JP2008176084A - Particle behavior analyzer and program - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、粒子挙動解析装置並びにプログラムに関する。より詳細には、たとえば、プリンタ装置、ファクシミリ装置、あるいはそれらの機能を有する複合機などの画像形成装置において使用される色材(粉体、現像剤)などにおける、複数の粒子が混合された状態での粒子の挙動をシミュレーションにより解析する仕組みに関する。 The present invention relates to a particle behavior analysis apparatus and a program. More specifically, for example, a state in which a plurality of particles are mixed in a color material (powder, developer) used in an image forming apparatus such as a printer device, a facsimile device, or a multifunction device having these functions. It is related with the structure which analyzes the behavior of the particle in the simulation by simulation.
たとえば、プリンタ装置、ファクシミリ装置、あるいはそれらの機能を有する複合機などの画像形成装置において、電子写真方式を利用する場合、一般的には、感光ドラムなどの光導電性絶縁体上に一様な静電荷を与え、様々な手段によりこの光導電性絶縁体上に光像を照射することによって静電潜像を形成し、次いで、形成した潜像を現像器を用いて磁性粉体を用いて現像可視化し、紙などの記録媒体にトナー粉像を転写した後に定着させ、印刷物を得る。 For example, when an electrophotographic system is used in an image forming apparatus such as a printer device, a facsimile device, or a multifunction device having these functions, it is generally uniform on a photoconductive insulator such as a photosensitive drum. An electrostatic latent image is formed by applying an electrostatic image by irradiating a light image on this photoconductive insulator by various means, and then using the magnetic powder using the developing device. Development is visualized, and the toner powder image is transferred to a recording medium such as paper and then fixed to obtain a printed matter.
このような電子写真法による画像形成装置においては、容器に収容されている磁性粉体の攪拌や磁性ローラへの搬送、磁性ローラへの吸着、記録画像に応じて帯電され潜像が形成されている感光体への飛翔などの振る舞いが記録画像の画質に影響を与える。そこで、この磁性粉体の挙動の解析が電子写真装置本体や現像装置の開発にとって重要となる。 In such an electrophotographic image forming apparatus, the magnetic powder contained in the container is stirred, conveyed to the magnetic roller, adsorbed to the magnetic roller, and charged according to the recorded image to form a latent image. The behavior such as flight to the existing photoconductor affects the quality of the recorded image. Therefore, analysis of the behavior of the magnetic powder is important for the development of the electrophotographic apparatus main body and the developing apparatus.
粉体や粒体などの粒子の挙動シミュレーションについては、個別要素法あるいは離散粒子法と呼ばれる方法が普及されている。しかしながら、個別要素法に基づいた粒子挙動計算アルゴリズムでは、概ね粒子数の2乗で解析負荷が増大するので、粒子数が多くなると、計算量が膨大になり、いくら計算機の性能が向上したとはいっても、実際の系と同等の粒子数での計算を実行することは困難な場合が多い。 Regarding behavioral simulation of particles such as powders and granules, a method called individual element method or discrete particle method is widely used. However, in the particle behavior calculation algorithm based on the discrete element method, the analysis load increases approximately by the square of the number of particles. Therefore, if the number of particles increases, the amount of calculation becomes enormous and the performance of the computer improves. However, it is often difficult to perform calculations with the same number of particles as the actual system.
そこで、従来の粒子挙動シミュレーション方法として、計算時間の短縮を目的として、プログラムがインストールされた電子計算機を複数台使用し、各プログラムの並列化動作による分散処理が提案されている(非特許文献1〜3、特許文献1,2を参照)。
Thus, as a conventional particle behavior simulation method, a distributed processing using a parallel operation of each program using a plurality of electronic computers installed with a program has been proposed for the purpose of shortening the calculation time (Non-patent Document 1). -3,
たとえば、非特許文献1,2では、分子動力学(Molecular Dynamics;MD)法においては、粒子分割法、領域分割法、力分割法などの並列処理手法が開示されている。
For example,
一方、複数種類の粒子間相互作用を考慮した仕組みとして、非特許文献3および特許文献1,2に記載の仕組みがある。これらの文献では、計算コスト、通信コスト、メモリコストを考慮して、これらを比較すると領域分割法が最も高い性能を示し、当該手法を現像剤粒子シミュレーションに適用する事例が開示されている。たとえば、現像剤粒子シミュレーションに領域分割並列化法を適用した提案がなされている。
On the other hand, there are mechanisms described in
一方、磁気相互作用力やクーロン力などの長距離力を領域分割並列化法を適用して計算する際には、近傍の領域だけでなく他の全てのプロセッサと通信しなければならないため並列化効率が低下する。また、原理的には無限遠点までを考慮しなければならないものに制限を加えて、長距離力の及ぼす一定範囲(カットオフ距離)をカバーするように領域サイズを大きくして分割すれば通信量を低減できる反面、1ノード当たり計算する粒子数が増加して負荷が増大するし計算制度が低下する。 On the other hand, when calculating long-distance forces such as magnetic interaction force and Coulomb force by applying the domain-division parallelization method, it is necessary to communicate with all other processors in addition to nearby regions. Efficiency is reduced. Also, in principle, communication is possible if the area size is increased and divided so as to cover a certain range (cut-off distance) exerted by long-range force by limiting the points that must be considered up to the infinity point. While the amount can be reduced, the number of particles to be calculated per node increases, the load increases, and the calculation system decreases.
このため、電子写真現像プロセスのように比較的狭い領域で粒子が密集した領域の解析では、分割数が少なく、換言すれば、ノード数を増やせず、計算時間を短縮できないなどの不具合が生じる。 For this reason, in the analysis of a region where particles are densely packed in a relatively narrow region as in the electrophotographic development process, the number of divisions is small, in other words, the number of nodes cannot be increased and the calculation time cannot be shortened.
このような問題を解消する仕組みとして、特許文献2は、領域分割法で長距離力を計算する場合でも並列化効率を低下させない計算手法を提案している。
As a mechanism for solving such a problem,
本発明は、粒子間相互作用を複数の計算機で処理する粒子挙動シミュレーションにおいて、より高い並列化効率が得られる仕組みを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a mechanism capable of obtaining higher parallelization efficiency in a particle behavior simulation in which interparticle interactions are processed by a plurality of computers.
請求項1に記載の発明は、粒子に作用する作用力の内、距離の近い粒子との相互作用について着目した解析を行なう相互作用力である近距離力については領域分割法に従って処理対象領域を分割するとともに、距離の近い粒子および距離の遠い粒子との相互作用について着目した解析を行なう相互作用力である遠距離力については力分割法に従って処理対象粒子を分割する分割処理部と、分割処理部による分割処理により割り当てられた分割部分について、領域分割法に従って近距離力を計算するとともに、力分割法に従って遠距離力を計算する、ネットワーク接続された各計算装置に備えられたデータ処理部とを備え、粒子に作用する他の物質との間での相互作用力を考慮して粒子の挙動を解析することを特徴とする粒子挙動解析装置である。 According to the first aspect of the present invention, the short-distance force, which is an interaction force for performing an analysis focusing on the interaction with particles close to each other among the acting forces acting on the particles, is determined according to the region division method. A division processing unit that divides a processing target particle according to a force division method and a division processing for a long-distance force that is an interaction force that performs an analysis focusing on an interaction between a particle having a short distance and a particle having a long distance A data processing unit provided in each network-connected computing device that calculates a near-distance force according to a region division method and a long-distance force according to a force division method for a divided portion allocated by a division process by a unit; A particle behavior analysis device characterized by analyzing the behavior of particles in consideration of the interaction force with other substances acting on the particles. .
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明においてさらに、データ処理部は、長距離力を、短距離力の計算に対して所定回数ごとに計算することを特徴とする。
The invention described in
請求項3に記載の発明は、請求項1に記載の発明においてさらに、粒子に作用する作用力の種類や粒子の種類に基づいて、各計算装置に備えられたデータ処理部での計算負荷が均等となるように、処理対象要素を領域分割法または力分割法により分割する解析負荷分散処理部をさらに備えることを特徴とする。
The invention according to
請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の発明においてさらに、解析負荷分散処理部は、領域分割法に従って処理対象領域を分割する際には、それぞれの分割部分に属する粒子数が同等となるように分割方向を決定することを特徴とする。
The invention according to
請求項5に記載の発明は、ネットワーク接続された複数の計算装置の何れか1つを、粒子に作用する作用力の内、距離の近い粒子との相互作用について着目した解析を行なう相互作用力である近距離力については領域分割法に従って処理対象領域を分割するとともに、距離の近い粒子および距離の遠い粒子との相互作用について着目した解析を行なう相互作用力である遠距離力については力分割法に従って処理対象粒子を分割する分割処理部として機能させることで、粒子に作用する他の物質との間での相互作用力を考慮した粒子の挙動解析を可能にすることを特徴とするプログラムである。
The invention according to
請求項6に記載の発明は、ネットワーク接続された複数の計算装置のそれぞれを、割り当てられた分割部分について、粒子に作用する作用力の内、距離の近い粒子との相互作用について着目した解析を行なう相互作用力である近距離力については領域分割法に従って計算するとともに、距離の近い粒子および距離の遠い粒子との相互作用について着目した解析を行なう相互作用力である遠距離力については力分割法に従って計算するデータ処理部として機能させることで、粒子に作用する他の物質との間での相互作用力を考慮した粒子の挙動解析を可能にすることを特徴とするプログラムである。
In the invention according to
請求項1に記載の発明によれば、短距離力を力分割法よりも通信負荷の少ない領域分割法で計算しつつ、長距離力を領域分割法よりも高分解能にできる力分割法で計算するので、並列化効率を低下させずに、全体の処理時間と精度のバランスをとった処理にできる。 According to the first aspect of the present invention, the short-distance force is calculated by the region division method having a communication load smaller than that of the force division method, and the long-distance force is calculated by the force division method capable of higher resolution than the region division method. As a result, the overall processing time and accuracy can be balanced without reducing parallelization efficiency.
請求項2に記載の発明によれば、領域分割法と比べて通信量の多い力分割法を併用した場合でも高い並列化効率が得られる。 According to the second aspect of the present invention, high parallelization efficiency can be obtained even when the force division method having a larger communication volume than the region division method is used in combination.
請求項3に記載の発明によれば、負荷分散の均等化を確実に図ることができ、他の全てのプロセッサの計算が終了するまで待機する無駄時間の発生を抑えることができ、解析処理時間を確実に短縮することができる。解析すべき粒子の種類や解析すべき作用力が異なると、専ら「数」に着目して均等配分しても、計算負荷が均等に配分されないが、解析すべき粒子の種類や解析すべき作用力に基づいて分割することで、解析処理の処理時間ができるだけ同等になるように配分することができる、負荷分散の均等化を確実に図ることができるからである。 According to the third aspect of the present invention, it is possible to ensure equalization of load distribution, to suppress generation of dead time waiting until calculation of all other processors is completed, and to analyze processing time Can be reliably shortened. If the type of particles to be analyzed and the force to be analyzed are different, even if they are distributed evenly focusing on “number”, the calculation load is not distributed evenly. However, the types of particles to be analyzed and the actions to be analyzed This is because by dividing based on the force, it is possible to distribute the load so that the processing time of the analysis process is as equal as possible, and to ensure equalization of load distribution.
請求項4に記載の発明によれば、分割方向によって粒子数が異なるような条件であっても、分割方向を適正に設定して粒子数を均等に配分することで、負荷分散の均等化を確実に図ることができる。 According to the fourth aspect of the present invention, even under conditions where the number of particles varies depending on the dividing direction, the load distribution can be equalized by appropriately setting the dividing direction and evenly distributing the number of particles. It can be done reliably.
請求項5に記載の発明によれば、並列化効率を低下させずに、全体の処理時間と精度のバランスをとった処理にする粒子挙動解析装置の分割処理部の仕組みを、コンピュータを用いて実現できる。
According to the invention described in
請求項6に記載の発明によれば、並列化効率を低下させずに、全体の処理時間と精度のバランスをとった処理にする粒子挙動解析装置のデータ処理部の仕組みを、コンピュータを用いて実現できる。 According to the sixth aspect of the present invention, the mechanism of the data processing unit of the particle behavior analysis apparatus that performs the processing that balances the overall processing time and accuracy without reducing the parallelization efficiency is achieved using a computer. realizable.
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
<現像装置の概要>
図1は、印刷装置(プリンタ)や複写装置(コピー機)などの画像形成装置に使用される現像装置100の一構成例を示す図である。
<Overview of development device>
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of a developing device 100 used in an image forming apparatus such as a printing apparatus (printer) or a copying apparatus (copier).
図1(A)に示すように、現像装置100は、感光体130に対向して配置されており、現像剤102を収納容器101の内部に充填している。収納容器101は、現像剤102を感光体130の対向部まで搬送し,トナー粒子102bを感光体130側に飛翔させるための開口部101aが形成されている。
As shown in FIG. 1A, the developing device 100 is disposed so as to face the
現像剤102は、図1(B)に示すように、それぞれ物性や粒径の異なるキャリア粒子102aとトナー粒子102b(たとえば黒色トナー粒子)とを含有して構成された2成分方式のものである。キャリア粒子102aとトナー粒子102bとの対によって、全体として磁性粉体が形成されるようにしている。すなわち、キャリア粒子102aは磁性体から構成され、マグネットに吸着するようになっている。一方、トナー粒子102bは非磁性トナーであって、所定の色を持つ粉体である。一般的には、キャリア粒子102aの粒径の方がトナー粒子102bの粒径よりも大きい。なお、トナー粒子102bとしては、磁性トナーを使用することも可能である。
As shown in FIG. 1B, the developer 102 is a two-component system configured to include
また、現像剤102には、前述のキャリア粒子102aおよびトナー粒子102bの他に、粉体流動性、帯電性、転写性、あるいはクリーニング性を確保するための粒子径(平均粒子径で約1〜50ナノメートル)の小さな物質(外添剤102c)が混合されている。たとえば外添剤102cとしては、酸化チタンやシリコーンオイル含有シリカなどが用いられる。
In addition to the above-described
収納容器101内には、表面に現像剤102を担持する担持ロールの一例である現像ロール(マグロール、マグネットローラ、磁気搬送ローラとも言われる)140を、周面が開口部101aから少し突き出すように備えている。現像ロール140内には、その内周縁に沿って、所定間隔で所定数のマグネット142が配置されている。
Inside the
また、現像装置100は、現像ロール140の近傍に、高さ規制部材や層形成部材として機能する規制ブレード(トリマーバー)150を備えており、マグネット142による磁力線に沿ってできた現像剤102の穂立ちの高さを規制するようになっている。
Further, the developing device 100 is provided with a regulating blade (trimmer bar) 150 that functions as a height regulating member or a layer forming member in the vicinity of the developing
また、収納容器101内には、現像剤102を攪拌するとともに現像ロール140側に搬送する1対の攪拌搬送ロール160(それぞれを160a,160bとする)を備えている。一方の攪拌搬送ロール160aは、収納容器101内の奥の方に配置され、他方の攪拌搬送ロール160bは現像ロール140と対向して配置されている。攪拌搬送ロール160は、その回転動作によって、現像剤102を現像ロール140側に攪拌しながら搬送する。
Further, the
現像ロール140は、矢印X方向に回転される感光体130とともに、感光体130と対向する側のその表面の回転移動方向が、感光体130の移動方向Xと同じき(矢印Y方向)に回転される。なお、感光体130の移動方向Xと逆向きに回転駆動するようにしてもよい。
The developing
現像ロール140内にはマグネット142を内蔵している。現像ロール140は、現像剤102を攪拌搬送ロール160bから磁気力により吸着する。現像ロール140に吸着された現像剤102は、規制ブレード150により現像剤102の吸着量が規制される。
A
すなわち、キャリア粒子102a、トナー粒子102b、および外添剤102cは、攪拌機能を持つ攪拌搬送ロール160により攪拌され摩擦帯電されつつ現像ロール140側に搬送され、規制ブレード150によって一定の高さで、現像ロール140の周縁に付着する。
That is, the
トナー粒子102bや外添剤102cは、キャリア粒子102aに静電力により互いに吸着されている。キャリア粒子102aは、現像ロール140に内蔵されたマグネット142からの磁場により磁気ブラシを構成する。トナー粒子102bや外添剤102cはキャリア粒子102aとともに、感光体130に対向する部分まで搬送される。
The
現像ロール140は、感光体130に対向して設けられており、現像ロール140に吸着された現像剤102の内トナー粒子102bや外添剤102cは、帯電されており、感光体130に吸着される。このとき、感光体130の表面は、記録画像に応じて帯電されることで静電潜像が形成されており、トナー粒子102bや外添剤102cは、感光体130に形成された静電潜像に応じて吸着される。
The developing
つまり、現像ロール140は、キャリア粒子102aを介して現像ロール140に担持されたトナー粒子102bを感光体130側に飛翔させ、感光体130の表面に形成された潜像を現像化するようになっている。この際、外添剤102cを利用して、粉体流動性、帯電性、転写性、あるいはクリーニング性を確保する。現像処理後のキャリア粒子102aと、感光体130側に飛翔されなかったトナー粒子102bや外添剤102cは、収納容器101内に回収される。
That is, the developing
ここで、図1(B)に示すように、感光体130の表面は、記録画像に応じて帯電されており、トナー粒子102bや外添剤102cは、静電力により感光体130の表面に飛翔する。感光体130の表面には、飛翔したトナー粒子102bや外添剤102cが付着し、記録画像に応じたトナー像が形成される。このとき、トナー粒子102bの感光体130への吸着のされ方によって、記録画像の画質が左右される。
Here, as shown in FIG. 1B, the surface of the
トナー粒子102bは、キャリア粒子102aにより感光体130に搬送されているので、トナー粒子102bの感光体130への吸着のされ方は、現像ロール140と感光体130との間の現像ギャップでのキャリア粒子102aおよびトナー粒子102bの挙動により決定される。このため、キャリア粒子102aおよびトナー粒子102bの挙動の解析が電子写真装置本体や現像装置100の開発にとって重要な要素となる。
Since the
また、粉体流動性、帯電性、あるいはクリーニング性に影響を与えるので、やはり、キャリア粒子102aおよび外添剤102cの挙動の解析は、電子写真装置本体や現像装置100の開発にとって重要な要素となる。
In addition, since it affects the powder flowability, charging property, or cleaning property, the analysis of the behavior of the
<粒子挙動解析システム;基本>
図2は、本発明に係る粒子挙動解析装置の一構成例である粒子挙動解析システムの基本構成を示すブロック図である。基本構成の粒子挙動解析システム200は、それぞれ粒子挙動解析機能を有する複数台の粒子挙動解析装置202がネットワーク接続されて構成されている。
<Particle behavior analysis system; basic>
FIG. 2 is a block diagram showing a basic configuration of a particle behavior analysis system which is a configuration example of the particle behavior analysis device according to the present invention. The particle behavior analysis system 200 having a basic configuration is configured by connecting a plurality of particle behavior analysis devices 202 each having a particle behavior analysis function to a network.
各粒子挙動解析装置202は、主要の処理データを相互にネットワーク208を介して伝達し合い、粒子挙動解析処理を並列的に実行可能になっており、粒子挙動解析システム200としては、事実上の並列型計算装置(クラスタ計算機)として構成されている。ネットワーク208は、通信状態がルーティング機能を持つネットワーク管理装置208aで管理されるようになっている。
Each particle behavior analysis device 202 communicates main processing data to each other via a
各粒子挙動解析装置202は、一般の電子計算機と同様のもので構成されている。また、図示した例では、粒子挙動解析システム200を構成する各粒子挙動解析装置202の内の1台が全体を統括する計算管理ノードとしての機能を持つ主粒子挙動解析装置202aとして機能するようになっており、この主粒子挙動解析装置202aに対して残りの粒子挙動解析装置202が、主粒子挙動解析装置202aにより制御される副粒子挙動解析装置202bとしてネットワーク接続されている。
Each particle behavior analysis device 202 is configured by the same as a general electronic computer. In the illustrated example, one of the particle behavior analysis devices 202 constituting the particle behavior analysis system 200 functions as a main particle
なお、図では便宜的に、ネットワーク管理装置208aから1本のネットワーク線を出し、そのネットワーク線上に主粒子挙動解析装置202aと副粒子挙動解析装置202bとを接続する態様で示しているが、実際には、ネットワーク管理装置208aに備えられる個別のポートに各粒子挙動解析装置202が接続され、各粒子挙動解析装置202間の通信は、このネットワーク管理装置208aを介してなされるようになっている。
In the figure, for convenience, one network line is drawn from the
主粒子挙動解析装置202aには、粒子挙動解析処理用の各種の操作を行なうためのキーボードやマウスなどの指示入力装置210と、処理結果をユーザに画像情報として提示する表示装置212とが接続されている。
The main particle
このような基本構成のシステム構成を採ることで、複数種類の多体粒子間相互作用がある系について粒子挙動解析処理を行なうに当たり、各粒子の磁気相互作用、静電相互作用、あるいは機械的相互作用(接触力;壁などと粒子間の接触力や粒子間接触)などの各相互作用について、並列処理にて解析を実行する。なお、機械的相互作用は、たとえば、壁やその他の物体と粒子間の接触力や粒子間接触による接触力である。 By adopting such a basic system configuration, when performing particle behavior analysis on a system with multiple types of multi-particle interactions, each particle's magnetic interaction, electrostatic interaction, or mechanical interaction Analysis of each interaction such as action (contact force; contact force between particles and particles and contact between particles) is performed in parallel processing. The mechanical interaction is, for example, a contact force between a wall or other object and particles, or a contact force due to contact between particles.
たとえば、キャリア粒子102aについてはMaxwell方程式を基礎とした磁場解析法などを利用した磁気的な運動解析を行ない、またトナー粒子102bについては粒子要素法などを利用した純力学的な運動解析やクーロン力に着目した静電界解析を行ない、最終的には、各解析結果を組み合わせて、現像剤102の流動挙動を高精度で予測する。
For example, the
特に、各粒子挙動解析装置202において各相互作用の解析を行なう際、力分割法(力マトリクスを用いたアルゴリズム)を用いて解析すると、全プロセッサ(本実施形態の各粒子挙動解析装置202)間の通信量を低減させることができる。通信量を低減させると、多プロセッサ使用時のプログラムの並列化性能を向上させることができ、計算時間を大幅に短縮することができるのである。加えて、詳細は後述するが、粒子間距離と相互作用力との関係(相互作用力の距離依存性)を考慮して力分割法と領域分割法領域分割法(SD;Spatial Decomposition Method)を組み合わせた処理とすることで、並列化効率がより高まるようにする。 In particular, when analyzing each interaction in each particle behavior analysis device 202, if analysis is performed using a force splitting method (algorithm using a force matrix), all the processors (each particle behavior analysis device 202 of the present embodiment) are connected. Can be reduced. If the amount of communication is reduced, the parallelization performance of the program when using multiple processors can be improved, and the calculation time can be greatly shortened. In addition, although details will be described later, the force decomposition method and the domain decomposition method (SD: Spatial Decomposition Method) are considered in consideration of the relationship between the interparticle distance and the interaction force (distance dependency of the interaction force). By using combined processing, parallelization efficiency is further increased.
なお、図2に示した粒子挙動解析システム200の基本構成では、事実上の並列型計算装置(クラスタ計算機)の構成で示したが、これに限らず、図示を割愛するが、それぞれ粒子挙動解析機能を有する複数台の粒子挙動解析装置を第1ネットワークにてネットワーク接続されて並列型計算装置として構成されている複数の粒子挙動解析システムを、さらに、別の第2ネットワークで接続して構成されたものとしてもよい。 In addition, in the basic configuration of the particle behavior analysis system 200 shown in FIG. 2, the configuration of a de facto parallel computer (cluster computer) is shown. A plurality of particle behavior analysis devices having a function are connected by a network in a first network and a plurality of particle behavior analysis systems configured as a parallel computing device are further connected by another second network. It is also good.
この場合、各粒子挙動解析システムは、主要の処理データを相互に外部ネットワーク(第2ネットワーク)を介して伝達し合い、それぞれ対象の異なる粒子挙動解析処理を並列的に実行可能になり、このような変形例の粒子挙動解析システムとしては、事実上の並列型計算装置をネットワーク接続してなるグリッド型計算装置として構成される。 In this case, each particle behavior analysis system can transmit main processing data to each other via an external network (second network), and can execute different particle behavior analysis processing for different objects in parallel. The particle behavior analysis system of a modified example is configured as a grid-type computing device formed by connecting a virtual parallel computing device over a network.
たとえば、各粒子挙動解析システムにおいては、磁気相互作用、静電相互作用、あるいは機械的相互作用(接触力)などの各相互作用の何れかに特化した解析処理を行ない、それぞれ個別の相互作用についての解析処理を並列して実行する。つまり、複数種類の相互作用を、それぞれ独立して同時に、別の粒子挙動解析システムを用いて解析する。 For example, in each particle behavior analysis system, analysis processing specialized in each interaction such as magnetic interaction, electrostatic interaction, or mechanical interaction (contact force) is performed, and each interaction is individually performed. The analysis process for is executed in parallel. That is, a plurality of types of interactions are analyzed independently and simultaneously using different particle behavior analysis systems.
あるいは、現像剤102を構成するキャリア粒子102aやトナー粒子102bの別に、磁気相互作用、静電相互作用、あるいは機械的相互作用(接触力)などの各相互作用の解析処理を並列して実行する。たとえば、磁気力の影響度が大きいキャリア粒子102aについては特に磁気力に特化した粒子挙動解析処理を行ないつつ、磁気力および静電気力の双方の影響度が大きいトナー粒子102bについては特に磁気力および静電気力に特化した粒子挙動解析処理を行なうなど、粒子種ごとに、別の粒子挙動解析システムを用いて粒子挙動解析処理を行なってもよい。
Alternatively, analysis processing of each interaction such as magnetic interaction, electrostatic interaction, or mechanical interaction (contact force) is executed in parallel for the
各粒子挙動解析システムは、基本構成で説明したように、各相互作用の解析を行なう際、粒子分割法ではなく力分割法を用いて解析する。処理速度の改善効果を高めるべく、並列計算装置として構成されている粒子挙動解析システム同士での通信においても、通信量の少ない力分割並列化法を採用する。つまり、このような変形構成のシステム構成を採ることで、各粒子挙動解析システムは、それぞれ独立した粒子挙動解析処理を行なうことで、基本構成のシステム構成よりもさらに処理時間の短縮を図る。 As described in the basic configuration, each particle behavior analysis system uses force splitting instead of particle splitting when analyzing each interaction. In order to enhance the effect of improving the processing speed, a force-division parallelization method with a small communication amount is adopted even in communication between particle behavior analysis systems configured as parallel computing devices. That is, by adopting such a modified system configuration, each particle behavior analysis system performs an independent particle behavior analysis process, thereby further reducing the processing time compared to the system configuration of the basic configuration.
また、粒子間相互作用の計算負荷の程度に応じて、使用する粒子挙動解析システム(事実上の並列計算装置)を、その処理能力を基に選択してもよい。たとえば、異種環境(性能など)のシステムが混在する状況において、効率的に計算機リソースを用いて粒子挙動解析処理を行なう。 Further, the particle behavior analysis system to be used (de facto parallel computing device) may be selected based on the processing capability depending on the degree of calculation load of the interparticle interaction. For example, in a situation where systems of different environments (performance, etc.) coexist, the particle behavior analysis process is efficiently performed using computer resources.
<粒子挙動解析装置;機能ブロック>
図3は、各粒子挙動解析装置202の一構成例を示すブロック図である。ここでは、特に計算管理ノードの機能を具備した主粒子挙動解析装置202aについて示している。
<Particle behavior analyzer; functional block>
FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration example of each particle behavior analysis apparatus 202. Here, the main particle
なお、粒子挙動解析装置202による後述する詳細な解析手法の説明では、電子写真プロセス方式の画像形成装置1における、たとえばキャリア粒子102aとトナー粒子102bの攪拌プロセスや、感光体10の表面に形成された静電潜像へトナー粒子102bを重畳する現像プロセスや、転写プロセスなどの所定プロセスでの現像剤102を構成する成分粒子を解析対象として説明するが、この種の画像形成装置1の他に、粒子種や作用力を問わず、あらゆる粒子(粉体)を取り扱うシステムのシミュレーションにも同様に適用できる。
In the description of the detailed analysis method described later by the particle behavior analysis device 202, for example, the stirring process of the
図示のように、主粒子挙動解析装置202aは、指示入力装置210などを利用して処理対象データを取り込むデータ入力部220と、粒子挙動解析処理を行なうデータ処理部230と、処理結果を表示装置212などを利用してユーザに提示する情報提示部240とを備えている。データ入力部220と情報提示部240とは、主粒子挙動解析装置202aの計算管理ノードに相当する部分に設けられている。
As shown in the figure, a main particle
データ入力部220は、指示入力装置210を構成するキーボードやマウスを介してユーザより入力されるコマンドやデータを受け付け、データ処理部230に渡す。
The
データ処理部230は、データ入力部220から入力されたデータに基づいて後述する粒子挙動解析処理を行なう。このデータ処理部230は、より詳細には、データ受付部232、数値演算処理部234、および出力データ処理部236を有している。副粒子挙動解析装置202bは、このデータ処理部230のみで構成すればよい。
The data processing unit 230 performs a particle behavior analysis process described later based on the data input from the
データ受付部232は、図示を割愛したデータ記憶部を具備しており、データ入力部220から入力されたデータをデータ記憶部に記憶し、数値計算時に必要なデータを数値演算処理部234に供給する。データ受付部232のデータ記憶部には、たとえば、解析の対象としている現像装置100の構成および現像剤102の物性値に関するデータなどが記憶される。
The
数値演算処理部234は、データ受付部232から供給されたデータに基づいて、粒子の一例である現像剤102(詳細にはキャリア粒子102aやトナー粒子102b)について、磁気相互作用、静電相互作用、あるいは機械的相互作用(接触力)など、複数の相互作用を同時に考慮した粒子挙動を、力分割法を適用してシミュレーション処理にて解析する。数値演算処理部234は、その解析結果を出力データ処理部236に供給する。
Based on the data supplied from the
出力データ処理部236は、数値演算処理部234での計算結果を受け取り、数値演算処理部234での計算結果を表示データに変換し、表示装置212に供給する。表示装置212は、出力データ処理部236から供給された表示データに基づいた処理結果画像を表示する。実際には確認困難な現像剤102の挙動を視覚的に把握することができるように、現像剤102の挙動予測を可視化して表示装置212上に表示するのである。
The output
また、本実施形態の特徴部分として、主粒子挙動解析装置202aの計算管理ノードに相当する部分に、所定の分割法により解析対象粒子を分割するに当たり、それぞれ計算装置で構成され粒子挙動解析を行なう各計算システム(プロセッサとも称する;図1では粒子挙動解析装置202)に各分割部分を割り当てる分割処理部250を備えている。
In addition, as a characteristic part of the present embodiment, in dividing a particle to be analyzed into a part corresponding to a calculation management node of the main particle
分割処理部250は、力分割法のみの適用や領域分割法のみの適用よりも並列化効率がより高まるように、粒子間距離と相互作用力との関係(相互作用力の距離依存性)を考慮して力分割法と領域分割法(SD;Spatial Decomposition Method)を組み合わせた処理とする。たとえば、解析対象の相互作用力が距離の近い粒子との相互作用についてのみ着目すればよい相互作用力(近距離力と称する)であるのか、距離の近い粒子とだけでなく距離の離れた粒子との相互作用についても着目する必要のある相互作用力(遠距離力と称する)であるのかに応じて、適用すべき分割処理方法を決定する。そして、決定した分割法に従って力マトリクスを設定し、各力マトリクスに解析対象粒子を割り当てる。分割処理部250におけるこれらの処理に関しては、後で詳しく説明する。
The
なお、この際、分割処理部250は、各ノードでの計算負荷が概ね均等となるようにすることも考慮するのがよい。たとえば、処理対象要素を所定の分割法により分割するに当たり、それぞれ複数の計算装置で構成された各計算システム(粒子挙動解析システム200)における同一範囲時点での計算時間(ステップ当たりの計算時間)が同等となるように解析対象要素を配分する解析負荷分散処理部を具備する構成とする。この解析負荷分散処理部は、分割処理部250が兼用する構成としてもよいし、分割処理部250とは別の機能要素として設けてもよい。
At this time, it is preferable that the
解析負荷分散処理部は、静電相互作用、磁気相互作用、機械的相互作用(接触力)、あるいは付着力などの複数種類の粒子間相互作用を考慮する場合や、現像剤102を構成する物性の異なる複数種類の粒子(本例ではキャリア粒子102a、トナー粒子102b、外添剤102c)を解析対象とする場合においても、並列解析処理時のプロセッサ間の計算時間差が確実に小さくなるように、解析対象の作用力の相違や粒子種の相違を勘案して解析対象要素を配分する分割処理を行なう。
The analysis load distribution processing unit considers a plurality of types of interparticle interactions such as electrostatic interaction, magnetic interaction, mechanical interaction (contact force), or adhesion force, or the physical properties constituting the developer 102. Even when a plurality of different types of particles (
また解析負荷分散処理部は、粒子挙動解析システム200を構成する各粒子挙動解析装置202や、粒子挙動解析システム201を構成する各粒子挙動解析システム200の処理性能(計算能力)をも勘案して、解析対象要素を配分するのがよい。 The analysis load distribution processing unit also takes into account the processing performance (calculation capability) of each particle behavior analysis device 202 constituting the particle behavior analysis system 200 and each particle behavior analysis system 200 constituting the particle behavior analysis system 201. It is better to allocate analysis target elements.
そして、解析負荷分散処理部は、分割担当領域や分割担当粒子(のグループ)をそれぞれ複数の計算装置(粒子挙動解析装置202)で構成された計算システム(粒子挙動解析システム200)に割り当てる。データ処理部230では、必要に応じて他の分割部分に関しての処理を担当する他のプロセッサとの間でデータ通信を行ないつつ、分割された担当する分割部分について、領域分割法や力分割法などによる粒子挙動解析を行なう。 Then, the analysis load distribution processing unit assigns the division responsible region and the division responsible particle (group thereof) to a calculation system (particle behavior analysis system 200) configured by a plurality of calculation devices (particle behavior analysis device 202). The data processing unit 230 performs data communication with other processors in charge of processing related to other divided parts as necessary, and the divided division parts in charge are divided into areas, force division methods, and the like. The particle behavior analysis by
<粒子挙動解析装置;計算機構成>
図4は、各粒子挙動解析装置202の他の構成例を示すブロック図である。ここでは、パーソナルコンピュータなどの電子計算機を利用して、粒子挙動解析をソフトウェアを実行するマイクロプロセッサなどから構築されるより現実的なハードウェア構成を示している。
<Particle behavior analyzer; computer configuration>
FIG. 4 is a block diagram illustrating another configuration example of each particle behavior analysis apparatus 202. Here, a more realistic hardware configuration is shown that is constructed from a microprocessor or the like that executes software for particle behavior analysis using an electronic computer such as a personal computer.
すなわち、本実施形態において、2種類以上の相互作用力を考慮し、力分割法と領域分割法を組み合わせた並列化アルゴリズムを用いて粒子の挙動を解析する仕組みは、ハードウェア処理回路により構成することに限らず、その機能を実現するプログラムコードに基づき電子計算機(コンピュータ)を用いてソフトウェア的に実現することも可能である。 That is, in this embodiment, a mechanism for analyzing the behavior of particles using a parallel algorithm combining a force division method and a region division method in consideration of two or more kinds of interaction forces is configured by a hardware processing circuit. However, the present invention is not limited to this, and it can be realized in software using an electronic computer (computer) based on a program code that realizes the function.
よって、本発明に係る仕組みを、電子計算機(コンピュータ)を用いてソフトウェアで実現するために好適なプログラムあるいはこのプログラムを格納したコンピュータ読取可能な記憶媒体を発明として抽出することもできる。 Therefore, a program suitable for realizing the mechanism according to the present invention by software using an electronic computer (computer) or a computer-readable storage medium storing this program can be extracted as an invention.
電子計算機に、力分割法と領域分割法を組み合わせた並列化アルゴリズムを用いて2種類以上の相互作用力を考慮した粒子挙動解析処理機能をソフトウェアにより実行させる場合には、そのソフトウェアを構成するプログラムが、専用のハードウェアに組み込まれているコンピュータ(組込みマイコンなど)、あるいは、CPU(Central Processing Unit )、論理回路、記憶装置などの機能を1つのチップ上に搭載して所望のシステムを実現するSOC(System On a Chip:システムオンチップ)、または、各種のプログラムをインストールすることで各種の機能を実行することが可能な汎用のパーソナルコンピュータなどに、記録媒体からインストールされる。 When a computer executes a particle behavior analysis processing function that considers two or more types of interaction forces using a parallelized algorithm that combines force splitting and domain splitting, a program that configures the software However, a computer (embedded microcomputer, etc.) embedded in dedicated hardware, or a CPU (Central Processing Unit), logic circuit, storage device, and other functions are mounted on a single chip to realize a desired system. It is installed from a recording medium in an SOC (System On a Chip) or a general-purpose personal computer capable of executing various functions by installing various programs.
記録媒体は、コンピュータのハードウェア資源に備えられている読取装置に対して、プログラムの記述内容に応じて、磁気、光、電気などのエネルギの状態変化を引き起こして、それに対応する信号の形式で、読取装置にプログラムの記述内容を伝達できるものである。 The recording medium causes a state change of energy such as magnetism, light, electricity, etc. according to the description contents of the program to the reading device provided in the hardware resource of the computer, and in the form of a signal corresponding to the change. The program description can be transmitted to the reader.
たとえば、コンピュータとは別に、ユーザにプログラムを提供するために配布される、プログラムが記録されている磁気ディスク(フレキシブルディスクFDを含む)、光ディスク(CD−ROM(Compact Disc-Read Only Memory )、DVD(Digital Versatile Disc)を含む)、光磁気ディスク(MO(Magneto Optical Disk)を含む)、または半導体メモリなどよりなるパッケージメディア(可搬型の記憶媒体)により構成されるだけでなく、コンピュータに予め組み込まれた状態でユーザに提供される、プログラムが記録されているROMやハードディスクなどで構成されてもよい。 For example, a magnetic disk (including a flexible disk FD), an optical disk (CD-ROM (Compact Disc-Read Only Memory)), a DVD on which a program is recorded, which is distributed to provide a program to a user separately from a computer. (Including Digital Versatile Disc), magneto-optical disk (including MO (Magneto Optical Disk)), or package media (portable storage medium) made of semiconductor memory, etc. It may be composed of a ROM, a hard disk, or the like in which a program is recorded that is provided to the user.
また、ソフトウェアを構成するプログラムは、記録媒体を用いずに、記録媒体を介して提供されることに限らず、有線あるいは無線などの通信網を介して提供されてもよい。 The program constituting the software is not limited to being provided via the recording medium without using the recording medium, and may be provided via a wired or wireless communication network.
たとえば、力分割法と領域分割法を組み合わせた並列化アルゴリズムを利用し複数種の相互作用力を考慮した粒子挙動解析処理機能を実現するソフトウェアのプログラムコードを記録した記憶媒体を、システムあるいは装置に供給し、そのシステムあるいは装置のコンピュータ(またはCPUやMPU)が記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出し実行することによっても、ハードウェア処理回路にて構成する場合と同様の効果は達成される。この場合、記憶媒体から読み出されたプログラムコード自体が力分割並列化法を利用し複数種の相互作用力を考慮した粒子挙動解析処理の機能を実現する。 For example, a storage medium that records a program code of software that implements a particle behavior analysis processing function that considers multiple types of interaction forces using a parallelization algorithm that combines force splitting and region splitting methods is stored in a system or device. The same effect as in the case where the hardware processing circuit is used can also be achieved by reading and executing the program code stored in the storage medium by the computer (or CPU or MPU) of the system or apparatus supplied. In this case, the program code itself read from the storage medium realizes a particle behavior analysis process function that takes into account a plurality of types of interaction forces using a force-division parallelization method.
また、コンピュータが読み出したプログラムコードを実行することで、力分割法と領域分割法とを組み合わせた並列化アルゴリズムを利用し複数種の相互作用力を考慮した粒子挙動解析処理を行なう機能が実現されるだけでなく、プログラムコードの指示に基づき、コンピュータ上で稼働しているOS(Operating Systems ;基本ソフト)などが実際の処理の一部または全部を行ない、その処理により力分割法と領域分割法とを組み合わせて複数種の相互作用力を考慮した粒子挙動解析処理を行なう機能が実現される場合であってもよい。 In addition, by executing the program code read by the computer, a function to perform particle behavior analysis processing that takes into account multiple types of interaction forces using a parallelized algorithm that combines force splitting and region splitting is realized. In addition, the OS (Operating Systems; basic software) running on the computer performs part or all of the actual processing based on the instruction of the program code, and the force division method and the region division method are performed by the processing. And a function of performing particle behavior analysis processing in consideration of a plurality of types of interaction forces.
さらに、記憶媒体から読み出されたプログラムコードが、コンピュータに挿入された機能拡張カードやコンピュータに接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに書き込まれた後、そのプログラムコードの指示に基づき、その機能拡張カードや機能拡張ユニットに備わるCPUなどが実際の処理の一部または全部を行ない、その処理によって粒子挙動解析処理を行なう機能が実現される場合であってもよい。 Further, after the program code read from the storage medium is written in a memory provided in a function expansion card inserted into the computer or a function expansion unit connected to the computer, the function expansion is performed based on the instruction of the program code. The CPU or the like provided in the card or the function expansion unit may perform part or all of the actual processing, and the function of performing the particle behavior analysis processing may be realized by the processing.
なお、力分割法と領域分割法を組み合わせた並列化アルゴリズムを利用し複数種の相互作用力を考慮した粒子挙動解析処理を行なう機能を実現するプログラムコードを記述したファイルとしてプログラムが提供されるが、この場合、一括のプログラムファイルとして提供されることに限らず、コンピュータで構成されるシステムのハードウェア構成に応じて、個別のプログラムモジュールとして提供されてもよい。 The program is provided as a file that describes the program code that implements the function of performing particle behavior analysis processing considering multiple types of interaction forces using a parallelization algorithm that combines force splitting and region splitting. In this case, the program files are not limited to be provided as a batch program file, but may be provided as individual program modules according to the hardware configuration of a system configured with a computer.
たとえば、コンピュータシステム900は、コントローラ部901と、ハードディスク装置、フレキシブルディスク(FD)ドライブ、あるいはCD−ROM(Compact Disk ROM)ドライブ、半導体メモリコントローラなどの、所定の記憶媒体からデータを読み出したり記録したりするための記録・読取制御部902とを有する。
For example, the computer system 900 reads and records data from a
コントローラ部901は、CPU(Central Processing Unit )912、読出専用の記憶部であるROM(Read Only Memory)913、随時書込みおよび読出しが可能であるとともに揮発性の記憶部の一例であるRAM(Random Access Memory)915、および不揮発性の記憶部の一例であるRAM(NVRAMと記述する)916を有している。
The
なお、上記において“揮発性の記憶部”とは、装置の電源がオフされた場合には、記憶内容を消滅してしまう形態の記憶部を意味する。一方、“不揮発性の記憶部”とは、装置のメイン電源がオフされた場合でも、記憶内容を保持し続ける形態の記憶部を意味する。記憶内容を保持し続けることができるものであればよく、半導体製のメモリ素子自体が不揮発性を有するものに限らず、バックアップ電源を備えることで、揮発性のメモリ素子を“不揮発性”を呈するように構成するものであってもよい。 In the above description, the “volatile storage unit” means a storage unit in which the stored contents are lost when the power of the apparatus is turned off. On the other hand, the “nonvolatile storage unit” means a storage unit in a form that keeps stored contents even when the main power supply of the apparatus is turned off. Any memory device can be used as long as it can retain the stored contents. The semiconductor memory device itself is not limited to a nonvolatile memory device, and a backup power supply is provided to make a volatile memory device “nonvolatile”. You may comprise as follows.
また、半導体製のメモリ素子により構成することに限らず、磁気ディスクや光ディスクなどの媒体を利用して構成してもよい。たとえば、ハードディスク装置を不揮発性の記憶部として利用できる。また、CD−ROMなどの記録媒体から情報を読み出す構成を採ることでも不揮発性の記憶部として利用できる。 Further, the present invention is not limited to a semiconductor memory element, and may be configured using a medium such as a magnetic disk or an optical disk. For example, a hard disk device can be used as a nonvolatile storage unit. In addition, it is possible to use as a nonvolatile storage unit by adopting a configuration for reading information from a recording medium such as a CD-ROM.
また、コンピュータシステム900は、ユーザインタフェースをなす機能部としての指示入力部903と、操作時のガイダンス画面や処理結果などの所定の情報をユーザに提示する表示出力部904と、各機能部との間のインタフェース機能をなすインタフェース部(IF部)909とを有する。
Further, the computer system 900 includes an
なお、解析処理結果を印刷出力してユーザに提示する構成とするべく、処理結果を所定の出力媒体(たとえば印刷用紙)に出力する画像形成部906を設けてもよい。
Note that an
指示入力部903としては、たとえば、ユーザインタフェース部985の操作キー部985bを利用してもよい。あるいは、キーボードやマウスなどを利用してもよい。
As the
表示出力部904は、表示制御部919と表示装置とを備える。表示装置としては、たとえば、ユーザインタフェース部985の操作パネル部985aを利用してもよい。あるいは、CRT(Cathode Ray Tube;陰極線管)やLCD(Liquid Crystal Display;液晶)などでなるその他のディスプレイ部を利用してもよい。
The display output unit 904 includes a
たとえば、表示制御部919が、操作パネル部985aやディスプレイ部上に、ガイダンス情報や画像読取部905が取り込んだ全体画像などを表示させる。また、各種の情報をユーザに通知する際の表示デバイスとしても利用される。なお、表示面上にタッチパネルを有するディスプレイ部とすることで、指先やペンなどで所定の情報を入力する指示入力部903を構成してもよい。
For example, the
インタフェース部909としては、処理データ(画像データを含む)や制御データの転送経路であるシステムバス991の他、たとえば、画像形成部906や他のプリンタとのインタフェース機能をなすプリンタIF部996、およびネットワークとの間の通信データの受け渡しを仲介する通信IF部999を有している。
The interface unit 909 includes a system bus 991 that is a transfer path for processing data (including image data) and control data, a printer IF
このような構成において、CPU912は、システムバス991を介してシステム全体の制御を行なう。ROM913は、CPU912の制御プログラムなどを格納する。RAM915は、SRAM(Static Random Access Memory )などで構成され、プログラム制御変数や各種処理のためのデータなどを格納する。また、RAM915は、所定のアプリケーションプログラムに従って演算して得たデータや外部から取得したデータなどを一時的に格納する領域を含んでいる。
In such a configuration, the
たとえば、力分割法と領域分割法を組み合わせた並列化アルゴリズムにより複数種の相互作用力を考慮した粒子挙動解析処理機能をコンピュータに実行させるプログラムは、CD−ROMなどの記録媒体を通じて配布される。あるいは、このプログラムは、CD−ROMではなくFDに格納されてもよい。また、MOドライブを設け、MOに前記プログラムを格納してもよく、またフラッシュメモリなどの不揮発性の半導体メモリカードなど、その他の記録媒体にプログラムを格納してもよい。さらに、他のサーバなどからインターネットなどのネットワークを経由してプログラムをダウンロードして取得したり、あるいは更新したりしてもよい。 For example, a program that causes a computer to execute a particle behavior analysis processing function considering a plurality of types of interaction forces by a parallel algorithm combining a force division method and a region division method is distributed through a recording medium such as a CD-ROM. Alternatively, this program may be stored in the FD instead of the CD-ROM. In addition, an MO drive may be provided to store the program in the MO, or the program may be stored in another recording medium such as a nonvolatile semiconductor memory card such as a flash memory. Furthermore, the program may be downloaded from another server or the like via a network such as the Internet, or may be updated or updated.
なおプログラムを提供するための記録媒体としては、FDやCD−ROMなどの他にも、DVDなどの光学記録媒体、MOなどの光磁気記録媒体、テープ媒体、磁気記録媒体、ICカードやミニチュアカードなどの半導体メモリを用いてもよい。記録媒体の一例としてのFDやCD−ROMなどには、力分割法と領域分割法を組み合わせて複数種の相互作用力を考慮した粒子挙動解析処理機能を実現する際の、一部または全ての機能を格納してもよい。 As a recording medium for providing the program, in addition to FD and CD-ROM, optical recording medium such as DVD, magneto-optical recording medium such as MO, tape medium, magnetic recording medium, IC card and miniature card A semiconductor memory such as the above may be used. Some or all of the FD, CD-ROM, etc. as an example of the recording medium when realizing the particle behavior analysis processing function considering a plurality of kinds of interaction forces by combining the force division method and the region division method. Functions may be stored.
また、ハードディスク装置は、制御プログラムによる各種処理のためのデータを格納したり、自装置で取得したデータや外部から取得したデータなどを大量に一時的に格納したりする領域を含んでいる。 Further, the hard disk device includes an area for storing data for various processes by the control program, and temporarily storing a large amount of data acquired by the device itself or data acquired from the outside.
このような構成により、操作キー部985bを介した操作者による指令にて、後述する粒子挙動解析方法を実行するプログラムが記憶されているCD−ROMなどの読取可能な記録媒体からRAM915に粒子挙動解析プログラムがインストールされ、また操作キー部985bを介した操作者による指令や自動処理にて粒子挙動解析プログラムが起動される。
With such a configuration, the particle behavior is stored in the
CPU912は、この粒子挙動解析プログラムに従って後述する粒子挙動解析方法に伴う計算処理を施し、処理結果をRAM915やハードディスクなどの記憶装置に格納し、必要により操作パネル部985a、あるいはCRTやLCDなどの表示装置に出力する。
The
なお、このようなコンピュータを用いた構成に限らず、図4を用いて示した各機能部の処理をなす専用のハードウェアの組合せにより、複数種の相互作用力を考慮した粒子挙動解析処理を行なう粒子挙動解析システム200や粒子挙動解析装置202を構成してもよい。 Not only the configuration using such a computer, but also a particle behavior analysis process considering a plurality of types of interaction forces by a combination of dedicated hardware that performs the processing of each functional unit shown in FIG. You may comprise the particle behavior analysis system 200 and the particle behavior analysis apparatus 202 to perform.
たとえば、力分割法と領域分割法を組み合わせた並列化アルゴリズムを利用した複数種の相互作用力を考慮した粒子挙動解析処理のための各機能部分の全ての処理をソフトウェアで行なうのではなく、これら機能部分の一部を専用のハードウェアにて行なう処理回路908を設けてもよい。ソフトウェアで行なう仕組みは、並列処理や連続処理に柔軟に対処し得るものの、その処理が複雑になるに連れ、処理時間が長くなるため、処理速度の低下が問題となる。
For example, instead of performing all the processing of each functional part for particle behavior analysis processing considering multiple types of interaction force using a parallel algorithm combining force division method and region division method, A
これに対して、ハードウェア処理回路で構築すると、処理が複雑であっても、処理速度の低下を防ぐことができ、高いスループットを得ることができる高速化を図ったアクセラレータシステムが構築される。 On the other hand, when constructed with a hardware processing circuit, even if the process is complicated, a reduction in processing speed can be prevented, and an accelerator system capable of achieving high throughput can be constructed.
たとえば、力分割法と領域分割法を組み合わせて複数種の相互作用力を考慮した粒子挙動解析処理機能を実現する場合であれば、処理回路908としては、図4に示したデータ処理部230を構成するデータ受付部232に相当するデータ受付部908a、数値演算処理部234に相当する数値演算処理部908b、出力データ処理部236に相当する出力データ処理部908cなどをハードウェアで構成するとよい。
For example, in the case of realizing a particle behavior analysis processing function considering a plurality of types of interaction forces by combining the force division method and the region division method, the data processing unit 230 shown in FIG. The data receiving unit 908a corresponding to the
また、全体を統括する主粒子挙動解析装置202aを構成する場合であれば、分割処理部250に相当する分割処理部908dや解析負荷分散処理部908eをハードウェアで構成するとよい。
In the case of configuring the main particle
<粒子種および粒子間距離と相互作用力との関係>
通信ネットワーク網によって接続された並列型計算機上で、物性の異なる複数種類の粒子の挙動を解析する際には、粒子に働く相互作用力の種類を考慮した解析計算、つまり、粒子種や粒子間距離を勘案した処理とすることが、全体の処理効率を高める上で肝要となる。着目すべき相互作用力は粒子種や粒子間距離によって異なるし、粒子の挙動に与える影響度合いは、相互作用力の種類によっても異なるからである。
<Relationship between particle type and interparticle distance and interaction force>
When analyzing the behavior of multiple types of particles with different physical properties on a parallel computer connected by a communication network, analysis calculations that take into account the types of interaction forces acting on the particles, that is, the types of particles and between particles It is important to set the processing in consideration of the distance in order to increase the overall processing efficiency. This is because the interaction force to be noted differs depending on the particle type and the distance between particles, and the degree of influence on the behavior of the particle also varies depending on the type of interaction force.
たとえば、粒子種の観点では、非磁性のトナー粒子102bに関しては、静電相互作用、機械的相互作用(接触力)、および付着力を考慮した解析計算が必要になるし、磁性のトナー粒子102bに関しては、さらに磁気的相互作用力をも考慮した解析計算が必要になる。
For example, from the viewpoint of the particle type, for the
静電相互作用は、さらに詳細には、電場から受ける力と、粒子相互間のクーロン力と、付着力の鏡像力を分けて解析する必要がある。なお、解析処理を工夫することで、電場から受ける力と粒子相互間のクーロン力とを纏めて電場で解析することもできる。 In more detail, the electrostatic interaction needs to be analyzed separately for the force received from the electric field, the Coulomb force between the particles, and the mirror image force of the adhesion force. In addition, by devising the analysis processing, the force received from the electric field and the Coulomb force between the particles can be collectively analyzed in the electric field.
非磁性のトナー粒子102bの挙動に与える影響度合いは、静電相互作用が最も大きく、以下、機械的相互作用(接触力)、付着力の順になる。また、磁性のトナー粒子102bの挙動に与える影響度合いは、磁気的相互作用が最も大きく、以下、静電相互作用、機械的相互作用(接触力)、付着力の順になる。
The degree of influence on the behavior of the
一方、キャリア粒子102aに関しては、磁気的相互作用、静電相互作用(粒子相互間のクーロン力に着目するが電場から受ける力は除く)、機械的相互作用(接触力)、および付着力を考慮した解析計算が必要になる。
On the other hand, regarding the
キャリア粒子102aの挙動に与える影響度合いは、磁気的相互作用が最も大きく、以下、機械的相互作用(接触力)、静電相互作用、付着力の順になる。
The degree of influence on the behavior of the
また、粒子種を問わず、一般的には、相互作用の計算負荷としては、磁気的相互作用が最も大きく、以下、静電相互作用、機械的相互作用(接触力)、付着力の順になる。 Regardless of the particle type, generally, the interaction calculation load is the largest in terms of magnetic interaction, and in the following order, electrostatic interaction, mechanical interaction (contact force), and adhesion force. .
したがって、上述の図3に示した手順に従って、非磁性のトナー粒子102bの挙動解析とキャリア粒子102aの挙動解析を別のプロセッサで同時並行的に行なおうとすると、トナー粒子102bに関しては事実上、計算負荷が最も大きな磁気的相互作用の解析手順を割愛することになるので、プロセッサ間の計算時間に大きな相違が生じる。
Therefore, if the behavior analysis of the
ここでは、キャリア粒子102aとトナー粒子102bとの関係について特に注目して説明したが、一般的には、解析対象の粒子種数N、各粒子に作用する作用力の種類数M、解析対象となる各粒子に作用する作用力の総数Lとしたときに、何れかの粒子は何れかの作用力についての解析が不要の場合、M×N>Lの条件を満たすようになる。この場合、プロセッサ間の計算時間に相違が生じることになるので、各プロセッサ間の計算時間を均等化する仕組みを講じることが、全体の処理時間の短縮化の上で重要となる。
Here, the relationship between the
一方、磁性のトナー粒子102bの挙動解析とキャリア粒子102aの挙動解析とを同時並行的に行なおうとすると、キャリア粒子102aに関しては事実上、電場から受ける力に関する静電的相互作用の解析手順を割愛することになるので、少しではあるが、プロセッサ間の計算時間に相違が生じる。
On the other hand, if the behavior analysis of the
ここでも、キャリア粒子102aとトナー粒子102bとの関係について特に注目して説明したが、一般的には、解析対象の粒子種数N、各粒子に作用する作用力の種類数M、各粒子に作用する作用力の総数Lとしたときに、各粒子は全ての作用力についての解析が必要である。その詳細が微妙に異なる場合、M×N=Lの条件を満たすものの、実際にはプロセッサ間の計算時間に微妙な相違が生じることになるので、この場合でも、各プロセッサ間の計算時間を均等化する仕組みを講じることが、全体の処理時間の短縮化の上で重要となる。
Here, the relationship between the
これらの粒子種の観点からの相互作用力との関係を勘案した場合、各プロセッサにおける計算時間(計算負荷)が同等になるようにするには、単純に割当て粒子数を均等にするだけでは不十分である。たとえば、粒子番号順に割り当てていく場合であれば、粒子番号の割当て時に、粒子種と相互作用力との関係で決まる計算負荷を考慮しておことが肝要となる。一例としては、各プロセッサが対象とする粒子数と各粒子種数と配分比が同等となるようにする。 Considering the relationship with the interaction force from the viewpoint of these particle types, it is not necessary to simply equalize the number of assigned particles in order to make the calculation time (calculation load) of each processor equal. It is enough. For example, when assigning particles in order of particle numbers, it is important to consider the calculation load determined by the relationship between the particle type and the interaction force when assigning the particle numbers. As an example, the number of particles targeted by each processor, the number of each particle type, and the distribution ratio are made equal.
たとえば、キャリア粒子102aとトナー粒子102bと外添剤102cとに関しての処理時に、1台のプロセッサに6個の粒子を割り当てる場合、キャリア粒子102a→トナー粒子102b→外添剤102c→キャリア粒子102a→…(以下同順)と言うように番号を各粒子に割り当てることで、1台のプロセッサに、2個のキャリア粒子102aと2個のトナー粒子102bと2個の外添剤102cが確実に割り当てられるように配慮する。
For example, when 6 particles are assigned to one processor during processing related to the
あるいは、キャリア粒子102aとトナー粒子102b(その数はキャリア粒子102aの2倍)に関しての処理時に、1台のプロセッサに3個の粒子を割り当てる場合、キャリア粒子102a→トナー粒子102b→トナー粒子102b→キャリア粒子102a→…(以下同順)と言うように番号を各粒子に割り当てることで、1台のプロセッサに、1個のキャリア粒子102aと2個のトナー粒子102bとが確実に割り当てられるように配慮する。
Alternatively, when three particles are assigned to one processor at the time of processing with respect to the
また、粒子間距離の観点では、相互作用力は、たとえば機械的な接触力や付着力のように、距離の近い粒子との相互作用についてのみ着目すればよい相互作用力(近距離力)と、磁気力や静電気力(クーロン力)のように、距離の近い粒子とだけでなく距離の離れた粒子との相互作用についても着目する必要のある相互作用力(遠距離力)に大別できる。 Further, from the viewpoint of the distance between particles, the interaction force is an interaction force (near-range force) that only needs to be paid attention to the interaction with particles close to each other, such as mechanical contact force and adhesion force. , It can be roughly divided into interaction forces (far-distance forces) that need to pay attention not only to particles that are close to each other but also to particles that are far away, such as magnetic force and electrostatic force (Coulomb force). .
分割法が対象粒子の距離に依存しない(距離を考慮しない)手法であれば、近距離力であるのか遠距離力であるのかを問わず、対象粒子の全てに関して処理を実行できる。その反面、全ての対象粒子に関して、全ての相互作用力を計算するために、通信ステップが多くなる不利益が生じる。 If the division method is a method that does not depend on the distance of the target particle (does not consider the distance), the process can be executed for all of the target particles regardless of whether the force is a short distance force or a long distance force. On the other hand, since all the interaction forces are calculated for all target particles, there is a disadvantage that communication steps are increased.
一方、粒子間距離の観点では、分割法が対象粒子の距離に依存する手法であれば、近距離力であるのか遠距離力であるのかによって、解析対象範囲を調整する必要が生じる。近距離力にのみ対応するべく解析対象範囲を狭くするとその解析対象範囲内に入ってくる粒子数が少なく通信ステップが少ないので処理時間を短縮できる。逆に、遠距離力に対応するべく解析対象範囲を広げるとその解析対象範囲内に入ってくる粒子数が増え通信ステップが多くなるので処理時間が掛かる不利益が生じる。遠距離力におけるこの問題を解消するために解析対象範囲を少し狭くすることも考えられるが、その場合には、本来は着目すべき粒子との相互作用力の計算を割愛する場合が生じるので解析精度の低下が懸念される。 On the other hand, from the viewpoint of the interparticle distance, if the division method is a method that depends on the distance of the target particle, it is necessary to adjust the analysis target range depending on whether the force is a short distance force or a long distance force. If the analysis target range is narrowed to handle only the short-range force, the processing time can be shortened because the number of particles entering the analysis target range is small and the number of communication steps is small. On the contrary, if the analysis target range is expanded to cope with the long-distance force, the number of particles entering the analysis target range increases and communication steps increase, resulting in a disadvantage that processing time is required. In order to solve this problem in long-distance forces, it may be possible to narrow the analysis target range a little, but in that case, analysis of the interaction force with the particles that should be focused on may be omitted. There is concern about a decrease in accuracy.
これらの粒子間距離種の観点からの相互作用力との関係を勘案した場合、各プロセッサにおける計算時間(計算負荷)が同等になるようにするには、対象粒子の距離に依存する分割法では近距離力のみに特化して計算処理を行ない、対象粒子の距離に依存しない分割法では遠距離力の計算にのみに特化して計算処理を行なうと言った、2種類の分割法を組み合わせた手法にするのが効果的であると考えられる。 Considering the relationship with the interaction force from the viewpoint of these interparticle distance types, in order to make the calculation time (calculation load) in each processor equal, in the division method depending on the distance of the target particle Combined with two types of splitting methods, specializing only in short-range forces, and performing splitting methods that do not depend on the distance of the target particle, but only in calculating far-distance forces. It is thought that it is effective to use the method.
詳細は後述するが、本実施形態では、対象粒子の距離に依存する分割法の一例として領域分割法を適用し、対象粒子の距離に依存しない分割法として力分割法を適用する事例を具体的に説明する。 Although details will be described later, in this embodiment, an example in which the region division method is applied as an example of a division method that depends on the distance of the target particle and the force division method is applied as a division method that does not depend on the distance of the target particle. Explained.
<力分割並列処理;基本(プロセッサ数M=N^2)>
図5および図6は、力分割法(力マトリクスを用いたアルゴリズム)の並列化処理を説明する図である。ここで、図5は、力分割並列処理手順の一例を示したフローチャートである。図6は、力分割法を適用する場合において、解析対象粒子を各ノードに割り当てる手法を説明する力マトリクスの一例を示す図である。
<Force division parallel processing; basic (number of processors M = N ^ 2)>
5 and 6 are diagrams for explaining the parallelization processing of the force division method (algorithm using a force matrix). Here, FIG. 5 is a flowchart showing an example of a force-division parallel processing procedure. FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a force matrix for explaining a method of assigning analysis target particles to each node when the force division method is applied.
図5では、力分割並列処理手順を、電子写真方式で使用される現像剤102(詳細にはキャリア粒子102aやトナー粒子102b)について、磁気相互作用、静電相互作用、あるいは機械的相互作用(接触力)をそれぞれ個別の力マトリクスを用いて解析処理する詳細手順の第1例(電子写真シミュレーションにおける並列処理例1)を示している。
In FIG. 5, a force-division parallel processing procedure is performed for the developer 102 (specifically, the
各粒子挙動解析装置202において各相互作用の解析を行なう際、力分割法(力マトリクスを用いたアルゴリズム)を用いて解析すると、従前よりも全プロセッサ間の通信量を低減させることができる。通信量を低減させることで、多プロセッサ使用時のプログラムの並列化性能を向上させ、計算時間を短縮するのである。 When analyzing each interaction in each particle behavior analysis device 202, if the analysis is performed using a force division method (algorithm using a force matrix), it is possible to reduce the amount of communication among all processors than before. By reducing the amount of communication, the parallelization performance of the program when using multiple processors is improved, and the calculation time is shortened.
特に第1例の処理手順は、図2に示した粒子挙動解析システム200において、現像剤102(詳細にはキャリア粒子102aやトナー粒子102b)について、磁気相互作用、静電相互作用、および機械的相互作用(接触力)を、順番に、それぞれ個別の力マトリクスを用いて解析する。つまり、各相互作用を、同一の並列計算装置にて順番に解析する。
In particular, the processing procedure of the first example is as follows. In the particle behavior analysis system 200 shown in FIG. 2, the developer 102 (specifically, the
先ず、主粒子挙動解析装置202aにおいて、分割処理部250は、現時点において粒子挙動解析処理に使用可能なクラスタ構成の粒子挙動解析システム200を構成する粒子挙動解析装置202の数やグリッド構成の粒子挙動解析システムを構成する各粒子挙動解析システム200の数(纏めてプロセッサ数Mと呼ぶ)を特定する(S102)。
First, in the main particle
ここで、力分割法の基本原理としては、プロセッサ数Mは、N^2であり、N行N列の正方の力マトリクスに配されることが前提となっている。ここでは、一例として、N=3で、プロセッサ数Mが計9(=3^2)台であるとする。この場合、各プロセッサは、3行3列の力マトリクスに配される。 Here, the basic principle of the force division method is that the number of processors M is N ^ 2, and is assumed to be arranged in a square force matrix of N rows and N columns. Here, as an example, it is assumed that N = 3 and the total number of processors M is 9 (= 3 ^ 2). In this case, each processor is arranged in a force matrix of 3 rows and 3 columns.
この後、データ処理部230は、データ入力部220を介して、計算に必要な各種物理パラメータや粒子の初期配置や力分割法で特に必要となる解析対象粒子数などの計算条件を読み込む(S104)。図6では、1番から18番までの、計18個の粒子を9個のプロセッサで並列計算する場合で示している。
Thereafter, the data processing unit 230 reads, via the
次に、分割処理部250は、ステップS102にて特定したプロセッサ数Mが、N^2の関係を満たすか否かを判定する(S105)。プロセッサ数MがN^2の関係を満たす場合(S105−YES)、分割処理部250は、ステップS102にて特定した各プロセッサを、図6に示すように正方行列でマトリクス配置して、解析対象の粒子(現像剤102を構成するキャリア粒子102aやトナー粒子102b)を割り当てる(S108)。各番号のプロセッサ(各粒子挙動解析装置202もしくは各粒子挙動解析システム200)をノードN(本例では0〜8の計9台)とも呼ぶ。なお、各ノードへの粒子割当て時には、各ノードでの処理負荷が同等となるようにする。
Next, the
一方、プロセッサ数MがN^2の関係を満たさない場合(S105−NO)、分割処理部250は、プロセッサ数Mを超えない範囲で2乗関係を満たすNを特定し、その時点で使用可能なプロセッサ数Mに応じて、N^2を満たす範囲でのプロセッサ数での使用に設定する(S106)。
On the other hand, when the number of processors M does not satisfy the relationship of N ^ 2 (S105-NO), the
たとえば、その時点で使用可能なプロセッサ数Mが、N^2<Mの関係にあるときにはNで力分割法を適用するべく、縦N・横Nの力マトリクスを使用することにし、N^2台のプロセッサのみを使用し残りの“M−N^2”は使用しない。一方、その時点で使用可能なプロセッサ数Mが、M<N^2の関係にあるときには1段階下の“N−1”で力分割法を適用するべく、縦(N−1)・横(N−1)の力マトリクスを使用することにし、(N−1)^2台のプロセッサのみを使用し残りの“M−(N−1)^2”は使用しない
図6に示す例では、9個のプロセッサで18粒子について並列計算するので、3行3列の力マトリクスに配される各プロセッサは、先ず、それぞれ2個の粒子に着目して、着目粒子ごとに対象となる他の粒子との間での相互作用を解析することになる。たとえば、ノード5(#5)に着目すると、先ず、11番目と12番目の粒子を着目粒子とする。
For example, when the number of processors M that can be used at that time is N ^ 2 <M, N ^ 2 is used to apply the force division method to N, and N ^ 2 Only one processor is used and the remaining “
次に、複数種類の多体粒子間相互作用力を、力マトリクス中の自身を中心とする行方向および列方向に存在する通信を必要とするプロセッサ(特に特定プロセッサと呼ぶ)に分散して計算する(S110)。このとき、複数種類の多体粒子間相互作用に対しては、それぞれ別の力マトリクスを用いて計算する。 Next, multiple types of interaction forces between many-body particles are distributed and calculated in processors (especially called specific processors) that require communication in the row and column directions centered on themselves in the force matrix. (S110). At this time, a plurality of types of interaction between many-body particles are calculated using different force matrices.
ここで、各相互作用用の各別の力マトリクスは、取り扱う粒子番号が異なる点に特徴を有する。複数種類の多体粒子間相互作用に対して各別の力マトリクスを用いて計算することで、各力マトリクスでは相互作用計算に必要な最小数の粒子のみを計算するようにし、全粒子を計算する場合に比べて計算時間を短縮するのである。また、その時間短縮分、つまり計算負荷の低減分を見越して、各プロセッサが担当する解析対象の粒子数を増やす方向で調整するようにしてもよい。 Here, each force matrix for each interaction is characterized in that the particle numbers handled are different. By calculating each type of interaction between many-body particles using different force matrices, each force matrix calculates only the minimum number of particles required for interaction calculation, and calculates all particles. The calculation time is shortened compared to the case of doing so. In addition, in anticipation of the time reduction, that is, the reduction of the calculation load, the adjustment may be made in the direction of increasing the number of particles to be analyzed which each processor is in charge of.
たとえば、18個の解析対象粒子の内、粒子番号1〜9はキャリア粒子102a、粒子番号10〜18はトナー粒子102bであるとする。また、キャリア粒子102aについての解析を必要とする相互作用力は磁気力と接触力であり、トナー粒子102bについての解析を必要とする相互作用力は静電気力と接触力であるとする。
For example, of the 18 analysis target particles, the
この場合、磁気力の力マトリクスはキャリア粒子102aのみを含むものとし、また静電気力の力マトリクスはトナー粒子102bのみを含むものとし、また接触力の力マトリクスはキャリア粒子102aとトナー粒子102bとを含むものとする。各プロセッサが担当する粒子数に関しては、接触力用の力マトリクスでは“2”にするが、磁気相互作用用の力マトリクス並びに静電相互作用用の力マトリクスでは“2”ではなく“1”にする。
In this case, the force matrix of magnetic force includes
このように、各別の力マトリクスを用いることにより、各々のマトリクスでは必要最小数の粒子のみを計算するようにし、マトリクスによっては計算時間を短縮する。たとえば、磁気力の力マトリクスでは、9個のキャリア粒子102aについての計算のみを行なうことで、全粒子18個を計算する場合に比べて全計算時間を短縮する。
In this way, by using different force matrices, only the minimum necessary number of particles is calculated in each matrix, and the calculation time is shortened depending on the matrix. For example, in the force matrix of the magnetic force, only the calculation for the nine
次に、特定プロセッサ間で通信し、磁気相互作用、静電相互作用、あるいは機械的相互作用(接触力)などの各相互作用について、力マトリクスにおける行方向の相互作用同士を足し合わせる、つまり、分散して計算した全ての相互作用力の全総和値SUM_Totalを求める(S112)。全総和値SUM_Totalは、静電気力、磁気力、機械的接触力、あるいは付着力などの複数の相互作用を一括して表したものとなる。 Next, it communicates between specific processors, and for each interaction such as magnetic interaction, electrostatic interaction, or mechanical interaction (contact force), the row direction interactions in the force matrix are added together, A total sum SUM_Total of all interaction forces calculated in a distributed manner is obtained (S112). The total sum value SUM_Total collectively represents a plurality of interactions such as electrostatic force, magnetic force, mechanical contact force, or adhesion force.
たとえば、ノード5に着目すると、ノード3,4での相互作用値をノード5に送り、ノード5にて総和計算を行なう。これにより、ノード5の担当粒子11,12の相互作用力の総和値が求まる。
For example, paying attention to
次に、複数の相互作用を一括して表している全総和値SUM_Totalを使用して、各粒子の運動方程式を解き、位置座標を計算する(S114)。そして、このようにして求めた各粒子の位置座標を、相互作用マトリクスに関係する特定プロセッサに送り(通信し)、計算情報を更新する(S116)。 Next, using the total sum value SUM_Total that collectively represents a plurality of interactions, the equation of motion of each particle is solved, and the position coordinates are calculated (S114). Then, the position coordinates of each particle obtained in this way are sent (communication) to a specific processor related to the interaction matrix, and the calculation information is updated (S116).
たとえば、ノード5に着目すると、相互作用力の総和値から計算して更新されたノード5が担当する担当粒子11,12の位置座標を、相互作用マトリクスに関係する行方向のノード3,4および列方向のノード2,8に送る。これは、ノード5が担当する粒子11,12の情報を必要とするのは、行方向のノード3,4および列方向のノード2,8のみだからである。よって、ノード5は、この4つのノードとの間でのみ通信を行なうことで、通信量を少なくする。
For example, paying attention to the
この後、所定の計算ステップに到達するまで、ステップS110に戻り、同様の処理を繰り返す(S118)。ここで“所定の計算ステップ”とは、解析対象の全粒子が、概ね安定した位置に納まった状態(全て流れてしまった状態)となるまでとすればよい。 Thereafter, the process returns to step S110 until the predetermined calculation step is reached, and the same processing is repeated (S118). Here, the “predetermined calculation step” may be performed until all the particles to be analyzed are in a state where they are in a generally stable position (a state in which all particles have flowed).
このように、プロセッサ数MがN^2の関係を満たす場合において、演算プロセッサとしてのCPUや記憶媒体(メモリ)としてのRAMなどを備えたプロセッサ(各粒子挙動解析装置202や各粒子挙動解析システム200)をネットワーク208で接続して相互通信可能にして並列型計算装置(クラスタ計算機)やグリッド型計算機を構成し、図6に示したように、力マトリクスに従って力分割並列化アルゴリズムを用いて、磁気相互作用、静電相互作用、あるいは機械的相互作用(接触力)など、複数の相互作用を同時に考慮して挙動解析を行なう。
Thus, when the number of processors M satisfies the relationship of N ^ 2, a processor (each particle behavior analysis device 202 or each particle behavior analysis system) including a CPU as an arithmetic processor, a RAM as a storage medium (memory), or the like. 200) are connected via a
画像形成装置1の現像装置100に収容される現像剤102(詳しくはキャリア粒子102aやトナー粒子102bなど)における磁気力、静電気力、機械的接触など電子写真現像プロセスの粒子挙動シミュレーションのように、複数種類の多体粒子間相互作用がある粒子について挙動解析を、力マトリクス(粒子間相互作用規則)を用いて処理を行なう。1種類の粒子の挙動に限らず、キャリア粒子102aとトナー粒子102bから構成される2成分現像剤の相互作用を解析してもよい。
As in the particle behavior simulation of the electrophotographic development process such as magnetic force, electrostatic force, and mechanical contact in the developer 102 (specifically,
たとえば、感光体130にトナー粒子102bを電着した後のキャリア粒子102aからの電磁気的影響や摺擦の影響、また、キャリア粒子102aの中から現像に寄与するトナー粒子102bがどの程度の量、感光体130に飛翔しているのなどの解析、さらに、トナー粒子102bとキャリア粒子102aに働く接触力の影響などを解析してもよい。
For example, the influence of the electromagnetic effect and the rubbing from the
また、電子写真における現像剤粒子シミュレーションに適用するために必要となる、静電気力、磁気力、機械的接触力、あるいは付着力などを同時に考慮した高速並列処理アルゴリズムを実現するようにしてもよい。 Further, a high-speed parallel processing algorithm that simultaneously considers electrostatic force, magnetic force, mechanical contact force, adhesion force, and the like necessary for application to developer particle simulation in electrophotography may be realized.
それぞれの特定プロセッサは、相互作用マトリクスに関係する自身を中心とする行方向および列方向の他の特定プロセッサとの間でのみ通信を行なえばよい。使用する特定プロセッサの数を増やすほど通信量を少なくすることで、解析処理時間を確実に低減するのである。 Each specific processor only needs to communicate with other specific processors in the row and column directions centered on itself associated with the interaction matrix. By increasing the number of specific processors to be used, the amount of communication is reduced, thereby reliably reducing the analysis processing time.
<領域分割並列処理;基本(プロセッサ数M)>
図7および図8は、領域分割法を適用した並列化処理を説明する図である。ここで、図7は、領域分割並列処理手順の一例を示したフローチャートである。また、図8は、領域分割法を適用する場合の分割マトリクスの一例を示す図である。
<Partitioned parallel processing; basic (number of processors M)>
7 and 8 are diagrams for explaining parallel processing to which the region division method is applied. Here, FIG. 7 is a flowchart showing an example of the area division parallel processing procedure. FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a division matrix when the region division method is applied.
ここで、図7は、領域分割並列処理手順を、電子写真方式で使用される現像剤102(詳細にはキャリア粒子102aやトナー粒子102b)について、磁気相互作用、静電相互作用、あるいは機械的相互作用(接触力)に関して、処理対象要素である解析対象領域を複数の領域に分割する領域分割法を用いて解析処理する詳細手順(電子写真シミュレーションにおける並列処理例2)を示している。
Here, FIG. 7 shows an area division parallel processing procedure for the developer 102 (specifically, the
第2例の処理手順は、領域分割法を適用する場合においても、複数種の粒子間相互作用を同時に考慮したり、複数種の粒子を同時に考慮したりできるようにするとともに、動的負荷分散の考え方を採り入れることで、各プロセッサにおける計算処理時間の均等化を図るようにする。 The processing procedure of the second example makes it possible to consider a plurality of types of particles at the same time or to consider a plurality of types of particles at the same time and to apply dynamic load balancing even when the region division method is applied. By adopting this concept, calculation processing time in each processor is equalized.
たとえば、先ず計算に必要な各種物理パラメータや粒子の初期配置などの計算条件を読み込んだ後に(S202)、解析対象領域の粒子密度の状態を算出する粒子密度算出処理を行なう(S204)。次に相互作用の有効距離を設定し(S206)、メッシュサイズLを設定する(S208)。 For example, first, after reading calculation conditions such as various physical parameters necessary for the calculation and initial arrangement of particles (S202), a particle density calculation process for calculating the state of particle density in the analysis target region is performed (S204). Next, an effective distance of interaction is set (S206), and a mesh size L is set (S208).
相互作用の有効距離を設定したのちに、メッシュサイズLを設定することで、相互作用有効距離を考慮してメッシュサイズLを設定することができる。また、ステップS208での相互作用の有効距離設定処理を実施するため、粒子の密集度並びに相互作用の有効距離の最小値と最大値を考慮してメッシュサイズLを定めることができるような計算フローとなっているので、より最適なメッシュサイズLが得られる。 By setting the mesh size L after setting the effective distance of interaction, the mesh size L can be set in consideration of the effective interaction distance. In addition, since the effective distance setting process of the interaction in step S208 is performed, a calculation flow in which the mesh size L can be determined in consideration of the density of particles and the minimum and maximum values of the effective distance of the interaction. Therefore, a more optimal mesh size L can be obtained.
また、相互作用の有効距離は、接触では計算対象である粒子の最大粒子径であり、静電相互作用のように、数式上は無限遠方まで作用する場合には、必要に応じてカットオフ距離を設定して、それを有効距離とする方法などを採ることができる。なお、有効距離の設定方法は、計算対象あるいは解析の目的などに応じて適切に定めればよく、公知の様々な手法を採用することができる。 The effective distance of the interaction is the maximum particle size of the particle to be calculated in contact, and when acting up to infinity in the mathematical expression like electrostatic interaction, the cut-off distance is necessary if necessary. Can be set, and the effective distance can be used. Note that the effective distance setting method may be appropriately determined according to the calculation target or the purpose of analysis, and various known methods can be employed.
この後、メッシュを生成し(S210)、各セル内に存在する粒子種とその粒子種について解析が必要となる作用力の種類を調べる(S212)。そして、解析対象の作用力や粒子種の組合せで決まる各計算時間の総和のバランス度合いが所定範囲内であるか否かを判定する(S214)。 Thereafter, a mesh is generated (S210), and the types of particles present in each cell and the types of acting forces that need to be analyzed for the particle types are examined (S212). Then, it is determined whether or not the balance of the sum of the calculation times determined by the combination of the acting force and the particle type to be analyzed is within a predetermined range (S214).
図8では、18個の粒子を9個のプロセッサで並列計算する場合において、粒子の数および種類が同数になるように、各ノードに粒子を割り当てた状態を示している。 FIG. 8 shows a state in which particles are assigned to each node so that the number and types of particles are equal when 18 particles are calculated in parallel by nine processors.
ここで、“解析対象の作用力や粒子種の組合せで決まる各計算時間の総和のバランス度合い所定範囲内”であるかの判定に当たっては、計算時間を実際に測定する必要はない。たとえば、粒子種と作用力の組合せに対して、解析対象の作用力と各作用力の計算時間を規定したテーブルを用意しておき、現在設定されている各セル内の全粒子についての解析計算処理時間の総和を求めるとよい。通常の挙動解析処理で取り扱うパラメータとは異なる計算時間を実際に測定する必要がないから、処理が複雑になることもない。 Here, it is not necessary to actually measure the calculation time when determining whether or not “the balance of the sum of the calculation times determined by the combination of the acting force and the particle type to be analyzed is within a predetermined range”. For example, for a combination of particle type and action force, a table that specifies the action force to be analyzed and the calculation time of each action force is prepared, and analysis calculations for all particles in each currently set cell are performed. The total processing time should be obtained. Since it is not necessary to actually measure a calculation time different from the parameter handled in the normal behavior analysis process, the process is not complicated.
粒子種を問わず、解析が必要となる項目について、作用力ごとに計算時間を規定してもよいが、粒子種ごとおよび作用力ごとに計算時間を規定してもよい。たとえば、磁性を持つトナー粒子102bとキャリア粒子102aとを解析対象とする場合には、解析すべき静電相互作用には微妙な違いがあるので、この点においては、粒子種ごとに計算時間を規定することの効果がある。
Regardless of the particle type, the calculation time may be defined for each acting force for items that need to be analyzed, but the calculation time may be defined for each particle type and each acting force. For example, when
なお、究極的には各セルを担当するプロセッサの計算時間ができるだけ均等となるようにバランス度合いを判定できればよく、各セルの総計算時間を厳密に算出する必要はなく、粒子種と作用力の組合せに対して計算時間の重付けを設定しておき、その重付けの総和によって判断してもよい。なお、解析が必要となる項目について粒子種ごとおよび作用力ごとに重付けを規定してもよいが、作用力ごとのみに応じて重付けを規定してもよい。 Ultimately, it is only necessary to determine the degree of balance so that the calculation time of the processor in charge of each cell is as uniform as possible, and it is not necessary to strictly calculate the total calculation time of each cell. A weight of calculation time may be set for the combination, and the sum may be determined. In addition, although weight may be prescribed | regulated for every particle | grain type and every action force about the item which requires an analysis, you may prescribe | regulate weight only according to every action force.
バランス度合いが所定範囲内であれば、直ちに分割したセルごとに粒子挙動計算をそれぞれ開始するが(S214−YES)、バランス度合いが所定範囲内になければ(S214−NO)、ステップS208に戻り、バランス度合いが改善されるようにメッシュサイズLを再設定する(S208)。各セル内の粒子数を均等にすることは必須ではなく、バランス度合いが所定範囲内に収まるようにメッシュサイズLを再設定すればよい。 If the balance degree is within the predetermined range, the particle behavior calculation is started for each divided cell immediately (S214-YES). If the balance degree is not within the predetermined range (S214-NO), the process returns to step S208. The mesh size L is reset so that the degree of balance is improved (S208). It is not essential to equalize the number of particles in each cell, and the mesh size L may be reset so that the degree of balance falls within a predetermined range.
セルごとの粒子挙動計算では、たとえば、着目粒子との接触判定の候補として、着目している粒子の存在するセルの近傍セル内の粒子を選定し(S216)、各粒子に作用する静電相互作用、磁気相互作用、機械的相互作用(接触力)、あるいは付着力などの相互作用を算出・積算する(S218)。 In the particle behavior calculation for each cell, for example, as a candidate for determining contact with the target particle, a particle in a cell in the vicinity of the cell in which the target particle exists is selected (S216), and electrostatic interaction acting on each particle is selected. Interactions such as action, magnetic interaction, mechanical interaction (contact force), or adhesion force are calculated and integrated (S218).
次に、全粒子の計算の終了をチェックし(S220)、終了していない場合にはステップS216に戻り(S220−NO)、終了していれば(S220−YES)、各粒子の運動方程式を解き、加速度、速度、および変位を計算し(S222)、それぞれの粒子位置を更新する(S224)。 Next, the completion of calculation of all particles is checked (S220). If not completed, the process returns to step S216 (S220-NO), and if completed (S220-YES), the equation of motion of each particle is calculated. Solve, calculate acceleration, velocity, and displacement (S222), and update each particle position (S224).
この際、データ処理部230は、セル境界付近に存在し他のセル内の粒子と接触していた粒子については、その粒子の位置情報を、相互作用マトリクスに関係する隣接セルのプロセッサ(ノード)に送る(S225)。 At this time, the data processing unit 230, with respect to particles that exist in the vicinity of the cell boundary and are in contact with particles in other cells, the position information of the particles is used as the processor (node) of the adjacent cell related to the interaction matrix. (S225).
次に、最終時間ステップであるかどうかをチェックし(S226)、最終時間ステップに達していなければ(S226−NO)、時間ステップを更新し(S228)、セル内の粒子チェックのステップS212に移行する。一方、最終時間ステップに達していれば計算を終了する(S226−YES)。 Next, it is checked whether it is the final time step (S226). If the final time step has not been reached (S226-NO), the time step is updated (S228), and the process proceeds to step S212 for checking the particles in the cell. To do. On the other hand, if the final time step has been reached, the calculation is terminated (S226-YES).
このような処理によって、各セルに含まれる粒子個数が均等であるか否かに関わらず、各セル内に存在する粒子種とその粒子種について解析が必要となる作用力の組合せのバランスが所定範囲に収まるように領域サイズを設定することができるので、領域(セル)ごとの計算時間の差異を少なくすることができ、その結果として、より高い並列化性能を確実に達成することができる。 By such processing, regardless of whether or not the number of particles contained in each cell is equal, the balance of the combination of the particle types existing in each cell and the action force that needs to be analyzed for the particle types is predetermined. Since the region size can be set so as to be within the range, the difference in calculation time for each region (cell) can be reduced, and as a result, higher parallelization performance can be reliably achieved.
<<力分割法と領域分割法の併用処理>>
長距離力や短距離力など複数の粒子の相互作用を計算する場合に、領域分割法を使わず力分割法を適用した粒子挙動解析処理とすることで、解析処理時間を短縮できる。
<< Combined processing of force division method and region division method >>
When calculating the interaction of multiple particles such as long-range force and short-range force, the analysis process time can be shortened by using the particle behavior analysis process that uses the force-division method without using the domain-division method.
ただし、このような力分割法を適用した粒子挙動解析処理とすると、短距離力を計算するために粒子情報(座標)は毎ステップ通信するため、領域分割を適用した場合と比較すると通信負荷は大きくなり高い並列化性能が得られない。 However, in the particle behavior analysis process using such a force division method, the particle information (coordinates) is communicated every step to calculate the short-range force, so the communication load is less than when applying region division. It becomes large and high parallelization performance cannot be obtained.
そこで、本実施形態では、粒子間の接触力や付着力などの短距離力だけでなく、磁気相互作用力やクーロン力などの長距離力を計算すると言った、複数種類の粒子の複数の相互作用力を複数の計算機で並列処理する際に、従来よりも確実に高い並列化効率が得られるようにするべく、さらに次のような仕組みを採り入れる。 Therefore, in the present embodiment, not only short distance forces such as contact force and adhesion force between particles but also long distance forces such as magnetic interaction force and Coulomb force are calculated. The following mechanism is further adopted in order to ensure higher parallelization efficiency than before when acting force is processed in parallel by a plurality of computers.
その原理は次の通りである。先ず、前述の力分割法に関しての説明から分かるように、力分割では、各ノードが持つ粒子情報をマトリクスの行と列方向で通信するので、相互作用力の計算時には粒子間距離に関わらず通信処理が伴う。換言すれば、粒子間距離が大きい場合でも、小さい場合でも、それらの相互作用力を求めることになる。その利点として、対象ノードとの間で、磁気相互作用力やクーロン力などの長距離力だけでなく、粒子間の接触力や付着力などの短距離力についても、全ての粒子について着目した処理がなされる。接触力や付着力の相互作用力を求めるとき、距離が離れていれば計算を割愛し得る場合でも計算しようとするので、ある意味では無駄な処理を伴うことになる。 The principle is as follows. First, as can be seen from the description of the force splitting method described above, in force splitting, particle information held by each node is communicated in the matrix row and column directions, so communication is performed regardless of the interparticle distance when calculating the interaction force. It involves processing. In other words, even when the distance between particles is large or small, their interaction force is obtained. As an advantage, not only long-distance forces such as magnetic interaction force and Coulomb force, but also short-distance forces such as contact force and adhesion force between particles, processing focused on all particles. Is made. When calculating the contact force or the interaction force of the adhesive force, if the distance is long, the calculation is attempted even when the calculation can be omitted.
一方、領域分割法では、対象領域を分割して、分割領域ごとに、その分割領域内の粒子のみを対象として処理するので、他の分割領域の近接部分に存在する粒子との間の相互作用力は考慮する。換言すれば、領域分割法では、粒子間距離が比較的小さい粒子を対象として相互作用力を求めるが、他の分割領域に属することになる粒子間距離が比較的大きい粒子は解析対象としない。 On the other hand, in the area division method, since the target area is divided and only the particles in the divided area are processed for each divided area, the interaction with the particles existing in the vicinity of the other divided areas is performed. Consider power. In other words, in the region division method, the interaction force is obtained for particles having a relatively small distance between particles, but particles having a relatively large distance between particles that belong to other divided regions are not analyzed.
隣接する分割領域の粒子との相互作用力を考慮する仕組みを採り入れることもできるが、その場合でも、図8のノード5(#5)に関して斜線や斜め格子を付したように、近接ノード間とだけで通信すればよく通信量を小さくできることが分かる。 Although it is possible to adopt a mechanism that considers the interaction force with the particles in the adjacent divided regions, even in that case, as indicated by hatched lines or diagonal grids for node 5 (# 5) in FIG. It can be seen that the amount of communication can be reduced by simply communicating.
磁気相互作用力やクーロン力などの長距離力も考慮するべきものに関してはカットオフ距離を設定して比較的近距離にある粒子についてのみ着目した処理とすると精度が劣ることが懸念されるが、離れた粒子との相互作用力を求めるための通信処理を割愛できるので、通信負荷が力分割法より少なくて済む利点がある。 Concerning things that should take into account long-range forces such as magnetic interaction force and Coulomb force, it is feared that the accuracy will be inferior if the cut-off distance is set and attention is paid only to particles that are relatively close. Since communication processing for obtaining the interaction force with the particles can be omitted, there is an advantage that the communication load is less than that of the force division method.
これらを踏まえると、距離の近い粒子との相互作用についてのみ着目すればよい相互作用力(近距離力)の計算には領域分割法を採用し、距離の近い粒子とだけでなく距離の離れた粒子との相互作用についても着目する必要のある相互作用力(遠距離力)の計算には力分割法を採用した組合せ処理とすれば、通信負荷を低減しつつ、各相互作用力の距離依存をも考慮した適切な解析ができると考えられる。 Based on these considerations, the region division method is used to calculate the interaction force (short-range force) that only needs to focus on the interaction with particles that are close to each other. When calculating the interaction force (far-distance force) that needs to pay attention to the interaction with the particles, if the combination process adopting force splitting method is used, the communication load is reduced and the distance dependence of each interaction force It is considered that an appropriate analysis can be performed taking into account the above.
そこで、本実施形態では、長距離力(たとえばクーロン力や磁気力)の計算には力分割法を適用し、短距離力(たとえば機械的接触力や付着力)の計算には領域分割法を適用したアルゴリズムとする。以下、具体的に説明する。 Therefore, in this embodiment, the force division method is applied to the calculation of the long distance force (for example, Coulomb force or magnetic force), and the region division method is applied to the calculation of the short distance force (for example, mechanical contact force or adhesion force). The applied algorithm. This will be specifically described below.
<処理手順>
図9は、力分割法と領域分割法とを組み合わせた処理(以下単に併用処理とも称する)の手順の一例を示すフローチャートである。
<Processing procedure>
FIG. 9 is a flowchart illustrating an example of a procedure of a process combining the force dividing method and the region dividing method (hereinafter also simply referred to as a combined process).
先ず、分割処理部250は、図7のステップS202〜S210と同様にして、領域分割法に従ってセルサイズを決定し、各セルを担当する各プロセッサにおける計算時間(計算負荷)が同等になるように、一例として、粒子数および粒子種が同数になるように、各ノードに粒子を割り当てる(S302)。
First, the
なお、その一例は後述するが、領域分割法における分割領域(セル)の大きさ(分割サイズ)は、長距離力の解析には力分割法を適用し領域分割法を適用した計算が不要であるので、カットオフ距離を考慮する必要がなく、長距離力に異存しない任意の大きさを設定してよい。 Although an example of this will be described later, the size (division size) of the division region (cell) in the region division method is not calculated by applying the force division method to the analysis of the long distance force and applying the region division method. Therefore, it is not necessary to consider the cut-off distance, and an arbitrary size that does not depend on the long distance force may be set.
また、領域分割法における分割領域の大きさは、粒子数が均等になるように位置に応じたサイズに変更してよい。なお、解析負荷分散処理部の機能を兼用する分割処理部250は、計算負荷を各分割領域で均等にする上では、分割方向に関して、粒子数が均等になる方向にすることを考慮するのがよい。その事例については後述する。
In addition, the size of the divided region in the region dividing method may be changed to a size according to the position so that the number of particles is equal. Note that the
次に、分割領域(セル)ごとに、データ処理部230は、複数種類の多体粒子間相互作用力の内、機械的な接触力および付着力などの短距離力を計算する。この際には、データ処理部230は先ず、各ノードが担当するセルの境界付近に存在する粒子を特定しリスト化する(S304)。つまり、ステップS216と同様に、着目粒子との接触判定の候補として、着目している粒子の存在するセルの近傍セル内の粒子を選定する。そして、そのセル境界付近に存在する粒子が、その境界付近で、他のセルに存在する他の粒子と接触しているか否かを判定する(S306)。 Next, for each divided region (cell), the data processing unit 230 calculates a short-range force such as a mechanical contact force and an adhesion force among a plurality of types of multi-particle interaction forces. In this case, the data processing unit 230 first identifies and lists particles existing near the boundary of the cell that each node is responsible for (S304). That is, as in step S216, as a candidate for contact determination with the focused particle, a particle in a cell near the cell where the focused particle exists is selected. Then, it is determined whether or not particles existing in the vicinity of the cell boundary are in contact with other particles existing in other cells in the vicinity of the boundary (S306).
データ処理部230は、自ノードが担当するセル内の各粒子相互間およびステップS306の判定結果に基づくセル境界付近に存在し他のセルに存在する粒子と接触する粒子相互間の短距離力(たとえば機械的な接触力および付着力など)を計算する(S308)。 The data processing unit 230 has a short-range force (between particles in the cell that the node is in charge of and between particles in the vicinity of the cell boundary based on the determination result of step S306 and in contact with particles existing in other cells. For example, mechanical contact force and adhesion force are calculated (S308).
次に、データ処理部230は、全粒子の計算の終了をチェックし(S310)、全ての処理対象粒子についての短距離力の計算が終了していない場合にはステップS304に戻り(S310−NO)、終了していれば(S310−YES)、機械的な接触力および付着力などの各相互作用(長距離力は更新するまで同じ値を使用する,つまり長距離力の変化はないものとして取り扱う)を使用して、各粒子の運動方程式を解き、加速度、速度、および変位を計算し(S312)、それぞれの粒子の位置座標を更新する(S314)。 Next, the data processing unit 230 checks the end of the calculation of all particles (S310), and if the calculation of the short-range force for all the processing target particles is not completed, the process returns to step S304 (S310-NO). ), If completed (S310-YES), each interaction such as mechanical contact force and adhesion force (the long distance force uses the same value until it is updated, that is, the long distance force does not change) The motion equation of each particle is solved to calculate acceleration, velocity, and displacement (S312), and the position coordinates of each particle are updated (S314).
全ての処理対象粒子についての短距離力の計算が完了したら(S310−YES)、データ処理部230は、機械的な接触力および付着力などの各相互作用を使用して、各粒子の運動方程式を解き、位置座標を計算する(S314)。この際には、長距離力の変化はないものとして取り扱う。 When the calculation of the short distance force for all the particles to be processed is completed (S310-YES), the data processing unit 230 uses each interaction such as the mechanical contact force and the adhesion force to calculate the equation of motion of each particle. And the position coordinates are calculated (S314). At this time, it is assumed that there is no change in the long-distance force.
この際、データ処理部230は、各セル内の粒子の位置情報を更新するとともに、セル境界付近に存在し他のセルの粒子と接触していた粒子については、その粒子の位置情報を、相互作用マトリクスに関係する隣接セルを担当するノード(プロセッサ)に送り(通信する)、計算情報を更新する(S316)。 At this time, the data processing unit 230 updates the position information of the particles in each cell, and for the particles existing in the vicinity of the cell boundary and in contact with the particles of other cells, the position information of the particles is The calculation information is updated (S316) by sending (communication) to the node (processor) in charge of the adjacent cell related to the action matrix.
このように、分割した領域別に、対象領域内および隣接する他領域の極近傍を対象として短距離力を計算して他ノードとの通信処理時間を短縮することで、全計算時間を短縮する。図8に示したように、ノード5(#5)に着目すると、他ノードとの通信が必要となるのは、ノード5が担当する領域と隣接する領域内に存在する境界近傍で各領域の粒子同士が接触する場合に限って通信すればよく通信量を小さくできるのである。
In this way, for each divided area, the short distance force is calculated for the target area and the immediate vicinity of another adjacent area as a target, and the communication processing time with other nodes is reduced, thereby reducing the total calculation time. As shown in FIG. 8, when attention is paid to the node 5 (# 5), communication with other nodes is necessary because each region is in the vicinity of the boundary existing in the region adjacent to the region handled by the
この後、所定の計算ステップに到達するまで、ステップS304に戻り、短距離力に関して、同様の処理を繰り返す(S317−NO)。 Thereafter, the process returns to step S304 until the predetermined calculation step is reached, and the same processing is repeated for the short-range force (S317-NO).
ここで“所定の計算ステップ”とは、たとえば磁気相互作用力は1000回程度、静電相互作用力は100回程度とする。この1000回や100回は一例に過ぎない。電磁的相互作用力や静電的相互作用力などの長距離力は距離のべき乗で働くので、短距離力の計算時の各ステップでの僅かな位置変動では全体の粒子挙動解析に影響が少ない。全体の粒子挙動解析に支障のない範囲で適度に間引いても差し支えないという点に基づいて“所定の計算ステップ”の回数を設定すればよい。 Here, the “predetermined calculation step” means, for example, that the magnetic interaction force is about 1000 times and the electrostatic interaction force is about 100 times. These 1000 times and 100 times are only examples. Long-range forces such as electromagnetic interaction force and electrostatic interaction force work as powers of distance, so even a slight positional variation at each step when calculating short-range force has little effect on the overall particle behavior analysis. . The number of “predetermined calculation steps” may be set based on the point that it may be thinned out appropriately within a range that does not hinder the whole particle behavior analysis.
所定の計算ステップに到達したら(S317−YES)、分割処理部250は力分割法に従って各ノードでの処理負荷が同等となるように粒子を割り当てる(S318)。 データ処理部230は、複数種類の多体粒子間相互作用力の内、磁気相互作用力や静電相互作用力(クーロン力)などの長距離力を力分割法に従って計算する。この際、先ず、複数種類の多体粒子間相互作用力の内の長距離力を、力マトリクス中の自身を中心とする行方向および列方向に存在する通信を必要とする特定プロセッサに分散して計算する(S320)。この際、複数種類の多体粒子間相互作用に対しては、それぞれ別の力マトリクスを用いて計算する。
When the predetermined calculation step is reached (S317-YES), the
次に、特定プロセッサ間で通信し、磁気相互作用や静電相互作用などの各長距離力について、力マトリクスにおける行方向の相互作用同士を足し合わせる、つまり、分散して計算した全ての相互作用力(ここでは長距離力のみ)の全総和値SUM_Totalを求める(S322)。長距離力に関しての全総和値SUM_Totalは、静電気力や磁気力などの複数の相互作用を一括して表したものとなる。 Next, it communicates between specific processors, and for each long-range force such as magnetic interaction and electrostatic interaction, the interactions in the row direction in the force matrix are added together, that is, all the interactions calculated in a distributed manner A total sum SUM_Total of forces (here, only long-distance forces) is obtained (S322). The total sum value SUM_Total for the long-distance force collectively represents a plurality of interactions such as electrostatic force and magnetic force.
次に、長距離力に関して一括して表している全総和値SUM_Totalと先に求めてある短距離力とを使用して、各粒子の運動方程式を解き、位置座標を計算する(S324)。そして、このようにして求めた各粒子の位置座標を、相互作用マトリクスに関係する特定プロセッサに送り(通信し)、計算情報を更新する(S326)。 Next, using the total sum value SUM_Total collectively represented for the long-distance force and the short-distance force previously obtained, the equation of motion of each particle is solved to calculate the position coordinates (S324). Then, the position coordinates of each particle obtained in this way are sent (communication) to a specific processor related to the interaction matrix, and the calculation information is updated (S326).
この後、所定の計算ステップに到達するまで、ステップS304に戻り、同様の処理を繰り返す(S328)。ここで“所定の計算ステップ”とは、解析対象の全粒子が、概ね安定した位置に納まった状態(全て流れてしまった状態)となるまでとすればよい。 Thereafter, the process returns to step S304 and the same processing is repeated until a predetermined calculation step is reached (S328). Here, the “predetermined calculation step” may be performed until all the particles to be analyzed are in a state where they are in a generally stable position (a state in which all particles have flowed).
このように、本実施形態の領域分割法と力分割法の併用処理では、先ず、機械的な接触力や付着力などの短距離力について領域分割法に従って解析し、さらに、所定のタイミングで電磁的相互作用力や静電的相互作用力などの長距離力を力分割法に従って解析することを特徴としている。特に、短距離力は毎ステップで計算するが、長距離力は短距離力解析に対して所定回数ごとに計算する点に特徴を有する。 As described above, in the combined processing of the region division method and the force division method according to the present embodiment, first, a short-distance force such as a mechanical contact force or an adhesion force is analyzed according to the region division method, and then electromagnetic waves are generated at a predetermined timing. It is characterized by analyzing long-range forces such as static interaction force and electrostatic interaction force according to force splitting method. In particular, the short distance force is calculated at each step, but the long distance force is characterized in that it is calculated every predetermined number of times for the short distance force analysis.
<事例1:分割サイズについて>
図10は、併用処理における領域分割法での分割サイズの決定方法の一例を説明する図である。
<Case 1: About division size>
FIG. 10 is a diagram for explaining an example of a method for determining a division size by the region division method in the combined processing.
長距離力に関しても領域分割法を適用した解析を行なう場合、図10(A)に示すように、長距離力の及ぼす範囲を一定範囲に制限して、その制限したカットオフ距離Lcut をカバーするように領域サイズを大きくして分割する手法を採るのが一般的である。この場合、カットオフ距離Lcut に対して、カットオフ距離Lcut を半径とする外接円を形成するように、縦横それぞれ1/√2倍サイズの矩形領域で処理対象領域を分割する。 When the analysis using the domain division method is performed also for the long distance force, as shown in FIG. 10A, the range of the long distance force is limited to a certain range, and the limited cut-off distance Lcut is covered. In general, a method of dividing the image by increasing the region size is used. In this case, the processing target area is divided into rectangular areas each having a size of 1 / √2 times in the vertical and horizontal directions so as to form a circumscribed circle having the cutoff distance Lcut as a radius with respect to the cutoff distance Lcut.
しかしながら、本実施形態の併用手法では、長距離力に関しては力分割法を適用した解析を行なうので、領域分割法では長距離力を考慮する必要がなく、近距離力の解析のみに着目した領域サイズを設定すればよい。 However, in the combined method of the present embodiment, since the analysis using the force division method is performed for the long distance force, the region division method does not need to consider the long distance force, and the region focuses only on the short distance force analysis. Just set the size.
ここで、近距離力の解析のみに着目した領域サイズを設定する上では、図10(B)に示すように、少なくとも解析対象粒子を完全に含むように領域分割すれば十分である。このことは、事実上、カットオフ距離Lcut を粒子半径に設定すればよいことを意味し、粒子半径Lrad (=カットオフ距離Lcut )に対して、粒子半径Lrad の内接円を形成するように、縦横それぞれ粒子直径Ldia (=2・Lrad )サイズの矩形領域を最小サイズに設定することができる。 Here, in setting the region size focusing only on the short-range force analysis, as shown in FIG. 10B, it is sufficient to divide the region so that at least the analysis target particle is completely included. This means that the cut-off distance Lcut should be set to the particle radius in effect, and an inscribed circle having the particle radius Lrad is formed with respect to the particle radius Lrad (= cutoff distance Lcut). A rectangular region having a particle diameter Ldia (= 2 · Lrad) in both vertical and horizontal directions can be set to the minimum size.
一方、最大サイズは、長距離力の解析を考慮しなくてもよいので、長距離力解析用のカットオフ距離を考慮する必要がなく長距離力に異存しない任意の大きさにでき、セル内の各粒子数が均等になるように位置に応じたサイズを設定すればよい。短距離力は領域分割法、長距離力は力分割法と分けて解析することで、領域分割法における分割サイズの設定は、カットオフ距離に依存せず、最大粒子径以上の任意の領域サイズに分割できる。 On the other hand, the maximum size does not need to take into account long-range force analysis, so it is not necessary to consider the cut-off distance for long-range force analysis and can be set to any size that does not differ from long-range force. What is necessary is just to set the size according to a position so that each particle | grain number of may become equal. The short-distance force is analyzed separately from the region splitting method, and the long-distance force is analyzed separately from the force splitting method. Can be divided into
<事例2:分割方向について>
図11は、併用処理における領域分割法での分割方向の決定方法の一例を説明する図である。ここでは、図1に示した現像装置100における感光体130近傍の現像領域の解析の場合で例示する。
<Case 2: About division direction>
FIG. 11 is a diagram for explaining an example of a method for determining a division direction by the region division method in the combined processing. Here, an example is shown in the case of analysis of the development region in the vicinity of the
図1(B)に示したように、現像装置100の現像ロール140は、感光体130と対向して配置されるロール状のものであり、その外接面にキャリア粒子102aを磁気力で順次吸着して穂立ちを形成する。そして、そのキャリア粒子102aとの付着作用によってトナー粒子102bが感光体130側に運ばれ、感光体130の潜像部分に吸着されることで、感光体130が現像されるようになっている。
As shown in FIG. 1B, the developing
したがって、図11(A)に示すように、現像ロール140に対して同心円でかつ同一半径ステップで領域を分割すると、領域ごとに解析対象の粒子数が異なってしまうので、各ノードの計算負荷を均等にするように領域サイズを決定するのが事実上不可能である。現像ロール140に対して同心円で領域を分割しつつ、各ノードの計算負荷を均等にするには、分割時の半径ステップを適宜変更するしかないが、粒子挙動を勘案しなければならず、このようなことは困難であると考えてよい。
Therefore, as shown in FIG. 11 (A), if the region is divided into concentric circles and the same radius step with respect to the developing
一方、現像ロール140の長手方向に着目したときには、キャリア粒子102aの穂立ちの形成具合は概ね同一と考えてよく、また、トナー粒子102bの振る舞いは、感光体130へのトナー粒子102bの吸着分を除いて概ね同じと考えてよい。
On the other hand, when attention is paid to the longitudinal direction of the developing
したがって、図11(B)に示すように、トナー粒子102bが感光体130へ吸着される領域を除いては、ある半径距離の同心面上(現像ロール140そのものの外周面も含む)を、現像ロール140の長手方向に一定の分割ピッチでスライス状に分割すれば、各分割領域(セル)内の粒子種および粒子数を概ね均等にすることができ、計算負荷の均等化を図ることができると考えられる。
Therefore, as shown in FIG. 11B, development is performed on a concentric surface having a certain radial distance (including the outer peripheral surface of the developing
100…現像装置、101…収納容器、101a…開口部、102…現像剤、102a…キャリア粒子、102b…トナー粒子、102c…外添剤、130…感光体、140…現像ロール、142…マグネット、150…規制ブレード、160…攪拌搬送ロール、200…粒子挙動解析システム、202…粒子挙動解析装置、208…ネットワーク、208a…ネットワーク管理装置、210…指示入力装置、212…表示装置、220…データ入力部、230…データ処理部、232…データ受付部、234…数値演算処理部、236…出力データ処理部、240…情報提示部、250…分割処理部(兼:解析負荷分散処理部)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Development apparatus, 101 ... Storage container, 101a ... Opening part, 102 ... Developer, 102a ... Carrier particle, 102b ... Toner particle, 102c ... External additive, 130 ... Photoconductor, 140 ... Development roll, 142 ... Magnet, DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記分割処理部による分割処理により割り当てられた分割部分について、前記領域分割法に従って近距離力を計算するとともに、前記力分割法に従って遠距離力を計算する、ネットワーク接続された各計算装置に備えられたデータ処理部とを備え、
前記粒子に作用する他の物質との間での相互作用力を考慮して前記粒子の挙動を解析することを特徴とする粒子挙動解析装置。 Among the acting forces acting on the particles, for the short-distance force, which is an interaction force that performs an analysis focusing on the interaction with particles close to each other, the region to be processed is divided according to the region division method, For a long-distance force that is an interaction force that performs an analysis focusing on the interaction with a distant particle, a division processing unit that divides the processing target particle according to a force division method,
Provided in each network-connected computing device that calculates a near-distance force according to the region division method and a long-distance force according to the force division method for the divided portion allocated by the division process by the division processing unit. A data processing unit,
A particle behavior analysis apparatus characterized in that the behavior of the particle is analyzed in consideration of an interaction force with another substance acting on the particle.
ことを特徴とする請求項1に記載の粒子挙動解析装置。 The particle behavior analysis apparatus according to claim 1, wherein the data processing unit calculates the long distance force every predetermined number of times for the calculation of the short distance force.
をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の粒子挙動解析装置。 Based on the type of acting force acting on the particles and the type of the particles, the region segmentation method or the element to be processed is set so that the calculation load in the data processing unit provided in each calculation device is equalized. The particle behavior analysis apparatus according to claim 1, further comprising an analysis load distribution processing unit that divides by a force division method.
ことを特徴とする請求項3に記載の粒子挙動解析装置。 The analysis load distribution processing unit, when dividing the processing target region according to the region dividing method, determines the dividing direction so that the number of particles belonging to each divided portion is equal. The particle behavior analysis apparatus according to 1.
前記粒子に作用する他の物質との間での相互作用力を考慮した前記粒子の挙動解析を可能にすることを特徴とするプログラム。 For any one of a plurality of network-connected computing devices, an analysis is performed in which an analysis focusing on an interaction with a particle having a short distance among the acting forces acting on the particle. The processing target region is divided according to the division method, and the analysis target particle is analyzed according to the force division method for the long-distance force, which is an interaction force that performs an analysis focusing on the interaction between the particles having a short distance and the particles having a long distance. Function as a split processing unit,
A program enabling analysis of behavior of the particles in consideration of interaction force with other substances acting on the particles.
前記粒子に作用する他の物質との間での相互作用力を考慮した前記粒子の挙動解析を可能にすることを特徴とするプログラム。 Short-distance force, which is an interaction force that analyzes each of a plurality of network-connected computing devices, focusing on the interaction with particles that are close to each other, among the acting forces that act on the particles for the assigned divided parts As a data processing unit that calculates the distance force, which is an interaction force that performs an analysis focusing on the interaction between particles with a close distance and particles with a long distance, according to the force division method Let
A program enabling analysis of behavior of the particles in consideration of interaction force with other substances acting on the particles.
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|---|---|---|---|---|
| JP2010186372A (en) * | 2009-02-13 | 2010-08-26 | Fuji Xerox Co Ltd | Particle behavior analysis device and program |
| JP2014211699A (en) * | 2013-04-17 | 2014-11-13 | 富士通株式会社 | Allocation method, allocation program, information processing apparatus, and analysis system |
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- 2007-01-19 JP JP2007009787A patent/JP2008176084A/en active Pending
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