Моделирование процессов распространения заряженных частиц и жёсткого электромагнитного излучения с использованием технологий высокопроизводительных и распределённых вычислений

На основе MSC-диаграмм с помощью TAT были сформированы автоматизированные тестовые наборы и проведено тестирование.

Использование VRS/TAT позволило верифицировать и протестировать клиентское приложение для платформы Microsoft TV IPTVe. Результатом стали найденные ошибки в реализации работы с протоколом ХМРР в клиентском приложении.

В ходе тестирования клиентского приложения получены следующие результаты: протестирован один базовый протокол, создано 58 трасс, проведено 116 тестов, найдена одна ошибка.

Связка двух инструментов УЯЯ и ТАТ позволяет провести качественную верификацию и тестирование при существенно меньших трудозатратах по сравнению с ручным тестированием. Более того, данные инструменты позволили найти те ошибки, которые было бы крайне сложно обнаружить в ходе ручного тестирования.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. TAT User's Manual. Motorola. 2007.

2. Baranov S., Kotlyarov V., Letichevsky A., Drobintsev P. The technology of Automation Verification and Testing in Industrial Projects // Proc. of St. Petersburg IEEE Chapter. International Conference, May 18—21. St. Petersburg. Russia, 2005. P. 81-86."

3. Баранов С.Н., Котляров В.П., Летичевский АА

Индустриальная технология автоматизации тестирования телекоммуникационных приложений на основе верифицированных поведенческих моделей спецификаций требований // Космос, астрономия и программирование: Тезисы Межаунар. науч. конф., Санкт-Петербург 20-22 мая. 2008 г. С. 134—145.

УДК 681.3

С.С. Ананько, П.С. Кавригин, С.П. Мери,, СЛ. Немнюгин, С.Г. Толушкин

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ

ЧАСТИЦ И ЖЕСТКОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕХНОЛОГИЙ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫХ И

РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ

Моделирование процессов распространения заряженных частиц и жесткого электромагнитного излучения в различных средах на основе использования реалистических полуэмпирических моделей — актуальная сегодня задача. Результаты моделирования могут быть использованы для расчета систем радиационной защиты, в ядерной физике и дозиметрии. Развитие ускорительной техники позволяет применять знания из области ядерной физики в медицинских целях, например, при лечении злокачественных опухолей пучками высокоэнергетических заряженных частиц. Значительный интерес здесь представляет использование

пучков адронов и ядер некоторых элементов. Терапевтический эффект в данном случае основан на свойстве частиц, имеющих ненулевой заряд, резко тормозить в конце своего пробега и передавать большую часть своей энергии поглощающему веществу. Данное свойство получило название "пик Брэгга" — по имени ученого, предсказавшего это явление. Эффективное лечение требует тщательной предварительной подготовки, учета химического состава ткани, физических свойств, реальной геометрии облучаемого органа. И в основе этого подготовительного этапа лежит процесс моделирования.

4-

Конференция "Технологии Microsoft в теории и практике программирования".

Стандартным средством моделирования являются методы Монте-Карло. Они используются в целом ряде пакетов, предназначенных для моделирования взаимодействия различного рода частиц с веществом. Широкое применение нашли пакеты Fluka и Geant4 [I, 2]. Оба пакета являются свободно распространяемыми и работают в среде операционных систем Unix.

Пакет Fluka представляет собой набор подпрограмм, написанных на языке программирования Fortran77. Написание пользовательского приложения в этой программе представляет собой заполнение специальной таблицы, содержащей параметры вычислительного эксперимента.

Пакет Geant4 написан на языке программирования С++ с использованием объектно-ориентированного программирования. Написание пользовательского приложения в этом случае представляет собой последовательный вызов необходимых методов классов с различными параметрами.

С помощью пакетов Fluka и Geant4 у пользователя появляется возможность учесть различные процессы, геометрию моделируемой системы, частицы, участвующие во взаимодействиях и т. д. Вместе с тем время моделирования существенно зависит от параметров эксперимента и может быть достаточно большим. Это значит, что в данном случае актуально применение технологий высокопроизводительных и распределенных (на основе использования грид-систем) вычислений.

а)

ж

M

s

Л

g

1

/

В исследованиях ставились следующие задачи:

моделирование кривой Брэгга для пучков протонов и однократно ионизированных ионов углерода в воде при нормальных условиях. Решены следующие подзадачи: получены зависимости длины пробега от энергии и сорта частиц и зависимости высоты пика Брэгга от энергии и сорта частиц;

получение модифицированной кривой Брэгга.

Построены также эмпирические модели производительности — зависимость времени моделирования от энергии и сорта частиц. Моделирование выполнялось для параллелепипеда, заполненного водой при нормальных условиях.

Результаты исследований. На рис. 1 представлены примеры кривых Брэгга. Для сравнения даны результаты, полученные с помощью пакетов Geant4 и Fluka. Сравнение результатов моделирования в разных программах, а также с реальными экспериментами — важная задача, которую мы ставим перед собой.

Так как при реальном лечении опухоль имеет не точечную структуру, а протяженную, то ее необходимо просканировать, т. е. облучить протяженный участок, изменяя энергию с мелким шагом. График суммарной дозы, которую получат клетки при таком сканировании называется модифицированной кривой Брэгга (Spread Out Bragg Peak). На рис. 2 представлены кривые Брэгга для протонов в диапазоне энергий 100— 110 МэВ, с шагом по энер-гии 1 МэВ, а также модифицированная

б)

« » Расстояние. си

...................I.....I.....I............. " .......

КЮ 480 150 чгс JO0 -460 -<40 -430 -420 -410 -400

Расстояние

Рис.

ИОНОВ

1. Зависимость поглошенной дозы от глубины проникновения частиц при прохождении углерода через воду: а — расчеты, полученные в пакете Р1ика, б — полученные в ОеаШ4

Энергия первичных частиц 2.4 ГэВ

кривая Брэгга. Видим, что суммарная доза имеет явный пик. Оптимальным будет случай. когда пик Брэгга представляет собой плато размером, равным длине опухоли. Это необходимо для того, чтобы все клетки опухоли получили одинаковую дозу. Для такого плато необходимо суммировать дозы от отдельных пиков Брэгга с разными весами. Задача оптимизации заключается в расчете этих весов. Нужно отметить, что веса в математической постановке соответствуют числу запускаемых частиц при моделировании.

На рис. 3 представлены графики "взвешенных" пиков Брэгга и суммарной дозы.

Оптимизация вычислительною эксперимента. Моделирование в описываемой задаче — достаточно ресурсоемкое, что мож-

но видеть из временных зависимостей, представленных на рис. 4. Необходима оптимизация вычислений, в том числе и с использованием технологий высокопроизводительных вычислений.

Пакет ParGeant [3] основан на использовании библиотеки ТОР С [4) (Task Oriented Parallel C/C++) и предназначен для работы на параллельных вычислительных системах. В настоящее время ведется работа по написанию параллельной версии приложения и оценке эффективности применения ParGeant. На рис. 5 представлен график, характеризующий ускорение времени моделирования движения прогона в воде.

Естественная форма параллелизма при решении данного класса задач — паралле-

Рэсстовние. си

Рис. 2. Модифицированная кривая Брэгга для протонов в воде Диапазон энергий 100—110 МэВ

-10 Зт ev

-13 ?T«v

132-rev

.......'3?"«v

-13*T«V

-'3f-r«v

-13?t«v

-137»,

--133t*y

133"*-«* 11 Зт«у

3 333

s.333 13 333

Расстояние, см

Рис. 3. Оптимизированная модифицированная кривая Брэгга для протонов в воде Диапазон энергий 100—110 МэВ

- 133т«,

-131т*,

132т*, 132т«»

- 13*т»,

— 'згт.в,

- 13fT«v

-137т»,

ТЗЗт», 13STft 113т«* -s сое

4

Конференция "Технологии Microsoft в теории и практике программирования"

Энергия падающих частиц, МэВ

Рис. 4. График времени счета от энергии ионов углерода в воде при нормальных условиях

180 -,

160 -

140-

I 120-ш

X §

о; 2 0) CL

m

100 -

80-

60

40-

20

Количество процессоров

Рис. 5. Зависимость времени моделирования движения прогона в воде при нормальных условиях от количества используемых процессоров Вычисления проведены в системе РаЮеаШ. Энергия протонов 200 МэВ

лизм по данным, поэтому перспективным способом увеличения эффективности расчетов будет применение технологий распределенных вычислений, основанных на использовании фид-систем. В данный момент разрабатывается прототип прикладного грид-сервиса на основе Grid Programming Environment (GPE).

Grid Programming Environment от Intel — это технология с открытым исходным кодом, которая предоставляет полный набор програмных средств грид-вычислений. Она позволяет разрабатывать грид-ориентиро-ванные приложения, которые не зависят от грид-инфраструктуры промежуточного уровня и включают мощный графический интерфейс для пользователей.

О РЕ предоставляет пользователям прозрачный доступ к распределенным вычислительным ресурсам и ресурсам данных через интерфейс веб-сервисов. На "вершине" О РЕ находится набор программных инструментов разработки портативных грид-приложений и средства графического интерфейса, которые скрывают сложность лежащей в основе технологии от пользователя.

К разрабатываемому грид-сервису предъявляются следующие требования:

интуитивно понятный интерфейс для Пика и Оеаш4. Это достигается при помощи инструмента GridBean;

проблемно-ориентированный брокер, который вырабатывает оптимальную по

времени тактику распределения задач на вычислительные ресурсы в зависимости от набора входных параметров (в простейшем случае — энергии, в более обшем случае необходимо учитывать взаимные расположения источника излучения и мишени). Предполагается, что количество однотипных задач больше, чем число вычислительных ухюв. Такая разработка возможна поскольку О РЕ распространяется в том числе в виде исходных кодов.

В результате исследований, связанных с моделированием процессов в различных средах, инициированных пучками протонов и ионов углерода, построены зависимости поглощенной дозы от глубины проникновения пучка. Показана эффективность вычислительных инструментов и предложены способы оптимизации производительности моделирующих пакетов.

Авторы благодарят лабораторию СПРИНТ-1те1 за поддержку данных исследований.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Официальный сайт пакета FLUKA: http:// www.fluka.org.

2. Официальный сайт пакета GEANT4: http:// geant4.cern.ch.

3. Including Parallelism in Geant4 (Gene Cooperman, NU Boston. MA. USA).

4. Task Oriented Parallel C/C++: http:// www.ccs.neu.edu/home/gene/topc.html.

5. Официальный сайт проекта GPE: http:// gpe4gtk.sf.net.

УДК 681.3

A.B. Цветков, E.H. Веснин

РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОГО И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ СИСТЕМЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ТРЕКОВЫХ МИКРО-И НАНОФИЛЬТРАЦИОННЫХ МЕМБРАН

Автоматизация технологического процесса — замена человека специализированным автоматом — сегодня одна из наиболее решаемых задач в различных сферах производства.

Задача анализа сложных изображений с целью обнаружения объектов и определения их параметров становится одной из наиболее актуальных в данной сфере вопросов. Актуальность заключается в том, что создание качественных алгоритмов и устройств, которые выполняют функции распознавания различных обьектов, во многих случаях открывает возможность замены человеческого труда трудом машины. Такая замена позволяет значительно расширить возможности и повысить эффективность различных систем, выполняющих сложные информационно-логические задачи.

Предметная область данной работы — область, занимающаяся производством и исследованием трековых микро- и нано-фильтрационных мембран. Эта область рассматривается в рамках ЛЯ Р ОИЯИ (лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований). Разработанные в работе методики имеют общеисследовательский характер и могут использоваться в других областях производства и исследования трековых мембран.

Объект исследования — трековые мембраны. Мембраны — это тонкие (диапазон в пределах десятков микрометров) искусственные пленки, которые используются для фильтрации газовых и жидких систем на тончайшем микроуровне. Трековые мембраны — это особый вид мембран, основ-