commit e8a8583a78e31322a2a236fff331c934129d782a
parent 9bc93ebfefd44d5f3e260885f21f8d2a05a66f92
Author: Ivan Gankevich <igankevich@ya.ru>
Date: Tue, 7 Nov 2017 12:02:32 +0300
Edit introduction.
Diffstat:
2 files changed, 64 insertions(+), 61 deletions(-)
diff --git a/arma-thesis-ru.org b/arma-thesis-ru.org
@@ -25,13 +25,14 @@
теории волн заключается в предположении, что высота волн много меньше их длины.
Это делает расчеты грубыми при моделировании качки судна в условиях
нерегулярного волнения, когда такое предположение несправедливо. Разработка
-новых и более совершенных моделей и методов, используемых при расчете динамики
-судна, может увеличить количество сценариев ее применения и, в частности,
-способствовать исследованию поведения судна в экстремальных условиях.
+новых и более совершенных моделей и методов, используемых в программах расчета
+динамики судна, может увеличить количество сценариев применения таких программ
+и, в частности, способствовать исследованию поведения судна в экстремальных
+условиях.
**** Степень разработанности.
Модель авторегрессии скользящего среднего (АРСС) возникла как ответ на
-сложности, с которыми на практике сталкиваются ученые, использующие в свой
+сложности, с которыми на практике сталкиваются ученые, использующие в своей
работе модели морского волнения, разработанные в рамках линейной теории волн.
Проблемы, с которыми они сталкиваются при использовании модели Лонге---Хиггинса
(которая полностью основана на линейной теории волн) перечислены ниже.
@@ -69,7 +70,7 @@
3. Период реализации равен периоду ГПСЧ, поэтому время генерации растет линейно
с увеличением размера реализации.
4. Белый шум, который является единственным вероятностным членом формулы
- процесса АРСС, имеет нормальное распределение; так что скорость сходимость не
+ процесса АРСС, имеет нормальное распределение; так что скорость сходимости не
носит вероятностный характер.
**** Цели и задачи.
@@ -78,21 +79,20 @@
1. Исследовать, как различные формы АКФ влияют на выбор параметров процесса АРСС
(количество коэффициентов процесса скользящего среднего и процесса
авторегрессии).
-2. Исследовать возможность генерации волн с произвольным профилем, а не только
- профиль синусоиды (учесть асимметричность распределения волновых аппликат
+2. Исследовать возможность генерации волн с произвольным профилем, а не только с
+ профилем синусоиды (учесть асимметричность распределения волновых аппликат
взволнованной поверхности).
3. Разработать метод для определения поля давлений под дискретно заданной
взволнованной поверхностью. Такие формулы обычно выводятся для конкретной
модели путем подстановки формулы профиля волны в\nbsp{}eqref:eq-problem,
однако процесс АРСС не содержит в себе формулу профиля волны в явном виде,
- поэтому для него необходимо было получить решение для взволнованной
- поверхности общего вида (для которой не существует аналитического выражения)
- без линеаризации граничных условий (ГУ) и предположении о малости амплитуд
- волн.
+ поэтому для него необходимо получить решение для взволнованной поверхности
+ общего вида (для которой не существует аналитического выражения) без
+ линеаризации граничных условий (ГУ) и предположении о малости амплитуд волн.
4. Верифицировать интегральные характеристики взволнованной поверхности
на соответствие реальным морским волнам.
-5. Разработать комплекс программ, реализующего созданную модель и метод расчета
- давлений и позволяющего проводить расчеты как на многопроцессорной машине с
+5. Разработать комплекс программ, реализующий созданную модель и метод расчета
+ давлений и позволяющий проводить расчеты как на многопроцессорной машине с
общей памятью (SMP), так и на компьютерном кластере (MPP).
**** Научная новизна.
@@ -102,18 +102,18 @@
- генерировать волны произвольной формы, регулируя асимметричность распределения
волновых аппликат посредством нелинейного безынерционного преобразования
(НБП).
-В то же время математический аппарат этой процесса АРСС хорошо изучен в
-других научных областях, что позволяет его обобщить для моделирования развития
-морского волнения в условиях шторма с учетом климатических спектров и данных
-ассимиляции определенных районов мирового океана, что невозможно сделать с
-помощью модели, основанной на линейной теории волн.
+В то же время математический аппарат процесса АРСС хорошо изучен в других
+научных областях, что позволяет его обобщить для моделирования развития морского
+волнения в условиях шторма с учетом климатических спектров и данных ассимиляции
+определенных районов мирового океана, что невозможно сделать с помощью модели,
+основанной на линейной теории волн.
Отличительной особенностью данной работы является использование во всех
экспериментах /трехмерных/ моделей АР и СС и разработка комплекса программ,
реализующего генерацию взволнованной морской поверхности и вычисления поля
-давлений на вычислительных системах с общей (SMP) и распределенной (MPP)
-памятью, а также гибридных (GPGPU) системах, использующих графические
-сопроцессоры для ускорения вычислений.
+давлений на системах с общей (SMP) и распределенной (MPP) памятью, а также
+гибридных (GPGPU) системах, использующих графические сопроцессоры для ускорения
+вычислений.
**** Теоретическая и практическая значимость работы.
Применение модели АРСС и формулы поля давлений, не использующей предположения
@@ -122,8 +122,8 @@
1. Поскольку метод для поля давлений выводится для дискретно заданной
взволнованной поверхности и без каких-либо предположений об амплитудах волн,
- то он применима для любой взволнованной поверхности невязкой несжимаемой
- жидкости (в частности она применима для поверхности, генерируемой моделью
+ то он применим для любой взволнованной поверхности невязкой несжимаемой
+ жидкости (в частности он применим для поверхности, генерируемой моделью
Лонге---Хиггинса). Это позволяет использовать этот метод без привязки к
модели АРСС.
2. С вычислительной точки зрения этот метод более эффективен, чем
@@ -131,35 +131,37 @@
преобразованиям Фурье, для которых существует семейство алгоритмов быстрого
преобразования Фурье (БПФ), оптимизированных под разные архитектуры
процессоров.
-3. Поскольку формула явная, то обмена данными между параллельными процессами
- можно избежать, что позволяет достичь высокой масштабируемости на
- компьютерном кластере.
+3. Поскольку используемая в методе формула явная, то обмена данными между
+ параллельными процессами можно избежать, что позволяет достичь высокой
+ масштабируемости на компьютерном кластере.
4. Наконец, сама модель АРСС более эффективна, чем модель ЛХ, ввиду отсутствия
тригонометрических функций в ее формуле. Взволнованная поверхность
вычисляется как сумма большого числа многочленов, для которых существует
- низкоуровневая ассемблерная инструкция (Fused Multiply-Add), показывающая
- высокую производительность на процессорах.
+ низкоуровневая ассемблерная инструкция FMA (Fused Multiply-Add), а шаблон
+ доступа к памяти позволяет эффективно использовать кэш центрального
+ процессора.
**** Методология и методы исследования.
Программная реализация модели АРСС и метода вычисления поля давлений создавалась
-поэтапно: прототип, написанный высокоуровневом инженерном
-языке\nbsp{}cite:mathematica10,octave2015, был преобразован в программу на языке
-более низкого уровня (C++). Реализация одних и тех же алгоритмов и методов на
-языках разного уровня (ввиду использования различных абстракций и языковых
-примитивов) позволяет выявить и исправить ошибки, которые остались бы
-незамеченными в случае одного языка. Генерируемая моделью АРСС взволнованная
-поверхность, а также все входные параметры (АКФ, формула распределения волновых
-аппликат и т.п.) были проверены с помощью встроенных в язык программирования
-графических средств для визуального контроля корректности работы программы.
+поэтапно: прототип, написанный на высокоуровневом инженерных языках
+(Mathematica\nbsp{}cite:mathematica10 и Octave\nbsp{}cite:octave2015), был
+преобразован в программу на языке более низкого уровня (C++). Реализация одних и
+тех же алгоритмов и методов на языках разного уровня (ввиду использования
+различных абстракций и языковых примитивов) позволяет выявить и исправить
+ошибки, которые остались бы незамеченными в случае использования лишь одного
+языка. Генерируемая моделью АРСС взволнованная поверхность, а также все входные
+параметры (АКФ, формула распределения волновых аппликат и т.п.) были проверены с
+помощью встроенных в язык программирования графических средств для визуального
+контроля корректности работы программы.
**** Положения, выносимые на защиту.
-- Модель ветрового волнения, способная генерировать реализации взволнованной
- морской поверхности, имеющие большой период и состоящие из волн произвольной
- амплитуды;
+- Имитационная модель морского волнения, способная генерировать реализации
+ взволнованной морской поверхности, имеющие большой период и состоящие из волн
+ произвольной амплитуды;
- Метод вычисления поля давлений, разработанный для этой модели без
предположений линейной теории волн;
- Программная реализация созданной модели и метода для вычислительных систем с
- общей (SMP) и с распределенной памятью (MPP).
+ общей (SMP) и распределенной памятью (MPP).
**** Степень достоверности и апробация результатов.
Верификация модели АРСС проводится путем сравнения интегральных характеристик
@@ -171,8 +173,8 @@
Модель АРСС и метод вычислений поля давлений были реализованы в Large Amplitude
Motion Programme (LAMP), программе для моделирования качки судна, и сопоставлены
-с используемой ранее моделью ЛХ. Предварительные численные эксперименты показали
-более высокую вычислительную эффективность модели АРСС.
+с используемой ранее моделью ЛХ. Численные эксперименты показали более высокую
+вычислительную эффективность модели АРСС.
* Постановка задачи
Задача состоит в исследовании возможности применении математического аппарата
diff --git a/arma-thesis.org b/arma-thesis.org
@@ -12,7 +12,7 @@
* Introduction
**** Topic relevance.
-Software programmes, which simulates vessel behaviour in sea waves, are widely
+Software programmes, which simulate vessel behaviour in sea waves, are widely
used to model ship motion, estimate impact of external forces on floating
platform or other marine object, and estimate capsize probability under given
weather conditions; however, to model sea waves most of the simulation codes use
@@ -121,28 +121,30 @@ software.
corresponding method for LH model, because integrals in its formula are
reduced to Fourier transforms, for which there is fast Fourier transform
(FFT) family of algorithms, optimised for different processor architectures.
-3. Since the formula is explicit, there is no need in data exchange between
- parallel processes, which allows to achieve high scalability on computer
- clusters.
+3. Since the formula which is used in the method is explicit, there is no need
+ in data exchange between parallel processes, which allows to achieve high
+ scalability on computer clusters.
4. Finally, ARMA model is itself more efficient than LH model due to vicinity of
trigonometric functions in its formula: In fact, wavy surface is computed as
- a sum of large number of polynomials, for which there is low-level assembly
- instruction (Fused Multiply-Add) giving native performance on CPUs.
+ a sum of large number of polynomials, for which there is low-level FMA (Fused
+ Multiply-Add) assembly instruction, memory access pattern allows for
+ efficient use of CPU cache.
**** Methodology and research methods.
Software implementation of ARMA model and pressure field calculation method was
-created incrementally: a prototype written in high-level engineering
-language\nbsp{}cite:mathematica10,octave2015 was rewritten in lower level
-language (C++). Implementation of the same algorithms and methods in languages
-of varying levels (which involves usage of different abstractions and language
-primitives) allows to correct errors, which would left unnoticed otherwise. Wavy
-surface, generated by ARMA model, as well as all input parameters (ACF,
-distribution of wave elevation etc.) were inspected via graphical means built
-into the programming language allowing visual control of programme correctness.
+created incrementally: a prototype written in high-level engineering languages
+(Mathematica\nbsp{}cite:mathematica10 and Octave\nbsp{}cite:octave2015) was
+rewritten in lower level language (C++). Implementation of the same algorithms
+and methods in languages of varying levels (which involves usage of different
+abstractions and language primitives) allows to correct errors, which would left
+unnoticed, if only one language was used. Wavy surface, generated by ARMA model,
+as well as all input parameters (ACF, distribution of wave elevation etc.) were
+inspected via graphical means built into the programming language allowing
+visual control of programme correctness.
**** Theses for the defence.
-- Wind wave model which allows to generate wavy surface realisations with large
- period and consisting of wave of arbitrary amplitudes;
+- Sea wave simulation model which allows to generate wavy surface realisations
+ with large period and consisting of wave of arbitrary amplitudes;
- Pressure field calculation method derived for this model without assumptions
of linear wave theory;
- Software implementation of the model and the method for shared memory (SMP)
@@ -158,8 +160,7 @@ graphical means.
ARMA model and pressure field calculation method were incorporated into Large
Amplitude Motion Programme (LAMP)\nbsp{}--- an ship motion simulation software
programme\nbsp{}--- where they were compared to previously used LH model.
-Preliminary numerical experiments showed higher computational efficiency of ARMA
-model.
+Numerical experiments showed higher computational efficiency of ARMA model.
* Problem statement
The aim of the study reported here is to investigate possibilities of applying
