Schválené projekty 2016

Rozdělení přidělené dotace z MŠMT na specifický vysokoškolský výzkum po fakultách se zohledněním celoškolských pracovišť na rok 2016

Celková přidělená částka z MŠMT na specifický vysokoškolský výzkum na VŠB-TUO - 55 896 914 Kč

Z toho 2.5% - 1 397 423 Kč - úhrada způsobilých nákladů spojených s organizací SGS

fakulta přidělená částka v Kč
FBI  1 270 231
EKF  4 459 400
FAST  2 765 016
FS  9 344 371
FEI 13 781 413
HGF  5 130 549
FMMI  7 000 000
VC 10 748 511
CELKEM 54 499 491

KódSP2016/150
Název projektuModelování povodní a znečištění II
ŘešitelBrzobohatý Tomáš Ing., Ph.D.
Školitel projektu
Období řešení projektu01.01.2016 - 31.12.2016
Předmět výzkumu1. Anotace projektu:
Projekt navazuje na předchozí specifický výzkum v rámci SGS Modelování povodní a znečištění. V rámci prodloužení projektu chce řešitelský tým pokračovat v započatém úsilí při propojování několika 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:   Václav Ryška, Radim Vavřík, Jakub Smékal, Jan Křenek
jméno odborného garanta: Tomáš Brzobohatý
Školitel: Štěpán Kuchař

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, 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 prezenčního doktorského univerzitního studijního programu Výpočetní vědy na VŠB-TUO. V roce 2014 obhájil diplomovou práci na téma Vývoj srážko-odtokového modelu Math1D pro spouštění na HPC. Tématem jeho disertační práce je paralelní řešení inverzních úloh. Aktivně se podílí na řešení projektů Floreon+ a Harpa, kde se zaměřuje na výzkum a vývoj modelů pro simulování a predikci povodní a na efektivní využití těchto modelů v rámci HPC prostředí.

ii. Ing. Václav Ryška - prezenční student doktorského studia VŠB-TU Ostrava, Univerzitního studijního programu Výpočetní vědy a stejnojmenného oboru. V roce 2015 obhájil diplomovou práci na téma Numerické modelování šíření znečišťujících látek v ovzduší. Tématem disertační práce jsou Paralelní algoritmy pro modelování v environmentálních vědách. Plánovaným výstupem dizertační práce je implementace paralelního shallow water 2D modelu pro modelování povodní.

iii. Bc. Jakub Smékal - student magisterského studijního programu na VŠB-TUO, Fakulta elektrotechniky a informatiky, obor Informatika a výpočetní technika. V roce 2015 obhájil bakalářskou práci na téma Vývoj webového rozhraní systému Floreon+. Tématem jeho semestrálního projektu je vyvinout dynamické generování mapové kompozice na webovém rozhraní. Aktivně se podílí na vývoji uživatelského rozhraní projektu Floreon+.

iv. Bc. Jan Křenek - student magisterského studijního programu na VŠB-TUO, Fakulta elektrotechniky a informatiky, obor Informatika a výpočetní technika, v roce 2015 obhájil bakalářskou práci na téma Zátěžové testování a optimalizace webového rozhraní systému Floreon+. Tématem jeho semestrálního projektu je vyvinout Adaptér pro integraci geografických dat uložených mimo geografické databáze a následně poskytnout geografické data pomocí aplikace Geoserver. Aktivně se podílí na vývoji projektu Floreon+.



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 II si jako předchouí SGS Modelování povodní a znečištění 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+ a in house kód ESPRESO. 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.


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+, rozvoj sw ESPRESO apod. 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.


Členové řešitelského týmuIng. Tomáš Brzobohatý, Ph.D.
Ing. Jan Křenek
Ing. Štěpán Kuchař, Ph.D.
Ing. Václav Ryška
Ing. Jakub Smékal
Ing. Radim Vavřík
Specifikace výstupů projektu (cíl projektu)Jednotliví členové týmu se budou zabývat těmito konkrétními tématy:

Radim Vavřík – podpora výzkumného týmu ve smyslu implementace výpočetních modelů pro predikci rizik. IT podpora výzkumného týmu zaměřená na zlepšování škálovatelnosti paralelních řešičů integrovaných v in house kódu ESPRESO. Jedním z cílů je také akcelerace pomocí koprocesorů Intel Xeon Phi a GPU.

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.

Jakub Smékal - Student navazujícího magisterského studia programu Informatika a výpočetní technika. Bude se starat o web user interface, do kterého bude implementovat novou funkčnost, v návaznosti na práci kolegů. Taktéž bude vytvářet moduly, skrze které bude možné zadávat vstupní data pro vyvíjené algoritmy.

Jan Křenek - Student navazujícího magisterského studia programu Informatika a výpočetní technika. Bude se starat o zpracování výpočtů z clusteru a jejich následnou vizualizaci klientům v grafickém uživatelském rozhraní, v návaznosti na práci kolegů. Tuto část bude možno rozšířit o nový typ vstupních dat.

Hlavní cíle projektu jsou:

• Studium numerických metod pro řešení advekčně difúzní rovnice pro modelování šíření znečištění vod a ovzduší.

• Implementace řešení advekčně-difuzní rovnice pomocí metody konečných prvků v programovém prostředí MATLAB

• Studium stabilizačních schémat pro aplikaci advekčně difuzní rovnice, jako jsou metody SUPG, SPG, GLS, USFEM, CPG a podobně.

• Studium možnosti řešení nesymetrických systémů pomocí FETI metod

• Implementace advekčně difuzní rovnice do in house kódu ESPRESO

• Implementace vybraných stabilizačních metod pro řešení advekčně difuzní rovnice pro vysoká Pecletova čísla.

• Studium vhodnosti a řešitelnosti DGM (Discontinuous Galerkin Methods) a DEM (Discontinuous Enrichment Method) metod pro šíření znečištění.

• Zapojení nových řešičů do systému Floreon+ a tvorba softwarových modulů pro podporu systému Floreon+.

• Nová funkčnost web user interface systému Floreon+.

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

• Akcelerace dostupných metod pomocí koprocesorů Intel Xeon Phi.

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

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

Rozpočet projektu - uznané náklady

NávrhSkutečnost
1. Osobní náklady
Z toho
0,-0,-
1.1. Mzdy (včetně pohyblivých složek)0,-0,-
1.2. Odvody pojistného na veřejné zdravotně pojištění a pojistného na sociální zabezpečení a příspěvku na státní politiku zaměstnanosti0,-0,-
2. Stipendia120000,-120000,-
3. Materiálové náklady0,-0,-
4. Drobný hmotný a nehmotný majetek5000,-649,-
5. Služby0,-0,-
6. Cestovní náhrady90000,-94351,-
7. Doplňkové (režijní) náklady max. do výše 10% poskytnuté podpory25000,-25000,-
8. Konference pořádané VŠB-TUO k prezentaci výsledků studentského grantu (max. do výše 10% poskytnuté podpory)0,-0,-
9. Pořízení investic0,-0,-
Plánované náklady240000,-
Uznané náklady240000,-
Celkem běžné finanční prostředky240000,-240000,-