Delist.ru

 Методы и средства разработки систем автоматизированного проектирования строительных объектов с технологией распараллеливания вычислений в компьютерных сетях (25.06.2009)

Автор: Кислицын Дмитрий Игоревич

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

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

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,

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.

загрузка...