Ускорение расчетов распространения волны цунами с использованием FPGA
PDF

Ключевые слова

моделирование цунами
компьютерные архитектуры
обработка данных в режиме поступления

Как цитировать

1.
Лаврентьев М.М., Лысаков К.Ф., Марчук А.Г., Облаухов К.К. Ускорение расчетов распространения волны цунами с использованием FPGA // Успехи кибернетики. 2021. Т. 2, № 1. С. 14-25. DOI: 10.51790/2712-9942-2021-2-1-2.

Аннотация

В данной статье рассматривается решение задачи быстрой численной оценки высоты волн цунами от гипотетического очага вдоль тихоокеанского побережья полуострова Камчатка и Курильских островов. Мы фокусируемся на очень быстром (практически в режиме поступления данных) численном моделировании распространения волны цунами на основе ПК в соответствии с классическим приближением теории мелкой воды. Существенный прирост производительности достигается за счет использования преимуществ современных компьютерных архитектур, а именно вентильных матриц, программируемых пользователем (Field Programmable Gate Array – FPGA). Разностная схема Мак-Кормака второго порядка аппроксимации для решения системы дифференциальных уравнений мелкой воды [1] реализована на чипе FPGA в составе платы, специально разработанной авторами для решения этой задачи [2, 3].

Численные тесты показывают, что для расчета 3600 шагов по времени распространения волны цунами в расчетной области размером приблизительно 2000х2000 км (3120х2400 расчетных узлов) требуется всего несколько секунд для моделирования цунами от модельного источника волны цунами на сетке с пространственным шагом около 900 м. Созданный на базе FPGA спецвычислитель был также протестирован по точности сравнением с аналитическими решениями, полученными Ан. Марчуком [4, 5] для некоторых модельных топографий дна.

https://doi.org/10.51790/2712-9942-2021-2-1-2
PDF

Литература

Titov V. V., Gonzalez F. I. Implementation and Testing of the Method of Splitting Tsunami (MOST) Model. NOAA Technical Memorandum ERL PMEL-112, 1997.

Lavrentiev M. M., Romanenko A. A., Oblaukhov K. K., Marchuk An. G., Lysakov K. F., Shadrin M. Yu. FPGA Based Solution for Fast Tsunami Wave Propagation Modeling. The 27th International Ocean and Polar Engineering Conference, 2017, 25-30 June, San Francisco, California, USA. 2017;924-929.

Lysakov K. F., Lavrentiev M. M., Oblaukhov K. K., Marchuk An. G., Shadrin M. Yu. FPGA-Based Modelling of the Tsunami Wave Propagation at South Japan Water Area. Oceans’18 MTS/IEEE, Kobe, Japan, May 28-31, 2018.

Марчук Ан. Г. Вычисление высоты цунами, распространяющейся над наклонным дном, в лучевом приближении. Сиб. журн. вычисл. математики. 2015;18(4):377–388.

Марчук Ан. Г. Оценка высоты цунами, распространяющейся над параболическим дном, в лучевом приближении. Сиб. журн. вычисл. математики. 2017;20(1):23–35.

DART® (Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunamis). Режим доступа: https://nctr.pmel.noaa.gov/Dart/.

DONET (Dense Oceanfloor Network System for Earthquakes and Tsunamis). Режим доступа: https://www.jamstec.go.jp/donet/e/.

Hiroaki T., Yusaku O. Review on Near-Field Tsunami Forecasting from Offshore Tsunami Data and Onshore GNSS Data for Tsunami Early Warning. Journal of Disaster Research. 2014;9(3):339-357.

Voronina T. A. Recovering a Tsunami Source and Designing an Observational System Based on an R-Solution Method. Numerical Analysis and Applications. 2016;9(4):267–276.

Lavrentiev M. M., Kuzakov D. E., Romanenko A. A., Vazhenin A. P. Determination of Initial Tsunami Wave Shape at Sea Surface. Oceans’17 MTS/IEEE, Aberdeen, June 19-22, 2017.

Hayashi K., Vazhenin A. P., Marchuk An. G. Trans-Boundary Realization of the Nested-Grid Method for Tsunami Propagation Modeling. Proceedings of the Twenty-fifth (2015) International Ocean and Polar Engineering Conference. Kona, Big Island, Hawaii, USA, June 21-26, International Society of Offshore and Polar Engineers (ISOPE). 2015;3:741-747.

MacCormack R. W., Paullay A. J. Computational Efficiency Achieved by Time Splitting of Finite-Difference Operators. AIAA paper. 1972;72-154.

Стокер Дж. Дж. Волны на воде. М.: ИЛ, 1959. 617 с.

Marchuk An. G., Bezhaev A. Yu., Seliverstov N. I. New Gridded Digital Bathymetry for the Kuril-Kamchatka Region. Recent Advances in Marine Science and Technology' 2002, USA, Honolulu, 2002. Режим доступа: http://nippon.zaidan.info/seikabutsu/2002/00223/ contents/044.htm.

Smith W. H. F., Sandwell D. Global Seafloor Topography from Satellite Altimetry and Ship Depth Soundings. Science. 1997;277:1956-1962.

Gica E., Spillane M. C., Titov V. V., Chamberlin C. D., Newman J. C. Development of the Forecast Propagation Database for NOAA’s Short-Term Inundation Forecast for Tsunamis (SIFT). NOAA Technical Memorandum OAR PMEL-139, Pacific Marine Environmental Laboratory, Seattle, WA, March 2008.

Lavrentiev M. M., Kuzakov D. E., Marchuk An. G. Determination of Initial Sea Surface Displacement at Tsunami Source by a Part of Wave Profile. Oceans’18 MTS/IEEE, Kobe, Japan, May 28-31, 2018.

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.