Objektorientierte und verteilte Lösung von Optimierungsproblemen

220 Pages·1997·10.702 MB·German

by  Dr. Frank Josef Brüggemann (auth.)

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
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e Physica-Verlag Heidelberg 1997
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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