ОРДЕНА ЛЕНИНА
ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ МАТЕМАТИКИ
им. М.В.Келдыша РАН
Новые возможности анализа данных в расчетном комплексе «РЕАКТОР»
А.В. Воронков
С.Л. Головков
Москва 2007
Аннотация
Описывается система анализа данных расчетного комплекса «РЕАКТОР». Эта система («Редактор Архива») в первую очередь предназначена для эффективной поддержки решения задач анализа и представления больших объемов данных, обеспечения пользователя удобными и мощными средствами анализа результатов счета.
Описываются общие принципы организации доступа к информации, хранящейся в Архиве. Описываются некоторые новые возможности «Редактора Архива». Основное внимание уделено средствам интерактивного доступа к данным. расчетный данные комплекс
A.V. Voronkov, S.L. Golovkov
New facilities of data analysis in the application package «REACTOR»
Abstract
The system of the data analysis of the application package «REACTOR» is described. This system («Archive Editor») first of all is intended for the effective support of the solution of the problems of analysis and presentation of the large volumes of data, guarantee of a user with the convenient and powerful means of the analysis of the results of calculation. Are described the general principles of the organization of access to information, which is stored in the archive. Are described some new facilities of the Archive Editor. Primary attention is given to the tools of interactive access to the data.
Введение
Расчетный комплекс «РЕАКТОР» [1,2] разработан в Институте прикладной математики им. М.В.Келдыша РАН и в течение многих лет эксплуатируется в ИПМ РАН и ряде других организаций. Комплекс «РЕАКТОР» позволяет проводить численный расчет как стационарного состояния, так и расчет кампании ядерных реакторов различного типа и назначения.
Расчетный комплекс «РЕАКТОР» включает в свой состав не только модули, выполняющие собственно расчеты, но и набор компонент, обеспечивающих эффективную эксплуатацию пакета. Фактически счетные модули комплекса «погружены» в «управляющую среду», предоставляющую пользователю (прикладному специалисту) удобные сервисы для управления комплексом на всех этапах работы с задачей.
Одним из таких компонентов «управляющей среды» расчетного комплекса «РЕАКТОР» является система хранения и анализа данных (Архив), описанная в [3].
Эта система была предоставлена пользователям расчетного комплекса «РЕАКТОР» - специалистам ФГУП ОКБ «Гидропресс», одной из ведущих организаций в области проектирования ядерных реакторов - и использовалась при проведении промышленного счета. Специалисты ОКБ высказали большое количество предложений по усовершенствованию, расширению функциональности и т.п. Поступающие предложения реализовывались, и система вновь поступала в эксплуатацию.
Результатом совместной работы явилась существенная переработка системы анализа, основной целью которой была эффективная поддержка решения задач анализа и представления больших объемов данных.
Для решения новой задачи в качестве базовой концепции была выбрана концепция Хранилища данных. В соответствии с этой концепцией были реализована новая система анализа данных («Редактор Архива»).
В настоящем препринте описываются некоторые новые возможности анализа данных, предоставляемые «Редактором Архива». В разделе 1 определяются общие принципы организации доступа к информации, хранящейся в Архиве. В разделах 2 и 3 кратко коснемся изменений инструментов, присутствующих в предыдущей версии «Редактора Архива». Раздел 4 посвящен новым средствам анализа - интерактивному доступу к данным. В разделе 5 описан новый тип данных, которые можно хранить в Архиве - текстовым массивам. В разделе 6 описаны возможности просмотра ядерных констант. Раздел 7 посвящен средствам описания способа интерпретации архивных массивов, т.е. метаинформации.
Основное внимание в настоящей статье уделено интерактивному доступу к данным. Остальные возможности скорее перечисляются, чем описываются.
1. Общие принципы доступа к данным
На следующем рисунке представлена схема потоков информации при анализе данных в расчетном комплексе. Модули расчетного комплекса накапливают результаты расчетов в специализированной базе данных - Архиве. Система «Редактор Архива» обеспечивает доступ к Архиву, выборку необходимых данных, обработку, интерпретацию и предъявляет эти данные пользователю с помощью стандартных инструментов - текстовых редакторов, электронных таблиц и графических систем.
Принципы построения системы анализа вытекали из следующих соображений. Большая часть данных, полученных в процессе численного эксперимента (например, моделирования нейтронно-физических процессов в ядерном реакторе), имеет смысл только в привязке к геометрии расчетной области (геометрическому элементу моделируемой конструкции). Следовательно, метаданными, на основе которых строится доступ пользователя к расчетным данным, должны быть описание геометрии расчетной области (моделируемой установки).
Отправной точкой анализа должна быть геометрическая модель конструкции или расчетной области, на которой пользователь может указать некоторую область и получить доступ к информации, связанной с выделенной областью.
Например, для того, чтобы получить доступ к некоторым значениям нейтронных потоков, пользователь задает необходимое сечение расчетной области (конструкции). Система автоматически выбирает из Архива данные, связанные с расчетными ячейками, лежащими на сечении, и предъявляет эти данные пользователю:
Таким образом, пользователю предоставляется следующая логика работы с данными: на основе метаданных (геометрическому описанию расчетной области) он определяет (выделяет) интересующую его часть расчетной области, и эти метаданные обеспечивают автоматический доступ к данным, связанным с выделенной областью.
2. Просмотр содержимого массива
В этом разделе мы коснемся лишь некоторых изменений в средствах просмотра содержимого архивных массивов.
Основное отличие возможностей просмотра содержимого массивов от аналогичных возможностей в предыдущей версии «Редактора Архива» [3] состоит в наличие средств более тонкого анализа массивов типа FLUX, для чего предназначена группа управляющих элементов «Порядок элементов Flux» инструмента «Просмотр массивов»:
Эта группа позволяет определять порядок выдачи элементов массива на экран. С каждым элементом массива связаны три пространственных координаты - X, Y и Z. Можно явно определить порядок осей координат, в соответствии с которым элементы массива будут выдаваться в окне редактора. Кроме того, в поле «Ось 1» можно указать значение выбранной первой координаты, обеспечивающее выдачу в окно редактора «вырезки» массива.
Допустим, мы установили следующий порядок координат (в блоке переключателей «Оси»): в качестве первой координаты указали координату Y, второй - координату X, а третьей - координату Z:
Теперь при нажатии кнопки «Смотреть» пользователь получит следующее представление массива (в окне текстового редактора или электронных таблиц):
Следом за строками идентификации массива идут три строки, индицирующие диапазоны изменения координат (индексов) элементов массива. Далее идет оглавление колонок координат (Y X Z), а затем собственно координаты элементов массива и значение элементов массива.
Обратим внимание, что описанное средство управления представлением данных имеет геометрическую природу.
3. Визуализация
По сравнению с предыдущей версией «Редактора Архива» изменился дизайн панели управления визуализацией, удалены невостребованные возможности и добавлены новые (например, возможность использования графической системы Surfer):
Назначение групп управляющих элементов панели:
группа «поток» предназначена для работы с нейтронными или гамма потоками;
группа «картограмма» предназначена для работы с картограммами свойств;
группа «графика» позволяет выбрать графическую систему;
группа «геометрия» позволяет выбрать тип геометрии;
группа «вид» позволяет управлять представлением графиков;
группа «коррекция» обеспечивает возможность управления некоторыми параметрами.
Мы не будем описывать возможности визуализации, обеспечиваемые средствами этой панели, поскольку они более-менее соответствуют описанию [3]. Уделим основное внимание новым средствам визуализации, которым посвящен следующий раздел.
4. Интерактивный доступ к данным
Практика использования «Редактора Архива» в промышленных расчетах показала, что пользователям, как правило, требуются простые формы представления данных. Например, для визуального представления результирующих данных чаще всего требуются одномерные графики, реже - двумерные, а 3D графики используются, как правило, только для презентаций.
Однако выборка данных (или, иначе, множество ячеек расчетной сетки, из которых берутся анализируемые данные), может быть очень прихотливой. Например, это могут быть произвольные отрезки лучей, идущих через расчетную область, кривые, фрагменты плоскостей или криволинейных поверхностей, 3D совокупности ячеек и т.п.
Для решения этой задачи - обеспечить эффективный и интуитивно понятный доступ к данным - были разработаны средства интерактивного доступа к данным.
Суть этих средств состоит в следующем. Поскольку пользователям в процесс обработки результатов эксперимента требуется возможность все более «тонкого» анализа данных, то процесс выделения области расчетной зоны должен быть итеративным. Например, пользователь, получив плоскость сечения трехмерной зоны моделирования, должен иметь возможность выделить на этой плоскости некоторое, вообще говоря, произвольное множество ячеек - прямоугольник, отрезок, совокупность ячеек, обладающих некоторым свойством и т.п.
Выделив область, пользователь автоматически получает доступ к архивным данным, связанным с ячейками выделенной области, и может использовать различные инструменты, стандартные или разработанные специально для каких-то случаев, для обработки этих данных - визуализации, просмотра, редактирования, вычисления функционалов и т.п. Затем пользователь может вновь изменить (уточнить) выделенную область и т.д.
Рассмотрим подробно средства и методы интерактивного доступа к данным.
Для перехода в интерактивный режим работы необходимо выбрать требуемую секущую плоскость и переключиться в режим графики «OpenGL».
Более точно, необходимо выполнить следующие действия:
выбрать требуемый массив (на основной панели Редактора Архива),
выбрать требуемую ось координат и значение координаты (в группе «поток»),
выбрать желаемый тип геометрии (в группе «геометрия»),
выбрать желаемое представление (в группе «вид»),
переключить выбор графической системы в положение «OpenGL»;
нажать кнопку «График», «Сетка» или «График+Сетка».
Нажатие кнопки «График» приводит к отбору из Архива исключительно информации о потоках; нажатие кнопки «Сетка» приводит к отбору из Архива исключительно информации о расчетной сетке; нажатие кнопки «График+Сетка» приводит к отбору из Архива и той и другой информации.
Допустим, мы выбрали следующий набор установок:
и нажали кнопку «График+Сетка». На экране появится новое окно, в котором будет представлена выбранная секущая плоскость расчетной области (на рисунке изображено сечение расчетной сетки; в обычном режиме система рисует границы между ячейками сетки только тогда, когда ячейки содержат разное вещество):
Общая логика работы в этом окне состоит в следующем:
с помощью функций меню «Область» выделяются множества ячеек,
затем с помощью функций меню «Данные» выполняется допустимые над выбранным множеством ячеек операции.
Заметим, что выполнение некоторых операций зависит от установок на панели «Управление визуализацией». Например, в зависимости от положения переключателя «нормальный-логарифм» (в группе «коррекция») строятся графики либо значений каких-то массивов, либо десятичных логарифмов этих значений. При описании функций меню мы будем указывать влияние установок панели «Управление визуализацией» на особенности выполнения этих функций.
Функции меню «Область»
Меню «Область» предназначено для выделения совокупностей ячеек расчетной области и содержит следующие функции:
прямая X-X - построение прямой вдоль оси X
прямая Y-Y - построение прямой вдоль оси Y
прямая Z-Z - построение прямой вдоль оси Z
отрезок - построение отрезка
окружность - построение окружности
кривая - построение кривой
прямоугольник - построение прямоугольника
зона - построение зоны
список зон - построение нескольких зон
заменить/добавить - переключение режима построения области
уточнить … - уточнение выбранной совокупности ячеек
сброс - сброс всех пометок
В зависимости от того, какая плоскость построена в окне, некоторые функции могут быть деактивированы.
Функции меню «Данные»
После того, как мы выделили некоторую совокупность ячеек, можно воспользоваться функциями меню «Данные» для просмотра и анализа данных, связанных с выделенными ячейками.