Schválené projekty 2015

Rozdělení přidělené dotace z MŠMT na specifický vysokoškolský výzkum po fakultách se zohledněním celoškolských pracovišť na rok 2015

Celková přidělená částka z MŠMT na specifický vysokoškolský výzkum na VŠB-TUO - 52 908 039 Kč

Z toho 2.5% - 1 320 739 Kč - úhrada způsobilých nákladů spojených s organizací SGS

fakultapřidělená částka v Kč
FBI  1 172 500
EKF  4 962 700
FAST  3 070 000
FS  8 256 000
FEI 12 282 100
HGF  5 433 000
FMMI  6 188 000
VC 10 223 000
CELKEM 51 587 300
KódSP2015/171
Název projektuModelování povodní a znečištění
ŘešitelBrzobohatý Tomáš Ing., Ph.D.
Školitel projektu
Období řešení projektu01.01.2015 - 31.12.2015
Předmět výzkumu1. Anotace projektu:
Projekt si klade za cíl propojit několik vědních oborů majících přímou návaznost na numerické řešení úloh spojených s predikcí rizik, jako jsou úniky nebezpečných látek, šíření znečištění v ovzduší nebo ohrožení obyvatelstva vlivem přírodních jevů typu povodní. Propojením dostupných digitálních dat, jako jsou GIS data digitálních reliéfů zemského povrchu, digitální data z lidarových měření zemského povrchu, hydrometeorologická data aktuálního či predikovaného stavu atmosférické mezní vrstvy, stavu povodí, spolu s nejmodernějšími výpočetními postupy založenými na numerickém řešení Navier-Stokesových rovnic a s použitím HPC infrastruktury superpočítačového centra IT4Innovations, bude tým schopen nabídnout podpůrná řešení pro tvorbu inovativních postupů při realizaci zajištění bezpečnosti obyvatelstva. Problematika predikce rizik je jednou z významných výzkumných a aplikačních aktivit národního superpočítačového centra IT4Innovations, které rozvíjí například integrovaný systém Floreon+. Tento systém poskytuje řešení pro monitorování, modelování, predikci a podporu řešení krizových situací. V současné době je nasazen na území Moravskoslezského kraje, ale díky své modularitě a otevřenosti umožňuje snadné rozšíření i na ostatní regiony jakož i jeho flexibilní doplňování o nové modely a oblasti simulací pro potřeby krizového řízení. Jednou z hlavních aktivit navrhovaného projektu bude Integrace nových podpůrných modulů do systému Floreon+ a výzkum v oblasti numerických simulací, které mají přímou návaznost na modelování povodní a šíření znečištění v ovzduší.


2. Složení týmu:
seznam členů týmu: Ondřej Meca, Václav Ryška, Radim Vavřík, Aleš Ronovský
jméno odborného garanta: Tomáš Brzobohatý

Odborný garant týmu - Tomáš Brzobohatý: Ph.D. obdržel Ph.D. v oboru aplikované mechaniky. Je výzkumníkem v národním superpočítačovém centru IT4Innovations. Jeho pracovní zkušenosti zahrnují: pracovní pobyty z zahraničí - Stanford University - Department of Aeronautics & Astronautics (prof.Farhat Research Group), DAAD stipendium na Leibniz Universität Hannover, Germany (prof.Wriggers group). Jeho výzkumné aktivity zahrnují vývoj škálovatelných algoritmů pro rozsáhlé úlohy v řadech miliard neznámých, výzkum v oblasti doménových dekompozic, strukturální mechaniky, nelineárních problémů, dynamiky tekutin nebo FSI, spolupráce na mezinárodních projektech EXA2CT, PRACE, je autorem nebo spoluautorem více jak 30 publikací, zahrnující články v časopisech s IF, Vývoj software (MatSol, ESPRESO). Věnuje se také zlepšení HPC metodik v existujících open source knihovnách, jako je například OpenFOAM, poskytuje podporu průmyslovým partnerům IT4Innovations v této oblasti.

Členové týmu:
i. Ing. Radim Vavřík – student presenčního doktorského studijního programu na VŠB-TUO, program Informatika, komunikační technologie a aplikovaná matematika, obor Výpočetní a aplikovaná matematika. V roce 2014 obhájil diplomovou práci na téma Vývoj srážko-odtokového modelu Math1D pro spouštění na HPC. Tématem jeho disertační práce jsou paralelní algoritmy pro modelování v environmentálních vědách. Aktivně se podílí na řešení projektů Floreon+, Harpa.

ii. Ing. Aleš Ronovský - student VŠB-TU Ostrava, Fakulta elektrotechniky a informatiky, obor Výpočetní matematika v kombinované formě doktorského studia. Hlavní zaměření jeho výzkumných aktivit je v oblasti paralelního generování výpočetních sítí pro různé metody diskretizace (metoda konečných prvků, metoda konečných objemů). Dále se zabývá adaptivním zjemňováním výpočetních sítí a vyvažováním zátěže dostupných výpočetních prostředků. . Jeho pracovní zkušenosti zahrnují několikaletou účast na mezinárodním projektu PRACE (http://www.prace-ri.eu/ - spoluautor dvou whitepaperů), úzce spolupracuje s vývojovým týme softwaru Code_Saturne v STFC Daresbury Laboratory (UK), kde se zúčastnil dvou šesti týdenních stáží.

iii. Ing. Ondřej Meca - Studující čtvrtým rokem doktorské studium na fakultě elektrotechniky a informatiky. V rámci studia se zaměřuje na vývoj aplikace sw Kaira, která slouží pro vytváření paralelních aplikací. Tématem jeho disertační práce je implementace verifikace pro aplikace generované Kairou. Má zkušenosti s jazyky C/C++ a knihovnou MPI. V rámci IT4I spolupracoval na projektu řešení diskretizace kontaktních rozhraní, a rozhraní s nesouhlasnými sítěmi.

iv. Bc. Václav Ryška - student VŠB-TU Ostrava, Fakulta elektrotechniky a informatiky, obor Výpočetní matematika, v roce 2013 obhájil bakalářskou práci na téma Matematické modelování znečištění ovzduší. V současnosti je studentem magisterského studia a výstupem diplomové práce bude analýza nástrojů numerického modelování znečištění ovzduší, zpracování základních fyzikálních a chemických modelů šíření kontaminantů a jejich integrace do softwarového nástroje.


Publikace:

[1] A. Ronovsky, P. Kabelikova, V. Vondrak, C. Moulinec, "Parallel Mesh Multiplication and its Implementation in Code_Saturne", in B.H.V. Topping, P. Iványi, (Editors), "Proceedings of the Third International Conference on Parallel, Distributed, Grid and Cloud Computing for Engineering", Civil-Comp Press, Stirlingshire, UK, Paper 11, 2013. doi:10.4203/ccp.101.11

[2] Fedorčák D., Theuer M., Vavřík R., Kuchař Š., Vondrák V.: "Calibration Methods for Rainfall-Runoff Simulations inside FLOREON+ System". 5th Conference on Mathematical Modelling and Computational Methods in Applied Sciences and Engineering, Modelling 2014. June 2014, Rožnov pod Radhoštěm, Czech Republic.

[3] Vavrik R., Theuer M., Golasowski M., Kuchar S., Podhoranyi M., Vondrak, V.: "Automatic Calibration of Rainfall-Runoff Models and its Parallelization Strategies". 12th International Conference of Numerical Analysis and Applied Mathematics, ICNAAM'2014. September 2014, Rhodes, Greece.

[4] Portero A., Kuchar S., Vavrik R., Golasowski M., Massari G., Fornaciari W., Vondrak V.: "Framework for scheduling and resource management in time-constrained HPC applications". 12th International Conference of Numerical Analysis and Applied Mathematics, ICNAAM'2014. September 2014, Rhodes, Greece.

[5] RYŠKA, Václav. Matematické modelování znečištění ovzduší. Ostrava, 2013. VŠB-TU Ostrava. http://www.fei.vsb.cz/export/sites/fei/k470/cs/theses/bakalari/2013/rys0020.pdf



3. Cíle projektu a očekávané výstupy:

Projekt modelování povodní a znečištění si klade za cíl podpořit stávající výzkumné aktivity v rámci výzkumných programů národního superpočítačového centra IT4innovations, jmenovitě VP1 a VP3, s důrazem na rozšíření spolupráce napříč jednotlivými VP a posílení týmu zabývajícího se modelováním/predikcí rizik. Problematika predikce rizik je jednou z významných výzkumných a aplikačních aktivit národního superpočítačového centra IT4Innovations. Výstupy tohoto projektu budou využity pro potřeby systémů vyvíjených v rámci IT4Innovations, například pro integrovaný systém Floreon+. Postupným rozvojem původního řešení se projekt Floreon+ rozšířil o tematické oblasti, jako je např. řešení problematiky úniků nebezpečných látek nebo sledování vývoje dopravní situace během krizových situací (ve spolupráci s dalšími projekty Národního superpočítačového centra IT4Innovations). Pro systém Floreon+ je důležité také včasné poskytování informací o probíhající nebo blížící se situaci. Informace, ať už se jedná o aktuální měřená data, či co nejaktuálnější zpracované simulace a prognózy, je nutno dodat uživateli, v co nejkratším možném čase a na různých typech komunikačních kanálů. Tato vlastnost systému je zajištěna úzkým napojením na infrastrukturu Národního superpočítačového centra IT4Innovations, které umožňuje rychlejší výpočet náročných simulací i současné spouštění velkého množství méně náročných simulací, stejně tak jako vysokou dostupnost systému. Systém Floreon+ ve svém automatizovaném běhu pracuje s aktuálními i historickými daty ze sítě měřicích meteorologických stanic v Moravskoslezském kraji, které jsou pod správou Státního podniku povodí Odry a ČHMÚ. Pro krátkodobé predikce používá výsledky (srážky, teploty, rychlost a směr větru) předpovědního meteorologického modelu Medard Akademie věd ČR. Pro vytvoření výpočetního modelu má k dispozici data o terénu (např. digitální model reliéfu), různá vodohospodářská data (např. údaje o geometrii říčních koryt) a data o využití krajiny (např. krajinný pokryv).
Pro výzkum a aplikace v tak komplexní oblasti jako je problematika modelování povodní a znečištění ovzduší je nutné propojení několika vědních oborů. Složení týmu je s respektováním tohoto faktu záměrně multidisciplinární. Jednotliví členové týmu se budou zabývat těmito konkrétními tématy:

Aleš Ronovský – podpora výzkumného týmu ve smyslu pre-procesingu výpočetních modelů. Tvorba výpočetních sítí a geometrických modelů s přímým napojením na databáze lidarových dat a jiných mapových podkladů, úprava lidarových a jiných GIS dat pro potřeby výpočetních modelů, tvorba sítí pro open source software OpenFOAM a CodeSaturne, tvorba sítí pro ‘‘shallow water‘‘ model vyvíjený v rámci týmu, studium vlivu velikosti výpočetní sítě na přesnost řešení, adaptivní zjemňování sítí pro co nejkratší dobu predikce se zachováním přesnosti řešení.

Radim Vavřík – podpora výzkumného týmu ve smyslu tvorby výpočetních modelů pro predikci povodní, založených na ‘’shallow water‘‘ výpočetním modelu. Tento model je odvozen z Navier-Stokesových rovnic s využitím principu zachování hybnosti a hmotnosti. Závislou proměnnou v tomto modelu je výška/hloubka vodního toku a dvoudimenzionální rychlostní pole. Tento model je méně výpočetně náročný než plné řešení Navier-Stokesových rovnic se zahrnutím VOF (volume of fluid) přístupu pro simulace volné hladiny. V první fázi projektu bude využito již dostupných open source řešení pro simulace volné hladiny s využitím shallow water modelu.

Ondřej Meca – IT podpora výzkumného týmu zaměřená na zlepšování škálovatelnosti paralelních řešičů integrovaných ve volně dostupných kódech pro simulace povodní a znečištění. Dostupné kódy budou tesovány a optimalizovány nejen pro současnou architekturu clusteru Anselm, ale zejména pro architekturu clusteru Salomon, který bude dodán v průběhu roku 2015. Vzhledem k plánované akceleraci výpočetních uzlů clusteru Salomon pomocí koprocesorů Intel Xeon Phi bude jedním z cílů také studium jejich možného využití pro další urychlení CFD simulací

Václav Ryška – podpora výzkumného týmu v oblasti simulací šíření znečištění ovzduší. Náplní práce bude analýza nástrojů numerického modelování znečištění ovzduší, zpracování základních fyzikálních a chemických modelů šíření kontaminantů a jejich integrace do vybraného softwarového nástroje.
Členové řešitelského týmuIng. Tomáš Brzobohatý, Ph.D.
Ing. Ondřej Meca
Ing. Aleš Ronovský
Ing. Václav Ryška
Ing. Radim Vavřík
Specifikace výstupů projektu (cíl projektu)Hlavní cíle projektu jsou:

• Tvorba výpočetních sítí pro podporu numerických modelů s podporou GIS datových vrstev

• Studium vlivu velikosti výpočetních sítí na přesnost řešení

• Implementace shallow warer modelu pro simulace rozlivů

• Porovnání shallow water modelu s přímou CFD VOF simulací

• Implementace automatizovaného nástroje pro predikci šíření znečištění ovzduší

• Studium možnosti predikce znečištění ovzduší generované automobilovou dopravou s možností využití dat o hustotě dopravy poskytovaných systémem RODOS

• Testování a optimalizace kódu pro výpočty na clusteru Salomon s využitím procesorů Haswell.

• Studium možnost akcelerace dostupných metod pomocí koprocesorů Intel Xeon Phi.

• Optimalizace paralelních řešičů ve stávajících open source sw pro simulace proudění

• Tvorba softwarových modulů pro podporu systému Floreon+

• Zapojení se do řešení projektů Centra IT4Innovations (PRACE, TAČR, GAČR, H2020).

• Výsledky výzkumu budou prezentovány na mezinárodních a národních konferencích a publikovány ve sbornících z těchto konferencí.

4. Impakt navrhovaného projektu:

Navrhovaný projekt zaměřený na numerické řešení úloh spojených s predikcí rizik, spolu s multidisciplinárním složením výzkumného týmu, přímo podpoří vědeckovýzkumné aktivity národního superpočítačového centra IT4Innovations v jeho významných projektech jako je například systém Floreon+. Projekt svou navrhovanou strukturou bude mít přímý dopad na prohloubení spolupráce napříč výzkumnými programy IT4innovations. Význam navrhovaného projektu zasahuje jak do teoretické tak aplikační sféry. Rozvojem numerických metod pro predikci rizik spolu s optimalizací paralelních řešičů, prohloubí projekt propojení již zavedených systémů s HPC infrastrukturou IT4innovation, což bude mít přímý vliv na kvalitativní posun v rychlosti simulací predikce rizik.


5. Postup řešení:

Q1 2015:
• Rešerše dostupných open source řešení pro simulace povodní založených na shallow water modelu
• Metodika tvorby výpočetních sítí pro potřeby modelování povodní a znečištění
• Metodika výpočtu šíření znečištění ovzduší
• Studium možnosti optimalizace a akcelerace paralelních řešičů a možnosti použití řešičů vyvíjených v rámci projektu EXA2CT

Q2 2015:
• Implementace shallow water modelu pro simulace povodní.
• Srovnání implementace s dostupným open source řešením
• Srovnání shallow water modelu s CFD VOF přístupem
• Implementace knihovny pro vytváření výpočetních sítí
• Sestavení výpočetního modelu pro šíření znečištění ovzduší

Q3-Q4 2015 (v závislosti na termínu dodání clusteru Salomon):
• Testování a optimalizace knihoven na novém clusteru Salomon, testování na procesorech Haswell.
• Studium možné akcelerace knihovny pomocí koprocesorů Intel Xeon Phi. Základní testy na clusteru Salomon.
• Studium možnosti využití dat o hustotě automobilové dopravy pro predikci znečištění ovzduší vlivem automobilové dopravy
• Metodika propojení vyvinutých nástrojů pro propojení do stávajících systému používaných v rámci IT4Innovations
• Implementace automatizovaného nástroje pro predikci šíření znečištění ovzduší

Rozpočet projektu - uznané náklady

NávrhSkutečnost
1. Osobní náklady
Z toho
13400,-13400,-
1.1. Mzdy (včetně pohyblivých složek)10000,-10000,-
1.2. Odvody pojistného na veřejné zdravotně pojištění a pojistného na sociální zabezpečení a příspěvku na státní politiku zaměstnanosti3400,-3400,-
2. Stipendia54000,-54000,-
3. Materiálové náklady0,-99,-
4. Drobný hmotný a nehmotný majetek10700,-23977,-
5. Služby0,-0,-
6. Cestovní náhrady110000,-96624,-
7. Doplňkové (režijní) náklady max. do výše 10% poskytnuté podpory20900,-20900,-
8. Konference pořádané VŠB-TUO k prezentaci výsledků studentského grantu (max. do výše 10% poskytnuté podpory)0,-0,-
9. Pořízení investic0,-0,-
Plánované náklady209000,-
Uznané náklady209000,-
Celkem běžné finanční prostředky209000,-209000,-