Интегрированные системы распараллеливания вычислительных процессов в локальных компьютерных сетях для проектирования строительных конструкций тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.12, кандидат технических наук Кислицын, Дмитрий Игоревич

• Кислицын, Дмитрий Игоревич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кислицын, Дмитрий Игоревич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. НЕКОТОРЫЕ ПРОБЛЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ

КОНСТРУКЦИЙ.

1.1. ОСНОВНЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ ПРОЦЕССА ПРОЕКТИРОВАНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ И СРЕДСТВА ИХ АВТОМАТИЗАЦИИ.

1.2. ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ.

1.2.1. Общие сведения.

1.2.2. Классификация параллельных компьютеров и систем.

1.2.2.1. Параллельная обработка.

1.2.2.2. Конвейерная обработка.

1.3. КЛАСТЕР.

1.4. ПРОБЛЕМЫ РАСПАРАЛЛЕЛИВАНИЯ.

1.5. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1.

ГЛАВА 2. РАСПАРАЛЛЕЛИВАНИЕ ВЫЧИСЛЕНИЙ ПУТЁМ

РАЗДЕЛЕНИЯ НА ПОДКОНСТРУКЦИИ.

2.1. РАЗДЕЛЕНИЕ КОНСТРУКЦИИ НА ПОДКОНСТРУКЦИИ.

2.2. АЛГОРИТМ РАСПАРАЛЛЕЛИВАНИЯ.

2.3. ВЫВОД ПО ГЛАВЕ 2.

ГЛАВА 3. МЕТОДЫ РЕАЛИЗАЦИИ ИНТЕГРИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ.

3.1. О ВЫБОРЕ БАЗОВОГО ПРОГРАММНОГО СРЕДСТВА (ПС).

3.2. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО СРЕДСТВА ДЛЯ РАСЧЁТА СЛОЖНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПУТЁМ РАСПАРАЛЛЕЛИВАНИЯ

ВЫЧИСЛЕНИЙ.

3.3. ПРИМЕРЫ РАСЧЁТА.

3.3.1. Расчёт плоской стержневой конструкции с одним общим узлом.

3.3.2. Расчёт плоской стержневой конструкции с двумя общими узлами.

3.3.3. Расчёт пространственной стержневой конструкции.

3.4. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Интегрированные системы распараллеливания вычислительных процессов в локальных компьютерных сетях для проектирования строительных конструкций»

Строительные сооружения являются объектами длительного пользования и в процессе эксплуатации могут подвергаться разнообразным внешним воздействиям, в том числе не предусмотренными первоначальным проектом. Это может быть реконструкция существующих зданий, пристраивание или встраивание новых зданий в существующую застройку и т.п.

На современном этапе в строительном проектировании происходит переход от основополагающего критерия несущей способности конструкций к критерию безопасности зданий и сооружении, что, помимо прочностного анализа и оценки надежности, предполагает прогнозирование поведения строительного объекта в аварийных ситуациях при частичной потере несущей способности (т.е. оценку живучести). Связано это с участившимися авариями строительных объектов, вызванными чаще всего непроектными воздействиями [4, 16 - 19]. Для объективной оценки состояния сооружения становится актуальным производить расчёт всей конструкции (строящегося объекта) как единой системы. Такая постановка задачи требует от вычислительного устройства больших аппаратных и временных ресурсов.

Такими ресурсами располагают современные суперЭВМ, которыми, к сожалению, обычно не располагают проектные организации. Эти системы настолько сильно отличаются по своему устройству от привычных персональных компьютеров и рабочих станций, что требуют для своего эффективного использования принципиально новой программной, математической и даже организационной среды. Для них разрабатываются дорогостоящие программные вычислительные комплексы, поддерживающие технологию распараллеливания вычислительного процесса (MSC.NASTR.AN, АВАрШ, LS-DYNA и др.). Кроме того, наблюдается и нехватка специалистов в области параллельных вычислений, которых в настоящее время в основной своей массе вузы не готовят.

В проектных организации строительного профиля России, как правило, используются персональные компьютеры (ПК) и сертифицированные Госстроем РФ программные комплексы (Lira, SCAD и др.), не поддерживающие распараллеливание и поэтому имеющие существенные ограничения на параметры, характеризующие степень сложности статически неопределимой системы.

Кроме того, расчёт конструкции с большим числом элементов на одном персональном компьютере не гарантирует получение достаточно точного результата в связи с накоплением при численном решении систем уравнений ошибок, возрастающих при увеличении числа неизвестных.

Всё это свидетельствует о том, что в настоящее время решение проблемы создания достаточно простых вычислительных комплексов на базе имеющихся в организации офисных ПК и стандартных программных средств, прошедших сертификацию в Госстрое РФ, является особенно актуальной.

Целью диссертационной работы является разработка научных и методических принципов построения высокопроизводительных вычислительных комплексов в виде кластерной системы на базе ПК-ов и сертифицированных Госстроем программных продуктов для автоматизации проектирования строительных конструкций.

Методы исследования. В работе использовались теоретические и методологические основы построения автоматизированных систем проектирования, методы строительной механики и вычислительной математики.

Научная новизна состоит в разработке: - метода искусственного разделения системы (ИРС) на подконструкции, позволяющего применять параллельные технологии в организации вычислительного процесса и обеспечивающего в конечном итоге расчёт системы как единого целого на базе сертифицированных Госстроем РФ программных продуктов;

- теоретических основ построения высокопроизводительного аппаратно-программного комплекса, обеспечивающего проектирование строительных конструкций в локальных компьютерных сетях доступными для строительных организаций вычислительными средствами.

Теоретическая и практическая ценность. В диссертации предложен метод и создан на его основе программный продукт, позволяющий существенно сократить аппаратно-временные ресурсы, затрачиваемые проектными организациями на выполнение расчётов зданий и сооружений, а также расширить возможности существующих в организации расчётных программных средств.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались:

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

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

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

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

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ [20 - 29], в том числе 1 в рекомендованном ВАКом журнале «Известия ВУЗов. Строительство».

Структура и объём работы. Работа состоит из введения, трёх глав, выводов, списка литературы и приложений общим объёмом 168 страниц, в том числе 98 страниц основного текста, 39 рисунок, 13 таблиц. Список использованных литературных источников включает в себя 93 позиции.

Заключение диссертации по теме «Системы автоматизации проектирования (по отраслям)», Кислицын, Дмитрий Игоревич

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. Анализ современного состояния проблемы проектирования строительных объектов показал, что в настоящее время имеет место тенденция перехода от поэлементного расчёта сооружения к глобальному расчёту, воспринимающему строительный объект как единую систему вместе со средой его взаимодействия.

2. Реализация указанного подхода требует существенного расширения функциональных возможностей современных сертифицированных Госстроем РФ программных средств.

3. Для проектирования статически неопределимых конструкций с большим числом узлов, оставаясь в рамках сертифицированных программных продуктов, предлагается метод искусственного разделения системы (ИРС) на подконструкции, позволяющий применить параллельные технологии в организации вычислительного процесса и обеспечивающий в конечном итоге расчёт системы как единого целого.

4. Разработан аппаратно-программный комплекс (АПК), обеспечивающий расчёт статически неопределимых систем методом ИРС в варианте разделения конструкции на две подконструкции.

5. Исследование возможностей АПК показало, что его применение целесообразно для решения задач большой размерности. Собственных ограничений по размеру решаемых задач АПК не имеет. Однако есть ограничения связанные с возможностями базового программного средства и аппаратными ресурсами компьютеров, на базе которых строится кластер.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кислицын, Дмитрий Игоревич, 2007 год

1. Андреев, А. Н. Кластеры и суперкомпьютеры близнецы или братья? Текст. / А. Н. Андреев, Вл. В. Воеводин, С. А. Жуматий // Открытые системы. - 2000. - № 5 - 6. - С. 9 - 14.

2. Антонов, А. С. Эффективная адаптация последовательных программ для современных векторно-конвейерных и массивно-параллельных супер-ЭВМ Текст. / А. С. Антонов, Вл. В. Воеводин // Программирование. 1996. - № 4. - С. 37 - 51.

3. АРС-ПС Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.csoft.ru/catalog/soflt/version4925.html.

4. Вильдеман, В. Э. Вопросы оценки безопасности повреждённых строительных конструкций Текст. / В. Э. Вильдеман, Г. Г. Кашеварова // Вестн. Урал. гос. техн. ун-т. Сер. «Стр-во и образование». -Екатеринбург, 2005. № 12 (42), вып. 8. - С. 63 - 68.

5. Воеводин, В. В. Параллельные вычисления Текст. / В. В. Воеводин, Вл. В. Воеводин. СПб. : БХВ-Петербург, 2004. - 608 с.

6. Воеводин, Вл. В. Теория и практика исследования параллелизма последовательных программ Текст. / Вл. В. Воеводин // Программирование. 1992. - № 3. - С. 38 - 53.

7. Гидросистема Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.truboprovod.ru/cad/soft/hst.shtml.

8. Головкин, Б. А. Параллельные вычислительные системы Текст. / Б. А. Головкин. -М. : Наука, 1980. 520 с.

9. ГОСТ 27751-88. Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения по расчету Электронный ресурс. Введ. 01.07.88 ; изм., утв. дек. 1993. - Режим доступа : СЭ "Строительство".

10. Динамический расчет зданий и сооружений Текст.: справ, проектировщика / под ред. Б. Г. Коренева, И. М. Рабиновича.- М. : Стройиздат, 1984. 303 с.

11. Динамический расчет сооружений на специальные воздействия Текст.: справочник проектировщика / под ред. Б. Г. Коренева, И. М. Рабиновича. М. : Стройиздат, 1981. - 215 с.

12. Жилые и общественные здания Текст.: краткий справ, инженера-конструктора / под ред. Ю. А. Дыховичного. М. : Стройиздат, 1991.

13. Инструкция по расчету несущих конструкций промышленных зданий и сооружений на динамические нагрузки Текст. М. : Стройиздат, 1970.

14. Инструментальные средства ArchiCAD для творческой работы на компьютере Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.archicad.ru/products/archicad/.

15. Интегрированная система прочностного анализа и проектирования конструкций Structure CAD Office Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.scadgroup.com.

16. Кашеварова, Г. Г. Применение метода подмоделей и анализ решения при расчёте строительных конструкций Текст. / Г. Г. Кашеварова. // Вестн. Урал. гос. техн. ун-т. Сер. «Стр-во и образование». -Екатеринбург, 2005. № 12 (42), вып. 8. - С. 61 - 63.

17. Кашеварова, Г. Г. Современный подход к расчёту строительных конструкций Текст. / Г. Г. Кашеварова, С. А.Савич, А. А. Аристов, Н. А. Дроздова // Информац. листок. № 904-144 / ЦНТИ. Пермь, 1999.

18. Кашеварова, Г. Г. Численные методы решения задач строительства на ЭВМ Текст. / Г. Г. Кашеварова, Т. Б. Пермякова. Пермь, 2003. - 352 с.

19. Кислицын, Д.И. Выбор расчётного комплекса для работы в качестве субпрограммы при решении задач строительной механики Текст./

20. Кислицын Д. И// Сборник трудов аспирантов и магистрантов. Технические науки. Н. Новгород: Нижегород. гос. архитектур.-строит. ун-т, 2006. - С.216-219.

21. Кислицын, Д.И. Распараллеливание вычислительных процессов при расчёте конструкций на примере многопролётной неразрезной балки

22. Текст./ Кислицын Д.И. // Сборник трудов аспирантов и магистрантов. Технические науки. Н. Новгород: Нижегород. гос. архитектур.-строит, ун-т, 2004. - С. 188-191.

23. 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.

24. Лебедев, С. А. Электронно-вычислительные машины Текст. / С. А. Лебедев // Сес. АН СССР по науч. проблемам автоматизации пр-ва. Пленар. заседания. М. : АН СССР. - 1957. - Т. 1. - С. 162 - 180.

25. Лира Софт Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.lira.com.ua/rus/products/index.php71ira.

26. Маэстро-С 4.3 Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.cad.kz/?post=99&id=91 &sort=3.

27. Методические рекомендации по использованию возможностей вычислительного комплекса "ЛИРА" при описании и решении задач Текст. К. : НИИАСС Госстроя УССР, 1988. - 1 12 с.

28. Методические рекомендации по применению вычислительного комплекса "Лира" для автоматизированного проектирования строительных конструкций Текст. К. : НИИАСС Госстроя УССР, 1984.-24 с.

29. Металлические конструкции Текст.: справ, проектировщика. М. : Стройиздат, 1980.

30. Мультипроцессорные системы и параллельные вычисления Текст. / под ред. Ф. Г. Энслоу. М. : Мир, 1976. - 384 с.

31. Магистрали для кластеров: гонки на выживание Текст. // PC WEEK/RE. 2006.-№ 10.-С. 30-31.

32. Массивно-параллельные системы (МРР) Электронный ресурс. -Режим доступа: http://www.parallel.ru.

33. Параллельные компьютеры с распределенной памятью Электронный ресурс. Режим доступа: http://www. Computerworld.ru/1999/22/.

34. Пособие по проектированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжелых и легких бетонов без предварительного напряжения арматуры Текст. М. : ЦНИИСК, 1984.

35. Предклапан Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.truboprovod.ru/cad/soft/pk.shtml.

36. Программный клиент-серверный комплекс сметных программ "Smeta.RU" Электронный ресурс. Режим доступа: http://www. smeta.ru/static.php?sectid= 1 &pageid= 14.

37. Программный клиент-серверный комплекс "ВаЬуСмета" Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.smeta.ru/static.php7sectidH &pageid=761.

38. Программный комплекс "МИРАЖ" для расчета конструкций на ПК. Инструкция пользователя Текст. К. : НИИАСС, 1995. -420 с.

39. Программный комплекс "Гектор-строитель" Электронный ресурс. -Режим доступа: http://www.mengir.ru/rezl.html.

40. Проект ASCI Электронный ресурс. Режим доступа: http://skif.pereslavl.ru/~csa/kursl/ASCI/ASCIdoc.html.

41. Ресурсная смета Электронный ресурс. Режим доступа: http://normasoft.chat.ru/smeta/ressmeta.htm.

42. Руководство по сбору, обработке и использованию инженерно-сейсмической информации Текст. М., 1980.

43. Серия CRAY ТЗЕ Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.csa.ru/skif/kursl/Company/Cray/craydoc.htm.

44. Симметричные мультипроцессорные системы SMP Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.uran.donetsk.ua/~masters/2003/fvti/remizov/book/method/page0 4-2.html.

45. Системы с конвейерной обработкой информации Электронный ресурс. Режим доступа: http://256bit.ru/education/infor2/lecture2-l.html.

46. Список 500 самых мощных компьютеров мира Тор500 Электронный ресурс. - Режим доступа: www.top500.org.

47. Старт Электронный ресурс. Режим доступа: http ://www. autograph. ru/cad/ start.htm.

48. Строительные нормы и правила. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения Электронный ресурс. : СНиП 5201-2003 : утв. Госстроем России 30.06.03 : взамен СНиП 2.03.01-84 : дата введ. 01.03.04. Режим доступа : CD "Строительство".

49. Строительные нормы и правила. Деревянные конструкции : СНиП П-25-80 : утв. Госстроем СССР 18.12.80 : взамен СНиП II-B.4-71 : дата введ. 01.01.82 / Минстрой России. Изд. офиц. - М. : ГП ЦППД999. -30 с. : ил.

50. Строительные нормы и правила. Каменные и армокаменные конструкции : СНиП П-22-81 : изм., утв. 11.09.85, 29.05.03 : утв. Госстроем СССР 31.12.81 : взамен СНиП II-B.2-71 : дата введ. 01.01.83 /Минстрой России. Изд. офиц. - М. : ГП ЦПП, 1995. -41 с. : ил.

51. Строительные нормы и правила. Нагрузки и воздействия : СНиП 2.01.07-85* : утв. Госстроем СССР 29.08.85 : взамен СНиП II-6-74 : дата введ. 01.01.87. Изд. Офиц. - М. : ГУП ЦПП, 1999. - 44 с.

52. Строительные нормы и правила. Основания зданий и сооружений : СНиП 2.02.01-83* : изм., утв. 09.12.85, 01.07.87 : утв. Госстроем СССР 05.12.83 : взамен СНиП И-15-74, СН 475-75 : дата введ. 01.01.85. М. : ФГУП ЦПП, 2005. - 49 с.: ил.

53. Структура суперскалярного процессора Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.wl.unn.ru/~ragozin/plan/ss.html.

54. Типовые железобетонные конструкции зданий и сооружений для промышленного строительства: справочник проектировщика Текст. -М. : Стройиздат, 1981.

55. Эффективные кластерные решения Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.rubatech.ru/book/print/366.

56. Allplan Архитектура Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.softstore.ru/catalog/products/2145.htrnl.

57. ANSYS Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.cadfem.ru.

58. AutoCAD 2007 Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.autocad.ru/catalog/version17163.html.

59. Autodesk Architectural Desktop 2007 Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.autocad.ru/catalog/versionl 7024.html.

60. Autodesk Building Systems Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.autocad.ru/catalog/software8.html.

61. Autodesk Civil Design Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.autocad.ru/catalog/version10109.html.

62. Autodesk Land Desktop 2005 Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.autocad.ru/catalog/version9942.html.

63. AutomatiCS ADT — современная автоматизированная система проектирования систем контроля и управления (СКУ, АСУ ТП, КИПиА) Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.cadgroup.ru/product/19/.

64. ElectriCA Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.avtonim.ru/soft/csoft/electrica.html.

65. ElectriCS ADT Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.avtonim.ru/soft/csoft/electricsadt.html.

66. EnergyCS 3.3 Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.cadgroup.ru/product/27/.

67. GeoniCS Топоплан-Рельеф-Генплан Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.autocad.ru/application/version3230.html.

68. Kesselman, С. The Grid: blueprint for a new computing infrastructure Текст. /С. Kesselman, I. Eds. Foster//Morgan Kaufmann, 1999.

69. Kung, H. T. Why systolic architecture? Текст. / H. T. Kung // Computer-1982.-№ 1.-P. 37-46.

70. MSC.Nastran расчет и оптимизация конструкций Электронный ресурс. - Режим доступа: http://www.mscsoftware.ru/index.php?d=products&p=mscnastran.

71. Myricom Pioneering Higher Performance Computing Электронный ресурс. - Режим доступа: http://www.myricom.com.

72. Non-Uniform Memory Architecture (NUMA): исследование подсистемы памяти двухпроцессорных платформ AMD Opteron с помощью RightMark Memory Analyzer http://www.ixbt.com/cpu/rmma-numa.shtml.

73. Plant-4D Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.plant4d.ru/plant-4d/.

74. Plateia 2006 Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.autocad.ru/application/version18415.html.

75. Project Studio CS Архитектура Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.cad.kz/?post=97&id=183&sort=2.

76. Project Studio CS Электрика Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.cstrade.ru/products/detail.php?ID=1066.

77. Real Steel Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.cadgroup.ru/product/89/.

78. Staad Pro Электронный ресурс. Режим доступа: http://csoft.yaroslavl.ru/soft/stroy/staadpro.htm.

79. StruCad 11 Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.strucad.ru/soft/version20440.html.

80. SurvCADD 2000 Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.autocad.ru/application/version877.html.

81. TDMS 2.0 Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.autocad.ru/application/version10006.html.

82. VLIW: старая архитектура нового поколения Электронный ресурс. -Режим доступа: http://www.ixbt.com/cpu/vliw.shtml.

83. Win АВеРС 3 Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.winavers.ru/page.html?t=2.02.