Advanced techniques for the semi automatic transition from simulation to design software
Max Sagebaum · 2018
Für den Einsatz von ableitungsbasierten Optimierungsverfahren für die Verbesserung von Zielgrößen industrieller Produkte, wie z.B. dem Wirkungsgrad einer Turbine, werden exakte Ableitungen benötigt, um die letzten Prozent an möglicher Effizienz-steigerung zu erhalten. Dafür ist es notwendig, dass die Ableitungen immer konsistent zu den Lösungsverfahren in der eingesetzten Lösersoftware sind. Problematisch ist dabei die fortlaufende Weiterentwicklung an der Lösersoftware, die meist dazu führt, dass approximative Ableitungsverfahren eingesetzt werden oder die Ableitungsberechnung in der Software nicht erneuert wird und somit veraltet und inkonsistent ist. In dieser Arbeit wird ein universeller Ansatz vorgeschlagen, der zum einen die gesamte Software mittels Algorithmischen Differenzierens (AD) ableitet und zum anderem eine korrekte und konsistente Ableitung nach jeder Änderung sicherstellt. Um die Korrektheit und Konsistenz zu garantieren, wird die Technik des Variable Tagging entwickelt. Diese überprüft zur Laufzeit ob alle Abhängigkeiten von den eingesetzten Ableitungsmethoden korrekt berücksichtigt werden. Für die generelle Überprüfung, ob eine Ableitungsmethode korrekt implementiert ist, wird ein Theorem für die Vergleichbarkeit von AD Ableitungen entwickelt. Aus diesem Theorem ergeben sich Techniken, wie eine Implementierung getestet werden kann. Durch Analyse von vorliegenden industriellen Fällen wird die praktische Anwendbarkeit der entwickelten Techniken erfolgreich bestätigt. Die so erzeugten Ableitungen sind damit bereits konsistent und korrekt, jedoch kann die Effizienz des Verfahrens noch gesteigert werden. Dazu werden neue Ablei-tungsalgorithmen entwickelt. Eine konsistente Herleitung mit einem Fix-Punkt-Iterator beinhaltet alle dem Stand der Technik entsprechenden Algorithmen und ergibt zwei neue Algorithmen, die alle implementationstechnischen Details mitberücksichtigen und damit die Konsistenz der Ableitungsergebnisse nicht verletzen. Des Weiteren werden bekannte Techniken für das automatische Auffinden der größ-ten Ressourcenverbraucher vorgestellt und erweitert. Das Datenlayout für die Berechnung der Kenngrößen für die Ressourcenverbraucher, wie z.B. die Anzahl der Eingabe- und Ausgabewerte oder der Speicherverbrauch, wurde so erweitert, dass die Geschwindigkeit der Anwendung nur geringfügig verändert wird. Die Ressourcenverbraucher können mit Techniken wie Checkpointing und Preaccumulation behandelt werden. Die bisher in der Literatur fehlende Analyse, wie diese Techniken den Zeit- und Speicherverbrauch verändern, wird durchgeführt und Besonderheiten bezüglich verschiedener AD-Werkzeuge werden betrachtet. Als letzten Schritt werden die benutzten AD Werkzeuge genauer analysiert. Basie-rend auf den existierenden Implementierungen wird eine generelle Übersicht von allen möglichen Implementationstechniken durch Operatorüberladen gezeigt. Das Hauptaugenmerk liegt auf dem minimalen Speicherverbrauch eines AD-Werkzeuges und stellt implementationstechnische Verbesserungen vor. Es resultiert die erstmals mögliche Vergleichbarkeit von AD-Werkzeugen auf einer theoretischen Ebene. Dies dient als Basis zur Entwicklung eines optimalen Werkzeugs. Das neue Software-Werkzeug CoDiPack geht aus diesen Überlegungen hervor und wird in seinem Design und Konzepten vorgestellt. Die in dieser Arbeit vorgestellten Verbesserungen und Analysen ermöglichen es, eine automatisierte, konsistente und korrekte Ableitung für industrielle Zwecke effizient zur Verfügung zu stellen.