Este documento resume um trabalho de doutorado sobre a implementação de um simulador eletromagnético em um ambiente de grades computacionais. O trabalho teve como objetivos implementar o middleware UNICORE 6, desenvolver um modelador básico e módulo de pós-processamento, e integrar o simulador SSAR-BR às grades computacionais para simulações distribuídas. Os resultados validaram o simulador desenvolvido por meio de comparações com estudos anteriores.

1. Simulador Eletromagnético em um
Ambiente de Grades Computacionais
Autor: Igor José Ferreira de Freitas
Orientador: Hugo Enrique Hernández Figueroa
Co-Orientador: Marli de Freitas Gomes Hernández

2. Roteiro
 Motivação
 Contexto do trabalho
 Objetivos
 Grades Computacionais
 Modelador Básico
 Pós-Processamento
 Integração Grades x SSAR-BR
 Exemplo de Uso – SSAR-BR
 Resultados & Validação
 Conclusões
 Trabalhos Futuros

3. Motivação
 Demanda por sistemas de grande porte
Alto poder computacional:
 Advento das redes ópticas > elevada precisão > melhor refinamento das
malhas > Alta carga computacional
Baixo custo
Reutilização de Software e Hardware
Acesso remoto aos recursos
Padronização no desenvolvimento

4. Contexto do trabalho
 Parceria efetuada entre CPqD e FEEC/DMO
 Desenvolvimento de um software (SSAR-BR) para a simulação das emissões
eletromagnéticas de terminais móveis celulares e outras fontes de radiação, tais
como equipamentos de radiofreqüência e antenas, sendo uma ferramenta de suporte ao
projeto e desenvolvimento destes equipamentos.
 Validação dos resultados produzidos pelo software de simulação desenvolvido neste
plano de trabalho no Laboratório de Absorção e Dosimetria (LAD) do CPqD
 Contribuição desta tese: Ambiente de Grid, Pré e Pós-Processamento

5. Objetivos
 Implementação do middleware UNICORE 6
 Modelador Básico
 Pós-Processamento
 Foco na Engenharia e Arquitetura de
Software
 Reutilização de Software e fácil acoplamento

6. Grades Computacionais
 Definição
 Um sistema atuante na integração, virtualização
e gerenciamento de serviços e recursos em um
ambiente distribuído, heterogêneo e que interliga
um conjunto de usuários definidos como
Organizações Virtuais (VO) em domínios
organizacionais e tradicionalmente administrativos
(organizações reais).

7. Grades Computacionais
 Relacionado a:
 Computação Orientada a Serviços
 Componentes
 Reusabilidade
 Ambiente Heterogêneo
 Produto de Software
 Serviços Web
 Padrão de Integração
 XML: Classificação dos dados
 WSDL (WS Definition Language): Descrição dos Serviços
 UDDI (Universal Description, Discovery and Integration): Listagem de
Serviços
 Interoperabilidade

8. Grades Computacionais
 Relacionado a:
 Open Grid Service Architecture (OGSA)
 Padrão de desenvolvimento aberto
 Módulos fracamente acoplados
 Gerenciamento de Organizações Virtuais
 Gerenciamento de Serviços
 Gerenciamento de Tarefas

9. Grades Computacionais
 Padrão já estabelecido para
integrar softwares/pesquisas
Pesquisador Unicamp
Cluster X
Pesquisador Externo

10. Grades Computacionais
 Por quê ?
 Alta demanda não atendida por sistemas de Clusters
 Sistemas Distribuídos
 Padronização
 Como se insere neste trabalho ?
 Uso do middleware UNICORE 6
 Plataforma para encapsulamento das aplicações
 Supre requisitos não funcionais deste trabalho:
 Segurança
 Integração
 Padronização

11. Grades Computacionais
 Outros sistemas que utilizam Grades Computacionais
 Chemomentum
 http://www.fz-juelich.de/jsc/grid/Chemomentum
 Química Quântica
 Análise de Sequênciamento Genético
 Dinâmica molecular
 Outros
 Viola
 http://www.viola-testbed.de/
 Teste de equipamentos de redes ópticas e arquitetura de redes

12. Grades Computacionais
GradesComputacionais–UNICORE6
Pesquisadores
Outros Institutos
Cluster DMO
LE-45
PC Linux
PC Windows
iMac
Empresas e Colaboradores
Serviços
Java
C/C++
Fotram

13. Grades Computacionais
AMD Dual Core2.4 GHz – 2 GB RAM
Intel Xeon 1GHz 2 GB RAM
Hub 10/100
Mpbs
• Instalação e Ambiente de
Testes

14. Grades Computacionais
• Workflow para uma simulação através do UNICORE 6
Envio de Arquivos
Envio / Execução de Job
Obter Resultados
Modelagem
Definição de Materiais / Geração de Malha

15. Modelador Básico
 Etapas da simulação Eletromagnética:
 Pré-Processamento
 Processamento
 Pós-Processameto
 Características do Modelador Básico:
 Arquitetura modular
 Usabilidade
 Manutenabilidade

16. Modelador Básico - Arquitetura

17. Modelador Básico
Arquitetura
Interface Gráfica de Usuário
Gerenciador
Modelador Básico
 Módulo Gerenciador
 Comunicação GUI x Mod. Básico
 Acesso e gerência das funções
desenvolvidas
 Responsável pelo workflow da
simulação

18. Modelador Básico
Arquitetura
 Módulo Gerenciador – Principais funções
 Gerenciamento Árvore
 Acesso à classe Requisição Serviços, classe
Gerenciamento Nucleo faz o controle
 Responsável pelo workflow da simulação
 Padrão Observer – Gerenciar eventos durante a simulação

19. Modelador Básico
Arquitetura
Modelador Básico (classes em vermelho), Gerenciador (classes em verde claro) e a Interface
Gráfica de Usuário (classes em laranja).

20. Modelador Básico
Arquitetura
• Árvore de objetos
• Relatórios
• Geometrias
• Fontes

21. Modelador Básico
Arquitetura – Estruturas dos Objetos Modelados / Importados

22. Modelador Básico
Ambiente de Trabalho

23. Modelador Básico
Gerador de Malha

24. Modelador Básico
Simulador FEM

25. Modelador Básico
Modelagem de Dispositivos
Dispositivos devem ser compostos de objetos, que satisfazem as seguintes condições:
• Deve ser formado unicamente por faces planas, definidas por três ou mais vértices;
• Nenhuma face do objeto pode cruzar a superfície de outra face do mesmo objeto;
• A superfície do objeto deve ser completamente fechada, isto é, o objeto deve possuir um
volume bem definido;
• Cada aresta que compõe as faces do objeto deve ser comum a outra face do objeto, não
sendo permitido que uma aresta seja comum a mais de duas faces do objeto.
• Além disso, deve possuir uma estrutura para armazenar o material que é composto
(Permissividade, permeabilidade, condutividade e perda magnética, além da densidade
específica)

26. Pós-Processamento
• Custo de Aquisição de Licenças
• Usabilidade
• Reuso de Código
• Paralelismo
• Web Services

27. Pós-Processamento
Arquitetura – Módulo Pós-Processamento
•Faz conexão com o Módulo Mediador

28. Pós-Processamento
Arquitetura – Módulo Pós-Processamento

29. Pós-Processamento
SAR – Specific Absortion Rate – Região do Domínio Computacional
Diagrama de Sequência – Gráfico SAR

30. Pós-Processamento
SAR – Specific Absortion Rate – Região do Domínio Computacional
Superfície SAR gerada pelo Pós-Processamento

31. Pós-Processamento
Propagação Eletromagnética no Tempo – Ponto de Referência
Diagrama de Sequência – Propagação Eletromagnética no Tempo

32. Pós-Processamento
Propagação Eletromagnética no Tempo – Ponto de Referência
Propagação do Campo Eletromagnético

33. Pós-Processamento
Filme 2D
Diagrama de Sequência – Filme 2D

34. Pós-Processamento
Visualização de Imagens de Ressonância Magnética
a) Imagem de ressonância magnética tratada e redimensionada em 256x256
b) Arquivo de IRM Visualizado no Software.
a)
b)

35. Integração SSAR-BR x Grades
• Gerenciador de Arquivos – GPE File Manager

36. Integração SSAR-BR x Grades
• Determinando tempo de simulação através do GPE-Client

37. Integração SSAR-BR x Grades
• Simulação remota em andamento

38. Integração SSAR-BR x Grades
• Simulação remota em andamento
fdtd3d.exe

39. Integração SSAR-BR x Grades
• Workflow para uma simulação através do UNICORE 6
Envio de Arquivos
Envio / Execução de Job
Obter Resultados
Modelagem
Definição de Materiais / Geração de Malha
SSAR-BR
Grades

40. Exemplo de Uso – SSAR-BR
• Inserir ao menos uma geometria e definir suas propriedades
eletromagnéticas;
• Inserir fonte eletromagnética;
• Inserir algum relatório de interesse para a visualização no pós-
processamento;
• Gerar a malha do domínio computacional.

41. Exemplo de Uso – SSAR-BR
Tela Inicial – Escolha de Projeto

42. Exemplo de Uso – SSAR-BR
Área de Trabalho

43. Exemplo de Uso – SSAR-BR
Inserção de um cilindro para a
representação de um braço do dipolo

44. Exemplo de Uso – SSAR-BR
Editar propriedades das geometrias criadas ou importadas.

45. Exemplo de Uso – SSAR-BR
Representação geométrica do dipolo

46. Exemplo de Uso – SSAR-BR
Cadastrar novo material para associar com as
geometrias

47. Exemplo de Uso – SSAR-BR
Cadastramento de fontes eletromagnéticas.

48. Exemplo de Uso – SSAR-BR
Cadastramento de fontes eletromagnéticas

49. Exemplo de Uso – SSAR-BR
Fontes Eletromagnéticas na cena de
simulação

50. Exemplo de Uso – SSAR-BR
Geração e visualização da malha para
simulação

51. Resultados & Validação
•Dois testes de validação:
• O objetivo desse teste é de validar os cálculos de SAR frente a
algum resultado apresentado na literatura.
• 1º Comparativo com:
M. Siegbahn, C. Törnevik, Measurements and FDTD Computations
of the IEEE SCC 34 Spherical Bowl and Dipole Antenna, Ericsson,
2002.

52. Resultados
Representação do setup experimental para analisar SAR .

53. Resultados
Modelo do recipiente de testes SAR modelado no 3D Studio® e importado para o SSAR-BR.

54. Resultados
Malha do recipiente elipsóide modelado pela equipe do CPqD

55. Resultados
Comparativo do máximo da SAR em simulações sem o recipiente. O plano 1 está a 2mm da base.

56. Resultados
Comparativo do máximo da SAR em simulações sem o recipiente. O plano 2 está a 4 mm da base.

57. Resultados
Comparativo do máximo da SAR em simulações sem o recipiente. O plano 3 está 6 mm da base.

58. Resultados
Comparativo do máximo da SAR em simulações sem o recipiente. O plano 4 está 8 mm da base.

59. Resultados
• Avaliação de interesse está em comparar a SAR na região do líquido, como
(mesma forma do CPqD)
a) Medido [2], b) Simulado FDTD [48]

60. Resultados
c) Simulado com o FDTD 3D desenvolvido

61. Conclusões
• Desenvolvimento da Arquitetura do SSAR-BR
• Pré e Pós Processamento
• Uso de Grades Computacionais
• Compartilhamento de Recursos
• Infra-estrutura para simulação em concorrência e/ou paralela
• Escassez de Software para Modelagem e Visualização de Resultados
• Flexibilidade e Reusabilidade
• Integração com outros softwares desenvolvidos pelo DMO

62. Trabalhos Futuros
• Implementação de um gerador de vídeos de duas ou três dimensões
em paralelo, pois, dependendo do domínio computacional a ser
modelado e a quantidade de passos de tempo utilizado no método
FDTD, o Pós-Processamento torna-se inviável computacionalmente ou
despende-se muito tempo para geração destes vídeos.
• Incrementar o Pós-Processamento para a criação de outros tipos de
gráficos inerentes ao método FDTD.
•Incrementar recursos avançados ao Modelador Básico como, por
exemplo, ferramentas de modelagem e triangularização de geometrias
irregulares em três dimensões.

63. Trabalhos Futuros
• Integrar o ambiente de Grades Computacionais ao software SSAR-BR
para que seja possível enviar uma cena de simulação automaticamente
aos Clusters previamente configurados pelo usuário. Estes poderão
estar localizados no próprio departamento ou em outros institutos que
utilizem um middleware compatível com o UNICORE 6.

64. Artigos publicados:
1. Igor J. F. Freitas, Carlos H. Silva-Santos, Hugo E. Hernández Figueroa, Grid Computing to
Improve Performance and Management of Distributed Electromagnetic Applications, In:
Proceedings of the Mediterranean Microwave Symposium (MMS200 ) Moroccan, Tangiers Nov-2009
2. Carlos H. Silva-Santos, Igor J. F. Freitas, Marcos S. Gonçalves, Leonardo A. Ambrosio, Rafael M.
Buck, Johnny Ng, Hugo E. Hernández-Figueroa, Antonio Marini de Almeida, and, Marli de Freitas
Gomes Hernández, New Three-dimensional Multiplatform Electromagnetic Simulator to Analyze
Biological Effects, In: Proceedings of the Mediterranean Microwave Symposium
(MMS2008)Damascus, Syria Oct-2008
3. Carlos H. Silva-Santos, Igor J. F. Freitas, Rafael M. B. Godoy, Marcos S. Gonçalves, Marli G. F.
Hernández, Hugo E. Hernández-Figueroa, Efficient Three-dimensional Multiplatform
Electromagnetic Simulator to Analyze Biological Effects, In: International Microwave and Optics
Conference, IEEE, 2009.

65. Perguntas
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