Введение к работе
Актуальность.
Достижения вычислительной математики, базирующиеся на конечно-разностной аппроксимации физических процессов в сочетании с современным уровнем вычислительной техники позволяют выделить в качестве центрального звена проблемно-ориентированных научных исследований - вычислительный эксперимент. Для крупных физико-технических и научных задач (проблемы термоядерного синтеза, поиск месторождений, экологические проблемы и т.д.) основные этапы вычислительного эксперимента состоят в следующем:
1) выбор физического приближения и формулировка математической
модели (как задачи математической физики); ..
2) выбор дискретной модели, аппроксимирующей исходную
математическую задачу (построение разностной схемы), и разработка
вычислительного алгоритма для решения уравнений;
-
создание программы для реализации вычислительного алгоритма;
-
проведение расчетов и обработка полученной информации;
5) анализ результатов, сравнение с физическим экспериментом,
пересмотр и уточнение физической модели, уточнение дискретной модели и
т.д.
На практике проведение полномасштабного вычислительного эксперимента требует многократного повторения приведенного цикла. При этом для каждой физической модели приходится рассматривать большое число вариантов в задании исходных данных и параметров задачи и, кроме этого, менять (уточнять) саму модель. Возникающие взаимосвязанные варианты программы, реализующей вычислительный алгоритм, и варианты отдельных ее фрагментов образуют значительный программный
фонд. Объем такого фонда для крупных задач математического, моделирования может составлять порядка 10s - 106 команд. Фонд представляет собой систему с большим числом компонент и сложной логикой их взаимодействия. Для проектирования подобных программных систем разработан ряд принципов, объединенных гибкой концепцией пакета прикладных программ.
В качестве примеров пакетов для проведения конкретных физических расчетов можно упомянуть ATLANT, TRITON, PATRAN, ANSYS и т.д. Примерами проблемно-ориентированных программных систем, решающих задачи конфигурационного управления программным фондом и формирования целевых инженерно-физических пакетов, являются пакеты OLYMPUS и САФРА.
В настоящее время наиболее перспективной формой организации ППП считается интегрированный программный комплекс. Тахой комплекс состоит из автономных исполняемых модулей (программ) и объединяющей эти модули специализированной операционной оболочки. В качестве примера можно привести пакет программ Surfer (Golden Software), в котором взаимодействие набора программ для подготовки и отображения сеточных функций двух переменных, согласованных по форматам входных и выходных файлов, осуществляется через файловую систему DOS, специализированная оболочка служит для облегчения выполнения операций по такому взаимодействию.
Понятие интегрированного программного комплекса в целом отвечает общим представлениям, заложенным в концепции ППП. В то же время, такой комплекс имеет некоторые характерные черты, отражающие развитие компьютерных технологий и новые требования, связанные с повышением оперативности сопровождения вычислительного эксперимента и адаптивности комплекса.
Основным условием, позволяющим осуществлять ингерактивное
сопровождения вычислительного эксперимента, является возможность
параллельной визуализации результатов моделирования на фоне процесса
основных вычислений. В некоторых практически важных задачах решение
проблем, связанных с подготовкой исходных данных и визуализацией
результатов математического моделирования, представляет
самостоятельный цикл вычислительного эксперимента. В качестве примеров можно привести построение аналогов изображений, полученных в натурных экспериментах (теневые фотографии, теплерограммы и т. д.), геометрическое моделирование сложных поверхностей и твердых тел и т.д. При этом возникают вычислительные задачи, связанные с описанием неоднородных пространственных структур и дискретизации многосвязных областей со сложной границей.
Адаптивность комплекса значает: 1) возможность варьирования состава комплекса и схемы взаимодействия модулей в зависимости от особенностей поставленных'задач; 2) возможность настройки процедур обработки на различные формы представления основных объектов математического моделирования (пространственные области сложной формы и сеточные функции многих переменных) и дополнительной информации, включая специальные функции препроцессора; 3) возможность настройки комплекса на различные формы представления и визуализации выходных результатов, включая физические устройстива отображения, графические форматы, визуальные базы данных и т.д.; 4) возможность настройки комплекса на различные операционные среды и технологии использования и т.д.
Разработка и реализация логической структуры и алгоритмов для интегрированных программных комплексов математического моделирования рассматриваемого типа является актуальной научной и практической задачей. Решение этой задачи тесно связано с разработкой
. 6-
методов представления и дискретизации сложных областей и пространственных образований, ориентированных на компьютерную обработку в указанных комплексах. Актуальным. является создание конкретных интегрированных программных средств для практического . использования при проведении вычислительного эксперимента и обработки результатов моделирования.
Цель работы.
Разработка и реализация логической структуры и .алгоритмов для программных комплексов интерактивного сопровождения вычислительных экспериментов и параллельной визуализации результатов.
Разработка методов представления и дискретизации сложных областей и пространственных образований, ориентированных на компьютерную обработку в указанных комплексах.
Разработка интегрированных комплексов обработки данных и визуализации результатов, для практического использования в среде MS Windows.
Научная новизна.
С использованием аппарата общей алгебры и математической логики разработаны структура и алгоритмы функционирования адаптивных интегрированных программных комплексов интерактивного сопровождения вычислений и параллельной визуализации результатов.
Разработана гибкая технология описания логической структуры простанственных геометрических объектов на основе виртуальных комплексов.
Решена в общей постановке задача триангуляции произвольной многосвязной области со сложной границей.
Предложена технология представления неоднородных
пространственных структур, ориентированная на компьютерную обработку.
Предложенные системные и теоретические положения подтверждены в конкретных программных реализациях в системе MS Windows.
Практическая ценность.
Предложенные методы адаптивной компьютерной обработки позволяют разрабатывать эффективные технологические схемы проектирования интегрированных-программных комплексов современного типа, ориентированных на решение задач математического моделирования.
Предложенный алгоритм триангуляци произвольных многосвязных областей со сложной границей позволяет осуществлять построение неструктурированных сеток в таких областях. Данный алгоритм используется, в частности, в препроцессоре пакета научной графики Visualiser и отраслевом комплексе "CANAL".
Предложенная технология представления неоднородных пространственных структур используется в решении задач подземной экологии.
Разработаны системные инструментальные средства для поддержки операций пре/пост-обработки в MS Windows.
Разработан Пакет научной графики - Visualizer для MS Windows. Данный пакет активно используется в Институте математического моделирования РАН и некоторых родственных организациях за его пределами (в том числе в "дальнем" зарубежье) для обработки результатов математического моделирования в.областях аэро- и гидродинамики, управляемого термоядерного синтеза, экологии и т.д.
Разработан функционирующий в среде MS Windows отраслевой интегрированный Комплекс обработки и визуализации результатов измерений в системе Мосводопровода - "CANAL". Данный комплекс прошел приемочные испытания и принят к эксплуатации в институте МосводоканалНИИпроект и в Мосводопроводе.
Апробация работы. Результаты работы докладывались:
на научном семинаре ИММ РАН (руководитель: проф. Леванов Е.И.);
на совместном рабочем семинаре ИПМ-ИММ (под руководством д.ф.-м.н Карпова ВЛ., д.ф.-м.н Горбунова-Посадова М.М.)
на IV всероссийском совещании по сеткам, Казань 1994.
Программные продукты демонстрировались на международных выставках (Информатика 92, Москва 1992; Российско-Индийская выстака по использованию транспьютерных технологий, Москва 1993).
Публикации. Результаты работы опубликованы в 4 печатных работах.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Текст изложен на 151 машинописных страницах, диссертация содержит 76 рисунков. Список литературы включает 103 наименований. Объем приложений - 32 страниц.
