Simulación de altas prestaciones para modelos orientados al individuo

Abstract

Existen diversos campos de la biología que necesitan realizar experimentos para estudiar el modelo de comportamiento de diferentes especies. En la presente tesis, se analizan las diferentes posibilidades de análisis en base a sistemas de simulación de altas prestaciones donde se ha desarrollado un laboratorio virtual que permite a los científicos experimentar con sus modelos y realizar pruebas mediante métodos de simulación distribuida. El modelo utilizado es un Modelo Orientado al Individuo con el cual se puede conocer el comportamiento de un grupo partiendo de la interacción entre los individuos que forman el sistema. Una de las limitaciones de este tipo de simulación orientada al individuo es que es necesario reproducir modelos con un alto grado de detalle. Este tipo de simulaciones necesita grandes potencia de cómputo y solo ha podido transformarse en los últimos años. En virtud de los avances en tecnología de computadores y redes que han favorecido la disponibilidad de cómputo de altas prestaciones (HPC), las simulaciones con grandes cantidades de individuos o alto nivel de detalle, pueden realizarse hoy en día en tiempos considerablemente aceptables a diferencia de las realizadas en sistemas de cómputo convencionales. El laboratorio virtual, que se ha desarrollado como parte del trabajo experimental para probar las teorías de esta tesis, puede ser ejecutado eficientemente en un computador de altas prestaciones y utilizado por científicos de diversas áreas del conocimiento que trabajen con modelos de este tipo. El modelo orientado al individuo utilizado en este trabajo está diseñado para considerar las tres dimensiones, a diferencia de los modelos bidimensionales utilizados hasta el momento, del movimiento de peces. Esta transformación del modelo se ha llevado a cabo derivando el modelo bidimensional, ampliamente utilizando, y obteniendo resultados excelentes en comparación con sus predecesores. En este trabajo los objetivos se han centrado en un modelo que describe el comportamiento de peces en un grupo dentro del espacio, pero todos los pasos realizados demuestran que es posible extraer una metodología general para la resolución de problemas y que puede ser generalizada para modelos orientados al individuo de otras especies o sistemas biológicos. Las aportaciones que presenta este trabajo son el diseño y desarrollo de una metodología de modelado y simulación de altas prestaciones utilizando como caso de uso el movimiento de peces (fishschool) y la implementación de un laboratorio virtual para científicos interesados en el estudio de modelos orientados al individuo (especialmente el de comportamiento de peces) con el agregado que la metodología de trabajo es aplicable a otros campos de la investigación en el ámbito de la ciencia computacional y los sistemas biológicos. Como trabajo adicional también se ha desarrollado un modelo analítico del simulador y se realizan un conjunto de propuestas para mejorar la eficiencia y prestaciones en técnicas de simulación distribuida.

There are several areas in biology that need to perform experiments to study the model behavior of different species. In this thesis, we will analyze the different possibilities of analysis based on high performance simulation systems. In order to study these environments a virtual laboratory has been developed and this allows scientists to experiment and test their models using distributed simulation methods. The model used is an individual-oriented model which allows to know the behavior of a group based on the interaction between individuals within the system. One limitation of this type of individual-oriented simulation is that models need to be replicated with a high degree of detail. Such simulations require large computational power and, in recent years, with the advance in computer technology and networks it is possible to obtain low cost infrastructures for high performance computing (HPC). These HPC simulations allow experiments with large numbers of individuals or high level of detail in reduced intervals of time unlike those in conventional computer systems. The virtual laboratory, which has been developed as part of experimental work to test the theories of this thesis, can be performed efficiently in a high performance computer and used by scientists from diverse areas of knowledge working with such models. The Individual-oriented models used in this work are designed to consider three dimensions, unlike two-dimensional models used in the major part of the models of the literature, to the fish movement. This model transformation was carried out by deriving the two-dimensional model, and excellent results are obtained compared to their predecessors. In this thesis, the objectives have focused on a model that describes the behavior of fish in a group within the space, but their analysis shows that it is possible to extract a general methodology to solve problems and can be generalized to individual-oriented models from other species or biological systems. The main featured in this work are the design and development of a methodology for modeling and high performance simulation for fish movement (fishschool). The proof of concept of this thesis has been made by developing a virtual laboratory that can be used for scientists interested in studying individual-oriented models (the fish movement behavior in our case) with the addition that the methodology is appliable to other research topics in the field of computer science and biological systems. Additional work also includes an analytical model of the simulator and a set of proposals are suggested in order to improve the efficiency and performance in distributed simulation techniques.