка та автоматизація: 38. наук. пр. – Д.: ДонДТУ, 2002. – С. 186-190.

5. Забровский С.В., Мацак С.А., Потапенко В.А., Сисюкин В.С. Опыт использования сети Интернет в качестве распределенной среды моделирования // Проблеми моделювання та автоматизації проектування динамічних систем: 29. наук. пр. – Д.: ДонДТУ, 2001. – С. 254-259.

6. Потапенко В.А. Подходы к организации распределенных моделирующих сред на базе промежуточного программного обеспечения технологии CORBA // Труды Межд. научн. практ. семинара “Практика и перспективы развития институционного партнерства”. – Донецк, 2003. – С 165-171.

7. Святный В.А., Аноприенко А.Я., Потапенко В.А. Модульные среды для сетевого распределенного моделирования сложных динамических систем // Труды Межд. конф. “Современные проблемы информатизации в технике и технологиях”: Выпуск 8. – Воронеж, 2003. – С. 122-123.

8. Потапенко В.А., Шахов С. М., Шрамко М. В. Использование технологий распределённых объектов для реализации учебного тренажёра сложной технологической системы // Збірка праць магістрантів: 1. – Д.: ДонНТУ, 2002. – С. 914-918.

АНОТАЦІЯ

Потапенко В.А. Модульні середовища для мережного розподіленого моделювання складних динамічних систем. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 01.05.02 – математичне моделювання та обчислювальні методи. – Інститут проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Е. Пухова НАН України, Київ, 2003.

Дисертаційна робота присвячена розвитку методів організації процесів моделювання в гетерогенному мережному середовищі, які орієнтовані на роботу з моделями складних динамічних систем, зокрема хіміко-технологічних процесів.

У дисертації розглянуті існуючі підходи до візуального моделювання складних динамічних систем. Дано огляд сучасних засобів організації розподілених моделюючих середовищ і WEB-орієнтованих систем. Проаналізовано основні недоліки успадкованих систем моделювання на прикладі середовища DIVA.

У роботі пропонуються моделі і методики організації розподілених моделюючих середовищ, інваріантних стосовно програмних і апаратних платформ їх компонентів. Синтез даних моделей у програмні модулі дозволить реалізувати реально діючі РМС. Як інструмент для створення моделей РМС використовувався об'єктно-орієнтований аналіз і мова UML.

Для перевірки працездатності запропонованих моделей РМС у дисертаційній роботі були розроблені і реалізовані програмні модулі, як для серверної, так і для клієнтської частин. Ці модулі можуть бути повторно використані в процедурах реинжиниринга типових систем моделювання. Реалізовано графічний інтерфейс користувача, що забезпечує наочну візуалізацію досліджуваного технологічного процесу, у зручному виді представляє результати моделювання, забезпечує можливість керування процесом моделювання інтерактивно.

Методом імітаційного моделювання досліджено і виявлено основні характеристики, що впливають на ефективність роботи розроблених мережних РМС. Досліджено вплив таких параметрів, як: інтенсивність і тип вхідного потоку запитів, продуктивність серверних вузлів РМС, пропускної здатності каналів зв'язку на середній час обробки запиту.

Основні результати роботи використовувалися для проведення досліджень, моделювання та тренінгу персоналу складного технологічного процесу виробництва оцтової кислоти на Северодонецькому підприємстві “АЗОТ”, у процесі виконання науково-дослідних робіт на кафедрі електронні обчислювальні машини ДонНТУ, а також впроваджені в навчальні процеси ДонНТУ.

Ключові слова: розподілене моделююче середовище, динамічні системи, реинжиниринг, об’єктно-орієнтований підхід, Web-технології, тренажери, клієнт-сервер, CORBA.

АННОТАЦИЯ

Потапенко В.А. Модульные среды для сетевого распределенного моделирования сложных динамических систем. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 01.05.02 – математическое моделирование и вычислительные методы. – Институт проблем моделирования в энергетике им. Г.Е. Пухова НАН Украины, Киев, 2003.

Диссертационная работа посвящена развитию методов организации процессов моделирования в гетерогенной сетевой среде, ориентированных на работу с моделями сложных динамических систем, в частности химико-технологических процессов.

В диссертации рассмотрены существующие подходы к визуальному моделированию сложных динамических систем. Дан обзор современных средств организации распределенных моделирующих сред и WEB-ориентированных систем. Проанализированы основные недостатки унаследованных систем моделирования на примере среды DIVA.

Для реализации РМС в работе предлагается принцип повторного использования. Основная идея заключается в использовании знаний или компонентов существующих систем для построения (или точнее реинжиниринга) системы, обладающей новыми свойствами.

В работе предлагаются модели и методики организации распределенных моделирующих сред, инвариантных по отношению к программным и аппаратным платформам ее компонентов. Синтез данных моделей в программные модули позволит реализовать реально действующие РМС. В качестве инструмента для создания моделей РМС использовался объектно-ориентированный анализ и язык UML.

Синтез модели РМС с классической архитектурой “клиент-сервер” позволит достичь необходимой функциональности практически без изменений в исходной версии унаследованной системе моделирования. Для РМС с повышенными требованиями к быстродействию может быть использована разработанная модель с параллельной архитектурой. Для обеспечения доступа к РМС из глобальной сети Интернет предлагается модель на базе платформонезависимого языка программирования Java. Это дает возможность использовать стандартный Интернет-браузер для доступа к среде моделирования, что значительно повышает эффективность работы с системой. Использование модели на базе промежуточного программного обеспечения технологии CORBA позволяет реализовать Интернет-сервис моделирования, подобно существующим стандартным сервисам FTP, NEWS и т.д.

Для проверки работоспособности предложенных моделей РМС в диссертационной работе были разработаны и реализованы программные модули, как для серверной, так и для клиентской частей. Данные модули могут быть повторно использованы в процедурах реинжиниринга типовых систем моделирования. Реализованный графический интерфейс пользователя обеспечивает наглядную визуализацию исследуемого технологического процесса, в удобном виде представляет результаты моделирования, обеспечивает возможность управления процессом моделирования интерактивно.

Методом имитационного моделирования исследованы и выявлены основные характеристики, влияющие на эффективность работы разработанных сетевых РМС. Исследовано влияние таких параметров, как: интенсивность и тип входного потока запросов, производительность серверных узлов РМС, пропускной способности каналов связи на среднее время обработки запроса.

Основные результаты работы использовались для проведения исследований, моделирования и тренинга персонала сложного технологического процесса производства уксусной кислоты на Северодонецком предприятии “АЗОТ”, в процессе выполнения научно-исследовательских работ кафедры ЭВМ ДонНТУ по гостеме Г5-01 "Теоретические основы построения модульных моделирующих сред для сетевого распределенного моделирования". Основные результаты нашли применение при подготовке учебных курсов по дисциплинам “Сетевые информационные технологии” и “Программное обеспечение сетевых информационных систем” и включены в состав соответствующих методических указаний.

Ключевые слова: распределенная моделирующая среда, динамические системы, реинжиниринг, объектно-ориентированный подход, Web-технологии, тренажеры, клиент-сервер, CORBA.

ABSTRACT

Potapenko V. The modular environments for network distributed simulation of complex dynamic systems. – Manuscript.

Thesis for Ph.D. science degree by specialty 01.05.02 – mathematical modeling and calculating methods. – The G. Pukhov’s Institute of Simulation Problems in Power Engineering of National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2003.

The main goal of this thesis is researching and developing distributed simulation environments and methods of organizations the simulations processes in heterogeneous network environment, oriented to work with models of the complex dynamic systems, in particular chemist-technological processes.

The modern approaches for visual simulation of the complex dynamic systems are reviewed as well as the modern tools for development distributed simulation environments and WEB-oriented systems. The analysis of the main disadvantages of legacy simulation systems was done by example of typical system DIVA.

The models and methods for development distributed simulation environments that are invariant to software and hardware parts of their components were proposed. Synthesis of these models into programs gives the ability to get really worked DSE. As the main tool for development models of the DSE object-oriented analysis was used as well as the UML language.

To check the ability of proposed working DSE models programming modules were developed for client and server sides. The same modules can be reused during reengineering of typical legacy simulation systems. The graphical user interface provides visualization of researched technological process, in convenient way provides simulation results, gives ability to control the simulation process.

The main results of the thesis are used in research, simulation and technical personal training of complex technological process of producing acetic acid in the AZOT plant and included in education processes of DonNTU.

Keywords: distributed simulation environment, dynamical systems, reengineering, object-oriented methodology, Web-technologies, training systems, client-server, CORBA.