複数のPCをLANで接続し、一台のPCでシミュレーションに必要な計算を行います。計算結果を各表示専用のマシンに送信し、各表示マシンで描画処理を行います。このシステムでは、シミュレーション計算を行うマシンをサーバ、表示マシンをスレーブマシンと言います。計算、及び描画処理を以下のフローで行います。

1. シミュレーションの計算を表示するフレーム毎に一回行います。
2. 一回の計算後、フレームの表示に必要なデータをスレーブマシンへ送信します。
3. スレーブマシン側で描画処理を行うと共に次のフレームに必要なデータをサーバ側で計算します。
4. 3.でサーバ側の計算が描画より早く終了した場合、描画処理を行っている最中１フレーム分のデータを受信しておくことが可能です。
   この最適化によりデータ送受信時間の影響を大幅に防ぐことが可能です。
   また、各スレーブマシンに同じデータを送信するためマルチキャストIPを使用し、サーバマシンとネットワークの負担を最小限にします。
5. 描画が終了した後サーバ側で次の計算とデータ送信を行います。

▲フレーム毎のフロー

クラスター構成の基本的な動作としては1台のサーバマシンにてシミュレーションの計算を行い、スレーブマシンで描画処理だけを行います。処理の分担が可能なので、パフォーマンスが向上したシステムになります。

従来のUC-win/Roadでは交通流以外全ての処理を一つのスレッドで行っていたため、本機能を実現するために計算と描画を独立に実行可能にする必要がありました。従って、クラスター構成とUC-win/Road標準版においてもマルチCPUとマルチコアCPUを以前より最適に使用した結果、特に3D樹木、旗、火と煙、MD3キャラクタのアニメーションに関してパフォーマンスが向上しました。

▲布、火、煙、交通車両、雪の同期

サーバが各スレーブマシンに送信するデータは、移動する要素に関する位置情報と属性です。各スレーブマシン側でデータを受信し3D空間を更新した後描画処理を行いますが、3D樹木、布、雨と雪のように複雑な形状を持つ要素に対しては情報量が多大になりネットワーク上で十分高速に送信することが不可能です。その為、これらのオブジェクトについては、サーバから計算に必要な最低限のパラメータだけを送信し、各スレーブマシンで計算を行うようにしました。

UC-win/Road標準版を基本にクラスターシステムへ必要な機能を追加しましたので、UC-win/Road標準版の全ての機能を搭載しています。各スレーブマシンでの操作を最低限にするため、初期設定以外全ての操作をサーバマシン上で行うことが可能です。シミュレーションの際はサーバマシンで操作、スレーブマシン上で3D空間の可視化を行います。
下記の設定と機能の使用だけでクラスターシステムを操作可能です。

本システムの有効性の確認のためパフォーマンスの試験を行った結果、通常のシステムよりパフォーマンスが向上し、クラスターに入るPC台数の影響が少ないということが分かりました。一方４チャンネル構成でクラスターと標準版との比較を行い、平均140%の改善が得られました。また、15台のスレーブマシンと標準版１チャンネルの比較を行い、約2割の改善になりました。