Synchronisation von parallel simulierten Experimentierbaren Digitalen Zwillingen in Virtuellen Testbeds

Masterarbeit: Synchronisation von parallel simulierten Experimentierbaren Digitalen Zwillingen in Virtuellen Testbeds.

Der Wunsch nach stetig umfassenderen Abbildungen der tatsächlichen Realität in 3D-Simulationsumgebunden und der damit einhergehenden steigenden Komplexität der enthaltenen Simulationskomponenten, stellt eine hohe Herausforderung an die Laufzeit solcher Systeme dar. Virtuelle Testbeds bilden beispielweise alle relevanten Aspekte einer Anwendung ab und erlauben es einem Ingenieur systematisch sämtliche Komponenten eines komplexen Systems und deren Abhängigkeiten untereinander in einer simulierten Umgebung zu untersuchen. Das digitale Abbild des zu untersuchenden Systems wir als Digitaler Zwilling des realen Systems bezeichnet. Die Anwendung simulationstechnischer Methoden erweckt Digitale Zwillinge zum Leben und macht sie experimentierbar (EDZ). Mit steigendem Detailierungsgrad der EDZe steigt auch die Anzahl an zu simulierenden Komponenten sowie deren Komplexität. Das Erreichen eines Echtzeit-Verhaltens ist dabei oftmals nicht ohne den Einsatz von Parallelisierungsstrategien möglich.

Ein paralleles Simulationsmodell besteht aus einer endlichen Anzahl an Partitionen, die anhand eines spezifischen Partitionierungsschemas erstellt werden und anschließend parallel ausgeführt werden können. Damit eine parallele Simulation korrekte sowie reproduzierbare Ergebnisse liefert, müssen die verschiedenen Prozesse und parallel ausgeführten Komponenten synchronisiert werden. Ziel der Synchronisation ist damit sicherzustellen, dass die Ergebnisse identische zu denen der sequentiellen Ausführung sind. Generell kann zwischen zwei Typen von Synchronisationsalgorithmen unterschieden werden, konservative Algorithmen die strikt die zeitliche Reihenfolge der auszutauschenden Änderungen unter den parallelen Komponenten einhalten und so in jedem Synchronisationsschritt einen global konsistenten Simulationszustand gewährleisten und optimistische Algorithmen die eine Verletzung dieser Reihenfolgen erlauben und Rückrollstrategien bereitstellen um mögliche Fehler zu korrigieren.

In Rahmen dieser Arbeit sollen geeignete, konservative oder auch optimistische Synchronisationsalgorithmen entwickelt sowie implementiert werden, welche möglichst effizient eine parallele Ausführung mit reproduzierbaren, korrekten Ergebnissen gewährleisten. Die am MMI entwickelten Ansätze zur sicheren parallelen Ausführung von Simulationsmodellen durch unabhängige Kopien des Simulationszustandes dienen als Grundlage dieser Arbeit. Hierfür soll zunächst eine umfassende Literaturrecherche zu dem Stand der Technik im Bereich der parallelen ereignisorientieren als auch zeitdiskreten Simulation mit dem Fokus auf Synchronisationsalgorithmen durchgeführt werden. Anschließend sollen die bestehenden Ansätze um weitere Synchronisationsalgorithmen erweitert werden und abschließend eine detaillierte Analyse in Bezug auf Performance sowie Vor- und Nachteile der einzelnen Algorithmen durchgeführt werden. Ziel der Arbeit ist damit die Synchronisation sowie Analyse einer parallelen virtuellen Testumgebung mit mehreren EDZ anhand eines Anwendungsbeispiels wie z.B. einer Roboterzelle oder mehrere Roboterzellen in einer Produktionsanlage, mit denen in dieser Arbeit entwickelten Methoden.

Stichworte: Parallele 3D-Simulation, Virtuelle Testbeds, Synchronisation

Betreuer: Wahl

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