 | This article may be too technical for most readers to understand. (July 2020) |
協調シミュレーションでは、結合問題を形成する異なるサブシステムが分散的にモデル化され、シミュレーションされる。したがって、モデリングは結合問題を念頭に置くことなく、サブシステムレベルで行われる。さらに、結合シミュレーションは、サブシステムをブラックボックス方式で実行することによって実行される。シミュレーション中、サブシステムはデータを交換します。協調シミュレーションは、すでに確立されたツールとセマンティクスを適切なソルバーでシミュレートする場合、それらの共同シミュレーションと考えることができます。[1]協調シミュレーションは、異なる時間ステップで複数のドメインを同時に考慮できる柔軟なソリューションを提供することで、マルチドメインシステムおよびサイバーフィジカルシステムの検証においてその利点を証明しています。計算負荷がシミュレータ間で共有されるため、協調シミュレーションでは大規模システム評価の可能性も得られます。[2]
協調シミュレーションフレームワークの抽象化レイヤー
以下の導入と構成が提案されている。[3]
協調シミュレーションフレームワークの構築は、特に複数の形式主義を用いた協調シミュレーションにおいては、参加要素間の強力な相互運用性が求められるため、困難で複雑な作業となる可能性がある。個々のモデルにおいて実際に採用されている標準規格やプロトコルを調和、適応、そして最終的には変更し、それらを全体的なフレームワークに統合できるようにする必要がある。協調シミュレーションフレームワークの一般的な階層構造[3]は、ドメインの交差と、協調シミュレーションフレームワークの設計プロセスにおいて解決すべき課題を浮き彫りにする。一般的に、協調シミュレーションフレームワークは5つの抽象化層から構成される。
| 抽象化レイヤー | 説明 | 関連する問題 |
|---|---|---|
| 概念的 | モデルがブラック ボックスとして扱われる最高レベルであり、このレベルは共同シミュレーション フレームワークの表現に関係します。 | フレームワークの一般的な構造、コンポーネントのメタモデリング。 |
| セマンティック | このレベルは、調査対象のシステムと研究対象の現象の未解決の問題に関する共同シミュレーション フレームワークの意味と役割に関係します。 | 個々のモデルの意味、モデル間の相互作用グラフ、各相互作用の意味。 |
| 統語的 | このレベルは、共同シミュレーション フレームワークの形式化に関するものです。 | それぞれのドメインにおける個々のモデルの形式化。ある形式と別の形式の違いの仕様と処理。 |
| 動的 | このレベルは、共同シミュレーション フレームワークの実行、同期技術、およびさまざまな計算モデルの調和に関係します。 | モデルの実行順序と因果関係、さまざまな計算モデルの調和、アクションの同時性における潜在的な競合の解決。 |
| テクニカル | このレベルは、シミュレーションの実装の詳細と評価に関するものです。 | 分散型または集中型の実装、シミュレーションの堅牢性、シミュレーションの信頼性と効率性。 |
概念構造化から、協調シミュレーションフレームワークを開発するためのアーキテクチャと、形式的な意味関係／構文定式化が定義されます。詳細な技術的実装と同期技術は、動的レイヤーと技術的レイヤーでカバーされます。
問題分割 - 協調シミュレーションのアーキテクチャ
分割手順は、連成問題を複数の分割されたサブシステムに空間的に分離するプロセスを指します。情報は、アドホックインターフェースまたはマスターアルゴリズムによって制御される中間バッファを介して交換されます。マスターアルゴリズム（存在する場合）は、シミュレータのインスタンス化と情報交換（シミュレータ間またはシミュレータオーケストレータ）のオーケストレーションを担当します。[3]
カップリング方法
協調シミュレーションの結合手法は、抽象化レイヤーに応じて、オペレーショナル統合とフォーマル統合に分類できます。一般的に、オペレーショナル統合は特定の問題に対する協調シミュレーションに使用され、動的レイヤーと技術的レイヤー（例えば信号交換）における相互運用性を実現します。一方、フォーマル統合は、モデル結合またはシミュレータ結合を介して、意味的および構文的レベルでの相互運用性を実現します。フォーマル統合では、シミュレータ間の相互作用の 意味的および構文的レベルを調整するために、マスターフェデレートが関与することがよくあります。
動的かつ技術的な観点から、実装プロセスでは 同期技術と通信パターンを考慮する必要があります。
コミュニケーションパターン
マスターアルゴリズムには、主に3つの通信パターンがあります。ガウス・ザイデル法、ヤコビ変種、そして伝送線路モデリング（TLM）です。最初の2つの手法の名前は、同名の数値計算手法との構造的類似性に由来しています。
その理由は、ヤコビ法は同等の並列アルゴリズムに変換するのが容易であるのに対し、ガウス・ザイデル法の場合はそれが困難であるためである。[4]
ガウス・ザイデル（シリアル）
ヤコビ（平行）
伝送線路モデリング、TLM
伝送線路モデリング（双方向遅延線モデリングとも呼ばれる）では、静電容量（またはインダクタンス）を波動伝搬を伴う伝送線路要素に置き換えます。時間遅延は1タイムステップに設定されます。これにより、物理的に意図された時間遅延が導入され、システムをこの位置で分割することが可能になります。数値誤差は発生せず、代わりにより無害なモデリング誤差が導入されるため、数値安定性が確保されます。これは明示的なスキームとなるため、通常、実装が最も簡単です。
参考文献
- ^ Steinbrink, Cornelius (2017). 「スマートグリッドのシミュレーションベース検証 – 現状と将来の研究動向」.ホロニックシステムとマルチエージェントシステムの産業応用. コンピュータサイエンス講義ノート. 第10444巻. pp. 171– 185. arXiv : 1710.02315 . doi :10.1007/978-3-319-64635-0_13. ISBN 978-3-319-64634-3. S2CID 10022783。
- ^ アンダーソン、ホーカン (2018-09-11)。油圧パーカッションユニットの協調シミュレーションアプローチ。リンシェーピング大学電子出版局。ISBN 978-91-7685-222-4。
- ^ abc Nguyen, VH; Besanger, Y.; Tran, QT; Nguyen, TL (2017年11月29日). 「サイバーフィジカルエネルギーシステム検証における協調シミュレーションフレームワークの概念的構造化と結合手法について」.エネルギー. 10 (12): 1977. doi : 10.3390/en10121977 .
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- ^ Heath, Michael T.科学計算：入門調査SIAM。
