Fra en simulering av demningsbruddet i Malpasset i Frankrike i 1959 som tok over 400 liv. (Video: André R. Brodtkorb og Martin L. Sætra, SINTEF).

Tredimensjonal simulering av værutvikling og naturfenomener som tsunamier og flommer krever enormt stor datakapasitet. Slik simulering kan  ta lang tid når man ønsker nøyaktige svar.

Forskere har nå laget metoder som er raskere og enn tidligere metoder, og de har brukt rimeligere og lettere tilgjengelige datamaskiner enn man har gjort før. Disse kan simulere hvordan flommer brer seg, ifølge forsker ved SINTEF IKT Oslo, Jens Olav Nygaard, som har ledet prosjektet. 

– Vi får stadig bedre metoder for å samle inn data fra for eksempel forholdene på havbunnen. Det gjør at datamengdene har eksplodert.

- Vi har derfor hatt behov for å utvikle metoder for å håndtere store datamengder i forbindelse med både tredimensjonal visualisering og simulering, sier han

Lærer av dataspill

Utviklingen av avanserte dataspill med mye grafikk har drevet fram langt bedre grafikkort. Grafikkortet er den enheten i maskinen som holder styr på grafikken som vises på skjermen, og det krever raske beregninger.

– Tidligere brukte man bare datamaskinenes hovedprosessor til å foreta beregninger, og man trengte mange datamaskiner for å gjøre den typen beregninger vi jobber med.

- I dag bruker vi i tillegg grafikkortet som kan foreta flere regneoperasjoner samtidig slik at vi kan få høy kapasitet på en vanlig datamaskin, sier Nygård.

Han forklarer at det er mulig fordi grafikkprosessoren ikke trenger å være generell slik som hovedprosessorene som må ta seg av mange ulike typer oppgaver.

– Som en tommelfingerregel sier vi at vi kan regne med fem til 50 ganger så stor ytelse ved å bruke grafikkortet. Oppgaver som passer spesielt godt til å utføre flere beregninger samtidig, kan gi enda større forbedring.

- Utfordringen ligger i å utnytte denne muligheten best mulig. Vi var tidlig ute med å bruke grafikkort på denne måten, og derfor er vi nå i front på dette feltet, sier Nygaard.

Bølgesimuleringer

Under et opphold ved University of Mississippi utviklet de to stipendiatene ved prosjektet en simuleringskode som har økt hastigheten på simuleringen av bølger på grunt vann med flere hundre ganger.

– Simuleringen er den første i sitt slag som kjører raskere enn flommene langs Mississippi.

- Koden er nå lisensiert av et stort britisk selskap som ønsker å selge produkter til flomrisikohåndtering, sier Nygaard.

Kan se evakueringssoner raskt

Beregningene krever at de på forhånd legger inn data som beskriver omgivelsene. Tredimensjonal simulering baserer seg på at man deler et område inn i mindre celler og beregner forholdene i en celle ut fra informasjon fra cellene rundt.

– Dette er beregninger som krever høy datakapasitet, men ved å bruke en simuleringskode som utnytter datamaskinens grafikkort og får det til å foreta flere regneoperasjoner samtidig, får vi fart på sakene.

– Dersom en demning ryker og dette registreres i programmet, får man beregnet raskere enn sanntid hvordan vannet vil bre seg og hva slags vannstand man får. Basert på dette kan man finne ut hvor store områder som eventuelt må evakueres og alarmen kan gå, sier Nygaard.

Han mener metoden også kan være nyttig for norske forhold.

– Den kunne for eksempel vært brukt på steder der det er fare for flom på grunn av steinras slik som i fjordene på Vestlandet, eller andre steder man er plaget av flom. Det er bare å legge inn andre datasett på datamaskinen på forhånd.

– Man kan også tenke seg at dataene om terrengforhold kan komme fra andre verktøy som Google Earth.

Visualiserer oljereservoar

Samarbeidspartner på prosjektet, Kongsberg Oil & Gas Technologies, lager programmer som brukes for å holde oversikt over geometri- og grafikkdata. Slike verktøy brukes også i dataspill for å holde orden på den virtuelle verdenen.

– Kongsberg Oil & Gas Technologies visualiserer blant annet havbunn og oljereservoar for oljeselskaper basert på datainnsamling fra havbunnen. Dette krever at man kan håndtere ekstremt store datamengder. I tillegg er det vanskelig fordi det ofte er nødvendig å vise selve volumet og ikke bare flater som avgrenser volumet.

– Datamengdene er så store at vi ikke kan putte inn alle dataene på en gang, men må mate inn data mens noe kommer ut. Her kreves det fortsatt kraftige datamaskiner, men vår teknologi har gjort at det går mye raskere enn før, sier Nygaard.

Rimeligere og mer miljøvennlig

Også andre har dratt nytte av det de har utviklet i denne delen av prosjektet.

– Vi har gjenbrukt resultater og kunnskap fra prosjektet i blant annet et større industriprosjekt. Det har bidratt til at firmaet TecWel i Bergen har utviklet visualiseringsverktøy for å avdekke lekkasjer i oljeledninger.

- De har laget avansert utstyr for å hente inn og behandle ultralyddata fra oljebrønner og kan ut fra disse lage høyoppløselige 3D-avbildninger av oljeledningene.

De nye beregningsmetodene har flere fordeler enn at det går raskt.

– Dette er også energiøkonomisk fordi det å utføre en gitt oppgave ved å gjøre mange beregninger samtidig på grafikkort, gir mindre varmeutvikling i utstyret og krever derfor mindre energi enn om beregningene gjøres etter hverandre av hovedprosessoren. Så det blir både billigere og mer miljøvennlig, avslutter Nygaard.