Шифр “Паралельні обчислення”

Побудова моделі прогнозування шкідливих викидів в атмосферу з використанням графічних багатоядерних процесорів

АНОТАЦІЯ

шифр “Паралельні обчислення”

Актуальність

В наш час, практично у всіх галузях промисловості, екології, енергетиці, де прогнозування є дуже важливим, більша частина процесів є динамічними. Задачі, що виникають у цих процесах, описують у формі дискретних динамічних моделей. Існує велика кількість методів побудови дискретних динамічних моделей різноманітних систем. Для комп'ютерного моделювання найкращим є метод моделювання на основі дискретних рівнянь стану. Він має практичне застосування в багатьох галузях та є найбільш формалізованим. У працях Ю. Я. Козака та П. Г. Стахіва для побудови динамічних моделей електричних та електронних кіл застосовано оптимізаційний підхід. Він дозволяє універсалізувати побудову моделей. Проте, при використанні такої універсалізації, виникають складні оптимізаційні задачі, які складно розв’язати за короткий час навіть за допомогою найсучасніших обчислювальних ресурсів. Також, якщо враховувати всі чинники моделі, то її складність зростає експоненційно, що зумовлює великі потреби до обчислювальних ресурсів. Саме тому сьогодні дуже актуальним є створення методів побудови моделей, що піддаються реалізації на вже наявній обчислювальній техніці і забезпечують необхідну швидкість обчислення. Зазначені вимоги забезпечує метод розпаралелення обчислювального процесу. Через високу вартість технічних засобів розпаралелення, варто використовувати апаратні засоби, що є загальнодоступними та підтримують розпаралелення обчислень. Найпоширенішими з них є: багатоядерні, багатопроцесорні, кластерні системи, а також графічні обчислювальні системи. Графічні процесори, розповсюджені в ноутбуках та комп'ютерах, дозволяють виконувати операції з великими масивами даних. Саме тому реалізація класичних алгоритмів моделювання екологічних систем на графічних процесорах є актуальною.

Мета і задачі дослідження

Метою роботи є підвищення ефективності побудови дискретних динамічних моделей для прогнозування шкідливих викидів в атмосферу з використанням розпаралелення на графічному процесорі.

Задачі дослідження:

• аналіз сучасних програмних та апаратних засобів для розпаралелення обчислень;

• аналіз проблем побудови дискретних динамічних моделей;

• удосконалення побудови дискретних динамічних моделей для прогнозування концентрацій шкідливих викидів;

• реалізація алгоритму на основі технології OpenCL.

Методи дослідження

Для вирішення поставлених задач застосовувались методи теорії динамічних систем, методи оптимізації, методи розпаралелення обчислень, методи імітаційного моделювання.

Загальна характеристика наукової роботи

Наукова робота складається із вступу, трьох розділів, висновків і списку використаних джерел. Загальний обсяг роботи 29 сторінок. Основний зміст викладений на 23 сторінках друкованого тексту, містить 9 рисунків. Список використаних джерел містить 16 найменувань.

Ключові слова: графічні багатоядерні процесори, GPU, розпаралелення, дискретні динамічні моделі, прогнозування шкідливих викидів.

ЗМІСТ

1. ПОБУДОВА ДИСКРЕТНИХ ДИНАМІЧНИХ МОДЕЛЕЙ ПРОГНОЗУВАННЯ КОНЦЕНТРАЦІЇ ШКІДЛИВИХ ВИКИДІВ 6

1.1 Проблеми побудови математичних моделей прогнозування концентрації шкідливих викидів в атмосферу 6

1.2 Метод побудови дискретних динамічних моделей 7

2. АНАЛІЗ ТА ОБГРУНТУВАННЯ ВИБОРУ ЗАСОБІВ РОЗПАРАЛЕЛЕННЯ ОБЧИСЛЕНЬ 12

2.1 Сучасні апаратні засоби виконання паралельних обчислень 12

2.2 Програмні засоби розпаралелення на графічних багатоядерних процесорах 14

3. ПАРАЛЕЛІЗАЦІЯ ПОБУДОВИ МОДЕЛЕЙ 18

3.1 Розпаралелення побудови дискретних динамічних моделей 18

3.2 Розпаралелення процедури пошуку мінімального значення функції мети 21

3.3 Оцінка ефективності розпаралелення 24

ВИСНОВКИ 27

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 28

ВСТУП

Однією з глобальних проблем людства сьогодні є питання екології навколишнього середовища та його моніторинг.

Екологічний моніторинг – це інформаційна система спостережень, оцінки і прогнозу змін у навколишньому середовищі, створена з метою виділення антропогенних складових цих змін на тлі природних процесів.

У систему екологічного моніторингу входять спостереження за станом елементів біосфери та спостереження за джерелами і факторами антропогенного впливу. Атмосфера завжди містить певну кількість домішок, які надходять з природних та антропогенних джерел. Викиди шкідливих речовин здійснюють насамперед автотранспорт та промислові підприємства.

Найбільш розповсюдженими шкідливими речовинами, які забруднюють атмосферне повітря, є: двоокис нітрогену NO₂, двоокис сульфуру SO₂, оксид нітрогену NO, формальдегід H₂CO та неорганічний пил.

На сьогоднішній день для попередження екологічних проблем та швидкого реагування на них необхідно прогнозувати концентрації шкідливих викидів в атмосферу. Найпростішим способом виявлення чинників, що впливають на екосистеми, є побудова математичних моделей.