A Distributed Agent-Based Approach for Coupled Problems in Computational Engineering

Hegewald, Jan

Challenging questions in science and engineering often require to decouple a complex problem and to focus on isolated sub-problems first. The knowledge of those individual solutions can later be combined to obtain the result for the full question. A similar technique is applied in numerical modeling. Here, the software solver for subsets of the coupled problem might already exist and can directly be used. This thesis describes a software environment capable of combining multiple software solvers, the result being a new, combined model. Two important design decisions were crucial at the beginning: First, every sub-model keeps full control of its execution. Second, the source code of the sub-model requires only minimal adaptation. The sub-models choose themselves when to issue communication calls, with no outer synchronisation mechanism required. The coupling of heterogeneous hardware is supported as well as the use of homogeneous compute clusters. Furthermore, the coupling framework allows sub-solvers to be written in different programming languages. Also, each of the sub-models may operate on its own spatial and temporal scales. The next challenge was to allow the potential coupling of thousands software agents, being able to utilise today's petascale hardware. For this purpose, a specific coupling framework was designed and implemented, combining the experiences from the previous work with additions required to cope with the targeted number of coupled sub-models. The large number of interacting models required a much more dynamic approach, where the agents automatically detect their communication partners at runtime. This eliminates the need to explicitly specify the coupling graph a~priori. Agents are allowed to enter (and leave) the simulation at any time, with the coupling graph changing accordingly.

Da viele Problemstellungen im Ingenieurwesen sehr komplex sind, ist es oft sinnvoll, sie in einzelne Teilprobleme aufzugliedern. Diese Teilbereiche können nun einzeln angegangen und dann zur Gesamtlösung kombiniert werden. Ein ähnlicher Ansatz wird bei der numerischen Modellierung verfolgt: Komplexe Software wird schrittweise erstellt, indem Software-Löser für einzelne Bereiche zuerst separat erarbeitet werden. In dieser Arbeit wird eine Software beschrieben, die eine Vielzahl von unabhängigen Software-Lösern kombinieren kann. Jedes Teilmodell verhält sich weiterhin wie ein selbständiges Programm. Hierfür wird es in einen Software-Agenten gehüllt. Zur Kopplung sind lediglich minimale Ergänzungen am Quellcode des Teilmodells nötig. Möglich wird dies durch die Struktur der Kommunikation zwischen den Teilmodellen. Sie lässt den Modellen die Kontrolle über die Kommunikationsaufrufe und benötigt zur Synchronisation keine Einflussnahme einer übergeordneten Instanz. Manche Teilmodelle sind für den Gebrauch mit einer speziellen Hardware optimiert. Daher musste das Zusammenspiel unterschiedlicher Hardware ebenso berücksichtigt werden wie homogene Rechencluster. Weiterhin ermöglicht das Kopplungs-Framework, dass unterschiedliche Programmiersprachen verbunden werden können. Wie schon der Programmablauf, so können auch die Modellparameter, etwa die räumliche und zeitliche Skala, von Teilmodell zu Teilmodell unterschiedlich bleiben. Weiter behandelt diese Arbeit eine Vorgehensweise um tausende von Software-Agenten zu einem Groß-Modell zu koppeln. Dies ist erforderlich, wenn die Ressourcen heutiger Petascale Rechencluster benutzt werden sollen. Hierzu wurde das bisherige Framework neu aufgelegt, da die große Anzahl von zu koppelnden Modellen einer wesentlich dynamischeren Kommunikationsstruktur bedarf. Die Agenten der Teilmodelle können einer laufenden Simulation hinzugefügt werden (oder diese verlassen) und die globalen Kopplungsbeziehungen passen sich dementsprechend an.

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Hegewald, Jan: A Distributed Agent-Based Approach for Coupled Problems in Computational Engineering. 2011.

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