Een team van onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy en de Tennessee Technological University hebben een 2D, open-source overstromingsmodel ontwikkeld dat is ontworpen voor een computersysteem met meerdere architectuur. De Two-dimensional Runoff Inundation Toolkit for Operational Needs, of TRITON, kan meerdere grafische verwerkingseenheden of GPU's gebruiken om overstromingen sneller en nauwkeuriger te modelleren dan bestaande tools.

Overstromingsmodellering is een essentieel onderdeel van de voorbereiding en reactie op noodsituaties. Modellen moeten echter zowel snel als nauwkeurig zijn - simulatieresultaten binnen enkele minuten retourneren - om nuttige hulpmiddelen te zijn voor besluitvorming en planning. Hoe hoger de resolutie van het model, hoe meer rekenkracht het kost om te draaien, dus organisaties kunnen hun toevlucht nemen tot eenvoudigere modellen die nauwkeurigheid opofferen voor snelheid. Dankzij de rekenkracht van GPU's kunnen berekeningen door modellen met een hoge resolutie sneller worden uitgevoerd dan eenvoudigere modellen die alleen CPU's gebruiken.

Omdat high-performance computing is uitgegroeid tot een onmisbaar hulpmiddel voor de wetenschap, is het ook een vereiste geworden voor moderne overstromingsmodellen om de kracht van hybride CPU + GPU-architecturen te benutten. TRITON, waarvan de ontwikkeling werd gefinancierd door het Air Force Numerical Weather Modeling Program, is specifiek geoptimaliseerd voor het multi-architectuurontwerp van supercomputers zoals de IBM AC922 Summit in de Oak Ridge Leadership Computing Facility.

"Het unieke van TRITON is niet alleen dat het GPU's gebruikt, het is niet het enige GPU-toegankelijke floodmodel. Maar het is aangepast om meerdere GPU's tegelijk te gebruiken, waardoor het geschikt is voor het oplossen van overstromingsproblemen op Summit", zegt Shih-Chieh. Kao, een ORNL-groepsleider die het project leidde.

Het team testte het model op Summit om de consistentie, stabiliteit en enkele van zijn unieke mogelijkheden te demonstreren, zoals de runoff hydrograph. Met deze optionele gegevens kan TRITON wateroverlast simuleren, dat wil zeggen lokale plotselinge overstromingen, naast overstromingen in rivieren. Tijdens een rivieroverstroming zwelt een beek of rivier op en overstroomt een uiterwaard. Met behulp van een dataset van het Federal Emergency Management Agency van 100-jarige overstromingsgebieden als benchmark, waren simulaties die gebruik maakten van de runoff hydrograph nauwkeuriger dan het hydraulische basismodel alleen.

"Om de impact van overstromingen echt te begrijpen, moeten we inzicht hebben in overstroming, inclusief hoe diep een rivier is en hoe verschillende overstromingen worden veroorzaakt:rivieroverstromingen en plotselinge overstromingen. Conventionele overstromingsmodellen hebben meestal alleen betrekking op overstromingen in rivieren. TRITON kan beide aanpakken en meer bieden informatie over de gevolgen van de overstroming," zei Kao. "Als u over deze overstromingsinformatie beschikt, kunt u deze over activa leggen en evalueren welke risico's lopen en welke niet."

In een andere testcase simuleerde het team de overstroming van 2017 in het grootstedelijk gebied van Houston, veroorzaakt door orkaan Harvey. De simulatie besloeg 10 dagen en was gemodelleerd op twee verschillende hardwareconfiguraties:de ene met meerdere CPU's en de andere met meerdere GPU's. De resultaten demonstreerden het voordeel van een overstromingsmodel dat is ontworpen om op een configuratie met meerdere GPU's te draaien. Zelfs de kleinste hardwareconfiguratie - één rekenknooppunt met zes GPU's - voltooide de simulatie sneller dan de krachtigste multi-CPU-configuratie van 64 knooppunten.

Als open-source toolkit is TRITON gratis beschikbaar en kan worden gebruikt op een reeks computerplatforms, van laptops en desktops tot supercomputers. Leden van het onderzoeksteam ontwikkelen voortdurend nieuwe functies en werken aan algoritmen om de huidige mogelijkheden op te schalen naar een operationeel niveau.

"TRITON zal voor ons een basis zijn om op voort te bouwen, en we noemen het niet voor niets een toolkit. We blijven bouwen om het nuttiger te maken - dat is onze visie. Naarmate de rekenkracht toeneemt en de prijzen dalen, moet uiteindelijk iedereen hebben meer toegang om deze mogelijkheden te gebruiken om overstromingen beter te simuleren, "zei Kao. + Verder verkennen

Studie onderzoekt onzekerheden in schattingen van overstromingsrisico's