Персональные супервычисления в гидродинамике рек Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет Кафедра гидротехнических сооружений. - презентация

1 Персональные супервычисления в гидродинамике рек Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет Кафедра гидротехнических сооружений © Сидоров Николай Павлович – инициатор инновационного проекта 1 Нижний Новгород г.

2 Область применения Прогнозирование и исследование режимов речных бассейнов 2 - Прогнозирование зон затопления паводками бассейна р.Сура, с использованием гидродинамической модели разветвленной речной системы (выполнено в составе Схемы комплексного использования и охраны водных объектов) Заказчик Верхне-Волжское бассейновое водное управление МПР РФ г.

3 3 - «Расчёт параметров возможной гидродинамической аварии на гидротехнических сооружениях гидроузла Протяжка на р. Саровка в г.Сарове» Заказчик администрация Российского федерального ядерного центра г.Саров г. Область применения Моделирование чрезвычайных ситуаций и прогнозирование последствий гидродинамических аварий ГТС

4 4 Область применения Прогнозирование влияния на гидротехнические сооружения динамики русловых процессов - «Оценка влияния русловых и склоновых процессов в реке Оке на размещение и техническое решение варианта водозабора БНС Нижегородской АЭС» Заказчик «АТОМЭНЕРГОПРОЕКТ» г.

5 5 Область применения Обоснование проектных решений - Раздел «Моделирование гидродинамических условий» рабочего проекта «Реконструкция объекта культурного наследия регионального значения – опоры ЛЭП инженера В.Г. Шухова на левом берегу р. Ока в г. Дзержинске Нижегородской области», заказчик администрация Нижегородской области г.

6 6 Область применения Прогнозирование и улучшение эксплуатационных условий гидротехнических сооружений - «Прогноз возможных русловых переформирований в Гребневском канале в результате строительства берегоукрепления и оценка их влияния на спроектированные гидротехнические сооружения». Заказчик ОАО «Нижегородметропроект» г, ЗАО «ПИРС» г.

7 7 Область применения Прогнозное моделирование гидродинамических условий для оценки изменения уровенного и скоростного режимов в условиях антропогенного вмешательства - План расположения объектов выполненных работ по моделированию гидродинамических условий на реках Волга и Ока у Нижнего Новгорода Заказчики «Волжское ГБУ», ОАО «Нижегородметропроект», ГК «Столица Нижний», ЗАО «ПИРС», администрация Нижегородской области – г.

8 8 Область применения Обеспечение условий судоходства, выработка природоохранных мероприятий - «Исследование влияния комплексной разработки карьеров НСМ, расположенных на участке р. Волги от 878,0 до 954,0 км и на участке р. Оки от устья до 58,0 км, на гидродинамический режим и судоходные условия рек Волги и Оки» Заказчик: «Волжское государственное бассейновое управление водных путей и судоходства» (Волжское ГБУ) г. Габариты 70×65 км. Размер сетки 7 000×6 500 узлов, dx=dy=10 м, сетка количеством узлов 45,5 млн, считается экспертами «непосильным для персональных компьютеров». Общая протяжённость изученных участков рек – 160 км, из них: по р.Волге – 102 км; по р.Оке – 58 км

9 Цели проекта Результирующая продукция проекта – внедрённая на инновационном уровне технология в виде методики и компьютерной программы численного моделирования гидродинамики речных водотоков и процессов на них. Реализация массивно параллельных вычислений на высокопроизводительных передовых графических процессорах, используемых в персональных компьютерах, и имеющих возможность выполнения персональных супервычислений сопоставимых с суперкомпьютерами. Разработка сопутствующей технологии работы с ресурсоёмкой высоко-детализированной цифровой топографической основой на базе географических информационных систем и данных космического мониторинга. 9 « Персональные супервычисления в гидродинамике рек »

10 Функции продукта Вычислениями гидродинамики рек прогнозируются: - скорости и уровни воды; - зоны затопления; - русловые процессы и размывы; - распространения загрязнений и др. Расчёты гидродинамических условий в водном хозяйстве необходимы для решения широкого круга задач: - обеспечение научных исследований; - обоснование проектных решений; - улучшение эксплуатационных условий; - обеспечение условий судоходства; - выработка природоохранных мероприятий; - моделирование чрезвычайных ситуаций. В конечном итоге обеспечивается создание благоприятных условий жизнедеятельности населения и устойчивое развитие регионов. 10 « Персональные супервычисления в гидродинамике рек »

11 Идея проекта и эффект Текущая задача проекта: кардинальная переработка, имеющейся компьютерной программы Stream2D, осуществив переход на технологию CUDA потоковых вычислений и соответственно увеличение, на порядки (25 ÷100 раз), производительности расчётов гидродинамики рек. Конечной целью текущей задачи является создание принципиального задела для дальнейшего инновационного внедрения на рынке, как исследований полностью соответствующих потребностям водного хозяйства, так и самого программного продукта, который, по крайней мере, будет значительно сокращать время на подобные исследования, что позволит применять расчёты в более широком круге задач, и создаст в водном хозяйстве рынок супервычислений. Кроме того, откроются возможности для решения новых классов задач. Например, многолетнее прогнозирование меандрирования рек, при котором плановые подвижки положения русла происходят в результате русловых процессов, сильно изменяющихся сезонно – во время весенних половодий и летне-осенних меженей, и соответственно это прогнозирование требует продолжительных расчётных интервалов, к настоящему времени не доступных современным технологиям моделирования гидродинамики рек. Так же, сейчас в МПР РФ ставятся новые задачи исследований рек и их стоков в условиях глобального изменения климата, и соответственно требуются новые более масштабные модели. 11 « Персональные супервычисления в гидродинамике рек »

12 Потребители Потребителями продукта исследований основанных на подобных расчётах являлись: - «Волжское государственное бассейновое управление водных путей и судоходства» (Волжское ГБУ); - «Верхне-Волжское бассейновое водное управление» Федерального агентства водных ресурсов МПР РФ; - «Атомэнергопроект»; - Организации, проектирующие и эксплуатирующие гидротехнические сооружения (ОАО «Нижегородметропроект», ГК «Столица Нижний», ЗАО «ПИРС», администрация г.Саров); - Контролирующие их органы Госнадзора; - Возможен выход на иностранные рынки, чему будут способствовать имеющиеся партнёрские международные отношения. 12 « Персональные супервычисления в гидродинамике рек »

13 Существующие аналоги Mike21 (Дания) SMS (США) Flumen (Швейцария) RIVER и BOR (ОАО НИИЭС) - Не соответствуют ни современным высокотехнологичным требованиям, ни многим потребностям водного хозяйства РФ. - Не используют ни потоковых, ни параллельных вычислений. - Занижают детализацию до не соответствующей на порядки масштабу изучаемых процессов, что делает результаты фиктивными. - Их нерегулярные сетки искажают результаты, не соответствуют структуре ГИС, требуют недель на подготовку и затрудняют анализ. - Выполняются краткосрочные, а требуются годичные и многолетние прогнозы. 13 « Персональные супервычисления в гидродинамике рек »

14 История проекта 2004 г. – инициация и разработка первоначальной версии программы Stream2D моделирования гидродинамики водотоков в двумерной постановке г. –развитие и оттачивание программного комплекса при выполнение более 20 договорных работ, и тем в Нижнем Новгороде создан рынок исследований гидродинамики. Январь 2009 г. – работы над международным проектом в Германии. Выполнено сравнение Stream2D c Flumen, отмечено превосходство на порядок над импортным программным комплексом. Июнь – декабрь 2009 г. – кардинальная переработка программного комплекса Stream2D, применение параллельных вычислений и ряда ноу-хау в области информационных технологий. В результате увеличена в 15 раз производительность вычислений и открыты новые возможности по масштабу площадей расчёта. В итоге превышена на порядок детализация расчетов, считавшаяся экспертами международной научно-практической конференции «Современные проблемы водохранилищ и их водосборов», секции «Гидро- и геодинамические процессы», проведенной в мае 2009 г. в г. Пермь «непосильной для персональных компьютеров», но требуемая в выполненной НИР по заказу Волжского ГБУ. Декабрь 2009 г. определены дальнейшие перспективные планы развития программного комплекса Stream2D, организован проект «Персональные супервычисления в гидродинамике рек», сформированы задачи проекта, и проект для получения финансирования подан на конкурс грантов, проводимый НАИРИТ, зарегистрирован на сайте г. подготовлены статьи с представлением двух инновационных разработок в ведущие профильные журналы: Водное хозяйство России, «Расчёт на одномерной модели речной сети зон затопления по максимальным уровням водпостов, из опыта СКИОВО р.Сура; Гидротехническое строительство, 1 квартал 2011 г. - «Численные гидродинамические модели на высотных растрах ГИС». 14 « Персональные супервычисления в гидродинамике рек »

15 Для успешного завершения проекта нужно Требуется финансирование – 1 млн.руб. для разработки технологии, а с учётом продвижения продукта 1,5 млн.руб. Денежные средства гранта, в целом, необходимы для сохранения набранного темпа исследований и выхода на новый качественный уровень, как по научно-техническому масштабу, так и по широте реализации и внедрения разработок. Запрашиваемые средства позволят во время разработки технологии привлечь руководителю помощников для формирования моделей тестовых расчётов, обеспечат участникам требуемую полную занятость, позволят приобрести специализированный компьютер, обладающий необходимым набором графических процессоров, используемых для вычислений, и имеющий твердотельные запоминающие устройства, крайне необходимые для работы с масштабными ГИС проектами; а при продвижении продукта позволят приобрести ноутбук для презентаций, зарегистрировать права интеллектуальной собственности и оплатить разного рода издержки, транспортные и организационные сборы профильных мероприятий. 15 « Персональные супервычисления в гидродинамике рек »

16 Контактная информация Сидоров Николай Павлович - старший преподаватель кафедры Гидротехнических сооружений Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета (ННГАСУ). - научно-практическое направление: численное моделирование водотоков и речных систем с использованием ГИС технологий. Ильинская ул., д.65, Нижний Новгород Тел. (каф. ГС) 8(831) ; Тел ; 16 « Персональные супервычисления в гидродинамике рек »