[发明专利]一种基于网络机群的散生竹地下根茎并行模拟仿真方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于网络机群的散生竹地下根茎并行模拟仿真方法，属于计算机模拟仿真技术领域。

背景技术

运用计算机模型开展植物根系生长模拟仿真研究已有较长历史。

目前，这些根系模拟仿真模型，在计算机算法实现中大多基于单路处理器、串行计算的构架，可以较好的满足单株植物根系模拟仿真需要。但在较大规模的散生竹林地下根茎模拟仿真中，涉及到大量的鞭根模拟模型，使数据量和计算量增加，存在计算量大、效率低、实时性差等问题，串行算法难以满足这一需求，而传统的利用多处理器构成的超级计算机过于昂贵。

并行仿真在解决大规模复杂系统仿真方面的效率和优势是公认的，如军事演习、空中交通管制、虚拟世界度等方面的应用，但将其用于植物根系生长模拟仿真方面的研究非常有限。针对这一问题，本发明提供一种基于价格低廉的网络计算机群系统，用于散生竹地下根茎的并行模拟仿真方法，以解决串行仿真时数据量大、速度慢、实时性差的问题。

发明内容

本发明提供了一种基于网络机群的散生竹地下根茎并行模拟仿真方法，以用于解决串行仿真时数据量大、速度慢、实时性差的问题。

本发明的技术方案是：一种基于网络机群的散生竹地下根茎并行模拟仿真方法，所述方法的具体步骤如下：

A、将散生竹地下根茎模拟仿真分为鞭根生长建模、图形绘制渲染、任务调度管理3部分，将3部分任务分开并分配给网络机群中不同计算机并行完成，每一台计算机称为一个计算节点，各节点以交换机相互连接，构成网络机群系统；其中，执行任务调度管理的节点为任务管理节点，执行鞭根生长建模计算任务的节点为建模节点，执行图形绘制渲染任务的节点为图形节点；

B、用户通过用户交互模块登录系统，提出所要完成的仿真任务，并输入全局仿真参数，以及鞭根系统的几何构型参数和生长参数，用户交互模块生成全局仿真任务数据包，通过网络通信模块传送给任务管理节点；

C、任务调度管理模块接收发送到任务管理节点上的全局仿真任务，分别对全局仿真任务进行任务划分、任务管理：首先按照任务划分模式分析并划分为多个生长建模计算子任务，生成生长建模计算子任务数据包，存储于任务队列中；然后按照任务管理模式监测评估网络机群系统中建模节点的数量及各建模节点的负荷状态，将任务队列中待分配的子任务合理的分配到各建模节点，通过网络通信模块将子任务数据包传送给各建模节点；

D、建模计算模块接收分配到建模节点的生长建模计算子任务，按照并行生长建模机制负责完成本节点上所有子任务的建模计算工作，然后将建模计算结果通过网络通信模块发送回任务调度管理节点进行汇总分析，同时，通过网络通信模块将三维图形指令发送至图形节点进行三维绘制与渲染，得到可视化的仿真结果；

E、任务调度管理模块接收到各建模节点返回的建模计算结果后，对总根长、根体积、根表面积结果进行分析汇总，计算得到总根长、根体积、根表面积分布指数，并将结果反馈给用户交互模块供用户查阅；

F、图形绘制渲染模块接收发送到图形节点的三维图形指令，按照指令进行三维绘制与渲染，得到可视化的仿真结果；其中工作流程包括绘图指令接收、绘图指令识别、指令参数匹配、绘图指令执行和图形结果显示；

其中，用户交互模块可运行于能访问网络机群系统的任何一台终端计算机上，任务调度管理模块运行于任务管理节点上，建模计算模块运行于建模节点上，图形绘制渲染模块运行于图形节点上，网络通信模块运行于所有节点上实现节点间的相互通信。

所述图形节点通常为配置专业图形加速卡的图形工作站。

所述步骤B中，全局仿真参数为仿真时间期限、时间步长、植株数量、各植株生长空间起始位置、长度单位；鞭根系统几何构型参数和生长参数包括竹鞭节长，竹鞭的轴向生长方向、轴向生长速率和径向生长速率，竹鞭岔鞭角度和岔鞭间距；鞭根的分枝角度和分枝间距、轴向生长方向、生长速率和径向生长速率。

所述步骤C中，任务划分模式为：采用功能分解法对全局生长建模计算任务进行任务分割，任务粒度分为2级，以单鞭的生长及其下的各级鞭根为主任务粒度，以鞭根的生长及其下的各级子鞭根为辅助任务粒度；其中，优先以主任务粒度为单位，把整体建模任务有效分割成若干建模子任务，存储于任务队列中由任务管理模式分配给不同的建模节点完成；当机群系统规模较大、空闲建模节点较多时，将负荷较大的建模子任务以辅助任务粒度为单位进一步细分为更小的子任务，分配到空闲建模节点上；