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論文

アンサンブルカルマンフィルタを用いた都市風況解析のためのパラメータ最適化

小野寺 直幸; 井戸村 泰宏; 長谷川 雄太; 朝比 祐一; 稲垣 厚至*; 下瀬 健一*; 平野 洪賓*

計算工学講演会論文集(CD-ROM), 28, 4 Pages, 2023/05

我々の研究グループでは、都市全域を含む広域の風況場から細かな路地等を捉えたマルチスケールの風況シミュレーションコードCityLBMの開発を進めている。CityLBMは、格子ボルツマン法に適合細分化格子を適用した省メモリ化、および、GPUスーパーコンピュータによる高性能計算により、数km四方に対してリアルタイムのアンサンブルシミュレーションが可能となる。一方、実現象には、モデル化できない複雑な境界条件が含まれているため、観測データをシミュレーションに反映させるためのデータ同化技術が必要である。本研究では、現実の風況を再現するために、アンサンブルカルマンフィルターに基づく地表面温度バイアスの最適化手法を提案した。CityLBMの検証として、東京都心部を対象とした観測システムシミュレーション実験を実施し、地表面近傍の温度から、境界条件として与えている地表面温度を推定する。

論文

Full-$$f$$ gyrokinetic simulations of ohmic L-mode plasmas in linear and saturated ohmic confinement regimes

井戸村 泰宏; Dif-Pradalier, G.*; Garbet, X.*; Sarazin, Y.*; Tore Supra Teams*

Physics of Plasmas, 30(4), p.042508_1 - 042508_18, 2023/04

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.02(Physics, Fluids & Plasmas)

非線形大域的full-$$f$$ジャイロ運動論シミュレーションを用いて、Tore Supra装置のジュール加熱Lモード放電における線形/飽和オーミック閉じ込め(LOC/SOC)領域の2時刻を解析した。トロイダルフィールド応力による早いイオン混合が炭素不純物の吐き出しを引き起こす。LOC/SOCフェーズで自発プラズマ回転が逆方向に発展し、これはLOCフェーズの捕捉電子モードとSOCフェーズのイオン温度勾配駆動モードにおけるモード非対称性の違いがもたらす分布シア応力の変化によって決まる。LOC/SOCフェーズにおいて電子と重水素イオンのエネルギー束がそれぞれ支配的になる。この2つのフェーズにおけるエネルギー閉じ込め時間の比率について実験値を再現した。

論文

A New data conversion method for mixed precision Krylov solvers with FP16/BF16 Jacobi preconditioners

伊奈 拓也; 井戸村 泰宏; 今村 俊幸*; 小野寺 直幸

Proceedings of International Conference on High Performance Computing in Asia-Pacific Region (HPC Asia 2023) (Internet), p.29 - 34, 2023/02

ヤコビ前処理による混合精度クリロフソルバは、ヤコビ前処理をFP16やBF16のような低精度で計算した場合しばしば著しい収束性の悪化を示すことがある。この収束性の悪化はデータ変換時の丸め誤差により対角優位性が失われることに起因することがわかった。この問題を解決するために、元の行列データの対角優位性を保つように設計された新しいデータ変換方法を提案する。NVIDIA V100 GPU上でポアソン方程式を共役勾配法、双共役勾配安定化法、一般化最小残差法にFP16/BF16ヤコビ前処理を組み合わせた混合精度クリロフソルバによって計算することによって提案手法を検証する。データ変換はCUDAの組み込み関数を利用して最近接丸め、正の無限大丸め、負の無限大丸め、ゼロ方向丸めを切り替えて実装し、これが主反復の前に一度だけ呼び出される。したがって、提案するデータ変換にかかるコストは無視できる程度に小さい。連立一次方程式をスケーリングして行列の係数を連続的に変化させた場合に、最近接丸めによる従来のデータ変換では、対角係数と非対角係数の丸め誤差に依存して収束性が周期的に変化する。ここで、収束性悪化の周期と大きさは仮数部のビット長に依存する。一方、提案するデータ変換方式では収束性悪化を完全に回避できることが示され、ヤコビ前処理において余分なコストを伴わないロバストな混合精度計算が可能となった。

論文

CityTransformer; A Transformer-based model for contaminant dispersion prediction in a realistic urban area

朝比 祐一; 小野寺 直幸; 長谷川 雄太; 下川辺 隆史*; 芝 隼人*; 井戸村 泰宏

Boundary-Layer Meteorology, 34 Pages, 2023/01

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.01(Meteorology & Atmospheric Sciences)

定点観測された風向などの時系列データおよび汚染物質放出点を入力として、汚染物質の地表面拡散分布を予測する機械学習モデルを開発した。問題設定としては、一様風が都市部へ流入し、都市部内にランダムに設置された汚染物質放出点から汚染物質が拡散するという状況を扱っている。機械学習モデルとしては、汚染物質放出点から汚染物質の拡散分布を予測するCNNモデルを用いた。風向などの時系列データは、Transformerや多層パーセプトロンによってEncodeし、CNNへと引き渡す。これによって、現実的に取得可能な定点測時系列データのみを入力とし、実用上価値の高い汚染物質の地表面拡散分布の予測を可能とした。同一のモデルを用いて定点観測時系列データから汚染物質放出点の予測が可能であることも示した。

論文

格子ボルツマン法と局所アンサンブル変換カルマンフィルタ(LBM-LETKF)による3次元乱流データ同化

長谷川 雄太; 小野寺 直幸; 朝比 祐一; 井戸村 泰宏

第36回数値流体力学シンポジウム講演論文集(インターネット), 5 Pages, 2022/12

格子ボルツマン法と局所アンサンブル変換カルマンフィルタ(LBM-LETKF)による乱流のアンサンブルデータ同化をGPUに実装し、精度の検証を行なった。32GPUを用いて、格子点数2.3$$times10^{7}$$、アンサンブル数32の条件で、3次元角柱周りの流れ対してデータ同化実験を実施した。本実験におけるデータ同化の時間間隔は、カルマン渦周期の半分に設定した。精度として、揚力係数の誤差(normalized mean absolute error; NMAE)を測定したところ、データ同化なし、ナッジング法(より単純なデータ同化手法)による同化、およびLETKFのそれぞれにおいて、誤差は132%, 148%、および13.2%であった。これにより、観測頻度が低い本計算条件においては、ナッジング法のような簡易な手法では解に系統的な遅れが現れてデータ同化の精度を保つことができない一方で、LETKFでは良好なデータ同化精度を示すことが確認できた。

論文

アンサンブルカルマンフィルタを用いた乱流境界層生成のためのパラメータ最適化

小野寺 直幸; 井戸村 泰宏; 長谷川 雄太; 中山 浩成

第36回数値流体力学シンポジウム講演論文集(インターネット), 3 Pages, 2022/12

高解像度の風況解析は、スマートシティ設計に活用できるなど非常に重要である。都市部は高層ビルが密集した複雑な形状をしており、それらにより風の流れが乱流状態となるため、都市街区全域から細かな路地までを捉えた大規模計算が必要である。それらの課題に対して、本研究グループは、メソスケール気象データを境界条件として利用したマルチスケールの汚染物質拡散手法CityLBMコードの開発を進めている。CityLBMは、計算領域周辺の境界条件をメソスケール気象データに同化させるナッジング法を導入することで、現実の風況を反映した解析が可能である。しかしながら、従来のナッジング法では、ナッジング係数が一定のため、大気状態が変化するような長時間解析の乱流強度を再現できない問題点が挙げられる。本研究では、アンサンブルカルマンフィルタを用いた動的なナッジング・パラメータの最適化手法を提案する。CityLBMの検証として、米国オクラホマシティの風況実験に対する解析を実施した。シミュレーションと観測のそれぞれで得られる乱流強度の誤差を低減するようにナッジング係数を更新した結果、一定のナッジング係数の結果と比較して10%ほど予測精度を向上することを確認した。

論文

マルチフェーズフィールド法を用いた気液二相流解析

杉原 健太; 小野寺 直幸; 井戸村 泰宏; 山下 晋

第36回数値流体力学シンポジウム講演論文集(インターネット), 5 Pages, 2022/12

本報告ではConservative Allen-Cahn型のMulti-Phase Field(MPF)法をベースに、個別の相の保存性も保証する保存型MPF法を提案し、2次元の界面移流計算による保存性検証テストを実施し保存できていることを確認した。保存型MPF法を水平に配置された2つの気泡上昇計算に適用し、Duineveldらの実験における気泡の反発現象をZhangらの計算の1/50の解像度で再現可能であることが分かった。

論文

Development of local-scale high-resolution atmospheric dispersion and dose assessment system

中山 浩成; 小野寺 直幸; 佐藤 大樹; 永井 晴康; 長谷川 雄太; 井戸村 泰宏

Journal of Nuclear Science and Technology, 59(10), p.1314 - 1329, 2022/10

 被引用回数:5 パーセンタイル:93.93(Nuclear Science & Technology)

放射性物質の大気放出に対して、放出点から数km以内の局所域スケールでの放射性物質の複雑な大気濃度分布及び沈着分布を計算するとともに、それらからの放射線について建物による遮蔽効果を考慮して詳細に線量評価が行える解析システム(LHADDAS)を開発した。本システムは、個々の建物の影響を考慮して詳細に拡散計算が行える局所域高分解能大気拡散計算コード(LOHDIM-LES)、都市域に対して迅速に拡散計算が行えるリアルタイム都市大気拡散計算コード(CityLBM)、建物の遮蔽効果を考慮した3次元体系で放射線の挙動を迅速に計算できる線量評価コード(SIBYL)及び計算に必要となるデータベースと入力作成プログラムから構成されている。本解析システムは、原子力施設の安全審査における風洞実験に代わる現実的な評価手法、原子力事故時の施設内外作業員の被ばく線量評価、都市域での放射性物質拡散テロに対する汚染状況把握と被ばく線量評価など、幅広い活用が期待できる。

論文

二次元格子ボルツマン法に対する局所アンサンブル変換カルマンフィルタ(LETKF)のGPU実装

長谷川 雄太; 小野寺 直幸; 朝比 祐一; 井戸村 泰宏

計算工学講演会論文集(CD-ROM), 27, 4 Pages, 2022/06

局所アンサンブル変換カルマンフィルタ(LETKF)および格子ボルツマン法(LBM)を用いたアンサンブルデータ同化のGPU実装を行った。D2Q9 LBMによる二次元等方性乱流を対象として、最大32アンサンブルで性能測定を行った。LETKFの計算コストは、8アンサンブルまででLBMと同程度であり、それ以上の大アンサンブル数においてはLBMよりも高くなった。32アンサンブルにおいて、1同化サイクルあたりの所要時間はLBMで5.39ms、LETKFで28.3msであった。これらの結果から、3次元LBMの実用計算に本手法を適用するためにはLETKFの更なる高速化が必要であることが示唆される。

論文

気液二相流問題におけるフェーズフィールド変数の最適化

杉原 健太; 小野寺 直幸; 井戸村 泰宏; 山下 晋

計算工学講演会論文集(CD-ROM), 27, 5 Pages, 2022/06

フェーズ・フィールド法は気液界面の追跡手法として様々な多相流問題に適用され、成功を収めている。しかしながら、フェーズ・フィールド法の精度は、問題に応じて経験的に調整されたハイパーパラメータに依存する。フェーズ・フィールド法は移流項の数値粘性と拡散・逆拡散項による界面修正のバランスによってシャープな界面を維持する。この点に着目し、界面移流の基本的な誤差解析を行うことによって非経験的に最適なハイパーパラメータを決定する手法を提案する。

論文

適合細分化格子ボルツマン法による大気境界層生成のためのパラメータ最適化

小野寺 直幸; 井戸村 泰宏; 長谷川 雄太; 下川辺 隆史*; 青木 尊之*

計算工学講演会論文集(CD-ROM), 27, 4 Pages, 2022/06

我々の研究グループでは、風況デジタルツインの実現に向けて、風況解析コードCityLBMを開発している。CityLBMは、計算領域周辺の境界条件をメソスケール気象データに同化させるナッジング法を導入することで、現実の風況を反映した解析が可能である。しかしながら、従来のナッジング法では、ナッジング係数が一定のため、大気状態が変化するような長時間解析の乱流強度を再現できない問題点が挙げられる。そこで、本研究では、パーティクルフィルタを用いた動的なナッジング・パラメータの最適化手法を提案する。CityLBMの検証として、米国オクラホマシティの風況実験に対する解析を実施した。シミュレーションと観測のそれぞれで得られる乱流強度の誤差を低減するようにナッジング係数を更新した結果、シミュレーションにおいて終日の大気境界層を再現できることを確認した。

論文

適合細分化格子ボルツマン法に基づく都市風況解析コードのNVIDIA及びAMDのGPUにおける性能移植性評価

朝比 祐一; 小野寺 直幸; 長谷川 雄太; 下川辺 隆史*; 芝 隼人*; 井戸村 泰宏

計算工学講演会論文集(CD-ROM), 27, 5 Pages, 2022/06

都市風況解析コードCityLBMをAMD社のMI100 GPUへと移植し、CityLBMの性能をNVIDIA P100, V100, A100およびAMD MI100において測定した。ホスト間でのMPI通信を利用した場合、CityLBMの性能はMI100においてV100と比べ20%程度向上した。適合細分化格子法に起因する補間カーネルを除く演算カーネルでは、MI100においてV100と比べ性能向上を確認した。

論文

最先端の研究開発 理化学研究所ほか,2; 第一原理シミュレーションで挑む核燃焼プラズマ閉じ込めの物理

渡邉 智彦*; 井戸村 泰宏; 藤堂 泰*; 本多 充*

日本原子力学会誌ATOMO$$Sigma$$, 64(3), p.152 - 156, 2022/03

磁場閉じ込め核融合の科学的実証に向けたITER実験で想定される核燃焼プラズマの閉じ込め性能予測においては、粒子,運動量,熱の輸送を担う物理過程の理解が重要である。スーパーコンピュータ「富岳」を用いた第一原理シミュレーションにより、重水素・三重水素プラズマにおけるマルチスケール乱流が関わる複合輸送過程や、電磁揺動による高エネルギー粒子輸送に対する運動論効果などの物理機構が明らかとなった。核燃焼プラズマの性能予測に資する第一原理シミュレーションについて、さらなる研究開発を進めている。

論文

GPU optimization of lattice Boltzmann method with local ensemble transform Kalman filter

長谷川 雄太; 今村 俊幸*; 伊奈 拓也; 小野寺 直幸; 朝比 祐一; 井戸村 泰宏

Proceedings of 13th Workshop on Latest Advances in Scalable Algorithms for Large-Scale Heterogeneous Systems (ScalAH22) (Internet), p.10 - 17, 2022/00

格子ボルツマン法(LBM)に基づく数値流体力学シミュレーションおよび局所アンサンブル変換カルマンフィルタ(LETKF)によるアンサンブルデータ同化をNVIDIA A100 GPU搭載スパコンに対して実装し、および最適化した。LBMとLETKFの協働のため、データ転置通信を実装し、LETKFのデータ依存性に基づいて計算,ファイルI/O、および通信のオーバーラップにより通信を最適化した。2次元等方乱流,アンサンブル数$$M=64$$,格子点数$$N_x=128^2$$の条件において、通信を最適化した実装は、LETKFを並列化しない単純な実装に対して3.85倍の高速化を達成した。LETKFの主要な計算カーネルは$$Mtimes M$$の実対称密行列の固有値分解であり、その計算のため、バッチ形式固有値分解ソルバEigenGを新たに開発した。EigenGによるバッチ形式固有値分解は、既存ライブラリであるcuSolverに対して64倍の高速化を達成した。

論文

適合細分化格子ボルツマン法による都市風況解析のための地表面熱流束モデルの開発

小野寺 直幸; 井戸村 泰宏; 長谷川 雄太; 中山 浩成

第35回数値流体力学シンポジウム講演論文集(インターネット), 3 Pages, 2021/12

高解像度の風況解析は、スマートシティ設計に活用できるなど非常に重要である。都市部は高層ビルが密集した複雑な形状をしており、それらにより風の流れが乱流状態となるため、都市街区全域から細かな路地までを捉えた大規模計算が必要である。本研究グループでは、GPUおよび適合細分化格子(AMR)法を用いた格子ボルツマン法(LBM)に基づく解析手法CityLBMを開発している。現実の風況を再現するためにメソスケール気象予測モデルの風況および地表面温度が境界条件として必要となる。本研究では、それらの境界条件の高度化として、Monin-Obukhov相似則に基づく熱流束を求める物理モデルを導入した。物理モデルの検証として、米国オクラホマシティの野外観測実験に対して解析を実施し、観測値を良く再現できていることを確認した。

論文

Tree cutting approach for domain partitioning on forest-of-octrees-based block-structured static adaptive mesh refinement with lattice Boltzmann method

長谷川 雄太; 青木 尊之*; 小林 宏充*; 井戸村 泰宏; 小野寺 直幸

Parallel Computing, 108, p.102851_1 - 102851_12, 2021/12

 被引用回数:1 パーセンタイル:24.22(Computer Science, Theory & Methods)

GPUスーパコンピュータに対して格子ボルツマン法(LBM: lattice Botltzmann method)およびforest-of-octreesに基づくブロック構造型の局所細分化格子(LMR: local mesh refinement)を用いた空力解析コードを実装し、その性能を評価した。性能評価の結果、従来の空間充填曲線(SFC; space-filling curve)に基づく領域分割アルゴリズムでは、本空力解析において袖領域通信のコストが過大となることがわかった。領域分割の改善手法として本稿では挿し木法を提案し、領域分割の局所性とトポロジーを改善し、従来のSFCに基づく手法に比べて通信コストを1/3$$sim$$1/4に削減した。強スケーリング測定では、最大で1.82倍の高速化を示し、128GPUで2207MLUPS(mega-lattice update per second)の性能を達成した。弱スケーリング測定では、8$$sim$$128GPUで93.4%の並列化効率を示し、最大規模の128GPU計算では44.73億格子点を用いて9620MLUPSの性能を達成した。

論文

Iterative methods with mixed-precision preconditioning for ill-conditioned linear systems in multiphase CFD simulations

伊奈 拓也*; 井戸村 泰宏; 今村 俊幸*; 山下 晋; 小野寺 直幸

Proceedings of 12th Workshop on Latest Advances in Scalable Algorithms for Large-Scale Systems ScalA21) (Internet), 8 Pages, 2021/11

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.02

多相熱流動解析コードJUPITERにおける前処理付き共役勾配法(P-CG)ソルバおよびマルチグリッド前処理付き共役勾配法(MGCG)ソルバに対して反復改良(IR)法に基づく新しい混合精度前処理を開発した。このIR前処理では全てのデータを半精度で格納してメモリアクセスを削減するが、全ての演算処理を単精度で行う。このハイブリッド半精度/単精度実装は単精度処理と同様の収束特性を維持しつつ、計算性能は半精度処理に近くなる。開発ソルバを富岳(A64FX)で最適化し、JUPITERの悪条件行列に適用した。新しいIR前処理を用いたP-CGソルバとMGCGソルバは8,000ノードまで良好な強スケーリングを示し、8,000ノードにおいて、これらのソルバはOakforest-PACS(KNL)における従来ソルバに比べてそれぞれ4.86倍および2.39倍に高速化された。

論文

AMR-Net: Convolutional neural networks for multi-resolution steady flow prediction

朝比 祐一; 畑山 そら*; 下川辺 隆史*; 小野寺 直幸; 長谷川 雄太; 井戸村 泰宏

Proceedings of 2021 IEEE International Conference on Cluster Computing (IEEE Cluster 2021) (Internet), p.686 - 691, 2021/10

 被引用回数:1 パーセンタイル:63.24

多重解像度の定常流を予測する畳み込みニューラルネットワークを開発した。本モデルは、最先端の画像変換モデルpix2pixHDに基づき、パッチ化された符合付き距離関数から高解像度の流れ場の予測が可能である。高解像度データをパッチ化することにより、pix2pixHDと比べてメモリ使用量を削減した。

論文

Isotope and plasma size scaling in ion temperature gradient driven turbulence

井戸村 泰宏

Europhysics Conference Abstracts (Internet), 45A, 4 Pages, 2021/06

本研究ではイオン温度勾配駆動乱流が支配的な水素(H)および重水素(D)プラズマの閉じ込めに対する水素同位体質量と規格化プラズマサイズの影響を示した。ジャイロ運動論的トロイダル5次元full-fオイラーコードGT5Dを用いてイオンおよび電子加熱条件のHおよびDプラズマの数値実験を実施した。イオン加熱数値実験は水素同位体質量にほとんど依存せず、エネルギー閉じ込めは主にイオンジャイロ半径で規格化したプラズマサイズによって決まる。これは非局所的輸送の影響を示す。一方、電子加熱数値実験は明確な水素同位体質量依存性を示した。プラズマサイズ効果に加えて、電子からイオンへの衝突性エネルギー移行の水素同位体質量依存性がイオン熱流束と乱流強度を変化させ、Hプラズマの閉じ込めを劣化させる。これらの結果は実験における水素同位体依存性に定性的に一致する。

論文

Neoclassical transport simulations with an improved model collision operator

松岡 清吉*; 洲鎌 英雄*; 井戸村 泰宏

Physics of Plasmas, 28(6), p.064501_1 - 064501_5, 2021/06

 被引用回数:4 パーセンタイル:41.53(Physics, Fluids & Plasmas)

線形ランダウ衝突演算子から得られる摩擦係数と流束の関係式を再現可能な洲鎌らの改良型モデル衝突演算子を大域的full-fジャイロ運動論シミュレーションコードGT5Dに新たに実装し、トカマクにおける単一イオン種プラズマの衝突性輸送シミュレーションを幅広い衝突度領域において実施した。摩擦係数と流束の関係式において高い精度が要求される高衝突度領域において、改良型演算子が理論的な衝突性熱拡散係数を正確に再現することを検証した。さらに、改良型演算子によって全ての衝突度領域において衝突性熱拡散係数と磁力線方向流れの係数をより高い精度で得ることにより、線形ランダウ衝突演算子によって記述される衝突過程が正しく保持されていることを実証した。

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