Высокопроизводительный программный комплекс моделирования экстремальной динамики морских плавучих объектов Безгодов А.А., Иванов С.В., Косухин С.С.

2 Особенности постановки задачи: моделирование динамики судна в экстремальных ситуациях -Реалистичное воспроизведение внешних воздействий (нерегулярное волнение, а не «расчетная синусоида») -Учет нелинейных эффектов, в т.ч. обусловленных взаимодействием различных видов колебаний -Выполнение расчетов в реальном масштабе времени (для использования в бортовых СППР)

3 Схема системы имитационного моделирования динамики судна Интерфейс пользователя Управляющая Система (Lua) Модель внешних воздействий Модель судна Визуализатор Анализатор экстремальных ситуаций Датчики

4 Моделирование внешних воздействий: концепция климатических спектров Климатические Спектры (Японское море) ВВ (45%) ВВ+З (55%)

5 Модель Лонге-Хиггинса: u, v ω Моделирование внешних воздействий: генерация случайной поверхности моря Ветровое волнение Зыбь

6 Подходы к моделированию динамики судна Механический: 6DOF-тв. тело + коэффициенты - Грубый метод, позволяет отражать только отдельные классы экстремальных ситуаций - Адекватность моделей – только для регулярного волнения - Является эталоном для расчета качки в оперативном (не экстремальном) режиме эксплуатации (В. Фруд – 1861, А.Н. Крылов – 1891, опыт судостроения) Гидродинамический: 3D задача + заданные гран. усл. - Крайне ресурсоемкий расчет - Специфические требования к сеточной области - Адекватность «бассейну» (воспроизводимость модельного эксперимента) Комбинированный: - Точный ГС-расчет - Прибл. ГД-расчет - Менее точный, чем гидродинамический (10-15 %). - Не требует настройки структуры уравнений под конкретный класс экстремального явления - Вычислительно эффективен

7 Силы, действующие на судно

8 Использование нерегулярных сеток для интегрирования сил и моментов по корпусу N/m 2

9 Анализ накопления вычислительной ошибки в процессе интегрирования (характеристики дрейфа судна длиной L=120 м) 3 минуты:< 20 см < 1 ° точка/м точки/м точек/м точек/м 2

10 Имитационная модель vs. Уравнения движения (1): Виртуальное кренование Уравнение бортовой качки: ν, η - ?

11 Имитационная модель vs. Уравнения движения (2): Интерпретация абстракции редукционного коэффициента Редукционный коэффициент: κ(ω) - ?

13 Применение программного комплекса (2): Прогноз развития экстремальных ситуаций в бортовых системах поддержки принятия решений

14 Способы распараллеливания расчетов Распараллеливание вычисления интегралов по корпусу –Дисбаланс нагрузки процессоров: нагрузка изменяется во времени (количество погруженных точек сетки вследствие качки) Распараллеливание вычисления динамики судна во времени (с учетом стохастичности волнения) –Зависимость от предыстории: нужен «перехлест» на 3-5 минут по времени Распараллеливание по отдельным сценариям (например, сочетанием скорости и курсового угла) - Существенный дисбаланс нагрузки –Разное время для сбора статистики (заданное число колебаний) –Разное время выявления экстремальных ситуаций –Потеря масштабируемости (количество сценариев ограничено)

15 Пример: распараллеливание интегрирования по корпусу судна (дисбаланс нагрузки) 4 CPU Каждый CPU - интегрирует свой участок корпуса Качка вызывает дисбаланс нагрузки (до 200%) Перемешивание (shuffle)

16 Распараллеливание прогноза экстремальных ситуаций O = A * V * T A = V = 3..5 T = Необходимость оценки времени прогноза на основе –Текущей ситуации –Использования экспертных знаний

17 Выводы Использование комбинированного (ГС+ГД) подхода позволяет в реальном времени осуществлять моделирование судна, при этом учитывать ряд явлений, учет которых недостижим при использовании механического подхода. Использование нерегулярных сеток позволяет эффективно решать задачу интегрирования сил по корпусу и балансировать нагрузку на CPU. Необходимо осуществлять предварительную оценку времени прогнозирования экстремальных ситуаций на основе текущей ситуации и экспертных знаний для обеспечения баланса нагрузки на вычислительных узлах.

Вопросы?