Тематика начуных исследований

Разработка экспериментального образца си­стемы моделирования включена в состав пр­икладных научных исследований и эксперим­ентальных разработок, выполняемых в рамк­ах мероприятия 1.3 приоритетного направл­ения «Информационно-телекоммуникационные­ системы» федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетн­ым направлениям развития научно-технолог­ического комплекса России на 2014-2017 г­оды», на основании Соглашения о предоста­влении субсидии от «28» ноября 2014г. № ­14.578.21.0093.

Объект разработки

Мы разрабатываем недорогое программное решение, которое позволило бы выполнять моделирование физических полей в различных предметных областях, являясь при этом масштабируемым в смысле использования произвольного набора параллельных вычислителей - процессоров ^[2] и компьютеров.

Positioning

Постановка проблемы

Когда применяются методы компьютерного моделирования адекватность модели моделируемому объекту во многих случаях определяется числом проводимых элементарных модельных вычислений, составляющих эксперимент, числом дискретных компонент, на которые аппроксимируется моделируемые физические явления. Очевидно, что с ростом этих чисел увеличиваются временны̀е и стоимостные издержки, связанные с проведением модельного эксперимента, а функции временных и пространственных издержек напрямую зависят от детализации модели. Поэтому проведение модельных вычислений с высокими требованиями к точности результатов в общем случае требуют больших вычислительных мощностей, предоставляемых высокопараллельными вычислителями.

Другой является проблема узости решаемых системой моделирования задач и, как следствие, высокой стоимости проведения комплексных модельных исследований в различных предметных областях. Существующие системы моделирования слабо адаптируемы или неадаптируемы к различным классам решаемых задач моделирования. Примером слабоадаптируемых систем моделирования является комплекс ANSYS, который имеет некоторое вычислительное ядро, к которому подключаются плагины, спроектированные для решения конкретных модельных задач ^[3]. Другим подходом к обеспечению адаптируемости моделирующего комплекса является объединение разнородных систем моделирования, реализующих регламентируемые внешнесистемные интерфейсы, в федерации - см. HLA (High Level Architecture) и DIS (Distributed Interactive Simulation). Понятно, что вопрос стоимости такой федерации, состоящей из купленных независимо друг от друга подсистем, будет по прежнему стоять остро.

Ситуация на рынке ПО

При реализации законченных систем компьютерного моделирования и анализа таких, как Odeon Room Acoustics Software , Agilent Technologies EMDS, LMS Virtual.Lab Acoustics, ANSYS Maxwell и др., проблема высокой сложности обходится введением ограничений на решаемые задачи (см. раздел 3.1 и главы 6, 10 в Odeon Manual, а также Agilent Electromagnetic Design System: User's Guide, с. 65, с. 85, с. 251): использование упрощенных, идеализированных внешних условий, соответствующие им упрощенные методы моделирования, жесткие ограничения на множества допустимых значений входных параметров систем моделирования, задание низкой предельной сложности модели среды, в которой имитируется анализируемый физический процесс.

Подробная информация об актуальности работы и о результатах анализа существующих систем моделирования приведена в монографии [5].

Место разрабатываемого продукта

Необходимость разработки продукта вытекает из потребностей специалистов предметных областей, связанных с моделированием различных физических полей, в универсальном решении для проведения модельных экспериментов в различных предметных областях, со сколь угодно сложной задачей и степенью аппроксимации моделируемого объекта, различными требованиями ко времени вычислений с одной стороны, и к адекватности результатов моделирования с другой.

Поэтому законченный продукт должен удовлетворять трем принципиальным требованиям:

Адаптируемость

Возможность включения в систему дополнительных моделирующих подсистем для расширения области применимости системы в целом, т.е. для решения пользовательских задач в его предметной области - при условии предоставления последним соответствующих программных и аппаратных ресурсов.

Масштабируемость.

Возможность выполнения как собственно моделирования, так и сервисных функций большим (изменяемым) количеством параллельных вычислителей.

Многопользовательское моделирование

Поддержка многопользовательской работы над одним или множеством модельных проектов, в одной или разных предметных областях, с использованием одной копии разрабатываемого продукта.

Альтернативы и конкурирующие решения

1.   AIST3d

Программный комплекс AIST3d разработан для компьютерного моделирования распространения звука в помещениях различного предназначения с целью оценки необходимых мероприятий по улучшению акустических свойств. Программа основана на методе лучевых траекторий и предполагает:

– произвольную геометрию помещений с конечным числом плоскостей (до 1600 плоскостей с количеством сторон до 30 для каждой плоскости);

– удобный интерфейс с трехмерной моделью помещения;

– последняя версия 3.3 работает со стандартными отражающими плоскостями, заданными координатами углов комнаты с их принадлежностью отражающим плоскостям;

– допускается использование двухсторонних плоскостей;

– коэффициенты звукопоглощения и диффузии, характерные для каждой из плоскостей;

– акустический (звуковой) импульс и соответствующую ему кривую за-тухания Шредера;

– диаграммы, изображающие траектории отраженных лучей произвольного порядка, показанные разными цветами для зеркальных и рассеянных отражений;

– вычисление восьми основных акустических параметров в шести октавных полосах на частотах 125-4000 Гц, в соответствии c ISO 3382;

– полная совместимость с AUTOCAD;

– программа вычисляет параметры разборчивости речи RASTI и STI;

– есть возможность сохранения в отдельном файле полной таблицы то-чек принимаемого сигнала;

– трехмерный вид модели помещения, вращение на максимально удоб-ный угол просмотра и изменение масштаба. На всех видах (в проекциях и в трехмерном изображении) введена возможность сохранения изображения в bmp – файле. Программа может быть использована для нескольких положений ис-точника и приемника. При открытии «Плоскостей» при щелчке по номеру какой-либо плоскости можно увидеть выбранную плоскость как в проекциях, так и в трехмерном изображении;

– трехмерная модель помещения может быть сохранена в Автокаде (dxf-файл) и может быть открыта как текстовый, Excel или Автокадовский файл (с единственным ограничением не использовать двухмерную технику). Для мо-делей комнаты, сохраненных в текстовом или Excel формате программа сохраняет данные об использованных материалах с соответствующими коэффициентами поглощения и диффузии, данные об источнике и приемнике, а также результаты вычислений;

– база данных материалов, которая может быть сохранена в текстовом либо в Excel формате, реализована в виде списка имен материалов с шестью коэффициентами поглощения и диффузии для шести 125 – 4000 Гц октавных полос. Это позволяет осуществить вычисления для всех октавных полос единым образом;

– точность новой версии заметно возросла благодаря ряду усовершен-ствований в алгоритме метода Лучевых Траекторий. Число звуковых лучей выбирается автоматически, так, чтобы обеспечить требуемую точность (порядка 5 %). В крайних случаях число лучей может достигать значения 500000. Кроме того, число переотражений (которое также выбирается автоматически) может достигать 700, что необходимо для помещений, имеющих отражающие поверхности с очень низким поглощением звука при отражениях;

– возможность вводить двусторонние отражающие поверхности, что актуально в случае, когда толщина (например, занавеска, или стеклянная полка, или специальный отражающий экран сверху сцены) мала по сравнению с длиной волны.

– данная программа показывает рассчитанную форму акустического импульса и соответствующую диаграмму Шредера, и эти кривые могут быть сохранены в виде excel или текстового файла. Также можно сохранить построенные диаграммы в виде bmp-файла с помощью стандартного WINDOWS приема, используя операцию "Print Screen".

1.    EASE

EASE - Enhanced Acoustic Simulator for Engineers - программный комплекс 3D моделирования электро- и архитектурной акустики и расчета акустики помещения. Рассчитывает способы установки громкоговорителей и акустической обработки помещений на этапе разработки архитектурного проекта. Программа включает готовый набор стандартных моделей помещений (театр, стадион, церковь и т. д.) и позволяет самостоятельно построить модель. Сложная модель помещения описывается 300 поверхностями, но EASE способна работать даже при числе поверхностей более чем 1200. Основные характеристики программы EASE:

– встроенный редактор 3D моделей с возможностью импорта/экспорта из/в AutoCAD и SketchUp;

– база данных акустических материалов (более 700 наименований);

– база данных громкоговорителей (более 3000 наименований);

– расчет стандартных параметров помещения;

– расчет основных акустических параметров: уровень звукового давле-ния, индекс направленности, время реверберации и т.д;

– расширение возможностей с помощью доп. Модулей (AURA, EARS, IR);

– создание презентаций с помощью модуля VISION.

Дополнительный программный модуль EASE AURA Module позволяет проводить подробное исследование параметров времени реверберации с при-менением расширенного алгоритма на основе лучевого метода с применением коэффициента рассеивания на структурированных поверхностях. Вычисление таких акустических параметров как время реверберации RT, T10, T20, T30, ранние отражения EDT, ясность C50, C80, разборчивость STI, прямой и полный SPL и т.д. В настоящее время программа EASE является мировым промышленным стандартом в области моделирования электроакустических систем.

1.   CATT-Acoustic

CATT-Acoustic изначально была предназначена для моделирования архитектурной акустики и систем искусственной реверберации: рассчитанный отклик помещения, реверберацию которого надо сымитировать, сворачивается с исходным сигналом и воспроизводится многоканальной системой звукоусиления. В настоящий момент CATT можно использовать и для расчета звукоусилительной системы, для чего некоторые производители предоставляют характеристики своих акустических систем в нужном формате. Для реализации «виртуального звукового образа» программы ODEON и САТТ-Acoustic последовательно выполняют следующие операции:

– вводят свойства источника звука (из библиотеки записанных или син-тезированных звуков в моноварианте);

– производят расчет структуры звукового поля в заданном помещении и вычисляют его импульсную характеристику в заданных точках расположения правого и левого уха слушателя;

– используют значения передаточных функций головы (HRTF) из за-ранее составленной библиотеки, соответствующие данному положению источника и слушателя, из них получают импульсные характеристики (BRIR);

– производят последовательную «свертку» сигнала источника с импульсными характеристиками помещения и импульсными характеристиками головы.

1.   Signal+

Программное обеспечение Signal+ предназначено для работы с оцифрованными выборками сигналов, поступающими в компьютер из приборов серий ЭКОФИЗИКА и ОКТАВА, П3-80, П3-81, ОКТАФОН-110 и др. В состав пакета Signal+ входит также утилита Signal+Light, которая позволяет работать с файлами данных вышеуказанных приборов. Полная версия Signal+ также позволяет работать с результатами измерений, передаваемых из приборов в компьютер в реальном времени в режиме телеметрии. Программа рассчитана на работу в операционной системе Windows 2000/ME/XP/Vista/7. Программа Signal+ имеет четыре режима работы:

– данные – работа с телеметрией и файлами данных (в пакете Signal+Light присутствует только режим работы с файлами);

– сигнал – работа с оцифрованными временными формами сигналов;

– спектр – узкополосный анализ оцифрованных сигналов;

– RT-60 - измерение времени реверберации.

Программным обеспечением Signal+RTA производится постобработка зарегистрированной временной реализации акустического сигнала. Пользователь может настроить нужные параметры усреднения и фильтрации. В программном модуле RT60, который входит в пакет про-грамм Signal+RTA, реализуется следующая процедура: на кривой спада нахо-дят линейный участок, определяют его угол наклона и затем рассчитывают время RT60, что, по сути дела, означает экстраполяцию линейного участка.

Целевые пользователи

Моделирующий пользователь

Программа предполагает наличие пользователей, в интересах которых на основе имеющегося описания среды распространения интересующего его полябыстро получить точную картину распределения характеристик этого поля на плоскости или в пространстве, возможно изменяющихся во времени. Пользователь не располагает знаниями в области вычислений или компьютерного моделирования и использует либо существующие на сервере, либо заданные самим пользователем программно-аппаратные реализации моделирования физического поля в необходимой предметной области, работающие в связке с сервером, предоставляющим функции по обслуживанию модельных экспериментов.

Эксперт предметной области

Разработчик алгоритмов моделирования в предметной области на основе соответствующих знаний. Не умеет программировать, не знает как реализуется моделирование, имеет поверхностное представление о сервисах и о том, что алгоритм должен быть параллельным. Работая в связке с программистом предметной области реализует проблемно-ориентированное решение, которое, используя интерфейс локального или удаленного экземпляра предметно-независимой подсистемы, фактически выполняет моделирование.

Программист предметной области

Работая в связке с экспертом предметной области реализует предметно-ориентированное высокопроизводительное решение, для выполнения модельных экспериментов в предметной области с использованием предметно-независимых сервисов, которые предоставляются нашей системой.

Поставщик предметно-независимых сервисов

Лицо или организация, на стороне которой развернута предметно-независимая подсистема CAMaaS. Является поставщиком сервисов по, во-первых, обслуживанию процесса моделирования в предметной области с использованием внешних вычислительных мощностей и программной реализации моделирования, а во-вторых, по предоставлению Моделирующему пользователю интерфейса, с помощью которого он задает входные параметры и получает результаты.

Поставщик подсистемы предметной области

Лицо или организация, на стороне которой развернута предметно-ориентированная подсистема, реализующая алгоритм моделирования в конкретной предметной области и реализуемая с помощью интерфейса, предоставленного поставщиком предметно-независимых сервисов. Моделирование выполняется на вычислительных ресурсах поставщика подсистемы предметной области под управлением поставщика предметно-независимых сервисов.

Замечания эксперта предметной области

Замечания программиста предметной области

Замечания пользователя

Ключевые задачи и проблемы заинтересованных сторон

Действующие лица и их роли

Здесь перечислены основные участники протоколов работы с системой и перечислены имена сценариев использования, в которых данные роли принимают участие.

Моделирующий пользователь

UC1: Произвести моделирование, UC3: Инициализация соединения "пользователь-система". Выполняет моделирование физического поля в системе, возможно работая параллельно с другими моделирующими пользователями над одним или несколькими проектами. При этом соблюдаются существующие политики доступа к информационным и вычислительным ресурсам системы. В результате работы системы ожидает получение картины распределения интересующего его поля в моделируемом пространстве.

Администратор банка данных

UC3: Инициализация соединения "пользователь-система". Задает информационное наполнение банков данных, управляет структурой и доступом к банкам данных.

Оператор базы данных

Задает информационное наполнение базы данных для соответствующей предметной области.

Оператор подсистемы безопасности

UC3: Инициализация соединения "пользователь-система". Задает политику безопасности для системы в целом и для отдельных подсистем, включая определение ролей и прав доступа пользователей, управление протоколами регистрации, аутентификации и авторизации узлов и пользователей системы.

Системный администратор

UC3: Инициализация соединения "пользователь-система". Управляет набором узлов, включенных в систему моделирования, включает/удаляет из системы дополнительные узлы, выполняет установку и запуск системы, назначает роли пользователям системы, имеет возможность выполнять функции оператора подсистем безопасности.

Основной сценарий успешного использования

Это основной сценарий успешного выполнения в кратком формате, полное описание приведено на отдельной странице. См. также список сценариев использования.

Пользователь запускает клиент доступа к системе моделирования. Пользователь устанавливает соединение с серверной подсистемой CAMaaS. Пользователь проходит процедуры аутентификации и авторизации. Пользователь задает геометрическую и физическую модель среды распределения поля, загружает ее с локального хранилища или получает эту модель путем обращения к системе. Пользователь задает параметры вывода результатов моделирования, либо загружает их с локального хранилища или путем обращения к системе. На основе физико-геометрической модели и параметров вывода результатов система выполняет моделирование поля. Система отображает результаты моделирования в виде таблиц или визуализировано на основе этих таблиц.

Нефункциональные требования

Глоссарий

Краткое описание основных функций CAMaaS

· Централизованный доступ к узлам системы, реализованным в виде распределенных удаленных или локальных серверов.

· Балансировка нагрузки между параллельно-распределенными вычислителями, образующими экземпляр моделирующей подсистемы заданной предметной области.

· 3D- и 2D-визуализация геометрической модели среды распределения моделируемого поля и результатов моделирования.

· Централизованный доступ к модельным проектам.

· Хранение данных, требуемых при моделировании поля в предметной области

Упорядочить следующее

Основная задача, которая решается в работе, заключается в построении программной системы, обслуживающей высокопроизводительное моделирование различных физических полей в одной среде. То есть вся система моделирования разбивается на две подсистемы:

1.  Предметно-независимая подсистема. Обеспечивает сервисные функции, как то: геометрическое моделирование среды, в которой моделируется поле, банки данных, пользовательский интерфейс, визуализация, распределение вычислительного времени.

2.  Предметно-ориентированная подсистема. Выполняет собственно моделирование с использованием ресурсов, предоставленных предметно-независимой подсистемой. В систему входят предметно-ориентированные компоненты, которые разрабатываются с участием специалиста предметной области, задающего параллельный алгоритм, реализуемый с использованием средств поддержки разработчика моделирующих подсистем.

Устанавливается строгое требование к независимости реализации предметно-независимой подсистемы от специфики решаемой модельной задачи. Предметно-независимая подсистема должна реализовываться для обеспечения сервисных функций, обеспечивающих моделирование любого физического поля на любых масштабах. Специфика и алгоритм расчета конкретного поля, такие как возможность лучевого приближения, затухание, поляризация и. т. п., должны задаваться исключительно соответствующим компонентом предметно-ориентированной подсистемы.

Важно выделить, что реализация взаимодействия между подсистемами на верхнем уровне должна поддерживать размещение экземпляров подсистем как на одной машине, так и на удаленных машинах. описать в отдельном разделе.

С точки зрения пользователя задача системы состоит в том, чтобы на основе данных о среде, в которой генерируется моделируемое поле, ему была возвращена картина распределения этого поля в 2D или 3D формате.

Данные, вводимые пользователем, включают:

1.  Геометрическую модель среды распределения поля. Под геометрической моделью понимается двух или трехмерное описание компонентов модели среды распределения поля: их положение, размеры и. т. п.

2. Физическую модель. Пользователь задает параметры каждого компонента геометрической модели, задавая их материалы и вещества. Физические параметры материала (коэффициенты поглощения, диэлектрические проницаемости, и. т. п.) выбираются из базы данных, система управления которой, как будет указано ниже, входит в предметно-независимую подсистему, а наполнение осуществляется для конкретной предметной задачи. К физическим параметрам относятся и те, которые задают прохождение волны в части среды, не определяемой компонентами геометрической модели (например, давление, влажность, температура воздуха).

3. Количество и положение плоскостей вывода результатов моделирования. Под плоскостями вывода результатов понимаются плоскости, секущие геометрическую модель среды распределения поля. На этих плоскостях в процессе моделирования будут в различных точках "накапливаться"получаемые параметры моделируемого поля.

Данные, получаемые пользователем в результате выполнения программы, включают:

1.  Распределение характеристик поля по плоскостям вывода результатов. Значения исследуемых характеристик поля в контрольных точках, являющихся элементами матриц распределения по плоскостям вывода результатов - по одной матрице на плоскость.

2.  Визуализация распределения поля как функция от значений на плоскостях. Визуальное отображение значений на одной плоскости - в виде линий уровня. Для трехмерного отображения предполагается расположение плоскостей в виде сетки и построение плоскостей равных характеристик поля. Результат визуализации может быть наложен на графическое представление среды распределения поля (следующий пункт).

3.  Визуализация геометрической модели среды распределения поля. Двух или трехмерное отображение среды, доступное до проведения процедуры моделирования. После завершения моделирования используется как графическая подложка, на которую накладывается картина распределения поля.

Устанавливается требование к поддержке многопользовательской работы в системе над одним или множеством модельных проектов.

Предметно-независимая подсистема

Сервисные функции предметно-независимой подсистемы включают в себя:

· Централизованное хранение адресов компонентов системы и управление ими.

· Распределение нагрузки между вычислителями, выполняющими компоненты моделирования.

· Реализация политики безопасности и поддержки ролей пользователей системы.

· Реализация геометрической модели среды распространения моделируемого поля и централизованного доступа к ней.

· Реализация системы управления банками данных, необходимых при выполнении моделирования.

· Реализация пользовательского интерфейса системы.

· Реализация межсистемного взаимодействия по протоколам HLA.

На основе указанных функциональных требований к предметно-независимой подсистеме в целом заданы следующие структурные компоненты предметно-независимой подсистемы на верхнем уровне системной иерархии:

1.  Подсистема управления. Реализует централизованное хранение адресов узлов распределенной системы моделирования и предоставление авторизованного доступа к ним по запросу. По состоянию на 02.03.2015 подсистема структурно объединена с подсистемой безопасности и подсистемой балансировки нагрузки. Развитие предполагает разделение этих подсистем на отдельные компоненты на верхнем уровне системной иерархии архитектуры предметно-независимой подсистемы.

2.  Подсистема безопасности. Реализует политику безопасности в системе моделирования в целом, включая реализацию (серверная часть) протоколов аутентификации и авторизации подсистем и пользователей. пока объединена с подсистемой управления и подсистемой балансировки нагрузки

3.  Подсистема балансировки нагрузки. Реализует распределение нагрузки между вычислительными узлами, реализующими модельные эксперименты и структурно входящими в предметно-ориентированные подсистемы. Распределение нагрузки реализуется за счет использования двух списков: событий, описывающих параметры элементарных компонентов моделирования в соответствии с заданным в предметной области разделением моделируемого объекта в пространстве и во времени [4], а также адресов вычислительных узлов, собственно выполняющих компоненты моделирования. Пока система объединена с подсистемой управления и подсистемой безопасности нагрузки.

4.  Подсистема геометрического моделирования. Реализует средства хранения и представления сред распространения моделируемых физических полей, предоставляет централизованный доступ к геометрической модели. В текущей реализации подготавливает также визуальное представление геометрической модели до расчета распределения поля. Данную операцию в дальнейшем предпологается выполнять на стороне пользователя.

5.  Банк данных. Реализует хранение постоянных справочных данных, необходимых при моделировании: коэффициенты поглощения, затухания, номинальныые параметры источников поля, диэлектрические и магнитные проницаимости и. т. п.Информационное наполнение банка определяется в предметной области. Реализация СУБД должна быть предметно-независимой и удовлетворять требованиям ГОСТ. Каждой предметной области соответствует собственный экземпляр СУБД банка.

6.  Подсистема пользовательского интерфейса. Реализует взаимодействие с пользователем, включая визуализацию результатов моделирования по матрицам распределения поля (см. рис. 2) и геометрической модели среды по ее математическому описанию (последнее - вопрос развития, поскольку визуализация геометрической модели сегодня реализуется подсистемой геометрического моделирования).

7.  Подсистема межсистемного взаимодействия. Реализует взаимодействие с внешними системами по протоколу HLA [2, 3].

Подсистемы, реализующие взаимодействие с пользователем и внешними системами должны отображать все внешние значения, дружественные к пользователю и заданные в соответствии с протоколами межсистемного взаимодействия, на единые внутрисистемные единицы.

«Исследование, моделирование и разработка технических средств в подводной акустики и робототехники», выполняемое в рамках заказа Министерства образования и науки РФ.