Vergleich konservativer und optimistischer Verfahren bei der verteilten Simulation mechanischer Systeme mittels CORBA

Diploma Thesis , 1999 , 81 Pages , Grade: 1

Computer Science - Applied

Einleitung

Die Simulation ist heute ein taugliches Mittel, um reale Vorgänge nachzubilden und zu analysieren. Der Grad der Übereinstimmung zwischen Simulation und Realität hängt dabei von den berücksichtigten Parametern und der verlangten Rechengenauigkeit ab. Leider steigt mit der gewünschten Übereinstimmung aber auch der Rechenaufwand und die Rechenzeit. Um letztere zu verringern, wurden Parallelisierungsansätze entworfen, bei welchen die Rechenlast auf
mehrere Prozessoren verteilt wird. Eine Möglichkeit ist es, das Modell in mehrere Teilmodelle zu zerlegen. Diese können dann unterschiedlichen Prozessoren zugeordnet werden. Die
Teilmodelle werden durch einzelne Komponenten repräsentiert, die über ein geeignetes Medium miteinander kommunizieren. Ein weiterer Aspekt, der sich durch das Bilden dieser Komponenten ergeben kann, ist ein Steigern der Übersichtlichkeit und Wartbarkeit. Aus der
notwendigen eindeutigen Festsetzung der Aufgaben jeder einzelnen Komponente ergeben sich überschaubare Einzelprogramme und klar definierte Schnittstellen zur Kommunikation untereinander.

Ziel dieser Arbeit soll es sein, eine verteilte Simulation zu erstellen, deren Vorteile gegenüber einer monolithischen Simulation aufgezeigt werden. Es wurde dafür bewußt ein einfaches Beispiel gewählt, um das Augenmerk auf die verwendeten Verteilungsstrategien und nicht auf die Erklärung des Modells als mechanisches System zu lenken.
In dieser Arbeit werden zwei unterschiedliche Parallelisierungs-konzepte vorgestellt. Ein wesentlicher Unterschied zwischen den beiden liegt darin, ob die Kausalordnung verletzt werden darf oder nicht. Das erste Konzepte verletzt die Kausalordnung nicht und entspricht der Definition eines konservativen Verfahrens. Das zweite Konzept entspricht der Definition eines optimistischen Verfahrens. Dafür muß die Möglichkeit einer kurzzeitigen Verletzung der
Kausalordnung berücksichtigt werden, was einen gewissen Mehraufwand bedeutet. Zu beiden Konzepten ist ein Monitor implementiert worden. Die erzielten Ergebnisse in Bezug auf Rechenzeit,
Prozessorauslastung und verbundenen Aufwand wurden anschließend miteinander verglichen. Das gesamte Modell wurde als CORBA-Anwendung implementiert, wobei C++ als Programmiersprache genutzt wurde.
[...]

Inhaltsverzeichnis

• EINLEITUNG
• VERTEILTE SIMULATION
• Anwendungsmöglichkeiten der Simulation
• Parallelisierung und Verteilung
• Verteilung
• Parallelisierung
• Multitasking und Multithreading
• Vorgehensweise
• Festlegung wichtiger Begriffe
• Die Begriffe Simulationszeit und Rechenzeit
• Die Begriffe Zustand und Ereignis
• Zeitdiskrete Simulationen
• Zeitgesteuerte Datenausgabe
• Zustandsgesteuerte Datenausgabe
• Zeitkontinuierliche Simulationen
• Berücksichtigung von Unstetigkeitsstellen
• Datenausgabe
• Unterschiedliche Simulationsverfahren
• Die Begriffe Kausalität, Kausalordnung und Konservativ
• Zeitdiskrete konservative Simulationen
• Kontinuierliche konservative Simulationen
• Optimistische Simulationsverfahren
• Verfahren der Antiereignisse
• Verfahren der Zustandslisten
• Vergleich der Verfahren anhand eines Beispiels
• Aufgabenstellung
• Aufteilung in Komponenten
• Zustandsänderungen
• Vorwärtsintegration
• Unstetigkeitsstellen
• Konservatives Verfahren
• Optimistisches Verfahren
• Vergleich der Rechenzeiten
• DAS UNTERSUCHTE MODELL
• Das gewählte Beispiel
• Kriterien
• Entkoppelbarkeit
• Berücksichtigung von Ereignissen
• Integrationsverfahren nach Euler
• Konservatives und optimistisches Verfahren
• Wählbare Größen
• Vereinfachende Annahmen
• SIMULATIONSKONZEPT
• Umwandlung der Bewegungsgleichungen
• Allgemeines Simulationskonzept
• System
• Integrator
• Zusammenwirken von Integrator und System
• Berücksichtigung von Unstetigkeitsstellen
• Umsetzung für die gewählte Simulationsaufgabe
• Simulationskonzept für das konservative Verfahren
• Simulationskonzept für das optimistische Verfahren
• Stoßerkennung
• EINFÜHRUNG IN CORBA
• Die Object Mangment Group OMG
• Das OMA-Referenzmodell
• Middleware CORBA
• Der Sortwarebus ORB
• Die Schnittstellensprache IDL
• Server-Aufruf
• Implementierung eines einfachen Beispiels
• Aufgabenstellung
• Schnittstellendefinition
• Von IDL nach C++
• Der Server
• Der Client
• UMSETZUNG ALS CORBA-ANWENDUNG
• Komponenten der CORBA-Anwendung
• Schnittstelle Integrator
• Schnittstelle System
• Schnittstelle Animation
• Zusammenwirken von Monitor, Integrator und System
• SIMULATION
• Aufgabenstellung
• Die verwendete Soft- und Hardware
• Versuchsdurchführung
• Vergleich der Rechenzeiten und Anzahl der Aufrufe von Calc
• Vergleich der Prozessorauslastung
• ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK
• SCHNITTSTELLENDEFINITIONEN
• Typendefinition
• Integrator
• System
• Animation
• DIE METHODEN DER KOMPONENTEN
• Übersicht über alle implementierten Methoden
• Die Methoden der Integratorkomponente
• Die Methoden der Systemkomponente
• Die Methoden der Animationskomponente
• VORGEHENSWEISE BEI DER SIMULATION
• LITERATURVERZEICHNIS

Zielsetzung und Themenschwerpunkte

Die Diplomarbeit von Gunter Maierhofer beschäftigt sich mit dem Vergleich konservativer und optimistischer Verfahren bei der verteilten Simulation mechanischer Systeme. Ziel ist es, die Vorteile einer verteilten Simulation gegenüber einer monolithischen Simulation aufzuzeigen und die beiden Parallelisierungskonzepte anhand eines einfachen Beispiels zu analysieren.

• Verteilte Simulation
• Parallelisierungskonzepte
• Konservative und optimistische Verfahren
• CORBA als Middleware
• Simulation mechanischer Systeme

Zusammenfassung der Kapitel

Die Arbeit beginnt mit einer Einleitung, die den Kontext der Simulation und die Notwendigkeit von Parallelisierungsansätzen im Bereich der Mechanik erläutert. Anschließend wird im zweiten Kapitel ein Überblick über die Klassifizierung von Simulationen, die Verteilung und Parallelisierung von Simulationen sowie die Konzepte Multitasking und Multithreading gegeben. Kapitel 2 behandelt außerdem die Festlegung wichtiger Begriffe, wie Simulationszeit, Rechenzeit, Zustand und Ereignis, und erläutert die verschiedenen Arten von Simulationen: zeitdiskrete und zeitkontinuierliche Simulationen.

Das dritte Kapitel widmet sich dem untersuchten Modell, welches aus hintereinander angeordneten Pendeln besteht. Es werden die Kriterien für die Auswahl dieses Modells, wie Entkoppelbarkeit, Berücksichtigung von Ereignissen und die Verwendung des Euler-Integrationsverfahrens, erläutert.

Kapitel 4 beschreibt das Simulationskonzept, welches die Umwandlung der Bewegungsgleichungen, das allgemeine Simulationskonzept mit System, Integrator und Monitor sowie die Umsetzung für die gewählte Simulationsaufgabe behandelt. Es werden die Simulationskonzepte für das konservative und das optimistische Verfahren vorgestellt und die Stoßerkennung näher erläutert.

Kapitel 5 gibt eine Einführung in CORBA, eine Middleware, die es ermöglicht, verteilte Simulationsumgebungen zu erstellen. Es werden die Object Mangment Group (OMG), das OMA-Referenzmodell, die Middleware CORBA, der Softwarebus ORB, die Schnittstellensprache IDL und die Implementierung eines einfachen Beispiels mit Server und Client erläutert.

Kapitel 6 beschreibt die Umsetzung der Simulation als CORBA-Anwendung. Es werden die Komponenten der CORBA-Anwendung, wie Integrator, System und Animation, vorgestellt und das Zusammenwirken von Monitor, Integrator und System erläutert.

Kapitel 7 präsentiert die Ergebnisse der durchgeführten Simulationsversuche. Die Rechenzeiten, die notwendigen Berechnungsschritte und die Prozessorauslastung werden für das konservative und optimistische Verfahren mit verschiedenen Datenfeldlängen verglichen.

Die Arbeit schließt mit einer Zusammenfassung und einem Ausblick, der die Vorteile von CORBA für die Realisierung verteilter Simulationsaufgaben hervorhebt und weitere Forschungsansätze im Bereich der Rechenzeitoptimierung und der Modellierung mechanischer Systeme skizziert.

Schlüsselwörter

Die Schlüsselwörter und Schwerpunktthemen des Textes umfassen die verteilte Simulation, Parallelisierungskonzepte, konservative und optimistische Verfahren, CORBA, mechanische Systeme, Pendel, Stoßereignisse, Echtzeitsimulation, Prozessorauslastung und Rechenzeit.

• College: Technical University of Graz (Institut für Mechanik)
• Grade: 1
• Author: Gunter Maierhofer (Author)
• Publication Year: 1999
• Pages: 81
• Catalog Number: V170
• ISBN (eBook): 9783638101264
• Language: German
• Tags: Simulation, CORBA, Mechanik, mechanische, Systeme