Infrastruktura PLGrid dla wspomagania Polskiej Nauki w Europejskiej Przestrzeni Badawczej. Infrastruktura PLGrid

Transkrypt

1 Infrastruktura PLGrid dla wspomagania Polskiej Nauki w Europejskiej Przestrzeni Badawczej Newsletter Nr 1, marzec 2015 Infrastruktura PLGrid Użytkownicy, granty, zespoły Nowe usługi i narzędzia w infrastrukturze PLGrid Usługi ogólne Katalog Aplikacji czyli co i gdzie oferuje PLGrid Usługi dedykowane wybranym dziedzinom nauki DataBank (Matematyka) ModFEM (Metalurgia) Rozmowy z ekspertami gridów dziedzinowych Energetyka Jądrowa i CFD Hydrologia Meteorologia Użytkownicy, granty, zespoły, Infrastruktura PLGrid Użytkownicy. Miło nam poinformować, że pod koniec stycznia br. przekroczyliśmy liczbę 3000 aktywnych użytkowników infrastruktury PLGrid, a na początku lutego 2015 w Portalu PLGrid było zarejestrowanych już 3018 kont. Oznacza to, że od listopada 2014 zanotowaliśmy przyrost liczby użytkowników infrastruktury PLGrid o 432 osoby. Z kolei liczba użytkowników posiadających certyfikat uprawniający do wykonywania obliczeń w trybie gridowym wzrosła w tym czasie z 1397 do 1578 osób. Zespoły. Od listopada 2014 utworzonych zostało 48 nowych zespołów użytkowników i obecnie liczba aktywnych zespołów zarejestrowanych w Portalu PLGrid wynosi 588. Granty. Liczba aktywnych grantów osobistych na początku lutego 2015 wynosiła 3103, a zarejestrowanych grantów właściwych było 173. Helpdesk. Użytkownicy aktywnie korzystają z usług wsparcia w systemie Helpdesk, o czym świadczy 113 nowych problemów zgłoszonych w ostatnim miesiącu do tego systemu. Liczba zgłoszeń rozwiązanych w tym okresie wyniosła 126. Nowe usługi i narzędzia w infrastrukturze PLGrid W ostatnich miesiącach, w infrastrukturze PLGrid zostały zaimplementowane kolejne usługi ogólnego zastosowania, oraz zorientowane dziedzinowo, przygotowane w ramach prac prowadzonych w projektach PLGrid Plus i PLGrid NG, we współpracy z naukowcami z dziedziny Energetyki Jądrowej i CFD, Hydrologii i Meteorologii. Do aktywowania usług w Por- talu PLGrid ( niezbędne jest posiadanie konta użytkownika, które również można założyć w Portalu. Poniżej przedstawiamy krótkie opisy tych nowych usług, a więcej informacji o wszystkich dostępnych usługach w infrastrukturze PLGrid można znaleźć w Podręczniku Użytkownika, udostępnianym ze strony PLGrid Newsletter (marzec 2015) str. 1

2 Usługi ogólne Katalog Aplikacji czyli co i gdzie oferuje PLGrid Tomasz Piontek, PCSS W rozproszonej infrastrukturze obliczeniowej, jaką jest infrastruktura PLGrid, oferującej setki aplikacji i narzędzi często w wielu odmiennych wersjach na różnych klastrach, konieczne jest udostępnienie użytkownikom dynamicznej informacji o pełnej ofercie infrastruktury oraz zapewnienie administratorom infrastruktury narzędzi do efektywnego monitorowania i zarządzania powyższą ofertą. Fakt, że infrastruktura PLGrid składa się z wielu klastrów obliczeniowych zlokalizowanych w pięciu ośrodkach, powoduje, że często potencjalni lub nawet aktywni użytkownicy nie mają pełnej wiedzy, jakie oprogramowanie jest dostępne w ramach infrastruktury i w którym z ośrodków. Brak tej pełnej informacji o ofercie powodował dotychczas, że osoby potencjalnie zainteresowane wykorzystaniem w pracach naukowych zasobów infrastruktury PLGrid nie mogły sprawdzić czy wymagane przez nie oprogramowanie jest dostępne i w jakich wersjach. Równocześnie, w przypadku użytkowników infrastruktury, utrudniało to m.in. właściwe wnioskowanie o przydział zasobów obliczeniowych w poszczególnych ośrodkach z uwzględnieniem na tym etapie faktu, czy dany ośrodek udostępnia konkretne aplikacje. Ponadto, w tak dużej i złożonej infrastrukturze podlegającej ciągłym i dynamicznym zmianom, do efektywnego planowania swoich prac obliczeniowych użytkownicy potrzebują aktualnej informacji o stanie infrastruktury z możliwością wybrania opcji automatycznego powiadamianiu o zmianach, awariach czy planowanych przestojach. W odpowiedzi na powyższe zapotrzebowanie użytkowników, w ramach infrastruktury PLGrid została uruchomiona i oddana do użytkowania usługa Katalog Aplikacji ( prezentująca w jednym miejscu i w jednolity sposób pełną i aktualną ofertę infrastruktury dotyczącą oprogramowania, z podziałem na poszczególne ośrodki, klastry oraz kategorie i dziedziny zastosowania. Podstawową funkcjonalnością usługi Katalog Aplikacji jest umożliwienie użytkownikom przeszukiwania oferty PLGrid oraz prezentacja szczegółowej informacji o udostępnianych w ramach infrastruktury aplikacjach, ich wersjach oraz instalacjach na konkretnych klastrach. Ze względu na różny stopień zaawansowania użytkowników, funkcjonalność wyszukiwania dostępna jest w dwóch trybach: prostym i zaawansowanym. Tryb prosty (Rysunek 1) wzorowany jest na znanym większości użytkowników interfejsie wyszukiwarki Google, a użytkownikowi po wpisaniu wyszukiwanego hasła (nazwy aplikacji, wersji, słowa kluczowego) prezentowana jest lista wyników. Dodatkowo, na stronie głównej usługi prezentowana jest aktualna informacja o liczbie oferowanych aplikacji, wersji i instancji. Strona oferuje również możliwość przejścia do pełnej oferty infrastruktury. Rys. 1. Strona główna Katalogu Aplikacji, tryb prostego wyszukiwania str. 2 PLGrid Newsletter (marzec 2015)

3 Elementy oferty spełniające zadane kryteria wyszukiwania prezentowane są na liście wyników zgodnie z wybranym trybem (aplikacje, wersje, instancje) oraz zakresem szczegółowości (Rysunek 2). Dla wyszukanych aplikacji, obok ich nazwy, prezentowane są dodatkowo m.in. opis, lista słów kluczowych, status, nazwa modułu, a także link do oficjalnej strony aplikacji. Po zmianie trybu, użytkownikom prezentowana jest lista wersji poszczególnych aplikacji wraz z klastrami, na któ- rych są one udostępniane. Strona listy wyników oferuje dodatkowe zaawansowane mechanizmy wyszukiwania poprzez rozszerzenie warunków wyszukiwania o kolejne kryteria, takie jak np. kategoria, słowa kluczowe, status aplikacji, czy klaster, co pozwala wyszukać oprogramowanie dedykowane danemu problemowi badawczemu, metodzie rozwiązania zadanego problemu lub zawęzić poszukiwania do wybranych klastrów. Rys. 2. Strona listy wyników, zaawansowane wyszukiwanie Po wyborze konkretnej aplikacji wyświetlana jest strona prezentująca szczegółowe informacje o danej aplikacji podzielone na tematyczne zakładki (Rysunek 3). W pierwszej zakładce prezentowane są ogólne informacje o aplikacji, takie jak: opis, status, moduł, data wprowadzenia do oferty i, opcjonalnie, data wycofania, informacje o ewentualnych przestojach oraz o producencie i stronie domowej aplikacji. Poniżej, prezentowana jest lista dostępnych wersji i instancji danej aplikacji. Na dodatkowych zakładkach udostępniana jest szczegółowa informacja pomocnicza, taka jak: dokumentacja użytkownika, która może być rozszerzana i modyfikowana przez użytkowników, dynamiczna, zbiorcza informacja o stanie wszystkich instancji aplikacji w całej infrastrukturze (Rysunek 4) oraz zbiorcza informacja o domyślnych modułach dla danej aplikacji na poszczególnych klastrach. Ponadto, w kolejnych zakładkach udostępniany jest zestaw przypadków użycia (opisów typowych eksperymentów wraz z wszystkimi plikami wejściowymi i poprawnym, spodziewanym wynikiem), które mogą posłużyć jako przykłady przy nauce korzystania z danej aplikacji. Na ostatniej zakładce dostępna jest lista wiadomości wygenerowanych przez system i dotyczących danej aplikacji. PLGrid Newsletter (marzec 2015) str. 3

4 Rys. 3. Strona szczegółowych informacji o aplikacji Rys. 4. Monitoring aplikacji str. 4 PLGrid Newsletter (marzec 2015)

5 W odpowiedzi na zapotrzebowanie użytkowników, Katalog Aplikacji w prosty sposób umożliwia subskrypcję powiadomień, w formie wiadomości , o zdarzeniach w infrastrukturze dotyczących konkretnych elementów oferty. Włączenie bądź anulowanie subskrypcji sprowadza się do naciśnięcia przycisku Obserwuj, odpowiednio przy aplikacji, wersji bądź instancji. Po zapisaniu się na powiadomienia, użytkownik na adres podany podczas rejestracji w infrastrukturze PLGrid otrzymywać będzie wiadomości, np. o wprowadzeniu do oferty nowej wersji czy instancji aplikacji, o awariach aplikacji czy o planowanych przestojach w infrastrukturze. Lista obserwowanych przez użytkownika elementów wyświetlana jest w jego profilu użytkownika, w którym dodatkowo może on czasowo wyłączyć otrzymywanie wiadomości czy zmienić ustawienia Katalogu Aplikacji. Katalog Aplikacji będzie tym lepszy i bardziej przydatny, im więcej osób zaangażuje się w tworzenie opisów aplikacji i przypadków użycia. Wszystkich użytkowników infrastruktu- ry PLGrid posiadających wiedzę o poszczególnych aplikacjach zachęcamy do współudziału w tworzeniu treści prezentowanych w usłudze. Każdy zalogowany użytkownik może edytować dokumentację. Zachęcamy również użytkowników z doświadczeniem w używaniu konkretnych aplikacji do podjęcia się roli Globalnego Opiekuna Aplikacji, odpowiedzialnego za weryfikację oraz merytoryczny poziom opisów i przykładów. O przyznanie roli Opiekuna Aplikacji można wnioskować na stronie konkretnej aplikacji. Szczegółowa dokumentacja opisująca pełną funkcjonalność Katalogu Aplikacji dostępna jest w ramach Podręcznika Użytkownika infrastruktury PLGrid pod adresem plgrid.pl/katalog_aplikacji. Katalog Aplikacji rozwijany jest przez zespół z Poznańskiego Centrum Superkomputerowo Sieciowego. Wszelkie problemy oraz wnioski o zmianę, bądź rozszerzenie funkcjonalności, prosimy kierować na adres qcg@plgrid.pl lub zgłaszać w systemie Helpdesk ( Usługi dedykowane wybranym dziedzinom nauki DataBank (platforma dziedzinowa: Matematyka) Usługa przeznaczona jest do równoległego i wielosesyjnego gromadzenia i monitorowania danych do celów analiz matematycznych i statystycznych. DataBank umożliwia zbieranie i przechowywanie danych dowolnego typu. Usługa ta powstała z myślą o pomocy w zbieraniu danych do badań naukowych. Aby skorzystać z usługi, należy mieć założone konto w Portalu PLGrid i aktywną usługę Globalny dostęp QosCosGrid. Usługa DataBank dostępna jest w zakładce Moje konto, w sekcji Platforma dziedzinowa: Matematyka. Adres dostępowy usługi: Więcej informacji: Doc/Matematyka%3A+DataBank ModFEM (platforma dziedzinowa: Metalurgia) W ramach usługi udostępnione jest oprogramowanie do symulacji przepływu ciekłych metali, wykorzystujące równoległą adaptacyjną metodę elementów skończonych. Aplikacja ModFemMet pozwala na modelowanie pola prędkości, ciśnień i temperatury w cieczach, ze szczególnym uwzględnieniem metali. W celu zagwarantowania właściwego odwzorowania właściwości w zależności od temperatury, stosowana jest aproksymacja odcinkami liniowa parametrów materiałowych. Aplikacja ModFemMet jest wygenerowana ze szkieletu programowego ModFEM, który zalicza się do kategorii Otwartego i Wolnego Oprogramowania (WiOO; ang. FLOSS Free Libre/ Open Source Software). ModFEM, dzięki swojej unikalnej architekturze modularnej, pozwala łatwo generować aplikację, pozostawiając użytkownikowi dużą elastyczność i wolność wyboru odnośnie tego, co ma być przedmiotem symulacji, w jaki sposób ma ona przebiegać i jaki sprzęt ma być wykorzystywany do obliczeń. Aby skorzystać z usługi, należy mieć założone konto w Portalu PLGrid i aktywną usługę Globalny dostęp QosCosGrid. Usługa ModFEM dostępna jest w zakładce Moje konto, w sekcji Platforma dziedzinowa: Metalurgia. Więcej informacji: PLGrid Newsletter (marzec 2015) str. 5

6 Rozmowy z ekspertami gridów dziedzinowych Gridy dziedzinowe to unikatowa inicjatywa, łącząca wiedzę ekspertów z inżynierią oprogramowania i wsparciem technicznym. Połączenie takie pozwala na maksymalnie efektywne wykorzystanie infrastruktury PLGrid przez jej użytkowników. Bezpośrednim efektem utworzenia gridu dla danej dziedziny nauki będzie nie tylko lepsze wykorzystanie dostępnych mocy obliczeniowych, ale przede wszystkim stałe podnoszenie poziomu naukowego badaczy danej dyscypliny. Poniżej przedstawiamy więcej informacji na temat trzech kolejnych gridów dziedzinowych projektu PLGrid NG. Gridowe usługi obliczeniowe z dziedziny Energetyka Jądrowa i CFD Informacji na temat usług i ich zastosowania udzielili nam naukowcy z Wydziału Energetyki i Paliw AGH w Krakowie: dr. inż. Mikołaj Oettingen kierownik usługi MCB W ramach gridu dziedzinowego Energetyka Jądrowa i CFD prowadzone są prace związane z wdrożeniem dwóch usług: 1) MCB analiza i projektowanie złożonych systemów jądrowych, zarówno eksperymentalnych jak i przemysłowych, w których przedmiotem zainteresowania są zmiany w mate- mgr inż. Tomasz Siwek kierownik usługi RoMa rii wywołane promieniowaniem jądrowym, 2) ROMA zbudowanie systemu umożliwiającego prowadzenie optymalizacji maszyn rotodynamicznych z wykorzystaniem technik CFD w ramach infrastruktury PLGrid. Jakie zagadnienia są przedmiotem Waszych badań i prac w projekcie PLGrid NG? W ramach projektu prowadzimy prace dotyczące Energetyki Jądrowej oraz CFD. Pierwsze zagadnienie dotyczy modelowania numerycznego systemów jądrowych, czyli takich, w których występują zjawiska związane z emisją i oddziaływaniem promieniowania jądrowego z materią. Takimi systemami są np. detektory promieniowania, źródła promieniowania, osłony radiacyjne, pojemniki na odpady jądrowe, ale również bardziej zaawansowane systemy, np. energetyczne reaktory jądrowe. W swojej pracy skupiamy się głównie na tych ostatnich. Obecnie światowe tendencje wskazują na ponowny wzrost wykorzystania energetyki jądrowej do produkcji czystej, wolnej od emisji gazów cieplarnianych energii. Prace koncepcyjne nad nowymi typami reaktorów jądrowych, tzw. reaktorów IV Generacji, wymagają dedykowanych narzędzi numerycznych pozwalających na dokładne odwzorowanie zjawisk fizycznych zachodzących w systemie oraz oceny jego niezawodności i stopnia bezpieczeństwa. W ramach projektu PLGrid NG zajmujemy się głownie implementacją dedykowanego programu Monte Carlo MCB na komputerach wysokiej mocy obliczeniowej w celu zwiększenia precyzji otrzymywanych wyników numerycznych. Drugi obszar dotyczy zagadnień CFD, tj. komputerowej mechaniki płynów, ze szczególnym naciskiem na zastosowanie metod numerycznych w optymalizacji parametrów pracy roto- dynamicznych maszyn energetycznych. Rotodynamiczne maszyny przepływowe są podstawowymi elementami wielu technologii energetycznych od instalacji zawodowych o zasięgu krajowym po urządzenia gospodarstwa domowego. Zadaniem maszyn tego typu jest przekonwertowanie energii zawartej w płynie na pracę przekazaną na wał obrotowy maszyny lub odwrotnie. Ilość przekazywanej energii znacznie zależy od wielkości i przeznaczenia maszyn: turbiny parowe i gazowe w elektrowniach zawodowych MW, turbiny wodne 5kW-200 MW, turbiny wiatrowe 10kW-2MW, pompy, wentylatory i sprężarki 0,1kW-4MW. Nowe normy prawne, w tym postanowienia Pakietu Energetyczno-Klimatycznego i ich następstwa, obligują nas do bardziej efektywnego wykorzystywania zasobów energetycznych. Celem optymalizacji maszyny jest zaproponowanie rozwiązania konstrukcyjnego zaspokajającego projektową potrzebę, dla którego maszyna będzie pracować z najlepszą efektywnością energetyczną (najmniejsze zużycie energii pierwotnej, najmniejsze zanieczyszczenia, ograniczenie hałasu, najlepsze uwarunkowania ekonomiczne). Współczesne narzędzia do projektowania i optymalizacji maszyn tego typu bazują na metodach numerycznych, których mankamentem jest zapotrzebowanie na bardzo duże moce obliczeniowe, stąd umiejscowienie usługi na superkomputerach działających w ramach infrastruktury PLGrid. str. 6 PLGrid Newsletter (marzec 2015)

7 Jakie prace zostały zaplanowane, aby rozwiązać powyższe zagadnienia /problemy? W ramach prowadzonych prac zostaną zaimplementowane dwie usługi: MCB i ROMA. Pierwsza z nich dotyczy dziedziny Energetyki Jądrowej, natomiast druga optymalizacji parametrów pracy rotodynamicznych maszyn energetycznych z wykorzystaniem technik CFD (ang. Computational Fluid Dynamics). Usługa MCB umożliwi modelowanie numeryczne fizyki zaawansowanych systemów jądrowych, takich jak energetyczne i naukowe reaktory jądrowe, dzięki zastosowaniu me- tod Monte Carlo. Pozwoli ona na dokładne odwzorowanie geometrii oraz składu materiałowego danego systemu oraz symulacje jego zachowania podczas normalnej pracy, jak i sytuacji awaryjnych, co jest podstawą do oceny jego bezpieczeństwa. Głównymi obszarami symulacji są zagadnienia związane z transportem promieniowania neutronowego oraz zmiany materiałowe powstałe na skutek jego oddziaływania z materią, szczególnie z paliwem jądrowym. Założeniem drugiej usługi jest zbudowanie systemu umożliwiającego prowadzenie optymalizacji maszyn rotodynamicznych z wykorzystaniem technik CFD w ramach klastra obliczeniowego. Prowadzenie optymalizacji wymaga zaangażowania w procedurę obliczeniową kilku niezależnych programów wymieniających między sobą dane w procesie analizy parametrycznej. W ramach badania jednego zestawu parametrów wejściowych (wymiary geometryczne, stałe materiałowe, warunki brzegowe, itp.) zakłada się przejście wedle następującego schematu: 1. Przygotowanie lub aktualizacja geometrii (programy z grupy CAD). 2. Generowanie siatki numerycznej (Ansys Meshing, TurboGrid, ICEM CFD). 3. Przyjęcie modelu matematycznego i rozwiązanie zadania (Ansys CFX, Fluent). 4. Obróbka wyników obliczeń (post-processing). Co będzie wynikiem prowadzonych prac? Rys. 1. Logo usługi MCB Dla najszybszego otrzymania optymalnego rozwiązania konieczne jest wykorzystanie technik planowania eksperymentu (przewidziana dostępność planów eksperymentu: CCD Central Composite Design, Optimal Space-Filling, niestandardowe własne). W oparciu o wyniki obliczeń na bazie macierzy eksperymentu numerycznego zakłada się wygenerowanie przestrzeni odpowiedzi z wykorzystaniem następujących algorytmów dopasowania: Full Second-Order Polynominal, Kriging, Non-parametric Regression, Neutral Network. W kolejnym kroku typowane są próbki kandydaci optymalnego rozwiązania (procedury optymalizacji: Screening, Multi-Objective Genetic Algorithm, Nonlinear Programming) i po sprawdzeniu następuje zakończenie optymalizacji maszyny. Tworzona usługa ma umożliwiać użytkownikowi w łatwy, przejrzysty sposób łączenie wielu narzędzi w celu rozwiązania problemów związanych z procedurą optymalizacji maszyn płynowych. Wynikiem prac będzie implementacja usługi MCB na komputerach dużej mocy obliczeniowej wraz z udostępnieniem przykładowych modeli numerycznych reaktorów jądrowych i bibliotek danych jądrowych niezbędnych do przeprowadzenia symulacji numerycznej. Przyszły użytkownik otrzyma w pełni zintegrowane narzędzie do obliczeń fizyki zaawanso- wanych systemów jądrowych. Główną zaletą usługi będzie jej wszechstronność, pozwalająca na implementację dowolnej geometrii systemu jądrowego bez ograniczeń w stopniu jej skomplikowania. Ponadto zostanie udostępniony przejrzysty podręcznik użytkownika zawierający przykłady użycia poszczególnych funkcji usługi MCB. Rys. 2. Wizualizacja modelu numerycznego rdzenia reaktora jądrowego IV Generacji, chłodzonego ciekłym ołowiem, opracowanego przy pomocy usługi MCB PLGrid Newsletter (marzec 2015) str. 7

8 W drugim przypadku, zasadniczym celem zadania nie jest opracowanie nowego modelu obliczeniowego, a stworzenie czytelnego algorytmu procedury optymalizacyjnej maszyn rotodynamicznych, w tym opracowanie skryptów przekazywania informacji (plików) pomiędzy poszczególnymi programami wchodzącymi w skład procedury, a także narzędzi zarządzających danymi wejściowymi i wyjściowymi oraz uruchamianiem analizy parametrycznej. Zakłada się, iż cały system będzie bazował na komercyjnym oprogramowaniu oferowanym w ra- mach pakietów ANSYS lub pokrewnych. Ważnym elementem usługi będzie zaimplementowanie platformy Workbench, tj. zintegrowanego środowiska symulacji przepływów i zjawisk sprzężonych do zarządzania projektem w ramach usługi RoMa. Szczególnie istotne z punktu widzenia użytkownika jest zsynchronizowanie procedury zlecania zadań obliczeniowych (projektowanych na platformie Workbench) z systemem kolejkowym klastra. Rys. 3. Wybrane składniki usługi RoMa (meshowanie, pre-processing i post-processing) Co umożliwią, teraz lub w przyszłości, wyniki i rozwiązania uzyskane dzięki współpracy realizowanej w ramach projektu PLGrid NG? Główną zaletą uczestnictwa w projekcie PLGrid NG jest możliwość szeroko pojętej współpracy między poszczególnymi instytucjami zaangażowanymi w realizację projektu. Stanowi to nieocenioną pomoc w pracach nad implementacją usług rozwijanych przez grid dziedzinowy Energetyka Jądrowa i CFD. Udział w projekcie stanowi szczególną platformę wymiany informacji pomiędzy partnerami, co skutkuje nowymi pomysła- mi na kolejne wykorzystanie infrastruktury PLGrid. Tym samym opracowane wyniki i rozwiązania mogą przyczynić się do powstania think-tanku opartego na dotychczasowych doświadczeniach zdobytych podczas projektu i służącego w przyszłości do prowadzenia kolejnych prac wdrożeniowo-rozwojowych. W jaki sposób infrastruktura PLGrid będzie wykorzystana do prac prowadzonych w opisanych zagadnieniach związanych z Energetyką Jądrową i CFD? Usługa MCB wykorzystuje metody Monte Carlo do modelowania transportu promieniowania w zdefiniowanym systemie jądrowym. Umożliwiają one modelowanie systemów jądrowych o skomplikowanej geometrii, lecz wymagają komputerów o dużej mocy obliczeniowej, aby osiągnąć dostateczną precyzję wyników symulacji. Takie komputery dostępne są w ramach infrastruktury PLGrid klastry Zeus i Mars, jak i przyszły klaster Prometheus. Implementacja usługi MCB na tych komputerach pozwoli na znaczne zredukowanie czasu obliczeń, z jednoczesnym podwyższeniem ich precyzji. Usługa RoMa, podobnie jak MCB, bazuje na metodach numerycznych wymagających dużej mocy obliczeniowej. Dokładność odwzorowania, skala modelu oraz charakter zjawisk przepływowych ściśle wiążą się z wielkością siatek numerycznych (wynik dyskretyzacji modelu), te z kolei determinują ilość zużytej pamięci RAM i ilość rdzeni CPU dla akceptowalnego czasu trwania obliczeń. Z doświadczeń zgromadzonych w ramach prac obliczeniowych prowadzonych w Katedrze Maszyn Cieplnych i Przepływowych AGH wynika, że obliczenia jednego punktu projektowego maszyn (jeden zestaw parametrów) mogą trwać od kilku godzin do kilku dni (duże modele) na 16 rdzeniach i z wykorzystaniem 164 GB pamięci operacyjnej. Zaangażowanie superkomputerów w procedury obliczeniowe z wykorzystaniem technik CFD jest wręcz konieczne dla rozwiązywania zaawansowanych naukowych zagadnień dotyczących projektowania maszyn płynowych. str. 8 PLGrid Newsletter (marzec 2015)

9 Gridowe usługi obliczeniowe z dziedziny Hydrologia Informacji na temat usług i ich zastosowania udzielili nam naukowcy z Wydziału Nauk o Ziemi i Kształtowania Środowiska Uniwersytetu Wrocławskiego: dr hab. Tomasz Niedzielski prof. UWr koordynator gridu dziedzinowego Hydrologia mgr Bartłomiej Miziński ekspert dziedzinowy, przedstawiciel w Radzie Technicznej Gridów Dziedzinowych mgr Małgorzata Świerczyńska ekspert dziedzinowy Magdalena Stec ekspert dziedzinowy Jakie zagadnienia są przedmiotem badań zespołu i prac gridu dziedzinowego Hydrologia w projekcie PLGrid NG? Przedmiotem badań zespołu jest modelowanie i prognozowanie wybranych procesów związanych z powierzchniowymi wodami płynącymi oraz zachodzących w morzach i oceanach. W szczególności prace zespołu koncentrują się na przewidywaniu kształtu hydrogramu, czyli przebiegu stanów wody w rzekach lub przepływów rzecznych, oraz na prognozowaniu zmian poziomu oceanu. W ramach gridu dziedzinowego Hydrologia powstają dwie usługi: pierwsza ma wspierać prognozowanie hydrogramu w czasie rzeczywistym przez dostarczanie aktualnych przestrzennych oszacowań ewapotranspiracji (czyli parowania z powierzchni roślin i gruntu), a druga ma na celu dostarczenie środowisku naukowemu krótko- i długoterminowych prognoz zmian poziomu oceanu wyznaczanych automatycznie co dobę. Prognozy hydrologiczne są bardzo ważne zarówno dla bezpieczeństwa obywateli, jak i dla gospodarki. Odpowiednio wcześnie wydane ostrzeżenie o zagrożeniu hydrologicznym, oparte na operacyjnej prognozie stanu wody, może pomóc w zmniejszeniu ryzyka utraty zdrowia lub życia ludzi oraz w zmniejszeniu strat ekonomicznych związanych z podtopieniami podczas powodzi. Nie tylko dokładność prognoz ma fundamentalne znaczenie w procesie ostrzegania ludności o nadchodzącym wezbraniu, ale również szybkość obliczania tych prognoz i automatyzacja procesu modelowania. W przypadku zlewni górskich wezbrania mają często przebieg bardzo gwałtowny, a do realizacji skutecznego ostrzegania przed zagrożeniami powodziowymi niezbędne jest generowanie prognoz w trybie ciągłym i w czasie rzeczywistym. Prognozy takie obliczane są automatycznie, z krótkim interwałem aktualizacji modeli, i są dostępne przez całą dobę. Aby aktualizacja modeli hydrologicznych mogła przebiegać w trybie automatycznym, konieczny jest dostęp do obserwacji hydrometeorologicznych oraz prognoz wybranych parametrów meteorologicznych. Wśród tych ostatnich kluczową rolę odgrywają prognozy opa- du i ewapotranspiracji. Szacowanie przyszłych sum opadu realizowane jest przez mezoskalowe modele meteorologiczne, które często nie dostarczają informacji o ewapotranspiracji. Istnieje zatem potrzeba przygotowania usługi realizującej wyznaczanie ewapotranspiracji potencjalnej i jej prognoz w czasie rzeczywistym, co będzie stanowić istotne wsparcie dla zespołów zajmujących się modelowaniem hydrologicznym. Prognozy zmian poziomu oceanu mają znaczenie nie tylko dla żeglugi morskiej, ale też dla przewidywania wielkoskalowych oscylacji klimatycznych, których sygnał widoczny jest w zmiennej w czasie topografii oceanu światowego. Szczególnie interesującym zjawiskiem, które wpływa znacząco na lokalne zmiany poziomu okołorównikowego Pacyfiku, jest oscylacja El Niño/Southern Oscillation (ENSO). Ma ona dwie główne fazy ciepłą (El Niño) oraz chłodną (La Niña), podczas których w anomalny sposób zmienia się wiele parametrów oceanu i atmosfery oceanicznej. Zjawiskom El Niño i La Niña towarzyszą liczne katastrofy środowiskowe w różnych obszarach Ziemi, na przykład powodzie, susze czy fale mrozów. Ciepłe lub chłodne epizody ENSO występują co 2 7 lat, zawsze pod koniec roku, w okresie Świąt Bożego Narodzenia. Przewidywanie ENSO jest zadaniem trudnym, gdyż El Niño lub La Niña nie występują regularnie każdego roku. Mając dostęp do prognozy zmian poziomu oceanu, eksperci mogą wnioskować o przyszłych scenariuszach rozwoju faz ENSO. Istnieje kilka systemów generujących prognozy zmian poziomu oceanu w czasie rzeczywistym, a jednym z nich jest Prognocean, który powstał na Uniwersytecie Wrocławskim. W celu udostępnienia wyników obliczeń systemu Prognocean badaczom, którzy mogą ich użyć do wnioskowania o dynamice ENSO, konieczny jest profesjonalny serwis mapowy udostępniający wyniki obliczeń. Obliczenia te muszą być szybkie i opierać się na satelitarnych danych altimetrycznych o najwyższej dostępnej rozdzielczości przestrzennej. PLGrid Newsletter (marzec 2015) str. 9

10 Jakie nowe usługi są opracowywane w ramach prac gridu Hydrologia i co będzie ich wynikiem? Pierwsza usługa to Moduł oprogramowania do wyznaczania prognoz ewapotranspiracji na potrzeby modeli hydrologicznych, który będzie umożliwiał grupom badawczym zajmującym się prognozowaniem hydrologicznym uzyskanie prognozy ewapotranspiracji w czasie rzeczywistym na potrzeby uruchomienia modeli hydrologicznych. Klasycznym przykładem modelu, wymagającego na wejściu danych o ewapotranspiracji potencjalnej, jest Topmodel, który pozwala na prognozowanie przepływów rzecznych. Dzięki dokładnym i częstym prognozom ewapotranspiracji, modele hydrologiczne będą mogły oferować na wyjściu dokładniejsze prognozy stanów wód czy przepływów. Druga usługa przygotowywana w ramach gridu dziedzinowego Hydrologia to Mapowy serwis prognoz zmian poziomu oceanu oraz wybranych charakterystyk meteorologicznych nad oceanami. W czasie rzeczywistym publikujemy prognozy zmian poziomu oceanu i ich błędy, zarówno w interaktywnym serwisie mapowym dostępnym z przeglądarki, jak i w standardzie WCS przez odpowiednie zapytanie. Naukowcy korzystający z usługi będą mieli zatem dostęp do prognoz i ich charakterystyk przedstawianych interaktywnie zgodnie z zasadami geowizualizacji, co pozwoli na wykonywanie analiz zmian poziomu oceanu na żądanie, na przykład w celu formułowania scenariuszy rozwoju zjawisk El Niño i La Niña. Jaką wartość dodaną w stosunku do istniejących rozwiązań będą oferowały usługi powstające dzięki współpracy realizowanej w ramach projektu PLGrid NG? Usługa do wyznaczania ewapotranspiracji potencjalnej oraz jej prognoz w czasie rzeczywistym jest unikatowa z uwagi na bardzo szybki czas obliczania tych danych, co jest kluczowe dla adekwatności modeli hydrologicznych do określonych sytuacji hydrometeorologicznych. Tak częsta aktualizacja ewapotranspiracji potencjalnej i jej prognoz jest możliwa dzięki zastosowaniu równania Penmana-Monteitha, integrując przy tym w czasie rzeczywistym wyniki generowane przez mezoskalowy model meteorologiczny WRF, w ramach usługi przygotowywanej przez zespół gridu Meteorologia, z interpolowanymi mapami indeksu LAI (ang. Leaf Area Index) pozyskiwanymi z satelitarnej infrastruktury MODIS. Rys. 1. Mapa indeksu pokrycia liściowego LAI (Leaf Area Index) str. 10 PLGrid Newsletter (marzec 2015)

11 Rozwiązanie Prognocean funkcjonuje natomiast od kilku lat dla rozdzielczości 1 x1 na serwerach Zakładu Geoinformatyki i Kartografii Uniwersytetu Wrocławskiego. Od niedawna dostępne są nowe, wysokorozdzielcze dane altimetryczne, czyli anomalie poziomu oceanu na siatce gridowej 1/4 x1/4. Przejście do wyższej rozdzielczości przestrzennej przy utrzymaniu rygorystycznych warunków na czas obliczania zbioru prognoz dobowych, który musi być wyznaczony w czasie kilku godzin jest możliwe z zastosowaniem infrastruktury obliczeniowej PLGrid. Zwiększenie rozdzielczości jest zatem jedną z wartości dodanych, wyróżniających usługę od istniejącego rozwiązania. Drugim elementem szczególnym dla usługi jest profesjonalny serwis mapowy wspierający Prognocean, który udostępni wyniki eksperymentów prognozowania zmian poziomu oceanu szerszej społeczności naukowej. Rys. 2. Interaktywny serwis mapowy systemu Prognocean W jaki sposób infrastruktura PLGrid będzie wykorzystana do prac prowadzonych w opisanych zagadnieniach związanych z hydrologią? Moduł oprogramowania do szacowania ewapotranspiracji potencjalnej będzie uruchamiany automatycznie w infrastrukturze PLGrid, z częstością odpowiadającą kolejnym uruchomieniom mezoskalowego modelu meteorologicznego WRF (ang. Weather Research and Forecasting). Po wykonaniu obliczeń, dane i prognozy będą zapisywane w kolekcji Rasdaman, uzupełniając zbiór dostępnych map obserwowanych i prognozowanych elementów pogody o warstwy ewapotranspiracji potencjalnej. Użytkownik, przez usługę sieciową lub przez zapytanie z poziomu przeglądarki, będzie mógł pobrać dane lub prognozy ewapotranspiracji potencjalnej w czasie rzeczywistym. Serwis mapowy Prognocean jest oparty na rozwiązaniu Geoserver, które korzysta z repozytorium Rasdaman oraz Petascope. Obliczenia prognoz zmian poziomu oceanu i ich statystyk są realizowane w czasie rzeczywistym w środowisku R z użyciem OpenMPI, w oparciu o system Prognocean. Obliczenia uruchamiają się automatycznie w infrastrukturze PLGrid. PLGrid Newsletter (marzec 2015) str. 11

12 Gridowe usługi obliczeniowe z dziedziny Meteorologia Informacji na temat usług i ich zastosowania udzielili nam naukowcy z Instytutu Geografii i Rozwoju Regionalnego Uniwersytetu Wrocławskiego oraz Instytutu Geofizyki Polskiej Akademii Nauk: dr hab. Maciej Kryza koordynator gridu dziedzinowego Meteorologia mgr Marta Stanek ekspert dziedzinowy (praca z modelem WRF, pre-processing i post-processing wyników modelowania) dr Jacek Ślopek ekspert dziedzinowy (przygotowanie aplikacji do wizualizacji i udostępniania prognoz meteorologicznych) mgr Jakub Guzikowski ekspert dziedzinowy (budowa stochastyczno-dynamicznego systemu prognoz pogody, tzw. prognozy ensemble) Jakie zagadnienia są przedmiotem badań zespołu i prac gridu dziedzinowego Meteorologia w projekcie PLGrid NG? Prace realizowane w platformie dziedzinowej Meteorologia mają na celu przygotowanie serwisu pozwalającego na uruchamianie, archiwizowanie i wizualizację numerycznych prognoz pogody. W ramach usługi realizowane będą regularne prognozy meteorologiczne dla obszaru Polski. Wyniki prognoz będą archiwizowane w systemie bazodanowym RASDAMAN i udostępniane z wykorzystaniem usług OGC (ang. Open Geospatial Consortium). W zakresie usługi planowane jest przygotowanie dostępu do danych archiwalnych i do najbardziej aktualnej prognozy meteorologicznej. W ramach niniejszego zadania będzie używany mezoskalo- wy model meteorologiczny Weather Research and Forecasting (WRF). Model pozwala na uzyskanie informacji o czasowej i przestrzennej zmienności warunków meteorologicznych dla zadanego obszaru. WRF ma duże możliwości konfiguracyjne, np. w kontekście parametryzacji procesów fizycznych, co przekłada się na uzyskiwane wyniki. Dodatkowo, model pozwala na tzw. zagnieżdżanie domen i uzyskiwanie informacji meteorologicznej w gęstej siatce obliczeniowej, czyli w wysokiej rozdzielczości przestrzennej. Wysoka rozdzielczość przestrzenna modelu jest istotna m.in. dla modelowania pola opadu atmosferycznego i temperatury powietrza. Rys. 1. Wizualizacja prognozy pogody (temperatura powietrza) dla wybranego dnia str. 12 PLGrid Newsletter (marzec 2015)

13 Co zostało zaplanowane? W ramach prowadzonych prac budowany jest system pozwalający na automatyczne uruchomienie modelu meteorologicznego, pobranie potrzebnych informacji początkowych oraz post-processing i udostępnienie wyników użytkownikom. Planowana jest realizacja prognoz cztery razy na dobę, w rozdzielczości przestrzennej 4km x 4km. Do wykonania takiego zadania potrzebne są znaczne zasoby obliczeniowe, dostępne w infrastrukturze PLGrid. W ramach pracy przygotowane zostanie narzędzie pozwalające na automatyczne uruchomienie prognozy, korzystającej z modelu WRF i skonfigurowanej przez użytkownika. Dodatkowo, wyniki prowadzonych symulacji będą udostępniane użytkownikom w oparciu o usługi OGC, m.in. GeoServer. Przykładowy wynik, wizualizacja prognozy pogody (temperatura powietrza oraz kierunek wiatru) dla wybranego dnia, został przedstawiony na rysunkach 1 i 2. Rys. 2. Wizualizacja prognozy pogody (kierunek wiatru) dla wybranego dnia Jak wyniki przydadzą się innym? Wyniki prac realizowanych w ramach platformy dziedzinowej Meteorologia mają wspierać tych użytkowników, którzy w swoich analizach potrzebują informacji o czasowej i przestrzennej zmienności warunków meteorologicznych. Obecnie prognozy wspierają m.in. projekt HydroProg ( klodzko.hydroprog.uni.wroc.pl/), a docelowo będą wykorzystywane także m.in. przez naukowców zaangażowanych w prace gridu dziedzinowego ebalticgrid w projekcie PLGrid NG. PLGrid Newsletter (marzec 2015) str. 13

14 Konsorcjum PL-Grid Newsletter został opracowany we współpracy z Partnerami Konsorcjum PL-Grid. Projekty PLGrid Plus, PLGrid NG i PLGrid Core są współfinansowane ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka str. 14 PLGrid Newsletter (marzec 2015)