Введение к работе
Актуальность темы обусловлена необходимостью развития критических систем предсказательного моделирования чрезвычайных ситуаций, в частности - нагонных наводнений и их последствий. Нагонные наводнения возникают вследствие перемещения водных масс под воздействием барических образований и характеризуются отсутствием периодичности, а также значительным подъемом уровня воды. География нагонных наводнений очень обширна, от них страдают Европа, побережье Бенгальского залива, Центральная Америка, восточное побережье США. На территории России наиболее часто сильные штормовые нагоны возникают в Санкт-Петербурге (восточная часть Финского залива). Для защиты Санкт-Петербурга от нагонных наводнений построен комплекс защитных сооружений (КЗС). Для решения задачи информационной поддержки процессов управления КЗС в условиях наводненческой ситуации используется система предотвращения угрозы наводнений (СПУН), которая прогнозирует изменчивость уровня и течений в Финском заливе и в случае возникновения наводненческой ситуации вырабатывает план маневрирования затворами КЗС.
Процессы сопровождения и развития комплекса моделей СПУН требуют выполнения ресурсоемких вычислительных экспериментов (ВЭ) при использовании композиции программных пакетов с различными интерфейсами и требованиями к вычислительным ресурсам, с организацией доступа к удаленным источникам данных1 и средствам визуализации результатов расчетов. Для автоматизации постановки и выполнения ВЭ используется традиционный инструментарий eScience - проблемно-ориентированные оболочки (Problem Solving Environment, PSE), обеспечивающие весь цикл работ по формированию сценариев моделирования, подготовки данных, проведению вычислений и интерпретации результатов для исследователя-предметника средствами распределенных вычислений. В России исследования, связанные с созданием и применением PSE, отражены в работах научных школ А.П. Афанасьева, Ю.Я. Болдырева, В.А. Ильина, Б.Н. Четверушкина, М.В. Якобовского и др. Однако адаптация накопленного опыта создания и использования PSE применительно к специфике предметной области и особенностям функционирования моделируемого объекта (КЗС) требует проведения отдельных исследований, что и определяет актуальность работы.
Предметом исследования являются технологии распределенных вычислений для организации PSE ВЭ в части анализа и прогноза наводнений и их последствий.
Целью работы является разработка методов и технологий организации распределенного вычислительного эксперимента в части моделирования нагонных
1 Web-серверы метеорологических прогнозов, системы обмена данными (BOOS), измерительные устройства.
наводнений в Санкт-Петербурге применительно к задачам повышения эффективности функционирования СПУН КЗС. Задачи исследования:
анализ сценариев моделирования наводненческих ситуаций и их последствий в целях обоснования требований к средствам организации ВЭ;
обоснование принципов сопряжения вычислительных моделей, источников данных и средств интерпретации данных при организации ВЭ в области предсказательного моделирования нагонных наводнений;
разработка архитектуры проблемно-ориентированной среды ВЭ на основе облачных технологий второго поколения;
разработка алгоритмов и программная реализация композитных приложений (КП) предсказательного моделирования сценариев наводненческих ситуаций в рамках облачной модели AaaS (Application as a Service);
экспериментальные исследования характеристик проблемно-ориентированной среды ВЭ и функциональных характеристик КП;
применение разработанных методов и технологий для настройки и оптимизации функционирования СПУН КЗС.
Методы исследования включают в себя методы теории систем и системного анализа, численные методы математической физики, теории вероятностей и математической статистики, методы инженерии программного обеспечения и научной визуализации.
Научная новизна обусловлена построением проблемно-ориентированной среды ВЭ на основе концепции iPSE (Intelligent Problem Solving Environment) с использованием технологий облачных вычислений второго поколения, что обеспечивает эффективное решение новых классов задач предсказательного моделирования, связанных с оценкой неопределенности и рисков возникновения наводненческих ситуаций в Санкт-Петербурге.
Практическую значимость работы определяют:
проблемно-ориентированная среда для выполнения вычислительных экспериментов в области прогноза и предотвращения нагонных наводнений на основе концепции и технологии iPSE;
результаты численных экспериментов для интерпретации результатов работы СПУН КЗС в 2011-2013 гг. с целью ее валидации, настройки и модернизации2.
На защиту выносятся:
архитектура проблемно-ориентированной среды ВЭ в области предсказательного моделирования нагонных наводнений, обеспечивающая создание и эффективное исполнение КП сценариев моделирования в облачной среде второго поколения на основе модели AaaS;
алгоритмы построения вычислительных сценариев и КП в части ансамблевого прогнозирования нагонных наводнений, оценки неопределенности прогнозов и планов предотвращения наводнений, моделирования затопления го-
2 Материалы являются собственностью ФКП «Дирекция комплекса защитных сооружений» Министерства регионального развития Российской Федерации.
родских территорий в ходе остаточных наводнений, а также коллаборатив-ной оценки планов маневрирования затворами КЗС.
Достоверность научных результатов и выводов подтверждается обоснованностью применения математического аппарата, оценкой адекватности математических моделей, результатами тестирования алгоритмов и программного обеспечения, сопоставлением результатов работы программного комплекса с экспериментальными данными, а также практическим использованием разработанных математических, алгоритмических и программных методов и средств в части обеспечения эффективной работы СПУН КЗС.
Внедрение результатов работы. Результаты работы использованы при выполнении следующих НИОКР: «Интеллектуальные технологии поддержки процессов исследовательского проектирования судов и технических средств освоения океана», «Высокопроизводительный программный комплекс моделирования динамики корабля в экстремальных условиях эксплуатации», «Инструментальная технологическая среда для создания распределенных интеллектуальных систем управления сложными динамическими объектами», «Виртуальный полигон для исследования динамики морских объектов и сооружений в экстремальных условиях эксплуатации» и «Ситуационный центр нового поколения для предупреждения и ликвидации угрозы наводнений» в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., «Создание высокотехнологичного производства комплексных решений в области предметно-ориентированных облачных вычислений для нужд науки, промышленности, бизнеса и социальной сферы» в рамках реализации постановления Правительства РФ №218, «Распределенные экстренные вычисления для поддержки принятия решений в критических ситуациях» в рамках реализации постановления Правительства РФ №220, а также ряде проектов в рамках государственного контракта №КСФ-09-0012 по теме «Система предупреждения угрозы наводнений (СПУН). Комплекс защитных сооружений г. Санкт-Петербурга от наводнений».
Апробация работы. Полученные результаты обсуждались на различных научных конференциях, включая международную конференцию "2012 IEEE 8th International Conference on E-Science" (Чикаго, США, 2012), VI сессию научной школы-практикума молодых ученых и специалистов «Технологии высокопроизводительных вычислений и компьютерного моделирования: технологии eScience» (Санкт-Петербург, 2013), XX Всероссийскую научно-методическую конференцию «Телематика'2013» (Санкт-Петербург, 2013), XVIII Байкальскую Всероссийскую конференцию «Информационные и математические технологии в науке и управлении» (Иркутск, 2013).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе 5 - в изданиях из перечня ВАК РФ, а также получено 2 свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ.
Личный вклад автора в работах, выполненных в соавторстве, заключается в проведении аналитического обзора в проблемной области диссертационной работы; обосновании требований к PSE и разработке ее архитектуры, разработке алгоритмов и самих КП, проведении экспериментальных исследований и интерпре-
тации их результатов. Из работ, выполненных в соавторстве, в диссертацию включены результаты, которые соответствуют личному участию автора.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы (80 наименований). Содержит 125 страниц, текста, включая 40 рисунков и 4 таблицы.
