Objektorientierte und verteilte Lösung von Optimierungsproblemen PDF
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Beiträge zur Wirtschaftsinformatik Band 5: G.A. Kainz Band 16: S. Hesse Computergestützte Distribuierung von Strategische Datenbanken Informations- und Kommunikations 1996, ISBN 3-7908-0884-9 systemen 1993, ISBN 3-7908-0664-1 Band 17: M. Rundshagen Computergestützte Konsistenzsicherung in der objektorientierten Systemanalyse Band 6: D. Steinmann 1996, ISBN 3-7908-0903-9 Einsatzmöglichkeiten von Expertensystemen in integrierten Systemen der Produktionsplanung und -steuerung (pPS) Band 18: H. Boden Multidisziplinäre Optimierung und 1993, ISBN 3-7908-0665-X Cluster-Computing 1996, ISBN 3-7908-0935-7 Band 7: J. Walther Rechnergestützte Qualitätssicherung Band 19: Z.-Y. Xu und CIM Prinzipien des Entwurfs und der 1993, ISBN 3-7908-0684-6 Realisierung eines Organisations informationssystems 1996, ISBN 3-7908-0936-5 Band 8: O. Petrovic Workgroup Computing - Computergestützte Teamarbeit Band 20: H. Schmidt 1993, ISBN 3-7908-0705-2 Objektorientierte Entwicklung wiederverwendbarer Bausteine rur betriebliche Anwendungssysteme 1997, ISBN 3-7908-0976-4 Band 12: T. Myrach Konzeption und Stand des Einsatzes von Data Dictionaries Band 21: S. Kuhlins 1995, ISBN 3-7908-0822-9 Objektorientiertes Design für e++ 1997, ISBN 3-7908-0983-7 Band 13: J. Schmalzl ArchitekturmodeUe zur Planung der Band 22: R. Rieg Informationsverarbeitung von Architektur und Datenmodell eines Kreditinstituten koordinationsorientierten Controlling 1995, ISBN 3-7908-0840-7 Informationssystems 1997, ISBN 3-7908-IOIO-X Band 14: D. Schreiber Band 23: K. Baumann Objektorientierte Entwicklung Unterstützung der objektorientierten betrieblicher Informationssysteme Systemanalyse durch Softwaremaße 1995, ISBN 3-7908-0846-6 1997, ISBN 3-7908-1018-5 Band 15: B. Reuter Band 24: S. Marx Direkte und indirekte Wirkungen Datenmanagement in wissensbasierten rechnerunterstützter Fertigungssysteme Statistiksystemen 1995, ISBN 3-7908-0850-4 1997, ISBN 3-7908-1027-4 Frank Josef Brüggemann Objektorientierte und verteilte Lösung von Optimierungsproblemen Mit 52 Abbildungen und 17 Tabellen Physica-Verlag Ein Unternehmen des Springer-Verlags Reihenherausgeber Wemer A. Müller Peter Schuster Autor Dr. Frank Josef Brüggemann Amdtstr. 19 D-44135 Dortmund Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Brüggemann, Frank loser: Objektorientierte und verteilte Lösung von Optimierungsproblemen I Frank losef Brüggemann. - Heidelberg: Physica-Verl., 1997 (Beiträge zur Wutschaftsinfonnatik; Bd. 25) ISBN 978-3-7908-1034-9 ISBN 978-3-642-51734-1 (eBook) DOI 10.1007/1978-3-642-51734-1 Dieses Werlc ist urhebemlchtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdruclcs, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf andeR:II Wegen und der Speiche rung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werlces oder von Teilen dieses Werlces ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urbeberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zullissig. Sie ist grundslilzlich vergütungs pflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. e Physica-Verlag Heidelberg 1997 Die Wtedetgabe von Gebrauchsnamen, Hande1snamen, W8R:Dbezeichnungen usw. in diesem Werlc berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der W8R:DZeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu bettachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Umschlaggestaltung: Erich Kirchner, Heidelberg SPIN 10632710 8812202-5 4 3 2 1 0 - Gedruckt auf säurefreiem Papier Geleitwort Für die wachsenden Ansprüche an die Modellierung, Simulation und Optimierung komplexer AufgabensteIlungen aus der betriebswirtschaftlichen Praxis, der Inge nieurtechnik und der Informatik bieten Workstation-Cluster eine wirtschaftliche Alternative zu traditionellen Groß- oder Superrechnern, um die benötigte Rechenlei stung bereitzustellen. Jedoch sind die in diesen Anwendungsbereichen genutzten Softwarekomponenten i.d.R. nicht für den verteilten Einsatz in Rechnemetzen ausge legt. Um die qualitativ hochwertigen und mit hohen Investitionen erworbenen Model lierungs- und Simulationswerkzeuge zusammen mit den verwendeten Optimierungsalgorithmen weiterhin nutzen zu können, bedarf es neuer Konzepte und Vorgehensweisen. In der vorliegenden Arbeit wird dabei eine Lösung für die drei zentralen Anforderun gen multidisziplinärer Optimierung entworfen. Diese liegen erstens in dem extrem hohen Bedarf an Rechenleistung für die Analysewerkzeuge und Optimierungsalgo rithmen, die nur über verteilte Lösungsstrategien zur Verfügung gestellt werden kön nen. Zweitens in dem Fehlen genormter Schnittstellen und Protokolle, um Analysetools und Verfahren verschiedener Hersteller auch mit eigenentwickelten Systemen kombinieren zu können, wo sich insbesondere ein offenes und erweiterba res Klassenkonzept zur Lösung anbietet und drittens dem sehr hohen Anspruch an die Benutzerschnittstelle zur Verwaltung und Steuerung der asynchronen und verteilten Bearbeitungsprozesse. Dabei wird mit einem Klassenmodell verteilter Optimierung die Basis für ein erwei terbares graphisch interaktives System gelegt, das über eine visuelle Sprache (visuelle Optimierungsschemata) verfügt, mit der multidisziplinäre Optimierungsprobleme als grobgranular-verteilte Optimierungsprozesse auf einem Cluster gelöst werden kön nen. Die offene Klassenstruktur für Algorithmen und Probleme zeichnet sich durch ihre einfache Erweiterbarkeit aus, mit der selbst die effiziente Integration von Finite Elemente Systemen und Aufgaben der Strukturoptimierung gelingt. vi Der Verfasser hat mit seiner Arbeit in eindrucksvoller Weise die Nutzung von Objekt orientierung und visueller Sprachen zur Nutzung von Workstation-Clustern fiir die Optimierung multidisziplinärer Probleme konzeptionell erschlossen, mit der Imple mentierung dieses Konzeptes die Anwendbarkeit erfolgreich nachgewiesen und damit den Weg fiir weitere Forschungsarbeiten und Anwendungen aufgezeigt. Siegen, im April 1997 Manfred Grauer Danksagung An dieser Stelle möchte ich mich bei allen bedanken, die mich bei der Anfertigung meiner Dissertation unterstützt haben. Sie ist unter dem Titel "VIsuelle Optimierungs schemata zur objektorientierten und verteilten Lösung nwltidisziplinärer Optimierungspro bleme" am 19.12.1996 vom Fachbereich 12 - Elektrotechnik und Informatik - der Universität-Gesamthochschule Siegen angenommen worden (Referat Prof. Dr. Bernhard FreisIeben, Korreferat Prof. Dr. Manfred Grauer). Sie entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter der Fachgruppe Wirtschaftsinformatik und des For schungszentrums für multidisziplinäre Analysen und Angewandte Strukturoptimie rung (FOMAAS). Nur durch die engagierten Diskussionen und fachlichen Gespräche in diesen im besten Sinne multidisziplinär arbeitenden Gruppen konnte die vorlie gende Arbeit gelingen. Meinem langjährigen akademischen Lehrer, Herrn Prof. Dr. Manfred Grauer, danke ich herzlich für die vielen konstruktiven Anregungen und Denkanstöße, die die Arbeit in ihrer vorliegenden Form reifen ließen. Er ermöglichte mir mit seiner hohen Moti vation und seiner weitgeflicherten Interessenlage, die vielfliltigen Fragestellungen der multidisziplinären Optimierung anzugehen. Herm Prof. Dr. Bernhard FreisIeben danke ich für die wertvollen Diskussionen und die fachlich fundierte Unterstützung in der letzten Phase der Promotion. Sein unmittelbares Interesse und seine Genauigkeit bei der Durchsicht der Arbeit trugen wesentlich zum Gelingen bei. Bei Herrn Prof. Dr. Wolfgang Merzenich bedanke ich mich ftir die Mitarbeit in der Promotionskom mision. Allen Kollegen der Fachgruppe Wirtschaftsinformatik und des FOMAAS, insbeson dere Herrn Prof. Dr. Hans Eschenauer, Frau Dipl.-Kffr. Anke Schüll, Herrn Dipl.-Ing. Hans Jürgen Wahl, Herrn Dr. Dirk Schreiber, Herrn Dr. Harald Boden, Herrn Dipl. Inform. Udo Merten und Herrn Dominik Ritter danke ich für die ständige Kooperati onsbereitschaft und ihre freundliche Unterstützung. Mein ganz persönlicher Dank gilt Herrn Dipl.-Inform. Thomas Barth. Seine unermüdliche Hilfe bei der Erstellung ein zelner Meßwerte und verschiedener Korrekturen der Arbeit ließen in kurzer Zeit eine enge Freundschaft entstehen. viii Meinen Eltern gebührt ein ganz besonderer Dank, ihre Liebe und Unterstützung leg ten die Grundlage fiir mein Studium und schufen so die Voraussetzung fiir diese Arbeit. Zuletzt, aber um so herzlicher, danke ich meiner Frau Lioba fiir ihre liebevolle Hilfe zusammen mit der unerschütterlichen Geduld an langen einsamen Abenden. Dortmund, im April 1997 Frank Josef Brüggemann Inhaltsverzeichnis Kapitell Einleitung und Zielsetzung ................................. 1 1.1 Einführung und Motivation ................................ 1 1.2 AufgabensteIlung und Vorgehensweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 4 1.3 Begriffe und Defmitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 8 Kapitel 2 Objektorientierte Softwareentwicklung und visuelle Sprachen• .................••.....•.•••......•.... 11 2.1 Objektorientierte Softwareentwicklung ...................... 11 2.1.1 Grundlagen objektorientierter Systeme ................. 11 2.1.2 Objektorientierte Sprachen und e++ ................... 15 2.1.3 Methoden objektorientierter Softwareentwicklung im Überblick ........................................ 16 2.2 Objektorientierte Modellierung mit der Object Modeling Technique ............................................. 19 2.2.1 Das Objektmodell .................................. 19 2.2.2 Das dynamische Modell ............................. 21 2.2.3 Das funktionale Modell ............................. 23 2.2.4 Der OMT Modellierungsprozeß ....................... 25 2.3 Graphische Oberflächen und visuelle Systeme ................ 27 2.3.1 Überblick zum Design graphischer Oberflächen .......... 28 2.3.2 Einführung in die visuelle Programmierung ............. 30 2.3.3 WxWindows und Toolkits für graphische Oberflächensysteme ................................ 33 Kapitel 3 Optimierung und Parallelverarbeitung auf Workstation-Clustern .................................... 37 3.1 Grundlagen multidisziplinärer Optimierung .................. 38 3.1.1 Formulierung von Optimierungsproblemen .............. 39 3.1.1.1 Problemformulierung mit OpTiX-II ............ .42 3.1.1.2 Beschreibung von Strukturoptimierungs- problemen mit SAPOP ....................... 43 3.1.2 Klassifikation von Optimierungsproblemen .............. 46 3.1.3 Optimierungsmethoden und -algorithmen .............. .49 3.1.3.1 Auswahl und Parameterbelegung von Algorithmen ............................... .49 3.1.3.2 Verfügbare Algorithmen-Bibliotheken ........... 51 x Inhaltsverzeichnis 3.2 Ansätze und Werkzeuge zur Parallelverarbeitung auf einem Workstation-Cluster ............................... 53 3.2.1 Einsatz eines Workstation-Clusters als Alternative zu klassischen Parallelrechnern .......................... 53 3.2.2 Konzepte paralleler Programmierung ................... 57 3.2.2.1 Kommunikationsformen und Informationsaustausch . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...... 57 3.2.2.2 Paradigmen der Parallel-Programmierung ........ 59 3.2.3 Werkzeuge zur Parallel-Programmierung auf Workstation-Clustern ............................... 61 3.2.3.1 Klassifikation und Überblick verfügbarer Werkzeuge ................................. 62 3.2.3.2 Parallel Virtual Machine - PVM ............... 68 3.2.3.3 Message Passing Interface - MPI .............. 69 3.2.4 Softwareumgebungen für das Management verteilter Anwendungen ..................................... 70 3.2.4.1 Distributed Computing Environment - DCE ..... 70 3.2.4.2 Common Object Request Broker Architecture- CORBA ................................... 71 Kapitel 4 Entwurf eines Klassenkonzepts und einer visuellen Sprache zur verteilten Optimierung ........................ 73 4.1 Ein objektorientiertes Modell verteilter Optimierung ........... 74 4.1.1 Einführung in die Klassenstruktur verteilter Optimierung ... 76 4.1.2 Formulierung multidisziplinärer Optimierungsprobleme .... 78 4.1.2.1 Abstraktes Klassenkonzept zur Problembeschreibung ........................ 78 4.1.2.2 OpTiX-III - eine Sprache zur Formulierung von Problemen ................................. 79 4.1.2.3 Klassenbasierte Integration der SAPOP Strukturoptimierung ......................... 84 4.1.3 Objektmodell mathematischer Optimierungsprobleme ..... 85 4.1.4 Einbindung von Algorithmen in die Klassenstruktur ....... 88 4.1.5 Integration von Workbench und virtuellem Parallelrechner. 91 4.2 Sprachansatz visueller Optimierungsschemata ................ 94 4.2.1 Die Task als Abstraktion der Optimierungsaufgabe ........ 96 4.2.2 Einsatz von Blackboards zum Datenaustausch und zur Steuerung von Tasks ................................ 98 4.2.3 Die Queue als Behälterobjekt zum Austausch von Optimierungsergebnissen ........................... 101 4.2.4 Definition von Kommunikationskanälen durch Connectoren ..................................... 103 4.2.5 Zusammenfassende Darstellung anband des Laufzeitsystems .................................. 105
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