ИНСТРУМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СРЕДА ДЛЯ ОРГАНИЗАЦИИ ВИРТУАЛЬНЫХ ПОЛИГОНОВ НА ОСНОВЕ ОБЛАЧНЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ
Инструментальная технологическая среда для организации виртуальных полигонов
67
УДК 004.946
А. С. ЗАГАРСКИХ, А. А. БЕЗГОДОВ, С. В. ИВАНОВ, А. В. БУХАНОВСКИЙ
ИНСТРУМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СРЕДА ДЛЯ ОРГАНИЗАЦИИ ВИРТУАЛЬНЫХ ПОЛИГОНОВ
НА ОСНОВЕ ОБЛАЧНЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ
Рассмотрена возможность применения виртуальных полигонов с использованием технологии облачных вычислений, моделирующих объектов и потоков задач для создания композитных приложений. Виртуальный объект моделирования сопряжен с реальной моделью посредством систем захвата движения.
Ключевые слова: облачные вычисления, виртуальный полигон, моделирующий объект, захват движений, поток заданий.
В настоящее время для изучения поведения сложных систем активно применяется суперкомпьютерный эксперимент в режиме реального времени; для интерпретации его результатов используются технологии научной визуализации. Технологии создания стереоизображений позволяют усилить эффект „погружения“ исследователя в моделируемое явление с возможностью всестороннего наблюдения и анализа воспроизводимых закономерностей реального мира. В сочетании с интерактивными технологиями, отображающими реакцию моделируемого объекта на внешние воздействия, они позволяют создавать виртуальные полигоны (ВП) — проблемно-ориентированные программно-аппаратные комплексы виртуальной реальности, используемые для поддержки принятия решений в различных областях науки и промышленности [1].
При всех режимах использования полигона задача моделирования среды является базовой, модели различных объектов конструируются самими пользователями, выполняющими эксперименты, например, в форме потоков заданий (workflow, WF) или моделирующих объектов (domain objects) [2]. Это позволяет описывать отдельные эксперименты в виде композитных приложений, объединяющих сами вычислительные пакеты, источники данных, средства визуализации и взаимодействия, которые можно исполнять на распределенных ресурсах в среде облачных вычислений. Для поддержки разработки и исполнения таких приложений целесообразно применять специализированную инструментальную технологическую среду (ИТС), которая обеспечивает пользователю возможность работы непосредственно с содержательными объектами предметной области, не вдаваясь в специфику использования самих распределенных ресурсов.
В целом ИТС представляет собой открытую программно-аппаратную платформу на основе технологии iPSE [3], функционирующую в распределенной вычислительной среде, которая объединяет различные прикладные сервисы, необходимые для организации ВП. Доступ ко всем ресурсам обеспечивается в рамках модели облачных вычислений, поддерживаемой платформой CLAVIRE [2]: внешний пользователь не является владельцем вычислительных ресурсов и установленных на них прикладных пакетов и не может управлять физическим исполнением приложений в распределенной среде. Он через web-интерфейс взаимодействует с ИТС посредством сети Интернет. Несмотря на широту набора доступных сервисов ИТС не является полноценной средой облачных вычислений; скорее это узкоспециализированное средство, в котором пользователь-разработчик имеет возможность создавать прототипы собственных ВП, описывая их компоненты на языках высокого уровня EasyFlow и EasyPackage [4], а также выполнять вычислительные эксперименты на их основе. Таким образом, ИТС обеспечивает одновременное функционирование нескольких ВП, а также совместную работу
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 12
68 А. С. Загарских, А. А. Безгодов, С. В. Иванов, А. В. Бухановский нескольких пользователей в рамках одного ВП, с одним и тем же или различными объектами. Для обеспечения интерактивного управления вычислительным экспериментом через систему виртуальной реальности в ИТС используется модель интерактивного композитного приложения [5], допускающая динамическое изменение структуры WF непосредственно во время исполнения как за счет заложенного сценария вычислений, так и внешнего управления.
ИТС может быть использована не только для изучения свойств моделируемых объектов в ходе вычислительных экспериментов, но и для прототипирования информационноизмерительных и управляющих систем, например, бортовых интеллектуальных систем управления и поддержки принятия решений операторов сложных динамических объектов.
На рисунке проиллюстрирована работа прототипируемой системы управления полетом беспилотного летательного аппарата. Данные о движении аппарата вводятся в ВП посредством системы оптического захвата движения (а) производства компании Vicon, под управлением ИТС рассчитываются аэродинамические характеристики, производится прогноз траектории движения и на основе сравнения наблюдаемой и расчетной траекторий формируется управляющее воздействие (б). Результаты работы ВП отображаются в системе виртуальной реальности (в); пользователь может независимо управлять реальным аппаратом и вносить „виртуальные“ возмущающие факторы в среду ВП.
а) б)
в)
В целом ИТС позволяет автоматизировать как проведение вычислительных экспериментов на основе ВП, так и сам процесс организации ВП в рамках концепции облачных вычислений.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 12
Инструментальная технологическая среда для организации виртуальных полигонов
69
Работа поддержана ФЦП „Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009—2013 гг.“, соглашение № 14.B37.21.0596 (технология ВП), контракт № 02.740.11.0837 (развитие ИТС).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Simulation Based Engineering Science. Revolutionizing Engineering Science through Simulation // Report of the National Science Foundation. Blue Ribbon Panel on Simulation-Based Engineering Science – May, 2006 [http://www.docstoc.com/docs/6820220/Revolutionizing-Engineering-Science-through-Simulation].
2. Knyazkov K. V., Kovalchuk S. V., Tchurov T. N., Maryin S. V., Boukhanovsky A. V. CLAVIRE: e-Science infrastructure for data-driven computing // J. of Computational Sciences. 2012. Vol. 3(6) P. 504—509.
3. Бухановский А. В., Васильев В. Н. Современные программные комплексы компьютерного моделирования eScience // Изв. вузов. Приборостроение. 2010. Т. 53, № 3 С 60—64.
4. Князьков К. В., Ларченко А. В. Предметно-ориентированные технологии разработки приложений в распределенных средах // Изв. вузов. Приборостроение. 2011. Т. 54, № 10. C. 36—44.
5. Князьков К. В. Особенности работы с потоками задач длительного исполнения в рамках концепции iPSE // Изв. вузов. Приборостроение. 2011. Т. 54, № 10. С. 97—99.
Александр Сергеевич Загарских Алексей Алексеевич Безгодов Сергей Владимирович Иванов Александр Валерьевич Бухановский
Сведения об авторах — НИИ Наукоемких компьютерных технологий Санкт-Петербург-
ского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики; инженер; E-mail: alazar.az@gmail.com — НИИ Наукоемких компьютерных технологий Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики; младший научный сотрудник; E-mail: demiurghg@gmail.com — канд. техн. наук; НИИ Наукоемких компьютерных технологий Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики; старший научный сотрудник; E-mail: Sergey.v.ivanov@rambler.ru — д-р техн. наук, профессор; НИИ Наукоемких компьютерных технологий Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики; директор; E-mail: avb_mail@mail.ru
Рекомендована НИИ НКТ
Поступила в редакцию 10.09.12 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 12
67
УДК 004.946
А. С. ЗАГАРСКИХ, А. А. БЕЗГОДОВ, С. В. ИВАНОВ, А. В. БУХАНОВСКИЙ
ИНСТРУМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СРЕДА ДЛЯ ОРГАНИЗАЦИИ ВИРТУАЛЬНЫХ ПОЛИГОНОВ
НА ОСНОВЕ ОБЛАЧНЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ
Рассмотрена возможность применения виртуальных полигонов с использованием технологии облачных вычислений, моделирующих объектов и потоков задач для создания композитных приложений. Виртуальный объект моделирования сопряжен с реальной моделью посредством систем захвата движения.
Ключевые слова: облачные вычисления, виртуальный полигон, моделирующий объект, захват движений, поток заданий.
В настоящее время для изучения поведения сложных систем активно применяется суперкомпьютерный эксперимент в режиме реального времени; для интерпретации его результатов используются технологии научной визуализации. Технологии создания стереоизображений позволяют усилить эффект „погружения“ исследователя в моделируемое явление с возможностью всестороннего наблюдения и анализа воспроизводимых закономерностей реального мира. В сочетании с интерактивными технологиями, отображающими реакцию моделируемого объекта на внешние воздействия, они позволяют создавать виртуальные полигоны (ВП) — проблемно-ориентированные программно-аппаратные комплексы виртуальной реальности, используемые для поддержки принятия решений в различных областях науки и промышленности [1].
При всех режимах использования полигона задача моделирования среды является базовой, модели различных объектов конструируются самими пользователями, выполняющими эксперименты, например, в форме потоков заданий (workflow, WF) или моделирующих объектов (domain objects) [2]. Это позволяет описывать отдельные эксперименты в виде композитных приложений, объединяющих сами вычислительные пакеты, источники данных, средства визуализации и взаимодействия, которые можно исполнять на распределенных ресурсах в среде облачных вычислений. Для поддержки разработки и исполнения таких приложений целесообразно применять специализированную инструментальную технологическую среду (ИТС), которая обеспечивает пользователю возможность работы непосредственно с содержательными объектами предметной области, не вдаваясь в специфику использования самих распределенных ресурсов.
В целом ИТС представляет собой открытую программно-аппаратную платформу на основе технологии iPSE [3], функционирующую в распределенной вычислительной среде, которая объединяет различные прикладные сервисы, необходимые для организации ВП. Доступ ко всем ресурсам обеспечивается в рамках модели облачных вычислений, поддерживаемой платформой CLAVIRE [2]: внешний пользователь не является владельцем вычислительных ресурсов и установленных на них прикладных пакетов и не может управлять физическим исполнением приложений в распределенной среде. Он через web-интерфейс взаимодействует с ИТС посредством сети Интернет. Несмотря на широту набора доступных сервисов ИТС не является полноценной средой облачных вычислений; скорее это узкоспециализированное средство, в котором пользователь-разработчик имеет возможность создавать прототипы собственных ВП, описывая их компоненты на языках высокого уровня EasyFlow и EasyPackage [4], а также выполнять вычислительные эксперименты на их основе. Таким образом, ИТС обеспечивает одновременное функционирование нескольких ВП, а также совместную работу
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 12
68 А. С. Загарских, А. А. Безгодов, С. В. Иванов, А. В. Бухановский нескольких пользователей в рамках одного ВП, с одним и тем же или различными объектами. Для обеспечения интерактивного управления вычислительным экспериментом через систему виртуальной реальности в ИТС используется модель интерактивного композитного приложения [5], допускающая динамическое изменение структуры WF непосредственно во время исполнения как за счет заложенного сценария вычислений, так и внешнего управления.
ИТС может быть использована не только для изучения свойств моделируемых объектов в ходе вычислительных экспериментов, но и для прототипирования информационноизмерительных и управляющих систем, например, бортовых интеллектуальных систем управления и поддержки принятия решений операторов сложных динамических объектов.
На рисунке проиллюстрирована работа прототипируемой системы управления полетом беспилотного летательного аппарата. Данные о движении аппарата вводятся в ВП посредством системы оптического захвата движения (а) производства компании Vicon, под управлением ИТС рассчитываются аэродинамические характеристики, производится прогноз траектории движения и на основе сравнения наблюдаемой и расчетной траекторий формируется управляющее воздействие (б). Результаты работы ВП отображаются в системе виртуальной реальности (в); пользователь может независимо управлять реальным аппаратом и вносить „виртуальные“ возмущающие факторы в среду ВП.
а) б)
в)
В целом ИТС позволяет автоматизировать как проведение вычислительных экспериментов на основе ВП, так и сам процесс организации ВП в рамках концепции облачных вычислений.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 12
Инструментальная технологическая среда для организации виртуальных полигонов
69
Работа поддержана ФЦП „Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009—2013 гг.“, соглашение № 14.B37.21.0596 (технология ВП), контракт № 02.740.11.0837 (развитие ИТС).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Simulation Based Engineering Science. Revolutionizing Engineering Science through Simulation // Report of the National Science Foundation. Blue Ribbon Panel on Simulation-Based Engineering Science – May, 2006 [http://www.docstoc.com/docs/6820220/Revolutionizing-Engineering-Science-through-Simulation].
2. Knyazkov K. V., Kovalchuk S. V., Tchurov T. N., Maryin S. V., Boukhanovsky A. V. CLAVIRE: e-Science infrastructure for data-driven computing // J. of Computational Sciences. 2012. Vol. 3(6) P. 504—509.
3. Бухановский А. В., Васильев В. Н. Современные программные комплексы компьютерного моделирования eScience // Изв. вузов. Приборостроение. 2010. Т. 53, № 3 С 60—64.
4. Князьков К. В., Ларченко А. В. Предметно-ориентированные технологии разработки приложений в распределенных средах // Изв. вузов. Приборостроение. 2011. Т. 54, № 10. C. 36—44.
5. Князьков К. В. Особенности работы с потоками задач длительного исполнения в рамках концепции iPSE // Изв. вузов. Приборостроение. 2011. Т. 54, № 10. С. 97—99.
Александр Сергеевич Загарских Алексей Алексеевич Безгодов Сергей Владимирович Иванов Александр Валерьевич Бухановский
Сведения об авторах — НИИ Наукоемких компьютерных технологий Санкт-Петербург-
ского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики; инженер; E-mail: alazar.az@gmail.com — НИИ Наукоемких компьютерных технологий Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики; младший научный сотрудник; E-mail: demiurghg@gmail.com — канд. техн. наук; НИИ Наукоемких компьютерных технологий Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики; старший научный сотрудник; E-mail: Sergey.v.ivanov@rambler.ru — д-р техн. наук, профессор; НИИ Наукоемких компьютерных технологий Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики; директор; E-mail: avb_mail@mail.ru
Рекомендована НИИ НКТ
Поступила в редакцию 10.09.12 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 12