Использование параллельных вычислений при компьютерном моделировании лесных пожаров - umotnas.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
страница 1
Похожие работы
Название работы Кол-во страниц Размер
Природные пожары (лесные, торфяные). Причины их возникновения и последствия. 1 103.41kb.
Правила пожарной безопасности при нахождении в лесных массивах 1 18.39kb.
Структура матричных характеристик еанных итерграфов 1 87.2kb.
Урок: лесные и торфяные пожары, их последствия. Меры безопасности... 1 55.35kb.
Памятка по профилактике лесных и торфяных пожаров пожары в лесах... 1 31.15kb.
Памятка по профилактике лесных и торфяных пожаров пожары в лесах... 1 26.62kb.
Машина с виртуальным мультипроцессированием: новая архитектура параллельных... 1 301.08kb.
Мониторинг и прогнозирование лесных пожаров 1 206.08kb.
Этап «Лесные пожары» Лесной пожар 1 50.18kb.
Определение возможных значений нелинейности булевых функций многих... 1 23.38kb.
Реферат по курсу Моделирование Вычислительных Систем Тема: «Механизм... 1 127.9kb.
Эффективность централизованной и распределенной архитектуры памяти... 1 386.56kb.
Викторина для любознательных: «Занимательная биология» 1 9.92kb.

Использование параллельных вычислений при компьютерном моделировании лесных пожаров - страница №1/1

УДК 630.43
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ ПРИ КОМПЬЮТЕРНОМ МОДЕЛИРОВАНИИ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ

П.С. Шаталов

научный руководитель доктор техн. наук Доррер Г.А.

Сибирский Государственный Технологический Университет
Введение

Работа посвящена созданию математических моделей и вычислительных алгоритмов для расчета параметров лесных пожаров. Программно-информационные комплексы, способные достаточно точно прогнозировать ход распространения пожара, необходимы для управления борьбой с лесными пожарами, и их создание является важной прикладной задачей. В зависимости от целей моделирования и уровня принимаемых решений можно выделить три уровня моделей: оперативные, тактические и стратегические [1]. Наиболее сложными в вычислительном отношении являются оперативные модели, основанные на трехмерных уравнениях тепло- и массообмена при горении лесного горючего. В качестве примера модели, описывающей процесс горения растительных материалов в пологе леса, можно привести модель А.М. Гришина [2], которая включает в себя систему трехмерных дифференциальных уравнений в частных производных с множеством граничных и начальных условий. Такие уравнения могут быть решены численно с помощью достаточно мощных компьютеров, однако для этого требуется знание большого числа трудно определяемых параметров, что делает применение такой модели в режиме реального времени затруднительным. Эта сложность значительно возрастает при расчете одновременно возникающих в неблагоприятные годы многочисленных пожаров на лесных территориях, особенно вблизи населенных пунктов. Поэтому в настоящее время для управления на тактическом и стратегическом уровне используются упрощенные модели, в значительной мере основанные на спутниковых данных.

Однако развитие средств моделирования и вычислительных технологий открывает возможность использовать точные физически обоснованные модели и в задачах управления пожарной ситуацией на всех указанных уровнях.

1. Использование параллельных алгоритмов при моделировании лесных пожаров

Отмеченная выше особенность расчетных задач требует значительных вычислительных ресурсов. Без использования высокопроизводительных кластерных систем и методов параллельного программирования моделирование таких процессов практически невозможно.

При моделировании на тактическом уровне одновременно рассматривается распространение множества пожаров, возникших в определенном регионе. При этом используются менее подробные модели, описывающие, в основном, конфигурацию пожаров и их пространственную динамику. В таких задачах параллелизм возникает естественным образом – путем геометрической декомпозиции, т.е. разбиения территории на участки, где действует не более одного пожара, а расчетные алгоритмы идентичны для всех участков [3].

Большинство математических моделей горения содержат дифференциальные уравнения в частных производных и комплекс начальных и граничных условий, решение которых, в основном, осуществляется с помощью сеточных методов. При компьютерном моделировании лесного пожара решающим критериями являются время расчетов и точность вычислений. В таком случае, использование эффективных параллельных алгоритмов, реализующих данные численные методы, позволяет эффективно применять математические модели горения при компьютерном моделировании на высокопроизводительных вычислительных ресурсах.

В общем виде алгоритм для реализации одного из сеточных методов с использованием стандарта MPI выглядит следующим образом (рисунок 1), [4].

Рисунок 1 - Общий вид параллельного алгоритма для метода сеток



2. Применение программного продукта WFDS для моделирования процесса лесного пожара

В настоящее время существует достаточное количество программных комплексов, с помощью которых возможно моделирование процессов горения при лесном пожаре. В данной статье рассматривается программа WFDS (Wildland-urban Fire Dynamics Simulator), в отличие от аналогов распространяющаяся бесплатно, реализующая вычислительную гидродинамическую модель (CFD) тепломассопереноса при горении.

В программе WFDS численно решаются уравнения Навье-Стокса для низкоскоростных температурно-зависимых потоков, особое внимание уделяется распространению дыма и теплопередаче при пожаре [5]. В качестве численных методов решения дифференциальных уравнений в частных производных используются метод конечных разностей, метод конечных объемов и метод конечных элементов. WFDS позволяет выполнение расчетов в режиме распараллеливания, что существенно ускоряет процесс моделирования.

Исследования доказали, что результаты вычислений с помощью WFDS достаточно хорошо совпадают с экспериментальными данными [6], и это позволяет использовать данный продукт для вычислительного моделирования лесных пожаров и его взаимодействия с объектами инфраструктуры, а так же при оценке пожарных рисков.

На рисунках 2 и 3 показаны результаты моделирования.

Рисунок 2 Моделирование распространения фронта лесного пожара



Рисунок 3 Моделирование распространения фронта степного пожара

Моделирование проводилось на вычислительном кластере Сибирского Федерального Университета на 8 узлах. Каждый узел включает в себя 16 Gb оперативной памяти и два четырехъядерных процессора Xeon quad core E5345@2.33 GHz.

На Рисунке 4 приводится график зависимости ускорения алгоритма и эффективности распараллеливания в зависимости от количества используемых процессоров [3]. Результаты вычислительного эксперимента показали наличие хорошего ускорения при решении данной задачи, и, следовательно, подтвердили эффективность использования методов параллельных вычислений



Рисунок 4 – Зависимость ускорения алгоритма от количества процессоров

В таблице приводятся результаты проведения эксперимента на разном количестве процессоров.

Таблица


Колличество процессоров, p

1

2

4

8

16

Время выполнения цикла, T[c]

700,86

359,84

207,08

105,26

87,268

Ускорение, S

1,00

1,95

3,38

6,66

8,03

Эффективность, E = S/p

1,00

0,97

0,85

0,83

0,50


Заключение

Применение методов высокопроизводительных вычислений в прикладных задачах, таких как компьютерное моделирование динамики лесных пожаров, является актуальной и важной проблемой. Как показали расчеты, вычисления, параллельно производимые на нескольких узлах, существенно снижают общее время расчета процесса горения и увеличивают эффективность применения таких программных комплексов в реальных условиях.


Литература

1. Доррер, Г. А. Динамика лесных пожаров. [Текст]/ Г.А. Доррер – Новосибирск, Изд-во СО РАН, 2008. – 404с.

2. Гришин А. М. Моделирование и прогноз катастроф: Учебное пособие. В 2 ч. Ч.2 [Текст]/ А.М. Гришин, - Томск, Изд-во ТГУ,2005.-580с.

3. Вдовенко М. С., Доррер Г. А., Шаталов П.С. Параллельные алгоритмы моделирования процессов распространения лесных пожаров на основе математических моделей различных типов [Текст] / М.С. Вдовенко, Г.А. Доррер, П.С. Шаталов // Журнал Вычислительные технологии.-2013.-Т. 18, №1. - С. 3-14.



4. Корнеев В. Д. Параллельное программирование в MPI / В. Д. Корнеев. - 2-е изд. Новосибирск: Изд-во ИВМиМГ СО РАН, 2002. - 215 с.

5. McGrattan K., Forney G. Fire Dynamics Simulator (Version 5), User’s Guide. // National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, Maryland, 2010. - 100p.