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Fast simulation of real-world forest fires based on cellular automata with GPUs and FPGAs
Severin Staudinger
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Informatik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Informatik
Betreuer*in
Eduard Mehofer
DOI
10.25365/thesis.73264
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-15784.77357.230224-3
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
In Zeiten des Klimawandels, in denen wir immer längere Hitze- und Trockenperioden erleben, steigt das Risiko für verheerende Waldbrände immens. Sogar in den alpinen Regionen in Österreich scheinen die Bewohner vor solchen katastrophalen Naturereignissen nicht mehr sicher zu sein, wie der Waldbrand im Rax-Gebiet Ende Oktober 2021 zeigte. In dieser Masterarbeit wird ein Waldbrand-Simulator vorgestellt, der es ermöglicht, Satelliten- und Wetterdaten zu importieren und der Feuerwehr in Zukunft dabei helfen kann, Strategien für die Feuerbekämpfung schnell zu entwickeln. Das vorgestellte Waldbrand-Modell basiert auf physikalischen Regeln und wissenschaftlichen Beobachtungen, was zu einem realistischen Feuerausbreitungsverhalten führt. Die komplexe Logik dieser physikalischen Eigenschaften, zum Beispiel die Effekte von Wind, Wetter und verschiedene Brennverhalten, wurde für den Gebrauch in zellulären Automaten vereinfacht. Zelluläre Automaten, die bereits in den frühen 1940er Jahren von Stanislaw Ulam und John von Neumann vorgestellt wurden, zeichnen sich dadurch aus, dass sie selbst mit einfachen Berechnungsmethoden – auch "Spielregeln" genannt – komplexe Vorgänge simulieren können. Außerdem eignen sie sich hervorragend für eine Parallelisierung, da die Berechnungen für jede Zelle, oder jeden Pixel des Bildes, unabhängig voneinander stattfinden. Um die maximale Geschwindigkeit der Berechnungen zu erreichen, wurden im Vorfeld der finalen Entwicklung CPUs (Central Processing Unit), GPUs (Graphics Processing Units) und FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) miteinander verglichen. Die meisten Vorteile brachte die Implementierung auf GPUs, da sie sowohl für die Berechnungen als auch für die Visualisierung der Ergebnisse verwendet werden kann. Da der Datentransport von CPU zu GPU erhebliche Zeit in Anspruch nimmt, ist es wichtig, diese so gut wie möglich zu vermeiden. In dieser Masterarbeit wurde deshalb ein Weg vorgestellt, wie man die GPU Programmiersprachen OpenCL und OpenGL miteinander kombinieren kann, um den zeitlichen Mehraufwand ("visualization overhead") zu minimieren. Die Simulationen konnten mit Hilfe der GPU, im Vergleich zu der parallelen Berechnung auf der CPU, um das 86-fache beschleunigt werden.
Abstract
(Englisch)
As severe forest fires are occurring more frequently and their outcome is hard to predict, there is a need for fast computer simulations. The goal for these simulations is to produce accurate results as fast as possible. The wildfire simulator presented in this Master’s thesis is capable of importing real-world satellite data and is based on cellular automata, which were invented by Stanislaw Ulam and John von Neumann in the early 1940s. Despite their relatively simple structure, cellular automata (CA) can be used for modeling complex real-world phenomena, such as wildfires. The great benefit of CAs is that they can be massively parallelized, which makes them suitable for accelerating with parallel hardware environments. In this thesis cellular automata were implemented with multi-core CPUs (Central Processing Units), FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) and GPUs (Graphics Processing Units). The GPU offered the most benefits, since it is not only fast, but can be also used for visualization the simulation results. By combining the computing language OpenCL with the graphics language OpenGL, both executed on the GPU, it was possible to greatly reduce the visualization overhead, i.e. the time the simulation takes longer when the results are being displayed. While the measured overhead was almost one second for the parallel CPU version, it did not even add up to one millisecond on the GPU. The overall speedup achieved by the GPU (NVIDIA GeForce GTX 1060 6GB) compared to the parallel CPU (AMD™FX-8350 4.0 GHz with 8 cores and 32GB RAM) version, realized with OpenMP, was about the factor of 86. Using the GPU over an FPGA approach made it possible to integrate visualizations of the simulation results into a graphical user interface. The simulation trial runs showed the expected realistic behavior, since the cellular automata logic is based on scientific papers describing the theoretical aspects of real-world wildfires.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Waldbrand-Simulator zelluläre Automaten High-Performance Anwendung OpenCL GL Interoperabilität GPU Beschleunigung FPGA Evaluierung Echte-Welt-Waldbrand-Simulation
Schlagwörter
(Englisch)
Wildfire Simulator Cellular Automata High-Performance Computing OpenCL GL Interoperability GPU Acceleration FPGA Evaluation Real-World Forest Fire Simulation
Autor*innen
Severin Staudinger
Haupttitel (Englisch)
Fast simulation of real-world forest fires based on cellular automata with GPUs and FPGAs
Paralleltitel (Deutsch)
Schnelle Simulation von echten Waldbränden basierend auf zellulären Automaten mit GPUs und FPGAs
Publikationsjahr
2023
Umfangsangabe
xii, 62 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Eduard Mehofer
Klassifikation
54 Informatik > 54.25 Parallele Datenverarbeitung
AC Nummer
AC16804606
Utheses ID
66281
Studienkennzahl
UA | 066 | 921 | |