CC BY
52
Моделирование зоны плитного покрытия колесопровода на переходных кривых ЛАД
Моделирование элементов плитного покрытия колесопровода на переходных кривых ЛАД
Формирование технологических проектных решений
Повторное использование проектных решений
Мониторинг моделирования переходных кривых
Оперативный банк проектных решений
Ведение архива проектных решений, формирование, сопровождение и выдача архивных документов
Моделирование переходных кривых и элементов плитного покрытия колесопровода
Коммуникационная подсистема интегрированной САПР ЛАД
Ядро информационной системы САПР ЛАД
Структурная схема подсистемы моделирования ПК
которой находится мониторная подсистема моделирования ПК. Такая организация позволяет рассматривать все подсистемы моделирования ПК с единых системных позиций. Все это вместе с конвейерной моделью процесса проектирования и системным интерфейсом контейнерного типа положено в основу модели подсистемы моделирования ПК.
Мониторная подсистема выполняет функции системного организатора и диспетчера всего процесса проектирования, осуществляет ведение учета плановых показателей и фактического выполнения установленного плана, отслеживает состояние по различным этапам моделирования.
Подсистема моделирования зоны плитного покрытия колесопровода на переходных кривых ЛАД решает задачи проектирования трассы ПК, зон плитного покрытия колесопровода, моделирования особенностей движения подвижного состава, моделирования зон плитного покрытия коле-сопровода.
Подсистема формирования технологических проектных решений включает решения таких задач, как формирование данных для технологической подготовки производства, для технологических карт трассировки ПК и зон плитного покрытия колесопровода и т.д.
Подсистема повторного использования про-
ектных решений выполняет задачи по проектированию ПК, по формированию УПЭ, по повторно -му использованию утилизируемых плитных элементов, демонтируемых с закрываемых участков ЛАД.
Информационная подсистема подсистемы моделирования, как правило, реализуется на выделенном сервере реляционной базы данных с организацией взаимодействия по схеме клиент-сервер.
Архивная подсистема, как и остальные подсистемы, является конечным узлом сети. Архивная подсистема должна обеспечивать многолетнее функционирование программно-аппаратного комплекса, быть ориентированной на прием, хранение и выдачу по санкционированным запросам комплексной проектной информации.
Комплексное решение по интегрированному решению совокупности задач технологической подготовки производства и совершенствования технологии вывозки древесины за счет отмеченных факторов резко сокращает сроки подготовки проектной документации, повышает качество проектных документов за счет снижения доли исполнительных документов, формируемых с участием человека. Осуществляется блокирование «человеческого фактора», связанного с размножением ошибок в проектной и технологической документации процесса вывозки древесины. Сокращаются непроизводительные потери при выполнении заготовительных и строительно-монтажных дорожных работ при развитии сети ЛАД.
К определенным недостаткам рассматриваемой структуры подсистемы можно отнести тот факт, что все обращения функциональных подсистем к информационной подсистеме происходят через «горлышко бутылки», роль которого выполняет мониторная подсистема. Однако для рассматриваемой предметной области такая организация вряд ли в обозримом будущем приведет к значительным перегрузкам обменного трафика, тем более что обменная информация рассматриваемых подсистем достаточно компактна.
Предлагаемая подсистема моделирования переходных кривых и ЭПП колесопровода позволит снизить нормативную трудоемкость проектирования до 15 % по сравнению с использованием существующих методов аналогичного назначения.
ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫИ КОМПЛЕКС ORLANDO TOOLS
(Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ, грант № 06-01-00340)
Г.А. Опарин, д.т.н.; А.Г. Феоктистов, к.т.н.; А.П. Новопашин,, к.т.н.; С.А. Горский (Институт динамики систем и теории управления СО РАН, г. Иркутск)
Активное внедрение в практику расчетных работ параллельной вычислительной техники (в
особенности кластерных архитектур) способствует возвращению интереса к пакетной проблемати-
ке, но требует реконструкции старых и создания новых средств и методов программирования вычислений в пакетах прикладных программ.
Предлагаемый авторами подход к разработке пакета прикладных программ для вычислительных кластеров на основе технологии модульного программирования включает следующие основные этапы: определение множества функциональных отношений между объектами исследуемой предметной области и формализация ее вычислительной модели в виде системы алгебраических и/или дифференциальных булевых уравнений (Бохман Д., Станкович Р., Тошич Ж., Шмерко В., Янушкевич С. Логическое дифференциальное исчисление: достижения, тенденции, приложения. //Автоматика и телемеханика. 2000. №6); формирование библиотеки вычислительных модулей, реализующих функциональные отношения между объектами предметной области; проведение анализа вычислительной модели с целью выявления ее внутреннего параллелизма; формирование постановок исследовательских задач и синтез планов их решения; построение управляющих программ для решения задач. Последний этап предполагает программную реализацию в общем случае параллельного плана решения задачи средствами языка программирования высокого уровня. При конструировании параллельных программ на основе библиотек вычислительных модулей важными факторами являются эффективность и переносимость создаваемых программ, скорость их проектирования, разработки и отладки. Заключительная процедура, многократно выполняемая в процессе решения задачи, может оказаться достаточно сложной для пользователей пакета программ и обоснованно требует автоматизации.
Анализ существующих подходов к автоматизации параллельного программирования показывает, что особое внимание в них уделяется описанию алгоритма параллельной программы для решения одной конкретной задачи. В системе модульного программирования требуется удобная и гибкая среда, обеспечивающая решение на вычислительной модели предметной области целого класса задач, объекты которых связаны между собой определенными отношениями.
Архитектура рассматриваемого инструментального комплекса включает в себя следующие основные компоненты: многооконный текстовый редактор, претранслятор, подсистему компиляции, подсистему запуска.
Многооконный текстовый редактор предназначен для ввода описания вычислительной модели предметной области на специализированном входном языке ORLANDO. Данный язык относится к классу декларативных и включает набор языковых конструкций для описания объектов вычислительной модели предметной области (параметров, операций, модулей и постановок задач) и ин-
струкций ввода/вывода данных, инициализации значений входных параметров задачи и запуска вычислительного процесса (Опарин Г.А., Феоктистов А.Г. Инструментальная распределенная вычислительная САТУРН-среда. // Программные продукты и системы. 2002. №2). Текстовый редактор предоставляет набор функций для быстрого и удобного формирования языковых конструкций ORLANDO, средства динамической проверки синтаксиса и семантики последних с точки зрения корректности и целостности вычислительной модели предметной области. Исходный текст управляющей программы, записанный на языке ORLANDO, передается на обработку претранслятору. Претранслятор выполняет разбор описания предметной области на языке ORLANDO и перевод его в конструкции языка C++; запускает встроенный планировщик для построения параллельного плана решения задачи по непроцедурной постановке; включает в текст программы вызовы вычислительных модулей в установленном порядке (Опарин Г.А., Новопа-шин А.П. Булево моделирование планирования действий в распределенных вычислительных системах. // Теория и системы управления. 2004. №5).
Подсистема компиляции параллельных программ осуществляет копирование исходных файлов программы на вычислительный кластер и компиляцию основной программы и прикладных модулей с использованием штатного компилятора языка C++. При компиляции используются: библиотека классов, предназначенных для реализации объектов вычислительной модели предметной области; системные библиотеки для работы с внутренними структурами данных, управления запуском вычислительных модулей и ввода/вывода данных; библиотеки вычислительных модулей, реализующих операции предметной области; коммуникационная библиотека PVM, обеспечивающая поддержку параллельного программирования.
Подсистема запуска параллельных программ копирует из базы расчетных данных на кластер-файлы, содержащие значения входных параметров, выполняет запуск программы, проводит мониторинг ее работы и по завершении вычислений копирует в базу расчетных данных файл, содержащий значения целевых параметров.
Возможности разработанного инструментального комплекса были апробированы на задаче поиска глобального минимума некоторой математической функции методом мультистарта (Жигляв-ский А.А., Жилинскас А.Г. Методы поиска глобального экстремума. М., 1991). Вычислительная модель данной предметной области представлена двудольным ориентированным графом (см. рис) и включает следующие параметры: количество начальных точек PC; количество координат начальной точки SPxy; вектор координат начальной точки SP(SPxy); вектор координат точки и значения
Res
Двудольный ориентированный граф вычислительной модели
X Y Wal
локального минимума в этой точке EP(EPxyv); EPxyv - число элементов вектора EP; значение Val и координаты X и Y точки глобального минимума. На модели определены операции: Gen(PC, SPxy => SP) - генерирует множество начальных точек; Grad(SPxy, EPxyv, SP => EP) - реализует спуск методом градиента; Res(PC, EP, EPxyv => X, Y, Val) - находит минимальное значение функции. Следом за именем операции слева и справа от стрелки указываются списки соответственно входных и выходных параметров. Для операции Grad осуществляется параллельный запуск множества ее экземпляров. Множества вариантов значений векторов SP и EP, являющихся соответст-
венно входным и выходным параметрами операции Grad, задаются в виде параллельных списков данных. Элементы этих списков обрабатываются независимо друг от друга в отдельных процессах -экземплярах операции Grad.
Приведем фрагмент описания вычислительной модели и постановки задачи на специализированном входном языке ORLANDO:
PARAMETER I4 PC, SPxy, EPxyv;
PARAMETER R8 SP BOUNDS(SPxy), EP BOUNDS(EPxyv), Val, X, Y; PARALLEL SP SIZE(PC), EP SIZE(PC);
MODULE CPP Gen FUNCTION generate (IN I4, IN I4, OUT R8[P2]{P1}) INCLUDE <grad.h> PATHLIB <> LIBS <> COMPILER <gcc>; MODULE CPP Grad FUNCTION grad (IN I4, IN R8[P1],IN I4,OUT R8[P3]) INCLUDE <grad.h> PATHLIB <> LIBS <> COMPILER <gcc>; MODULE CPP Res FUNCTION R8=res (IN I4, IN I4, IN R8[P2]{P1},
OUT R8, OUT R8) INCLUDE <grad.h> PATHLIB <> LIBS <> COMPILER <gcc>; OPERATION GEN BY Gen (PC, SPxy, SP); OPERATION RES BY Val = Res (PC, EPxyv, EP, X, Y); OPERATION GRAD BY Grad (SPxy, SP, EPxyv,EP); TASK Gradient (IN PC, IN SPxy, IN EPxyv, OUT Val, OUT X, OUT Y);
Представленные инструментальные средства ориентированы на кластерные вычислительные системы, работающие под управлением ОС Linux. Их отладка и тестирование осуществлялись на вычислительном кластере МВС-1000/16 ИДСТУ СО РАН (http://mvs.icc.ru).
ПАКЕТ ПРИКЛАДНЫХ ПРОГРАММ ДЛЯ АНАЛИЗА РЕЖИМОВ РАБОТЫ КАТАЛИТИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ
(Работа выполняется при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ,
проект РНП 2.1.2.2881)
Е.В. Писаренко, к.т.н. (РХТУ им. Д.И. Менделеева, Москва)
В работе предложена методика расчета множественности стационарных состояний режимов работы каталитических адиабатических реакторов. Созданы комплексы алгоритмов и программ «MULTIPLICITY» для нахождения областей возникновения множественности стационарных состояний в зерне катализатора и в каталитическом реакторе.
Качественный анализ систем дифференциальных уравнений вышеуказанных моделей показывает, что множественность стационарных состояний может возникать за счет нелинейности кинетики химических реакций, явлений тепло- и мас-сопереноса в грануле катализатора, а также тепловых эффектов химических реакций, протекающих в аппарате.
Опубликован ряд работ (например: Froment G.F. & Bishoff K. Chemical reactor analysis and design. 199Q, John Wiley &Sons, NY; Арис Р. Анализ процессов в химических реакторах. М., 1967), посвященных экспериментальному подтверждению существования множественности стационарных состояний в каталитических реакторах. Было отмечено появление гистерезиса, то есть двойственных устойчивых стационарных состояний. Явление возникно-
вения петли гистерезиса наблюдалось при проведении экзотермических каталитических реакций за счет процессов «гашения» и «зажигания», в частности, для реакции окисления оксида углерода кислородом.
Для случая Реа >20 в промышленных адиабатических реакторах всегда существует только единственное стационарное состояние, то есть большие значения диффузионного числа Пекле и малые значения числа Дамкелера определяют единственность решения. Кроме того, увеличение максимального адиабатического разогрева или энергии активации реакции увеличивает протяженность области множественности стационарных состояний и при их вариации сдвигает ее даже при малых значениях чисел Дамкелера. Однако увеличение порядка реакции уменьшает протяженность области множественности.
Проведены детальные исследования условий возникновения множественности стационарных состояний как для экзотермических, так и эндотермических реакций. Рассмотрена кинетическая модель необратимой реакции А^Б. Решения уравнений моделей проведены для случаев равных между собой диффузионных ( Реа ) и тепловых
