Моделирование социальных процессов на суперкомпьютерах: новые технологии
Статья продолжает работу, результаты которой публиковались в “Вестнике РАН” ранее (2016, № 3, 5). В предыдущих статьях были проанализированы международный опыт подготовки и использования агент-ориентированных моделей и технические наработки по их реализации на суперкомпьютерах, подробно описаны этапы и методы эффективного отображения счётного ядра мультиагентной системы на архитектуру современного суперкомпьютера с использованием разработанной авторами технологии поддержки агент-ориентированного моделирования для суперкомпьютеров – STARS (Supercomputer Technology for Agent-oRiented Simulation). STARS была апробирована на двух построенных в Центральном экономико-математическом институте РАН мультиагентных демографических моделях, различающихся уровнем детализации при имитации репродуктивного поведения людей. В настоящей публикации рассматриваются технология построения многоагентных симуляций, дающая возможность эффективно масштабировать модели этого класса до 109 агентов, и её применение при создании крупномасштабной агентной модели стран Евразии. Задача модели – имитировать основные миграционные процессы и динамику экономик этих стран, а также последствия реализации крупных инфраструктурных проектов как результата действий множества самостоятельных агентов. Тестирование модели проводилось на различных суперкомпьютерах, что позволило сделать вывод об их технических характеристиках.
POLARIS: программная платформа для построения транспортных симуляторов на базе агент-ориентированного подхода
В Аргоннской национальной лаборатории (национальный исследовательский центр Министерства энергетики США) разработано программное обеспечение для построения агент-ориентированных моделей, в основном используемых для симуляции транспортных потоков.
Основные утилиты разработанного пакета: (1) модуль, отвечающий за параллельную обработку событий; (2) модуль, реализующий межпроцессный обмен; (3) библиотека для визуализации; (4) библиотека для ввода-вывода данных и др.
Development of the Agent-based Demography and Migration Model of Eurasia and its Supercomputer Implementation
В статье описываются результаты исследования, направленного на совершенствование инструментов реализации больших агентных моделей на суперкомпьютерах. Для проведения эффективного расчета модели с использованием суперкомпьютера требуется распределить агентов равномерно по всем задействованным процессорам суперкомпьютера таким образом, чтобы минимизировать связи между агентами, размещенными на разных процессорах. Связи агентов можно представить в виде графа, а затем для его разбиения на относительно изолированные части применить алгоритмы графовой декомпозиции.
Алгоритм реализации крупномасштабных агентных моделей на суперкомпьютерах
Опубликована статья «Development of the Agent-based Demography and Migration Model of Eurasia and its Supercomputer Implementation» в которой описываются результаты исследования, направленного на совершенствование инструментов реализации больших агентных на суперкомпьютерах. Для проведения эффективного расчета модели с использованием суперкомпьютера требуется распределить агентов равномерно по всем задействованным процессорам суперкомпьютера таким образом, чтобы минимизировать связи между агентами, размещенными на разных процессорах. Связи агентов можно представить в виде графа, а затем для его разбиения на относительно изолированные части применить алгоритмы графовой декомпозиции. Для эффективного разбиения множества ячеек на подмножества равного размера с минимумом связей были реализованы алгоритмы графовой декомпозиции METIS/ParMETIS (Karypis, Kumar, 1995), которые успешно применяются для распределения графов больших размерностей (до 109) в задачах декомпозиции и переупорядочивания расчётных сеток, матриц и графов. Для расчетов использовались два суперкомпьютера: МВС-100K (Межведомственный суперкомпьютерный центр РАН, г. Москва) и Tianhe-2 (Национальный университет оборонных технологий КНР, г. Гуанчжоу).
Молекулярное моделирование с использованием высокопроизводительных вычислений и агент-ориентированных моделей
Агент-ориентированный подход становится все популярнее при изучении клеточных систем, но в то же время их сложность требует использования соответствующих инструментов, построенных с использованием высокопроизводительных вычислений.
В работе исследователей из университета Виго (Universidad de Vigo, Испания) и университета Минью (Universidade do Minho, Португалия) рассматривается последовательный и параллельный алгоритмы применительно к трехмерному моделированию отдельных молекул в сложных структурах с использованием агентного подхода. Разработанные подходы позволяют определять расположение молекул с достаточно высокой точностью и, таким образом, выявлять возможные критические состояния изучаемых объектов. Кроме этого, эти подходы реализованы в рамках кроссплатформенного приложения, что обеспечивает возможность построения трехмерных моделей на любой аппаратной платформе и операционной системе. По результатам расчетов, в том числе было выявлено, что параллельные версии моделей демонстрируют высокую производительность при работе с большим числом агентов, а последовательные – для малых и средних групп.
Разработчики отдельно отмечают, что обозначенные подходы могут быть использованы при построении агент-ориентированных моделей для исследования других предметных областей (в частности, социальных и экономических систем).
Платформа для моделирования городской мобильности на основе агент-ориентированного подхода, геоинформационных и суперкомпьютерных технологий
В совместной работе исследователей университета им. Иоганна Кеплера в Линце (Австрия), Лондонского университета (Великобритания), высшей технической школы Ингольштадта (Германия) и университета Бахри (Исламабад, Пакистан) рассматривается программная платформа для моделирования городской мобильности на основе агент-ориентированного подхода, геоинформационных и суперкомпьютерных технологий. Разработчики использовали реальную растровую карту небольшого города в Центральной Европе с очень высоким разрешением, преобразованную в мелкозернистую (1.25 м2) двумерную решетку. Соответствующий клеточный автомат связывает перемещающихся агентов с их жизненным пространством. Вместе с тем, учитывая масштаб моделируемого объекта, техническая реализация модели практически невозможна без использования параллельных вычислений.
Первая встреча рабочей группы стран БРИКС в сфере ИКТ и высокопроизводительных вычислений
В университете Гуанчжоу (Guangzhou University, China), а также на базе Aloft Guangzhou University Park с 23 по 26 апреля 2017 года прошла первая встреча рабочей группы стран БРИКС и форум по инновационному сотрудничеству в сфере информационно-коммуникационных технологий и высокопроизводительных вычислений (The First BRICS Working Group Meeting and Innovation Collaboration Forum on Information Technology and Communication and High-Performance Computing).
Стратегия синхронизации асинхронных операций для параллельных крупномасштабных агент-ориентированных транспортных симуляций
Исследователи из Наньянского технологического университета (Nanyang Technological University, Сингапур) отмечают, что крупномасштабные агент-ориентированные модели являются одним из самых перспективных инструментов для решения проблем современных мегаполисов, связанных с транспортными заторами и высокой плотностью проживающего населения. Однако симуляции, проводимые с использованием таких моделей весьма ресурсоемкие, что вызывает необходимость их параллелизации. По мнению разработчиков, наиболее эффективным способом распараллеливания агент-ориентированных транспортных симуляторов является декомпозиция моделируемого пространства на субрегионы. Агенты каждого из них вычисляются соответствующими логическими процессами (Logical Processes, LP), которые необходимо синхронизировать для целостности взаимозависимых данных. В описываемой ниже работе для синхронизации распределенных вычислений используются методы барьерной синхронизации, при которой выполнение программы разделяется барьерами на несколько этапов. Также авторы приводят оригинальную стратегию консервативной синхронизации асинхронных операций, названную стратегией «взаимного назначения» (Mutual Appointment, MA). MA позволяет повысить эффективность барьерной синхронизации и разрешает логическим процессам взаимодействовать непосредственно друг с другом. Упомянутые методы нашли воплощение в параллельном агент-ориентированном транспортном симуляторе SEMSim, использующем реальные данные. Эксперименты показали, что MA позволяет увеличить эффективность параллельных вычислений, а стратегия ослабленного взаимного назначения (Relaxed Mutual Appointment, RMA) совершенствует MA за счет существенного снижения сообщений при синхронизации.
Моделирование социально-экономических процессов с использованием суперкомпьютерных технологий
Моделирование социально-экономических процессов с использованием суперкомпьютерных технологий [Текст]: монография / В.Л. Макаров, А.Р. Бахтизин, Е.Д. Сушко. — Вологда: ИСЭРТ РАН, 2016. — 183 c.
Реализация параллельной пространственно-распределенной агент-ориентированная модели с использованием многоядерной архитектуры
В исследовании, проведенном в Университете Северной Каролины и Айовском университете (США) рассматривается подход к распараллеливанию ресурсоемких агент-ориентированных моделей, агенты которых обмениваются информацией и имеют пространственную привязку. В рамках проведенных экспериментов тестировалась производительность параллельной версии модели в зависимости от двух фундаментальных свойств пространственных интерактивных систем: (1) размер пространства, связанного с количеством распределенных по нему агентов, участвующих во взаимодействиях (определяет общий объем межагентных взаимодействий) и (2) радиус взаимодействия (определяет максимальное расстояние, на котором пара агентов может связываться). Оценка преимуществ использования многоядерных аппаратных систем для реализации пространственно-распределенных агент-ориентированных моделей осуществлялась путем сравнения производительности параллельной версии модели против ее последовательного аналога.
