Generische FMU-Visualisierung

Das „functional mock-up interface“ bietet einen Standard um Simulationsmodelle softwareübergreifend auszutauschen. Die „functional mock-up unit“ stellt dabei ein kompiliertes Simulationsmodell dar, welches über definierte Schnittstellen angesprochen werden kann. Egal aus welchem Simulationstool das Modell kommt, die erzeugte FMU bildet das modellierte Verhalten ab. Dabei ist jedoch die zugrundeliegende Modellstruktur nicht mehr nachvollziehbar. Somit sind auch Animations- und Visualisierungsmöglichkeiten, die im eigentlichen Modell implementiert waren, verloren. Mit Hilfe einer Visualisierungsspezifikation ist es jedoch möglich, eine generische Visualisierung auf Basis einer FMU zu erzeugen. Solch eine Spezifikation kann mit dem OpenModelica-Compiler für beliebige Modelica-Modelle erzeugt werden. Das Visualisierungswerkzeug OMVis kann mit Hilfe der erzeugten Visualisierungsspezifikation und einer FMU ein interaktives, visualisiertes Modellszenario erstellen.

Ablaufplan für die FMU-Visualisierung mit OMVis

Performanceanalyse

Für eine möglichst effiziente Simulation komplexer Modelle ist die genaue Analyse des Modelica - Compilers sowie der Simulationslaufzeit unerlässlich. Eine solche Untersuchung kann unter anderem über langsame Algorithmen oder ineffiziente Speicherverwaltung der Simulationsmodelle Aufschlüsse geben.

Da das ZIH selbst an der Entwicklung der Analysewerkzeuge „Score-P“ und „Vampir“ beteiligt ist und deshalb auf ein breites Erfahrungsspektrum zurückgreifen kann, wurde die Möglichkeit geschaffen mithilfe dieser beiden Werkzeuge Traces zu erstellen und auszuwerten.

 

Ein Beispiel hierfür ist in Bild 1 gegeben. Dargestellt ist der Trace einer parallelen Simulation auf 4 Rechenkernen. Neben der Auswertung des Laufzeitverhaltens einzelner Threads und Gleichungen, wurde das Cache-Verhalten untersucht und dargestellt.

Des weiteren ist es aber auch ohne den Einsatz solch komplexer Werkzeuge möglich,  Performancedaten zu gewinnen. Hierfür werden präzise Messfunktionen innerhalb der Simulationslaufzeit genutzt, die am Ende jeder Berechnung eine ausführliche Auswertung ermöglichen.

 

Das zweite Bild zeigt die Auswertung verschiedenster Teile der Simulationslaufzeit für eine Modellberechnung, die mithilfe der internen Messfunktionen ermittelt wurde. Das Kreisdiagramm ermöglicht eine hierarchische Analyse der einzelnen Bereiche. So kann man z.B. ablesen, dass die eigentliche Simulationsberechnung („runSimulation“) im wesentlichen aus der Berechnung der Modellgleichungen („evaluateODE“ und „evaluateAll_wo_ODE“) besteht.

 

Bild 1 Trace einer parallelen Simulation
Bild 2 Performanceanalysis

Automatisierte Parallelisierung

Modelica bietet umfassende Möglichkeiten zur Beschreibung von physikalischen Systemen. Ob Mehrkörpersystem, Hydraulikkreis oder elektrischer Schaltkreis, mit Hilfe von Modelica können vielfältige Systeme beschrieben werden. Die Aufgabe des Compilers ist es, dieses Modell unabhängig vom physikalischen Kontext, in ein mathematisches, berechenbares Modell zu überführen. Dieser universelle Anpsruch soll auch bei der Parallelisierung gewahrt bleiben. Der Benutzer modelliert wie gewohnt und überlässt die mathematische Aufbereitung dem Compiler.

 

Räumliche Simulation von Schraubenfedern

Schraubenfedern werden in vielen technischen Systemen eingesetzt und haben trotz ihrer geringen Kosten einen großen Einfluss auf die Effizienz der Komponente, in der sie verbaut sind. Oft entscheiden sie sogar über die Funktionsfähigkeit des Systems.

Daher ist es gerade im Falle von Federn notwendig, bereits in frühen Entwicklungsphasen das Verhalten vorhersagen zu können. Diese Vorhersage geschieht mit Hilfe von dynamischen Federsimulationen.

Um mittels der Simulation möglichst genaue Aussagen über das Verhalten einer Feder machen zu können, muss diese sehr genau abgebildet werden. Dieser hohe Detailierungsgrad führt auf einen Rechenaufwand, der  Simulationszeiten von mehreren Stunden zur Folge hat.

Im HPCOM-Projekt werden Methoden und Werkzeuge entwickelt, die zu einer Reduktion der Simulationszeiten auf Hochleistungsrechnern führen sollen. Die Zeitersparnis ermöglicht das Auffinden der optimalen Feder für jeden konkreten Anwendungsfall.

Darüber hinaus ermöglicht die im Projekt verwendete Technologie, das hochdetaillierte Federmodell in die Simulation eines Gesamtsystems, z.B. eines Baggers, einzubinden. Dies war bisher aufgrund der erheblichen Rechenzeiten nicht praktikabel.  In der Folge können Federn im Gesamtsystemzusammenhang simuliert und Komponenten somit bezüglich Ressourceneffizienz optimiert werden.

 

Model der Schraubenfeder