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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:林文達
研究生(外文):Wen-Da Lin
論文名稱:以GPU模擬台灣沿海海嘯傳播
論文名稱(外文):Simulation of Tsunami Propagation in Taiwan Coastal Area Based on GPU-acceleration
指導教授:張陽郎張陽郎引用關係方志鵬方志鵬引用關係
口試委員:蔡昌隆王元凱
口試日期:2012-07-03
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺北科技大學
系所名稱:電機工程系研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:39
中文關鍵詞:GPUCUDA淺水方程式MacCormack
外文關鍵詞:GPUCUDAShallow water equationsMacCormack
相關次數:
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2011年3月11日,日本驚傳規模9.0大地震,爾後引發強烈海嘯,其造成之傷亡數以萬計,為防患於未然,完整預測海嘯傳播過程,即時提供民眾一個參考依據,成為當下重要議題。本論文將針對台灣沿岸進行海嘯模擬,並以即時呈現為主要目的。
海嘯模擬往往是遵照淺水方程式進行,其主要精神在於物理上的質能守恆,並加入海床及海岸的摩擦力係數影響,使整個系統能夠推估陸地被淹沒的範圍。主要演算法首先採用MacCormack方法,此方法包含預測及校正兩步驟,爾後針對無法計算的邊界採用Neumann的方法進行處理,最後就整體結果採用Hansen方法使結果更為平滑。
由於全台灣海床資料龐大,再加上本方法需要繁複的計算,一般個人電腦難以提供即時的運算,因而失去即時觀測的能力,本論文以平行計算解決以上問題,利用NVIDIA CUDA 技術,將整體效能大幅度提升。相較於一般CPU運算,在NVIDIA Fermi架構下,最高可達到兩百倍以上的加速。


The tsunami disaster triggered by a huge 9.0 magnitude earthquake strikes Japan on March 11th, 2011. It caused thousands of casualties and major property damage in Japan. The island of Taiwan is surrounded by ocean. It has been also motivating us to get involved in a research work in tsunami topics of Taiwan. It''s especially interesting to simulate the impact of the tsunami on the coast of Taiwan. Tsunami propagation in shallow water zone is often modeled by the shallow water equations. These equations are derived from conservation of mass and momentum equations. By adding friction slope to the conservation of momentum equations, it enables the system to simulate the propagation over the coastal area. This means the system is also able to estimate inundation zone caused by the tsunami. Also by applying Neumann boundary condition and Hansen numerical filter, it brings more interesting complexities into this simulation system. The parallelizable two-step finite-difference MacCormack scheme is used to simulate the tsunami. In this thesis, the parallel implementation of the MacCormack scheme is proposed for the shallow water equations based on modern graphics processing unit (GPU) architecture using NVIDIA compute unified device architecture (CUDA) technology. On a single GPU, a significant speedup is achieved compared to its CPU counterpart.

摘要 i
ABSTRACT ii
誌謝 iii
目錄 iv
表目錄 vi
圖目錄 vii
第一章 緒論 1
1.1 研究背景介紹 1
1.2 研究動機與目的 1
1.3 論文內容大綱 2
第二章 文獻探討 3
2.1 海嘯模擬 3
2.2 淺水方程式 3
2.3 MacCormack方法 5
2.4 邊界條件與數值過濾 9
2.5 GPU平行運算 10
2.5.1 GLSL 10
2.5.2 CUDA概述 10
2.5.3 CUDA架構 11
2.5.4 Host與Device 12
2.5.5 CUDA記憶體 14
第三章 研究方法 16
3.1 演算法 16
3.2 共享記憶體 17
3.3 數據輸出 18
3.4 影像輸出 20
第四章 實驗數據 22
4.1 使用圖資介紹 22
4.2 實驗環境 23
4.3 實驗結果 24
4.3.1 效能比較 25
4.3.2 台灣沿岸海嘯模擬 28
4.3.3 影像即時輸出 31
第五章 結論與未來展望 37
5.1 結論 37
5.2 未來展望 37
參考文獻 38


書籍:
[1]T. R. Hagen, J. M. Hjelmervik, K. A. Lie, J. R. Natvig, and M. O. Henriksen, "Visual Simulation of Shallow Water Waves," Simulation Modelling Practice and Theory, vol. 13, no. 8, pp. 716-726, 2005.
[2]M. Kass and G. Miller, "Rapid, Stable Fluid Dynamics for Computer Graphics," ACM SIGGRAPH Computer Graphics, vol. 24, no. 4, pp. 49-57, 1990.
[3]A. T. Layton and M. van de Panne, "A Numerically Efficient and Stable Algorithm for Animating Water Waves," The Visual Computer, vol. 18, no. 1, pp. 41-53, 2002.
[4]O. N. Karsten and P. Trier. (2004) Implementing Rapid, Stable Fluid Dynamics on the GPU .
[5]R. W. MacCormack, "The effect of viscosity in hypervelocity impact cratering," in Frontiers of Computational Fluid Dynamics 2002, D. A. Caughey and M. M. Hafez, Eds. Singapore: World Scientific, 2002, pp. 27-43.
論文:
[6]W.-Y. LIANG, T.-J. Hsieh, M. T. Satria, Y.-L. Chang, J.-P. Fang, C.-C. Chen, and C.-C. Han,”GPU-Based Simulation of Tsunami Propagation and Inundation”
[7]林柏佑, ”利用單位海嘯模擬方法建立台灣近海海嘯警報系統”, 2009
會議論文:
[8]J. G. Zhou, Lattice Boltzman Methods for Shallow Water Flows. Springer, 2004.
[9]V. T. Chow, Open Channel Hydraulics. New York, Tokyo, 1959.
其他:
[10]http://developer.download.nvidia.com/compute/DevZone/docs/html/C/doc/CUDA_C_Programming_Guide.pdf, Access on 2012.6
[11]http://developer.download.nvidia.com/books/cuda-by-example/cuda-by-example-sample.pdf, Access on 2012.6
[12]http://www.ngdc.noaa.gov/mgg/global/global.html, Access on 2012.6
[13]http://developer.download.nvidia.com/compute/DevZone/docs/html/C/doc/CUDA_C_Best_Practices_Guide.pd f, Access on 2012.6


QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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