SI25799A - Sistem za strukturno analizo križno lepljenih lesenih konstrukcij z uporabo vsebnikov - Google Patents

Abstract

Sistem za strukturno analizo križno lepljenih lesenih konstrukcij z uporabo vsebnikov bistveno pospeši izračun strukturne analize križno lepljenih lesenih konstrukcij v oblaku, poveča izkoristek računalniških virov ter tako zmanjša stroške računanja.

Description

SISTEM ZA STRUKTURNO ANALIZO KRIŽNO LEPLJENIH LESENIH KONSTRUKCIJ Z UPORABO VSEBNIKOV

Predmet izuma

Predmet izuma je sistem računanja strukturne analize križno lepljenih lesenih konstrukcij z uporabo vsebnikov z namenom enostavnega in cenovno ugodnega dostopa do porazdeljenih računskih virov z upoštevanjem delovnih postopkov inženirjev gradbenih konstrukcij.

Izum je po nicejski klasifikaciji uvrščen v 420194 (projektiranje računalniških sistemov) in po mednarodni klasifikaciji v G06F 15/16.

Tehnični problem

Izum rešuje tehnični problem izvedbe strukturne analize na način zajemanja podatkov o križno lepljeni leseni konstrukciji s spletnim vmesnikom, priprave manifestacijskih datotek za orodje za uporabo porazdeljenih računskih virov Kubernetes [Kubernetes 2019], prenos modela lesene konstrukcije v orodje za strukturno analizo OpenSees [McKenna 2011] v vsebnikih, ter upravljanje s postopkom porazdeljenega računanja z uporabo vsebnikov od začetka izvajanja do vračila rezultata inženirju gradbenih konstrukcij.

Znano stanje tehnike

Porazdeljeno računalništvo se nanaša na računalniška omrežja, kjer so posamezni računalniki fizično porazdeljeni znotraj določenega geografskega območja. Danes se ta termin uporablja v širšem pomenu, kar se nanaša tudi na avtonomne procese, ki se izvajajo na istem fizičnem računalniku in medsebojno komunicirajo s prenašanjem sporočil (ang. message passing). Poenotena definicija porazdeljenega sistema ne obstaja, vendar ima porazdeljeni sistem naslednje ključne lastnosti: (1) obstaja več avtonomnih računskih entitet (računalnikov ali vozlišč), od katerih ima vsak svoj lokalni spomin in (2) računski posli se med seboj sporazumevajo s posredovanjem sporočil.

Porazdeljeni sistem ima lahko skupen cilj, kot je reševanje računsko kompleksnega problema; uporabnik zaznava zbirko avtonomnih procesorjev kot enoto. Druga možnost je, da ima vsak računalnik svojega uporabnika s posameznimi potrebami, namen porazdeljenega sistema pa je usklajevanje uporabe skupnih virov ali zagotavljanje komunikacijskih storitev uporabnikom.

Porazdeljeni sistem se lahko izdela na podlagi tehnologij za virtualizacijo. V računalništvu se virtualizacija nanaša na dejanje ustvarjanja virtualne, in ne dejanske različice nečesa. To vključuje tehnologije za virtualizacijo računalnikov, naprave za shranjevanje in omrežne vire. Virtualizacija je metoda za logično delitev sistemskih virov, ki jih zagotavljajo osrednji računalniki med različnimi aplikacijami. Trenutno zajema tehnologije za virtualizacijo kompletnih podatkovnih centrov z vsemi naštetimi tehnologijami [Paščinski in sod. 2018].

Virtualni stroj predstavlja emulacijo računalniškega sistema in temelji na računalniških arhitekturah, ki zagotavljajo funkcionalnost fizičnega računalnika. Njihove izvedbe lahko vključujejo specializirano strojno opremo, programsko opremo ali kombinacijo strojne in programske opreme.

Najnovejši način virtualizacije predstavljajo tehnologije za virtualizacijo fizičnih strežnikov na ravni operacijskega sistema. Ta omogoča, da se več ločenih in varnih virtualiziranih strežnikov, t.i. vsebnikov (ang. containers), izvaja na enem fizičnem strežniku. Rezultat je večja prožnost pri porazdeljenem računanju, boljši izkoristek računskih virov ter nižji stroški. Virtualizirani strežniki (“gostje”) si delijo isti zagonski primerek operacijskega sistema kot gostiteljski sistem.

Tako se jedro istega operacijskega sistema uporablja tudi za izvajanje “gostujočih” okolij, aplikacije, ki se izvajajo v danem “gostujočem” okolju, pa se kažejo navzven kot samostojni sistemi. Primera tehnologij za virtualizacijo strežnikov na ravni operacijskega sistema, ki uporabljata vsebnike, sta Docker in LXC.

OpenSees je odprtokodno programsko ogrodje, primarno razvito za študijo potresne analize konstrukcij po metodi končnih elementov [McKenna 2011], OpenSees je interpreter za programe, napisane v programskem jeziku TCL z nekoliko razširjeno sintakso. Orodje je prilagojeno za delo tako z majhnimi kot velikimi konstrukcijami. V ta namen so bile razvite tri inačice programa, opisane v nadaljevanju. Najosnovnejša inačica, poimenovana OpenSees, je primerna za enostavnejše analize, saj račune izvaja zaporedno in je zato primerna za delo na enem računalniku. Inačica OpenSeesSP je prilagojena za analize večjih modelov, saj s postopki paralelizacije metode končnih elementov problem razdeli na manjše podprobleme, ki jih lahko reši neodvisno na različnih procesorjih ali računalnikih, nato pa rešitev sestavi skupaj [McKenna 2011, str. 63-64], Inačica OpenSeesMP dodatno razširi sintakso jezika TCL s konstrukti za prenašanje sporočil [McKenna 2011, str. 64], kar inženirju gradbenih konstrukcij daje večjo prožnost pri načrtovanju porazdeljene analize.

Porazdeljeno računalništvo ponuja možnost hitrejšega izvajanja metode končnih elementov, t.j. matematičnih postopkov, ki se tipično uporabljajo za izračun strukturne analize križno lepljenih lesenih konstrukcij. Dosedanji postopki obsegajo uporabo tehnologij, ki temeljijo na virtualizaciji na podlagi uporabe virtualnih strojev, ki niso dovolj prožni in učinkoviti, ali pa na podlagi tehnologije mrežnega računalništva, ki je računsko zmogljiva, a ni prožna.

Tehnologije za virtualizacijo fizičnih strežnikov na ravni operacijskega sistema, upravljane s Kubernetesom, pa še niso bile uporabljene v namen računanja križno lepljenih lesenih konstrukcij. Prednosti take uporabe pa so lahko enostaven, prožen in cenovno ugoden dostop do porazdeljenih računskih virov z upoštevanjem delovnih postopkov inženirjev gradbenih konstrukcij. Sistem za strukturno analizo križno lepljenih lesenih konstrukcij z uporabo spletne aplikacije in računanja na porazdeljen način z uporabo vsebnikov predstavlja izum, ki je predstavljen v tem patentu.

Opis izuma

Sistem za izračun strukturne analize križno lepljenih lesenih konstrukcij sestavljajo štirje poglavitni deli: (1) program OpenSees in njegovi večprocesorski inačici OpenSeesMP in OpenSeesSP, (2) s Kubernetesom upravljana gruča računalnikov z nameščeno tehnologijo vsebnikov Docker, (3) spletna aplikacija ter (4) model konstrukcije z opisano strukturno analizo v obliki TCL skripte, ki jo uporablja OpenSees.

Sistem deluje po postopku, ki se začne s pripravljenim opisom modela in konča z izračunom strukturne analize križno lepljene lesene konstrukcije, ki ga sestavljajo naslednji koraki:

1. Inženir gradbenih konstrukcij na svojem računalniku pripravi formalni opis modela in analize križno lepljene lesene konstrukcije v programskem jeziku TCL, kot se ga uporablja pri programju OpenSees ter morebitne vhodne podatke v obliki nič ali več datotek.

2. Inženir gradbenih konstrukcij preko brskalnika odpre spletno aplikacijo, preko katere naloži skripto TCL ter morebitne vhodne datoteke.

3. Spletna aplikacija komunicira s Kubernetesovim vmesnikom, da pripravi prostor za vhodne in izhodne podatke. V Kubernetesu se uporabi tehnologija trajnih podatkovnih nosilcev (ang. Persistent Volume Claim), da se pripravi datotečni sistem za prejem vhodnih podatkov kot tudi prostor za sprejem vmesnih in končnih izračunov, kadar le-ti pri izračunu nastanejo. V postopku se pripravita dva podatkovna nosilca: eden služi prenosu skripte TCL in morebitnih vhodnih podatkov, drugi pa služi kot prostor za morebitne vmesne rezultate in izhod, če jih program zapisan v skripti TCL pridela. Če se kot vrsto podatkovnega nosilca uporabi lokalni disk, ki ni deljen med posameznimi računalniki v gruči, se k definiciji podatkovnega nosilca pripiše afiniteta (ang. affinity), katere učinek je, da se podatkovni nosilec ustvari lokalno na istem računalniku, kjer bo potekal izračun. Če se kot vrsto podatkovnega nosilca uporabi neko deljeno shrambo, afiniteta ni določena, saj lahko vsak izmed računalnikov v gruči dostopa do takšnega nosilca.

4. Spletna aplikacija skripto TCL in morebitne vhodne podatke prekopira v vhodni podatkovni nosilec.

5. Spletna aplikacija ustvari opravilo (ang. job), v katerem uporabi vsebnikovo sliko diska, ki vsebuje program OpenSees, OpenSeesSP ali OpenSeesMP. Opis opravila opredeljuje uporabo vhodnega in izhodnega podatkovnega nosilca, definiranih v prejšnjem koraku.

6. Kubernetes opravilo izvede na računalniku oz. skupini računalnikov v gruči, ki ga oz. jih izbere. Med izvajanjem kot tudi po koncu izvajanja opravila ali v primeru napake je mogoče spremljati stanje opravila. Spletna aplikacija periodično spremlja stanje opravila od začetka do konca izračuna.

7. Po končanem opravilu spletna aplikacija uporabniku sporoči stanje izračuna. Na zahtevo uporabnika lahko spletna aplikacija prekopira podatke v izhodnem nosilcu in jih prenese k uporabniku. Uporabnik lahko preko spletne aplikacije zahteva odstranitev opravila in z njim povezanih računskih virov v podatkovnih nosilcih.

Viri

[Kubernetes 2019] Kubernetes, https://kubernetes.io/ (spletni vir, zadnji dostop 27.2.2019).

[McKenna 2011] McKenna, Frank (2011), OpenSees: A Framevvork for Earthquake Engineering Simulation, Computing in Science & Engineering, vol. 13, no. 4, pp. 58-66, July-Aug. 2011.

[Paščinski et al. 2018] Paščinski, Uroš, Trnkoczy, Jernej, Stankovski, Vlado, Cigale, Matej, Gec, Sandi (2018), QoS-Aware Orchestration of Network Intensive Software Utilities within Softvvare Defined Data Centres: An Architecture and Implementation of a Global Cluster Manager, J Grid Computing (2018) 16:85-112.

Claims (5)

1. Patentni zahtevki

   1. Sistem za strukturno analizo križno lepljenih lesenih konstrukcij z uporabo vsebnikov, označen s tem, da se izračun strukturne analize predpripravljenega modela konstrukcije z opisano strukturno analizo pošlje v izvajanje programu OpenSees preko spletnega vmesnika na s Kubernetesom upravljane računske vire z nameščeno tehnologijo vsebnikov Docker.
2. 2. Sistem po zahtevku 1, označen s tem, da spletna aplikacija omogoča vnos modela lesene konstrukcije in vrne zahtevane rezultate inženirju gradbenih konstrukcij.
3. 3. Sistem po zahtevku 1, označen s tem, da je model križno lepljene lesene konstrukcije zapisan v jeziku TCL, kot ga uporablja orodje OpenSees.
4. 4. Sistem po zahtevku 1, označen s tem, da se za orodje Kubernetes pripravijo manifestacijske datoteke, v kateri se določi število vsebnikov glede na računsko zahtevnost strukturne analize.
5. 5. Sistem po zahtevku 1, označen s tem, da se v Kubernetesu uporablja tehnologija trajnih podatkovnih nosilcev (ang. Persistent Volume Claim), da se pripravi datotečni sistem za prejem vhodnih podatkov kot tudi prostor za sprejem vmesnih izračunov, kadar le-ti pri izračunu nastanejo.