CABARET scheme on moving grids for two-dimensional equations of gas dynamics and dynamic elasticity

Схема КАБАРЕ, являющаяся представителем семейства балансно-характеристических методов, широко используется при решении многих задач для систем дифференциальных уравнений гиперболического типа в эйлеровых переменных. Возрастающая актуальность задач взаимодействия деформируемых тел с потоками жидкости и газа требует адаптации этого метода на лагранжевы и смешанные эйлерово-лагранжевы переменные. Ранее схема КАБАРЕ была построена для одномерных уравнений газовой динамики в массовых лагранжевых переменных, а также для трехмерных уравнений динамической упругости. В первом случае построенную схему не удалось обобщить на многомерные задачи, а во втором — использовался необратимый по времени алгоритм передвижения сетки. В данной работе представлено обобщение метода КАБАРЕ на двумерные уравнения газовой динамики и динамической упругости в смешанных эйлерово-лагранжевых и лагранжевых переменных. Построенный метод является явным, легко масштабируемым и обладает свойством временн´ой обратимости. Метод тестируется на различных одномерных и двумерных задачах для обеих систем уравнений (соударение упругих тел, поперечные колебания упругой балки, движение свободной границы идеального газа). The conservative-characteristic CABARET scheme is widely used in solving many problems for systems of differential equations of hyperbolic type in Euler variables. The increasing urgency of the problems of interaction of deformable bodies with liquid and gas flows requires the adaptation of this method to Lagrangian and arbitrary Lagrangian-Eulerian variables. Earlier, the CABARET scheme was constructed for one-dimensional equations of gas dynamics in mass Lagrangian variables, as well as for three-dimensional equations of dynamic elasticity. In the first case, the constructed scheme could not be generalized to multidimensional problems, and in the second, a time-irreversible grid movement algorithm was used. This paper presents a generalization of the CABARET method to two-dimensional equations of gas dynamics and dynamic elasticity in arbitrary Lagrangian-Eulerian and Lagrangian variables. The constructed method is explicit, easily scalable, and has the property of temporal reversibility. The method is tested on various one-dimensional and two-dimensional problems for both systems of equations (collision of elastic bodies, transverse vibrations of an elastic beam, motion of the free boundary of an ideal gas).

Discovery of typical subsequences of time series on graphical processor

Поиск типичных подпоследовательностей временного ряда является одной из актуальных задач интеллектуального анализа временных рядов. Данная задача предполагает нахождение набора подпоследовательностей временного ряда, которые адекватно отражают течение процесса или явления, задаваемого этим рядом. Поиск типичных подпоследовательностей дает возможность резюмировать и визуализировать большие временные ряды в широком спектре приложений: мониторинг технического состояния сложных машин и механизмов, интеллектуальное управление системами жизнеобеспечения, мониторинг показателей функциональной диагностики организма человека и др. Предложенная недавно концепция сниппета формализует типичную подпоследовательность временного ряда следующим образом. Сниппет представляет собой подпоследовательность, на которую похожи многие другие подпоследовательности данного ряда в смысле специализированной меры схожести, основанной на евклидовом расстоянии. Поиск типичных подпоследовательностей с помощью сниппетов показывает адекватные результаты для временных рядов из широкого спектра предметных областей, однако соответствующий алгоритм имеет высокую вычислительную сложность. В настоящей работе предложен новый параллельный алгоритм поиска сниппетов во временном ряде на графическом ускорителе. Распараллеливание выполнено с помощью технологии программирования CUDA. Разработаны структуры данных, позволяющие эффективно распараллелить вычисления на графическом процессоре. Представлены результаты вычислительных экспериментов, подтверждающих высокую производительность разработанного алгоритма. Discovery of typical subsequences in a time series is one of the topical problems of time series mining. In this problem, we are to find a set of subsequences that adequately represents the specified time series. The solution of such a problem makes it possible to summarize and visualize a large time series in a wide range of applications: monitoring of the technical condition of complex machines and mechanisms, intelligent management of life support systems, monitoring of indicators of functional diagnostics of the human body, etc. The recently proposed snippet concept formalizes a typical time series subsequence as follows. A snippet of a time series is a subsequence that many other subsequences of the given series are similar to, with respect to a specialized similarity measure based on the Euclidean distance. Despite the snippets discovery algorithm shows adequate results for time series from a wide range of subject domains, it has a high computational complexity. In this article, we propose a novel parallel algorithm for snippets discovery on GPU. Parallelization is performed through the CUDA programming technology. We developed data structures that allow for efficient parallelization of GPU calculations. The experimental results show the high performance of the proposed algorithm.

On boundary optimal control of a coefficient in a nonlinear parabolic equation

Работа связана с изучением нелинейных параболических систем, возникающих при моделировании и управлении физико-химическими процессами, в которых происходят изменения внутренних свойств материалов. Исследовано оптимальное управление одной из таких систем, которая включает в себя краевую задачу третьего рода для квазилинейного параболического уравнения с неизвестным коэффициентом при производной по времени, а также уравнение изменения по времени этого коэффициента. Обоснована постановка оптимальной задачи с финальным наблюдением искомого коэффициента, в которой управлением является граничный режим на одной из границ области. Получено явное представление дифференциала минимизируемого функционала через решение сопряженной задачи. Доказаны условия ее однозначной разрешимости в классе гладких функций. Полученные результаты имеют практическое значение для приложений в различных технических областях, медицине, геологии и т.п. Приведены некоторые примеры таких приложений. The work is connected with investigation of nonlinear parabolic systems arising in the mathematical modeling and control of physical-chemical processes in which inner properties of materials are subjected to changes. We consider optimal control in one of such systems that involves a boundary value problem of the third kind for a quasilinear parabolic equation with an unknown coefficient at the time derivative and, moreover, an additional equation for a time dependence of this coefficient. The optimal problem with a boundary control regime is justified for the given final observation of the sought coefficient. The exact representation for the differential of the minimization functional in terms of the solutions of the conjugate problem is obtained. The form of this conjugate problem and conditions of unique solvability in a class of smooth functions are shown. The obtained results are important for applications in various technical fields, medicine, geology, etc. Some examples of such applications are discussed.

Реализация и производительность алгоритмов волновой томографии на вычислительных платформах SIMD CPU и GPU

This paper is concerned with implementation of wave tomography algorithms on modern SIMD CPU and GPU computing platforms. The field of wave tomography, which is currently under development, requires powerful computing resources. Main applications of wave tomography are medical imaging, nondestructive testing, seismic studies. Practical applications depend on computing hardware. Tomographic image reconstruction via wave tomography technique involves solving coefficient inverse problems for the wave equation. Such problems can be solved using iterative gradient-based methods, which rely on repeated numerical simulation of wave propagation process. In this study, finite-difference time-domain (FDTD) method is employed for wave simulation. This paper discusses software implementation of the algorithms and compares the performance of various computing devices: multi-core Intel and ARM-based CPUs, NVidia graphics processors. В данной статье рассматривается реализация алгоритмов волновой томографии на современных вычислительных платформах SIMD CPU и GPU. Область волновой томографии, которая в настоящее время находится в стадии разработки, требует мощных вычислительных ресурсов. Основные области применения волновой томографии - это медицинская визуализация, неразрушающий контроль, сейсмические исследования. Практические приложения зависят от вычислительного оборудования. Восстановление томографического изображения методом волновой томографии включает решение коэффициентов обратной задачи для волнового уравнения. Такие проблемы могут быть решены с помощью итерационных градиентных методов, основанных на многократном численном моделировании процесса распространения волн. В этом исследовании для моделирования волн используется метод конечных разностей во временной области (FDTD). В статье обсуждается программная реализация алгоритмов и сравнивается производительность различных вычислительных устройств: многоядерных процессоров Intel и ARM, графических процессоров NVidia.

Применение онтологий для решения задач геофизики

The paper covers an intelligent support system that allows to describe and construct solutions to various scientific problems. In this study, in particular, we consider geophysical problems. This system is being developed at the Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics of the Russian Academy of Sciences (ICMMG SB RAS) and Institute of Informatics System of the Russian Academy of Sciences (IIS SB RAS). The system contains a knowledge base, the core of which is a set of several interconnected ontologies such as the ontology of supercomputer architectures, the ontology of algorithms and methods. Ontology can be viewed as a set of concepts and how those concepts are linked. As the result, the authors present an ontological description of two geophysical problems via the means of the intelligent support system: 1) the seismic wavefield simulation and 2) the reconstruction of a seismic image through pre-stack time or depth migration. For a better visual understanding of the system described and the results obtained, the paper also contains several schematic diagrams and images. В статье рассматривается система интеллектуальной поддержки, позволяющая описывать и выстраивать решения различных научных задач. В данной работе рассматриваются геофизические задачи. Система разрабатывается в Институте вычислительной математики и математической геофизики Российской академии наук (ИВМГ СО РАН) и Институте систем информатики Российской академии наук (ИИС СО РАН). Система содержит базу знаний, ядром которой является набор из нескольких взаимосвязанных онтологий, таких как онтология суперкомпьютерных архитектур, онтология алгоритмов и методов. Онтологию можно рассматривать как набор концепций и связей между ними. В результате авторы представляют онтологическое описание двух геофизических задач с помощью средств системы интеллектуальной поддержки: 1) моделирование сейсмического волнового поля и 2) реконструкция сейсмического изображения посредством временной или глубинной миграции до суммирования. Для лучшего визуального понимания описанной системы и полученных результатов в работе также есть несколько схематических диаграмм и изображений.

On validation of solutions to linear programming problems on cluster computing systems

В статье представлен параллельный алгоритм валидации решений задач линейного программирования. Идея метода состоит в том, чтобы генерировать регулярный набор точек на гиперсфере малого радиуса, центрированной в точке тестируемого решения. Целевая функция вычисляется для каждой точки валидационного множества, принадлежащей допустимой области. Если все полученные значения меньше или равны значению целевой функции в точке, проверяемой как решение, то эта точка считается корректным решением. Параллельная реализация алгоритма VaLiPro выполнена на языке C++ с использованием параллельного BSF-каркаса, инкапсулирующего в проблемно-независимой части своего кода все аспекты, связанные с распараллеливанием программы на базе библиотеки MPI. Приводятся результаты масштабных вычислительных экспериментов на кластерной вычислительной системе, подтверждающие эффективность предложенного подхода. The paper presents and evaluates a scalable algorithm for validating solutions to linear programming (LP) problems on cluster computing systems. The main idea of the method is to generate a regular set of points (validation set) on a small-radius hypersphere centered at the solution point submitted to validation. The objective function is computed at each point of the validation that belongs to the feasible region. If all the values are less than or equal to the value of the objective function at the point that is to be validated, then this point is the correct solution. The parallel implementation of the VaLiPro algorithm is written in C++ through the parallel BSF-skeleton, which encapsulates all aspects related to the MPI-based parallelization of the program. We provide the results of large-scale computational experiments on a cluster computing system to study the scalability of the VaLiPro algorithm.

Mathematical model and algorithm for calculating the cycles of the cells of the graph map

Выделенные свойства циклов DFS-базиса блока карты простого графа позволили составить математическую модель вычисления циклов ячеек карты графа. По данной модели предложен практический алгоритм вычисления циклов ячеек карты графа. Алгоритм имеет квадратическую сложность относительно числа вершин в графе. The selected properties of the cycles of the DFS-basis block of a simple graph map allowed us to create a mathematical model for calculating the cycles of the cells of the graph map. According to this model, a practical algorithm for calculating the cycles of the graph map cells is proposed. The algorithm has a quadratic complexity relative to the number of vertices in the graph.

Algorithms of motion in the particle-in-cell method

В настоящей работе представлен новый метод решения уравнений движения заряженных частиц в электромагнитных полях и проведено его сравнение с различными известными модификациями метода Бориса. Созданные двумерный и трехмерный алгоритмы основаны на использовании точного решения дифференциального уравнения для скорости заряженной частицы на шаге по времени. Сравнительный анализ метода Бориса и его модификаций проводился как по точности методов, так и по времени их работы. Новая модификация метода Бориса позволяет точнее вычислять траекторию и скорость заряженной частицы без значительного увеличения сложности расчетов. Показано, что при выборе модификации метода Бориса для решения задачи в первую очередь следует обращать внимание на точность решения, так как более простая и быстрая схема может не дать выигрыша по времени. The article proposes a new method for solving the equations of motion of charged particles in electromagnetic fields and compares this method with various known modifications of the Boris method. The created two-dimensional and three-dimensional algorithms are based on the use of an exact solution of the differential equation for the velocity of a charged particle at a time step. A comparative analysis of the Boris method and its modifications was carried out both in terms of the accuracy of the methods and the time of their operation. A new modification of the Boris method allows more accurate calculations of the trajectory and velocity of a charged particle without a significant increase in the complexity of calculations. It is shown that, when choosing a modification of the Boris method to solve a problem, one should pay attention first of all to the accuracy of the solution, since a simpler and faster scheme may not give a gain in time.

Synthesis of highly efficient multilayer dielectric diffraction gratings for spectral combining of laser beams

Статья посвящена синтезу многослойных диэлектрических отражательных дифракционных решеток, с высокой эффективностью обеспечивающих спектральное сложение пучков с различной длиной волны в заданном дифракционном порядке. Приводятся результаты решения задачи синтеза многослойных диэлектрических дифракционных решеток, обеспечивающих спектральное сложение в первом или минус первом порядке дифракции. Кроме того, решается задача синтеза для таких решеток с учетом возможных технологических ограничений на высоту профиля (глубину травления). Решение задачи синтеза проводится путем минимизации зависящего от параметров решетки целевого функционала методом Нелдера-Мида. Решение прямой задачи на каждом шаге минимизации осуществляется при помощи комбинации неполного метода Галеркина и метода матриц рассеяния. The paper is devoted to the synthesis of multilayer dielectric reflection diffraction gratings providing high-efficiency spectral combining of the beams with different wavelengths in a given diffraction order. The results are presented for solving the synthesis problems for multilayer dielectric diffraction gratings providing spectral combining in the first or minus first diffraction order. Besides, the synthesis problem for such gratings is solved with account taken of possible technological constraints imposed by the height of the grating profile (etch depth). The solution of the synthesis problem is obtained by means of Nelder-Mead minimization of the merit function depending on the grating parameters. At each minimization step the direct problem is solved using a combination of the incomplete Galerkin method and scattering matrix method.

On the Effective Implementation and Capabilities of the Least-Squares Collocation Method for Solving Second-Order Elliptic Equations

Исследованы возможности численного метода коллокации и наименьших квадратов (КНК) на примерах кусочно-полиномиального решения задачи Дирихле для уравнений Пуассона и типа диффузии-конвекции с особенностями в виде больших градиентов и разрыва решения на границах раздела двух подобластей. Предложены и реализованы новые hp-варианты метода КНК, основанные на присоединении внутри области малых и/или вытянутых нерегулярных ячеек, отсекаемых криволинейной границей раздела от исходных прямоугольных ячеек сетки, к соседним самостоятельным ячейкам. Выписываются с учетом особенности условия согласования между собой кусков решения в ячейках, примыкающих с разных сторон к границе раздела. Проведено сравнение результатов, полученных методом КНК и другими высокоточными методами. Показаны преимущества и достоинства метода КНК. Для ускорения итерационного процесса применены современные алгоритмы и методы: предобуславливание; свойства локальной системы координат в методе КНК; ускорение, основанное на подпространствах Крылова; операция продолжения на многосеточном комплексе; распараллеливание. Исследовано влияние этих способов на количество итераций и время расчетов при аппроксимации полиномами различных степеней. The capabilities of the numerical least-squares collocation (LSC) method of the piecewise polynomial solution of the Dirichlet problem for the Poisson and diffusion-convection equations are investigated. Examples of problems with singularities such as large gradients and discontinuity of the solution at interfaces between two subdomains are considered. New hp-versions of the LSC method based on the merging of small and/or elongated irregular cells to neighboring independent cells inside the domain are proposed and implemented. They cut off by a curvilinear interface from the original rectangular grid cells. Taking into account the problem singularity the matching conditions between the pieces of the solution in cells adjacent from different sides to the interface are written out. The results obtained by the LSC method are compared with other high-accuracy methods. Advantages of the LSC method are shown. For acceleration of an iterative process modern algorithms and methods are applied: preconditioning, properties of the local coordinate system in the LSC method, Krylov subspaces; prolongation operation on a multigrid complex; parallelization. The influence of these methods on iteration numbers and computation time at approximation by polynomials of various degrees is investigated.