Методы и средства разработки систем автоматизированного проектирования строительных объектов с технологией распараллеливания вычислений в компьютерных сетях

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Методы и средства разработки систем автоматизированного проектирования строительных объектов с технологией распараллеливания вычислений в компьютерных сетях

Кислицын Дмитрий Игоревич

Москва - 2009

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет» (ГОУ ВПО ННГАСУ).

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Супрун Анатолий Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Белостоцкий Александр Михайлович

кандидат технических наук, доцент Галишникова Вера Владимировна

Ведущая организация:

Открытое акционерное общество (ОАО) «Моспроект».

Защита состоится 25 июня 2009 года в 14.00 на заседании диссертационного совета Д212.138.01 при ГОУ ВПО Московском государственном строительном университете по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, ауд. 326 (УЛК).

С диссертацией можно познакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Московского государственного строительного университета.

Автореферат разослан 25 мая 2009 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Куликова Е.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Проектирование крупных строительных объектов связано с решением большого комплекса задач: архитектурные решения, инженерные и экономические расчёты, выполнение чертёжной и подготовка текстовой документации.

Автоматизация проектирования в настоящее время в проектных организациях России выполняется, в основном, на персональных компьютерах (ПК) вовлечённых в проектные работы специалистов. При этом имеющихся ресурсов ПК при проектировании сложных строительных объектов может не хватить не только на построение автоматизированного согласования проектных решений, получаемых при разработке отдельных разделов проекта, но и на выполнение конструкторских работ.

Выходом из сложившейся ситуации могло бы быть применение технологии распределённых вычислений в компьютерных сетях, предоставляющей большие возможности для реализации сложнейших вычислительных процессов. Следует отметить, что и в Перечне критических технологий Российской Федерации, утверждённом Президентом РФ 21.05.2006г., отдельной строкой записана «Технология распределённых вычислений и систем».

В связи с этим разработка методов распределённых вычислений для САПР в строительстве в настоящее время приобретает особую актуальность.

Целью диссертационной работы является разработка научных и методических принципов построения высокопроизводительных вычислительных комплексов автоматизированного проектирования строительных объектов путём распараллеливания вычислительного процесса в компьютерных сетях.

Методы исследования. Исследования опираются на теоретические и методологические основы построения автоматизированных систем проектирования, методы строительной механики и вычислительной математики.

Научная новизна работы состоит в:

1) разработке метода разделения конструкции на подконструкции, работающие как составляющие единой конструкции и позволяющие производить прочностной расчёт, конструирование элементов конструкций и подготовку проектной документации в параллельном режиме;

2) разработке алгоритма реализации предложенного метода разделения объекта на подконструкции в компьютерных сетях, который позволяет выполнять проектные работы на известных, удовлетворяющих требованиям СНиПа программных средствах без каких-либо изменений в их программных кодах и интерфейсе;

3) полученных в результате экспериментальных исследований условий эффективности работы программы на ПК-ах.

Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что разработанные в диссертации теоретические положения доведены до действующего и получившего применение в ряде проектных организаций программного средства «Решатель», позволяющего значительно сократить затраты времени автоматизированной системы на выполнение вычислительных операций при проектировании строительных объектов, а также снизить требования к ресурсам компьютеров, вовлекаемых в вычислительный процесс. Тем самым у проектных организаций, не имеющих средств для приобретения дорогостоящих суперкомпьютеров или кластеров, возникает возможность практически без дополнительных затрат существенно повысить допускаемый уровень сложности проектируемых объектов.

Достоверность результатов оценивалась сравнением полученных на разработанном вычислительном комплексе численных решений с результатами решения задач на известных, отвечающих требованиям СНиПа программных продуктах.

На защиту выносятся:

1. Метод разделения конструкции на подконструкции, позволяющий распараллелить процесс проектирования строительного объекта.

2. Алгоритм реализации метода, позволяющий выполнять проектирование по параллельной технологии в компьютерных сетях на известных, удовлетворяющих требованиям СНиПа программных продуктах.

3. Результаты исследования производительности и условий повышения эффективности ПС, реализующего предложенный алгоритм.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на:

- научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, докторантов, аспирантов, магистрантов и студентов (г. Н. Новгород, ННГАСУ, март 2004г.);

- 11-й Нижегородской сессии молодых ученых. Технические науки (февраль 2006г.);

- V-й Межрегиональной научно-практической конференции. Новые информационные технологии - инструмент повышения эффективности управления (г. Н.Новгород, май 2006г.);

- научном семинаре в Варшавском политехническом университете
(г. Варшава, Польша, декабрь 2006г.);

- симпозиуме «Актуальные проблемы компьютерного моделирования
конструкций и сооружений» (г. Пермь, сентябрь 2008г.);

- XIII международной научно-методической конференции «Проблемы многоуровневого образования» (г. Н. Новгород, январь 2009г.);

- II Международном форуме информационных технологий «ITForum 2020/Ярмарка антикризисных решений» (г. Н. Новгород, апрель 2009г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 13 печатных работ, в том числе 3 в рекомендованных ВАКом журналах: «Известия ВУЗов. Строительство», «Приволжский научный журнал», «International Journal for Computational Civil and Structural Engineering».

Структура и объём работы. Работа состоит из введения, трёх глав, основных выводов, списка литературы и четырёх приложений общим объёмом 184 страницы, в том числе 39 рисунков и 12 таблиц. Список использованных литературных источников включает в себя 174 наименования работ отечественных и зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

конструкция алгоритм компьютерный

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определена её цель, а также научная новизна и практическая значимость.

В первой главе приводится обзор современных проблем автоматизированного проектирования в строительстве и обосновывается актуальность развития систем автоматизированного проектирования (САПР), ориентируемых на технологию распределённых вычислений в компьютерных сетях.

Указывается, что большой вклад в развитие САПР внесли А.А. Гусаков,
И.И. Котов, В.И. Теличенко, А.С. Городецкий, А.В. Перельмутер,
В.И. Сливкер, А.М. Белостоцкий, А.А. Волков, С.Ю. Фиалко, В.Г. Темнов,
В.С. Полозов, С.И. Ротков, В.Н. Сидоров, А.Н. Супрун, Г.Н. Павлов,
Г.С. Иванов, Л.Н. Авдотьин, В.М. Гинзбург, М. Грувер, Э. Зиммерс,
В.М. Курейчик, Э.П. Григорьев, В.Г. Митрофанов, Н.Г. Малышев, А.В. Петров, В.И. Потапов, В.П. Корячко, И.П. Норенков, Н.В. Чичварин, У.Д. Энгельке, А.Б. Золотов, П.А. Акимов, Г.Г. Кашеварова и многие другие.

Дан обзор современных программных средств, применяемых в САПР при разработке проектов строительства зданий и сооружений. Отмечается, что наиболее трудоёмким разделом проектирования является архитектурно-строительный раздел, в частности, разработка конструкторских решений. Приводится краткий обзор расчётных комплексов, получивших применение в САПР при выполнении конструкторской части проекта здания или сооружения. Отмечается, что известные программные средства позволяют производить разработку конструкторских решений строительных объектов с высокой степенью статической неопределимости. Однако для конструкций с большим числом элементов их практическое применение требует значительных затрат времени на вычислительный процесс, что при вариативном подходе к выбору конструктивных схем зданий и сооружений приводит к значительным затратам времени как на решение прочностной задачи, так и на получение сопутствующей проектной документации. Кроме того, требуются значительные ресурсы вычислительной техники (объёмы оперативной памяти и жёсткого диска), а также высокая производительность центрального процессора), превышающие возможности современных персональных компьютеров.

В настоящее время развитие строительной отрасли в России и за рубежом характеризуется тенденциями к нарастанию сложности проектируемых объектов, повышению требований к надёжности и устойчивости конструкций к прогрессирующему разрушению, сокращению сроков проектирования строительных сооружений, повышению их технико-экономических показателей.

В связи с этим непрерывно повышаются требования и к системам автоматизированного проектирования, используемым в строительной отрасли. Для этого разрабатываются интегрированные системы, ориентированные на автоматизацию нескольких этапов подготовки проекта, создаются программные средства поддержки технологии корпоративного проектирования, совершенствуется дружественный интерфейс программных комплексов и т. д. В целом общая тенденция развития САПР ориентирована на достижение, видимо, в некоторой перспективе, высокой степени автоматизации всего процесса разработки архитектурно-строительного проекта строительного сооружения. Очевидно, что одним из главных факторов, сдерживающих реализацию этой тенденции, является ограниченность вычислительных ресурсов современных персональных компьютеров, на которых, в основном, и разрабатываются проекты в России.

Указывается, что выходом из сложившейся ситуации могло бы быть применение современных суперЭВМ. Однако их практическое использование в России ограничено в связи с:

- уникальностью архитектуры суперЭВМ в плане технического решения, а, следовательно, и индивидуальной программной среды;

- значительным энергопотреблением;

- громоздкостью (могут занимать не одно помещение);

- особыми требованиями к профессиональной подготовке обслуживающего персонала;

- фантастическими, с позиций российских проектных организаций, капиталовложениями на приобретение и содержание вычислительного комплекса.

В связи с этим в настоящее время суперЭВМ вытесняют кластерные комплексы, расходы на приобретение и эксплуатацию которых существенно ниже, чем у традиционных суперкомпьютеров. В то же время их возможности могут многократно превышать показатели самых мощных современных суперкомпьютеров (кластер Roadrunner - BladeCenter QS22/LS21 Cluster занимает первую строчку списка Top-500 самых высокопроизводительных вычислительных систем мира).

В то же время стоимость кластерных комплексов значительно превосходит стоимость персонального компьютера. В связи с этим, в настоящее время применение технологии распределённых вычислений в компьютерных сетях является наиболее перспективным направлением развития САПР, т. к. практически не требует дополнительных капиталовложений и обладает неограниченными вычислительными возможностями.

Видимо, поэтому в Перечне критических технологий Российской Федерации, утверждённом Президентом РФ 21.05.2006, отдельной строкой записана «Технология распределённых вычислений и систем». В то же время сведений об использовании технологий распределённых вычислений в САПР в строительстве или даже о научных исследованиях в этом направлении в научной литературе нет. В связи с этим научные исследования, ориентированные на разработку эффективных методов использования распределённых технологий в САПР в строительстве, в настоящее время приобретают особую актуальность.

Вторая глава посвящена проблемам построения алгоритма для системы автоматизированного проектирования, позволяющей реализовать параллельную технологию вычислений в компьютерных сетях.

В целях повышения производительности системы автоматизированного проектирования строительных объектов предлагается условное разделение сооружения на проектные единицы, совместная работа которых как единой механической системы обеспечивается расчётом, выполняемым предлагаемым методом разделения конструкции на подконструкции. Под проектной единицей в рассматриваемом здесь варианте автоматизированных систем с распараллеливанием вычислительных процессов понимается часть сооружения, которая:

- может быть выделена путём разрезания проектируемого объекта по стержням,

- должна быть геометрически неизменяемой системой, имеющей опорные связи с основанием.

Указывается, что численные методы механики расчёта зданий, сооружений и конструктивных элементов широко используют приём искусственного разделения механической системы (континуальной или состоящей из связанных пространственных элементов) на подсистемы (фрагменты). Например, в методе Б. Н. Жемочкина применяется физическая дискретизация, где для расчёта балок и плит, лежащих на упругой полуплоскости или упругом полупространстве, континуальная задача заменяется дискретной системой с конечным числом степеней свободы.

Однако за последние 30-40 лет методы, использующие интуитивно понятную инженерам физическую дискретизацию, уступили получившему строгое математическое обоснование методу конечных элементов (МКЭ) - конечноэлементная дискретизация.

Расчёт сложных объектов может привести к необходимости решения систем высоких порядков, требующих недоступно больших затрат времени на вычисления, а также и значительных ресурсов памяти ЭВМ, выходящих за пределы возможностей имеющихся в распоряжении пользователя компьютеров. В связи с этим стали разрабатываться специальные методы, позволяющие повышать эффективность конечноэлементных программ. При этом наибольшее распространение получил метод суперэлемента (МСЭ). В соответствии с МСЭ сооружение разбивается на суперэлементы (СЭ), каждый из которых объединяет группу конечных элементов - суперэлементная дискретизация.

МСЭ в некоторых случаях позволяет значительно сократить время решения задачи за счёт понижения порядка системы уравнений, что существенно при расчёте сложных конструктивных схем, состоящих из большого числа одинаковых конструктивных элементов, например, панелей.

Следует заметить, что декомпозиция может быть построена не обязательно как объединение групп конечных элементов. В качестве СЭ может быть выбран конструктивный элемент или связанная система конструктивных элементов. В этом случае суперэлементная дискретизация будет и физической дискретизацией.

МСЭ на базе МКЭ реализован в программных комплексах (ПК) Лира, SCAD, СТАДИО и других отвечающих требованиям СНиПа программных средствах, получивших применение в российских проектных, научных и учебных организациях. Однако для возможности значительного повышения производительности вычислений указанных выше ПК за счёт применения параллельных технологий, например, используя МСЭ, необходима существенная переработка ПК-ов на уровне программного кода.

В диссертационной работе предлагается другой путь, названный методом разделения на подконструкции (МРП), где под подконструкциями понимаются проектные единицы. В МРП предлагается использовать интуитивно понятную инженерам физическую дискретизацию проектируемого объекта с последующим расчётом элементов деления на различных ПК-ах в компьютерной сети. Для учёта совместной работы подконструкций предусматривается применять метод сил.

МРП в некотором смысле можно рассматривать как развитие МСЭ. Действительно, МРП, как и МСЭ, позволяет получать вычислительный эффект от понижения порядка системы разрешающих уравнений. Однако, кроме того, МРП предоставляет возможность ускорять процесс автоматизированного проектирования зданий и сооружений за счёт распараллеливания как расчётов объектов строительства, так и выполнения конструирующих и графических операций. При этом на параллельно работающих персональных компьютерах могут устанавливаться любые, удовлетворяющие требованиям пользователя программные комплексы без изменения их программных кодов.

Для получения математического условия объединения подконструкций принимается, что все обобщённые усилия (сосредоточенные и распределённые нагрузки, изгибающие и крутящие моменты), действующие на каждую из условно разделённых подсистем, можно разделить на внешние, к которым отнесём приходящиеся на каждую из подконструкций части действующих на сооружение внешних воздействий, включая собственный вес элементов конструкции, и обобщённые силы взаимодействия подконструкций (F_ij, F_kl на рис. 1, действующие в направлениях, соответственно, i, k некоторого ортонормированного базиса). В том же базисе рассматриваются и обобщённые перемещения искусственно введённых узлов (1, 2, …, j, …, l, …, n) в точках разреза сооружения плоскостью L-L (рис. 1).

Рис. 1. Разделение некоторой конструкции на две подконструкции А и В

Тогда обобщённые силы взаимодействия F_ij в стержнях, разрезанных плоскостью L-L, обеспечивающие работу обеих подконструкций как составных частей единой конструкции, находящейся под действием заданной системы внешних нагрузок, будут определяться следующей системой линейных уравнений

,(1)

,(2)

d'_ijkl, d''_ijkl - обобщённые перемещения j-го узла в i-ом направлении в подконструкциях, соответственно, A и B от обобщённых единичных усилий f_kl,

,(3)

D^*_ij, D^**_ij - перемещения j-го узла в i-ом направлении в подконструкциях A и B, соответственно, которые рассматриваются как независимые конструкции, нагруженные только действующими на них внешними нагрузками и собственным весом элементов. Здесь принято, что материал элементов конструкции работает в пределах применимости линейного закона Гука.

Аналогично можно выполнить разбиение здания или сооружения на большее число проектных единиц.

Зависимости (1) - (3) были использованы при построении вычислительного процесса по технологии параллельных вычислений (рис. 2). Алгоритм предполагает применение трёх компьютеров: A^*, B^* и C^*.

Блок 1 предусматривает выполнение пользователем в интерактивном режиме следующих работ по подготовке конструкции к расчёту:

- создание исходной модели конструкции, включая геометрию, жесткостные характеристики элементов, нагрузки и граничные условия;

- выбор оптимального деления конструкции на подконструкции, удовлетворяющие требованиям к проектным единицам.

В блоке 2 выполняется расчёт на компьютере A^* от единичных загружений f_kl, приложенных в узлы разделения подконструкции, и определяются перемещения d'_ijkl (2а), а затем производится расчёт на компьютере A^* от фактического загружения в 1-ой подконструкции и определяются перемещения D^*_ij.

В блоке 3 аналогично вычисляются величины d''_ijkl и D^**_ij на компьютере B^*.

Блок 4 выполняется на компьютере C^*. Здесь вычисляются значения нагрузок взаимодействия F_kl путем решения системы линейных алгебраических уравнений (1), сформированной на основе результатов вычислений, полученных в блоках 2 и 3.

В блоке 5 выполняется расчёт на компьютере A^* от загружения, включающего в себя усилия взаимодействия F_kl (вычисленные в блоке 4 и приложенные в общие узлы) и внешние нагрузки 1-ой подконструкции. В результате расчёта получаем перемещения D^A_ij, соответствующие фактическим перемещениям заданной конструкции.

В блоке 6 выполняется расчёт на компьютере В^* от загружения, включающего в себя усилия взаимодействия (вычисленные в блоке 4 и приложенные в общие узлы) и внешние нагрузки 2-ой подконструкции. В результате расчёта получаем перемещения D^B_ij, соответствующие фактическим перемещениям заданной конструкции.

По результатам расчёта выполняются автоматизированное конструирование элементов конструкции (блоки 9, 10) и подготовка чертёжной документации (блоки 11, 12). При необходимости проектировщик может внести изменения в исходные данные (блок 8) и повторно произвести расчёт.

Заметим, что если заданный объект является N раз статически неопределимой стержневой конструкцией, то для определения усилий в стержнях потребуется решить систему из N линейных уравнений с N неизвестными.

При реализации рассмотренного алгоритма потребуется решение M раз системы с N₁ неизвестными и M раз системы с N₂ неизвестными, где N₁ - число неизвестных в первой подконструкции, N₂ - во второй подконструкции
(N = N₁ + N₂), M = K + 1, K - общее число неизвестных в разрезаемых стержнях.

Следует заметить, что все решения относятся к подконструкциям с фиксированной геометрией. Поэтому второе и последующие решения для каждой из подконструкций могут быть получены со значительно меньшей трудоёмкостью, чем первое.

Описанный алгоритм позволяет:

- построить вычислительный процесс в локальных или глобальной компьютерных сетях;

- передавать процесс проектирования разделяемых частей здания на отдельные компьютеры, что способствует повышению уровня корпоративности работы над проектом;

- выполнять проектирование в среде известных удовлетворяющих требованиям действующих СНиП программных комплексов без внесения каких-либо изменений в их программный код или интерфейс.

Третья глава посвящена решению проблем, связанных с разработкой систем автоматизированного проектирования с предложенной технологией распараллеливания вычислительных процессов.

Для этой цели можно применить как получившие широкое распространение в России и разработанные в Росии или в ближнем зарубежье ПС (SCAD, Лира, MicroFe, СТАДИО, STARK ES и др.), так и зарубежные ПС (MSC.NASTRAN, ANSYS, ABAQUS, LS-DYNA, Robot Millennium, STAAD.Pro и др.).

Однако при использовании ПС для проектирования строительных объектов в России необходимо, чтобы они отвечали требованиям действующего СНиПа. К таким ПС относятся, прежде всего, SCAD, Лира, MicroFe, СТАДИО, STARK ES.

Реализацию метода деления конструкции на подконструкции можно осуществить без изменения программного кода базового ПС. В этом случае необходимо иметь возможность:

- управления базовым ПС минуя графический интерфейс;

- формирования и редактирования исходной модели в текстовом виде;

- документирования результатов расчёта (в частности, перемещений узлов) в текстовом виде.

Так как характерной особенностью предложенного алгоритма является расчёт подконструкций от большого количества загружений, то определёнными преимуществами по времени счёта будут обладать ПС, требующие незначительного увеличения времени счёта при увеличении числа загружений в рассчитываемой модели. Кроме того необходимо отметить, что решение большеразмерных задач требует не только значительного времени счёта, но и достаточно большого доступного объёма дискового пространства.

В настоящей работе в качестве базового ПС было выбрано ПС «Лира».

Для управления процессом автоматизированного проектирования по технологии распределённых вычислений на алгоритмическом языке программирования MS Visual Basic было написано ПС «Решатель». ПС «Решатель» состоит из двух частей: «Сервер» и «Клиент». Пользователь работает непосредственно с серверной частью, которая управляет работой компьютеров, используемых для вычислительного процесса. Клиентская часть взаимодействует с ПС «Лира». «Решатель» функционирует на двух (рис.3, а) или трёх (рис.3, б) компьютерах.

Так как ПС «Решатель» ориентирован на работу с ПС «Лира», то необходимо, чтобы на двух компьютерах были установлены клиентские части ПС «Решатель». В случае применения варианта с двумя ПК (рис.3, а) они могут быть соединены между собой посредством локальной сети или через глобальную сеть (Интернет). При этом серверная часть устанавливается на одном из них. В случае применения второго варианта - три ПК (рис. 3, б), серверная часть устанавливается на отдельном компьютере. Клиентские части связываются с серверной также через локальную или глобальную сеть. Связывать клиентские части между собой не требуется.

Рис.3. Варианты организации вычислений в сети:

а) вариант использования двух ПК, б) вариант использования трёх ПК

ПС «Решатель» предусматривает дружественный интерфейс пользователю, имеющему опыт работы с ПС «Лира». Так задание параметров рассчитываемой модели конструкции (ввод геометрических, жесткостных и силовых параметров) реализуется средствами ПС «Лира» на любом доступном пользователю компьютере, вовлекаемом в вычислительный процесс. Разбиение введённой модели на подмодели также осуществляется в интерфейсе ПС «Лира». При этом в стержни, через которые проходит «режущая» поверхность, вводятся дополнительные узлы путём дробления этих стержней на две части в заданном проектировщиком произвольно соотношении. Модель с введёнными дополнительными узлами сохраняется в файл, например model.lir. Подготавливаемая к расчёту модель записывается в файл под другим именем, например model-l.lir. В model-l.lir выделяются, а затем удаляются узлы и элементы, находящиеся правее введенных дополнительных узлов. В сформированной подмодели model-l.lir выполняется предусмотренная в ПС «Лира» операция упаковки данных, в результате которой происходит автоматическая перенумерация узлов. Далее подмодель конвертируется в текстовый файл путём выбора из меню (Файл - Создать текстовый файл), и полученный файл (model-l.txt) сохраняется на одном из компьютеров-клиентов (при организации на трёх ПК) или на компьютере-сервере (при организации на двух ПК).

Далее загружается в ПС «Лира» модель из файла model.lir и сохраняется в файл под другим именем, например model-r.lir. В model-r.lir выделяются, а затем удаляются узлы и элементы, находящиеся левее введенных дополнительных узлов. Затем выполняется преобразование model-r.lir в model-r.txt, и полученный файл (model-r.txt) сохраняется на другом компьютере-клиенте. На выполнение указанных операций у пользователя, имеющего навык работы в ПС «Лира», в зависимости от сложности модели, уходит 10-20 минут. Следующим этапом работы пользователя будет работа в ПС «Решатель» (Reshatel.exe), который запускается из папки «C:\ReshatelAgent\» на компьютере-сервере. При этом на экране появляется главная форма «Ввод исходных данных» (рис. 4).



Для работы в ПС необходимо предварительно выполнить настройки, обратившись к меню «Настройка», которая распадается на четыре пункта (рис. 5). Первые два пункта относятся непосредственно к расчётному процессору ПС «Лира». В пункте «IP-конфигурация» указываются IP-адреса компьютеров, вовлекаемых в вычислительный процесс системы (рис. 5). При этом компьютеры могут находиться как в локальной (LAN), так и глобальной (WAN) компьютерных сетях.

Пункт «По умолчанию» загружает первоначальные настройки системы.

Для восстановления всех настроек, сделанных при решении предыдущей задачи, используется кнопка «Загрузить данные из файла…».

На рис. 6 показана структурная схема фрагмента (блоки 1-7) алгоритма (рис. 2) на файловом уровне. Нумерация блоков соответствует обозначениям, указанным на блок-схеме алгоритма (рис. 2).

Создание ПС «Решатель» предоставило возможность дать оценку эффективности предложенной технологии и изучить факторы, влияющие на производительность системы.

В Таблице 1 и на графиках (рис. 7) указаны затраты времени при расчётах статически неопределимых конструкций с различным числом неизвестных. Расчёты проводились на ПК P IV (3 ГГц, ОЗУ: 512 Мб) и Celeron (1,8 ГГц, ОЗУ: 96 Мб).

Таблица 1

В столбце «Разница во времени, мин.» указана абсолютная разница в минутах между временем расчёта без распараллеливания и с распараллеливанием. Относительная разница во времени высчитывалась по формуле:

Д = (Т₀ - Т_п) / Т_п * 100%, (4)

где Т₀ - время расчёта без распараллеливания в минутах, а Т_п - время расчёта с распараллеливанием в минутах.



Из Таблицы 1 и графиков на рис. 7 видно, что эффект от распараллеливания возникает как при использовании менее производительных (Celeron), так и более производительных (Pentium IV) ПК.

На рис. 8 представлены графики, иллюстрирующие выигрыш в продолжительности вычислений при распараллеливании вычислительного процесса в минутах по сравнению с временем, затрачиваемым при расчёте стандартным методом в ПС «Лира» на компьютерах различной производительности.

Также было проведено численное сравнение двух подходов к решению современных задач проектирования и расчёта строительных конструкций:

1) стандартный расчёт методом конечного элемента (МКЭ),

2) метод разделения конструкции на подконструкции.

Одна из рассчитываемых моделей приведена на рис. 9. Модель представляет собой 30-ти этажное здание, состоящее из четырёх секций, соединённых между собой переходами.

Вычисления проводились на ПК с процессором Pentium D с тактовой частотой 3,2 ГГц под управлением ОС Microsoft Windows XP Professional SP2 (объём оперативной памяти - 512 Мб, максимальный размер файла подкачки - 4 Гб, доступное дисковое пространство - 60 Гб, жесткий диск - Samsung HD 120IJ с шиной Serial ATA).

Для модели, приведённой на рис. 9 и состоящей из 339 942 узлов (2 034 372 неизвестных), разделение конструкции на подконструкции выполнялось по переходам между секциями 2 и 3.



В Таблице 2 приведено сравнение времени, требуемого для расчёта стандартным методом в ПС «Лира» и методом разделения конструкции на подконструкции.

В графах «t_ст» и «t_Рп/к», соответственно, указано в часах время расчёта стандартным методом и методом разделения на подконструкции (МРП). В графе «Дt_ст^ч» указана разница во времени в часах по сравнению с распараллеливанием МРП:

Дt_ст^ч = t_ст-t_Рп/к.(5)

В графе «Дt_ст^%» указана относительная разница во времени в процентах по сравнению с распараллеливанием МРП:

Дt_ст^% = Дt_ст^ч / t_Рп/к * 100%_.(6)

Полученные данные можно проиллюстрировать графически (рис.10).

В Таблице 3 приведено сравнение объёма дискового пространства, требуемого для расчёта стандартным методом в ПС «Лира» и методом разделения на подконструкции.

В графах «m_ст» и «m_Рп/к» указан в Мб объём дискового пространства, требуемого для расчёта, соответственно, стандартным методом и методом разделения на подконструкции.

В графе «Дm_ст^Мб» указана разница в объёме дискового пространства в Мб по сравнению с распараллеливанием МРП:

Дm_ст^Мб = m_ст-m_Рп/к .(7)

В графе «Дm_ст^%» указана относительная разница в объёме дискового пространства в процентах по сравнению с распараллеливанием методом МРП:

Дm_ст^% = Дm_ст^Мб / m_Рп/к * 100% .(8)

Полученные данные можно проиллюстрировать графически (рис. 11).

Эффект от распараллеливания практически заметен при
ПСУ > ПСУ_min, где ПСУ - число неизвестных в конечно-элементной модели, а ПСУ_min - некоторая величина зависящая от производительности ПК. Из графиков на рис. 10 и 11 видно, что для используемых компьютеров (Pentium D 940 на ядре Presler) величина ПСУ_min составляет примерно 870 000 неизвестных (145 000 узлов в пространственной модели) при учёте времени и ПСУ_min?172 002 неизвестных (28 667 узлов) при рассмотрении требований к объёму дискового пространства.

По результатам проведённых экспериментов можно сделать вывод, что при расчёте моделей с большим числом неизвестных (более 2 млн.) метод разделения конструкции на подконструкции позволяет выполнить расчёт почти в шесть раз быстрее, по сравнению со стандартным методом расчёта. А также удалось получить почти двукратный выигрыш по объёму дискового пространства, требуемого для расчёта. Кроме того, при незначительном увеличении числа узлов модели (на 0.06%, до 340 136 узлов) при расчёте стандартным методом ПС «Лира» потребовалось резко увеличить объём дискового пространства (до 107 Гб), т.е. почти вдвое.

Вследствие нехватки места на жёстком диске ПК расчёт был прерван. Для решения этой же задачи методом разделения на подконструкции потребность в объёме дискового пространства изменилась всего лишь на 0.3%, а время расчёта - на 8.1 %.

При изучении возможностей ПС «Решатель» было выполнено исследование зависимости потребляемых ресурсов ПК от числа общих стержней при расчёте методом разделения конструкции на подконструкции на основе пространственной модели, состоящей из 169 972 узлов (1 017 192 неизвестных).

На графике (рис. 12) приведено сравнение времени, необходимого для расчёта при различном количестве перерезаемых стержней.

Экспериментальные расчёты показали, что требуемый объём ОЗУ очень чувствителен к объёму и динамике использования файла подкачки (рис.13). При фиксированном объёме swap-файла в 10 Гб (почти в 20 раз больше ОЗУ) потребность в объёме ОЗУ сократилась на 25% по сравнению с другими вариантами использования файла подкачки.

В соответствии с алгоритмом (рис. 2) положительный эффект от применения ПС «Решатель» распространяется не только на расчёт сооружения, но и на процесс проектирования элементов конструкций (подбор сечений, подготовка чертёжной документации и т.д.).

В соответствии с данными различных источников, время, затрачиваемое на конструирование, составляет до 20 и выше процентов от общих временных затрат выполнения конструкторских работ (КР). Поэтому, распараллеливая проектирование с помощью ПС «Решатель», можно только на этапе конструирования сэкономить до 10 и более процентов от объёма времени на разработку конструкторских решений.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. В настоящее время развитие строительной отрасли в России и за рубежом характеризуется тенденциями к:

- нарастанию сложности проектируемых объектов;

- повышению требований к надёжности и устойчивости конструкций к прогрессирующему разрушению;

- сокращению сроков проектирования строительных сооружений;

- повышению их технико-экономических показателей.

В связи с этим непрерывно повышаются требования и к системам автоматизированного проектирования, используемым в строительной отрасли.

Одним из главных факторов, сдерживающих реализацию этого требования, является ограниченность вычислительных ресурсов современных персональных компьютеров, на которых в основном и разрабатываются проекты в России.

2. Несмотря на впечатляющие характеристики производительности современных суперЭВМ, практическое использование их в проектных организациях существенно ограничено в связи с:

- уникальностью архитектуры ЭВМ в плане технического решения, а, следовательно, и индивидуальной программной средой;

- значительным энергопотреблением;

- громоздкостью (могут занимать не одно помещение);

- особыми требованиями к профессиональной подготовке обслуживающего персонала;

- существенными, с позиций российских проектных организаций, капиталовложениями на приобретение и содержание вычислительного комплекса.

Применение кластерных систем является менее затратным решением проблемы, однако и его нельзя считать доступным для подавляющего большинства современных проектных организаций России.

В связи с этим в настоящее время применение технологии распределённых вычислений в компьютерных сетях является наиболее перспективным направлением развития САПР, т.к. практически не требует дополнительных капиталовложений и существенно повышает вычислительные возможности.

3. В Перечне критических технологий Российской Федерации, утверждённом Президентом РФ 21.05.2006г., отдельной строкой записана «Технология распределённых вычислений и систем». В то же время сведений о практических задачах и научных исследованиях в области технологий распределённых вычислений в САПР в строительстве в научной литературе крайне мало.

Поэтому исследования, ориентированные на разработку эффективных методов использования распределённых технологий в САПР в строительстве, в настоящее время приобретают особую актуальность.

4. В диссертации разработан метод разделения конструкции на подконструкции, который можно рассматривать как вариант развития МСЭ, основанный на использовании интуитивно понятной инженерам физической дискретизации проектируемого объекта с последующим автоматизированным выполнением расчётных, конструирующих и графических операций на параллельно работающих компьютерах с любыми программными комплексами без изменения их программных кодов.

5. Построен алгоритм распараллеливания автоматизированного проектирования строительного сооружения, основанный на принципе разделения сооружения на проектные единицы. Алгоритм позволяет:

- построить вычислительный процесс в локальных или глобальной компьютерных сетях;

- передавать процесс проектирования разделяемых частей здания на отдельные компьютеры, что способствует повышению уровня корпоративности работы над проектом;

- выполнять проектирование в среде известных программных комплексов без внесения каких-либо изменений в их программный код или интерфейс.

6. Разработано ПС «Решатель», позволяющее производить выбор конфигурации вычислительного комплекса в компьютерной сети и управление вычислительным процессом по предложенной технологии параллельных вычислений.

7. Численные исследования возможностей ПС «Решатель» показали, что эффективность от применения предложенной технологии расчёта по сравнению с решением задач ПС-ом «Лира» на одном компьютере существенно возрастает с увеличением размерности задачи. Так при расчёте конструкции с двумя миллионами неизвестных на задаче, не позволяющей эффективно применить МСЭ,

- затраты времени сократились в 5,8 раза. Заметим, что при решении задачи на одном компьютере за счёт применения многоядерной архитектуры производительность удаётся повысить лишь на 20-30%;

- требуемый объём дискового пространства вовлечённого в вычислительный процесс компьютера сократился в 1,9 раза.

Тем самым расширяются возможности проектных организаций производить расчёты сложных конструкций на имеющейся в их распоряжении вычислительной технике.

8. Эффект ускорения процесса проектирования от использования ПС «Решатель» на этапе проектирования элементов конструкций может составить до 10 и более процентов от общих затрат времени на разработку конструкторских решений.

9. Исследована работа ПС «Решатель» в динамическом и статическом режимах использования файла подкачки ОЗУ. Установлено, что наибольший эффект работы ПС достигается при статическом режиме работы с объёмом файла не менее четырёх объёмов памяти ОЗУ.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Кислицын, Д.И. Расчёт конструкций с применением локальной сети на примере многопролётной неразрезной балки [Текст]/ Кислицын Д.И. // Сборник трудов аспирантов и магистрантов. Технические науки. - Н. Новгород: Нижегород. гос. архитектур.-строит. ун-т, 2003. - С.125-129.

2. Кислицын, Д.И. Распараллеливание вычислительных процессов при расчёте конструкций на примере многопролётной неразрезной балки [Текст]/ Кислицын Д.И. // Сборник трудов аспирантов и магистрантов. Технические науки. - Н. Новгород: Нижегород. гос. архитектур.-строит. ун-т, 2004. - С.188-191.

3. Кислицын, Д.И. Распараллеливание вычислительных процессов при расчёте конструкций на примере многопролётной неразрезной балки [Текст]/ Кислицын Д.И. // Архитектура и строительство: Тез. докл. науч.-техн. конф. проф.-преп. состава, докторантов, аспирантов, магистрантов и студентов/ Нижегород. гос. архитектур.-строит. ун-т. - Н.Новгород, 2004. - Ч.1. - С.79-82.

4. Кислицын, Д.И. Повышение эффективности расчёта сложных конструкций путём распараллеливания вычислений [Текст]/ Кислицын Д.И. // Сборник трудов аспирантов и магистрантов. Технические науки. - Н. Новгород: Нижегород. гос. архитектур.-строит. ун-т, 2005. - С.190-195.

5. Кислицын, Д.И. О производительности компьютеров при решении задач строительной механики на ПК «Лира - Windows» [Текст]/ Кислицын Д.И. // Информационная среда вуза: Материалы XII Междунар. науч.-технич. конф. - Иваново: Иван. гос. архит.-строит. Академия, 2005. - С.721-724.

6. *Кислицын, Д.И. Распараллеливание вычислительных расчётов строительных конструкций на персональных компьютерах [Текст]/ Супрун А.Н., Кислицын Д.И. //Известия ВУЗов. Строительство. - №5. Новосибирск: ОАО «Новосибирский полиграфкомбинат», 2006. - С.116-120.

7. Кислицын, Д.И. Выбор расчётного комплекса для работы в качестве субпрограммы при решении задач строительной механики [Текст]/ Кислицын Д.И. // Сборник трудов аспирантов и магистрантов. Технические науки. - Н. Новгород: Нижегород. гос. архитектур.-строит. ун-т, 2006. - С.216-219.

8. Кислицын, Д.И. О повышении эффективности расчётов строительных конструкций на ПК за счёт распараллеливания вычислительных процессов [Текст]/ Кислицын Д.И. //11-я Нижегородская сессия молодых ученых. Технические науки: Тезисы докладов. - Н.Новгород: Изд. Гладкова О.В., 2006. - С.69-70.

9. Кислицын, Д.И. Информационные технологии как средства решения актуальных проблем современного строительства [Текст]/ Супрун А.Н., Павлов Г.Н., Кислицын Д.И., Ткаченко А.К., Васильева О.Ю. //V-я Межрегиональная научно-практическая конференция. Новые информационные технологии - инструмент повышения эффекитивности управления. - Н.Новгород: Изд. ООО «Растр-НН», 2006. - С. 155.

10. Кислицын, Д.И. Некоторые сравнительные данные об эффективности расчетных комплексов SCAD и LIRA [Текст]/ Кислицын Д.И. // Информационная среда вуза: Материалы XIII Междунар. науч.-технич. конф. - Иваново: Иван. гос. архит.-строит. академия, 2006. - С.175-180.

11. *Кислицын, Д.И. Сравнительные данные эффективности вычислительного комплекса «Лира» и аппаратно-программного комплекса «Решатель» [Текст]/ Кислицын Д.И. // Приволжский научный журнал, №3 (7) - Н. Новгород: ООО ПКФ «Автохон», 2008. - С.47-50.

12. *Кислицын, Д.И. Программный модуль для расширения функциональных возможностей вычислительного комплекса «Лира» [Текст]/ Кислицын Д.И., Супрун А.Н. // International Journal for Computational Civil and Structural Engineering - Volume 4, Issue 2. - Москва: АСВ, 2008. - С.72-73.

13. Кислицын, Д.И. Исследование зависимости потребляемых ресурсов ПК от числа общих стержней при расчёте методом разделения конструкции на подконструкции, реализованном в программном модуле «Решатель» [Текст]/ Кислицын Д.И., Несмелова Л.В. //Межвузовский сборник статей лауреатов конкурсов, выпуск 10 - Нижегород. гос. архитектур.-строит. ун-т. - Н. Новгород: ННГАСУ, 2008. - С. 110-111.

Размещено на Allbest.ru

...