美国科学基金委新资助的多灾害模拟中心SimCenter简介

2017-10-05 孙楚津、杨哲飚译 陆新征课题组 陆新征课题组

美国科学基金委(NSF)近期启动了为期5年的NHERI (Natural hazards engineering research infrastructure)计划,预期投资6200万美元。重点支持8个物理实验平台及一个计算模拟平台的建设和研究。物理平台的相关介绍参阅本公众号之前的文章:


2016年美国加州伯克利大学(UC Berkeley) 获得了NHERI 的计算、建模和模拟中心(Computational Modeling and Simulation Center,简称SimCenter)资助,经费1100万美元。SimCenter的简介如下 

(PPT来源:Dr. Frank McKenna):



文字介绍:

设施概况 

SimCenter正在开发能够访问计算建模仿真软件工具、用户支持和教育资料的技术,以此提高对自然灾害影响民用基础设施的仿真能力。SimCenter的方法是创建可以将大量仿真软件和高性能计算平台与数据存储库无缝集成的软件技术。除了简化计算流程的集成工具之外,SimCenter还提供培训来教育和培养下一代研究者们使用这些工具。

SimCenter提供开源框架以集成建模和仿真工具,以此来:

应对地震、风暴和海啸、风暴潮等相关自然灾害。

处理自然灾害研究所涉及的各学科的焦点复杂科学问题,包括地球科学、岩土工程、结构工程、计算机科学、建筑学、城市规划、灾害与风险管理、决策科学、公共政策和金融。

使用实验测试、现场调查和先前仿真所获得的数据,利用机器学习促进提高建模和仿真能力。

通过传统的和最新的方案,在软件套件的各个层面集成不确定性的传播和量化。

利用高性能并行计算、数据同化和相关功能,将软件应用与具有复杂性的高级工作流程顺利地结合。

拓展完善软件工具,以进行性能化工程评估,并对可提高易受多自然灾害影响社区的韧性的决策予以支持。

利用已提供复杂计算流程所需的较多组件的现有应用。


SimCenter将会:

开发一个计算框架,对可以提高考虑不确定性时自然灾害下的社区韧性的决策予以支持。

为框架提供充足的数据和既有仿真工具的接口,使其能够于近期投入使用,并随着用户发现的缺陷和提出的新的需求而不断改进。

创建一个具有充分灵活性、延伸性和扩展性的框架,使其中任何一个组件都能进行增强以提高分析能力,从而更好地满足用户群体的需求。

提供促进各方合作的生态系统,合作各方包括科学家、工程师、建筑师、城市规划师、决策者和其他致力于提高自然灾害下社区韧性的人。

目前可用或预计可用的计算仿真软件有:

有限元建模:OpenSees,LS-DYNA,ABAQUS,ANSYS

流体动力计算:OpenFOAM,ADCIRC

统计、不确定性传播与优化:DAKOTA,R,MATLAB

未来若干年,仿真工具将可以处理区域建模,包括使用UrbanSim和其他软件来处理分布式基础设施系统。


以下举例说明几个推荐研究者们在研究方案中考虑的主题,研究方案中可进行SimCenter技术的合作和应用以应对NHERI的研究挑战。

利用实验数据验证计算仿真结果和估计模型参数 

计算流程工具将促进高级计算建模软件与统计优化工具的集成,以对NHERI开展的测试、其他最先进的实验设备和通过NHERI Rapid Center采集的灾后观测所获取的数据进行利用,修正并验证计算仿真结果。譬如,通过Dakota(http://dakota.sandia.gov/)的统计优化算法,工作流程可以根据实验测试数据自动修正固体和流体力学仿真软件的模型参数,如OpenSees、OpenFoam、LS-Dyna和其他软件。仿真工具在高性能计算机上的无缝集成,将促进跨越多个测试系列的参数估计,以提供对代表值(中值或均值)和相关离散程度的具有鲁棒性的估计。应用可以关联在任何一个NHERI实验设备上开展的实验,包括结构实验室、风力设备、岩土设备和海啸生成池,也可关联装有监测仪器的结构和生命线设施收集记录的以往地震中的数据。这些经过修正研究和参数估计的观测结果可以通过知识库工具加以利用,这些工具将利用针对这些研究的成果来改进建模技术。

为建筑物和基础设施的构件与系统开发破坏和损失函数 

对于评估建筑物性能和社区韧性的性能化方法来说,关联荷载需求参数与破坏损失的易损性函数至关重要。不确定性量化工具与计算仿真模型、实验测试数据和高性能计算的结合,为构件损伤易损性的推断性实验研究提供了前所未有的能力,可以应对更广泛的情形,并将研究从构件层面的损伤拓展到系统层面的损伤。计算的损伤模拟数据与灾后损失数据(例如维修成本和停工时间)的结合可以进一步促进损失函数的发展和修正。

针对减少自然灾害风险的性能化工程

性能化工程与设计需要模型和数据的集成,以表征自然灾害并将它们的破坏作用传递到建筑物和民用基础设施之上,包括破坏对社会经济因素的影响。在概念上,性能化框架是直接的;然而,对仿真模型、数据和不确定性传播所需要进行的集成却带来了很多挑战。

SimCenter正在开发用于性能化工程应用的数据和元数据模型,这是连接数据集和仿真工具所必要的,以此涵盖从灾害识别到结构的物理响应,到损伤评估,再到由此产生的后果(经济损失、功能损失和停工时间)等多个方面。

SimCenter欢迎与那些致力于早期开发的研究者们进行合作,从而(1)阐明所需的数据和元数据模型,(2)开发并评估用于连接数据集和仿真软件的计算流程,(3)开展试用研究与评估。

模拟社区韧性 

SimCenter需要面对的主要挑战是扩展性能化工程工具,以评估自然灾害下社区层面的韧性。SimCenter的目标是将来自地理位置分散的生命线系统、建筑物清单、社区社会经济特征等多方面的数据和模型进行整合。这涉及到扩展建筑物、基础设施构件和基础设施系统的数据和元数据模型,从而将与构成城市规划工具和模型基础的地理信息系统相兼容的数据涵盖在内。为了研发这些工具,SimCenter正在与开源平台UrbanSim(http://www.urbansim.com/)进行合作,而UrbanSim在城市规划者中拥有不断增长的用户群体。在旧金山和其他美国城市,用以将自然灾害信息整合到UrbanSim的测试平台应用正处于探索当中。对可整合数据和元数据的UrbanSim与其他工具的研究,将使多方研究者能够在网络层面和区域层面开展社区/系统韧性研究。收集数据/元数据的工具可用来建立利用SimCenter框架的分析模型和测试平台研究,这将促进其进一步的发展与改进,是非常有意义的。

在自然灾害研究和工程中利用高性能计算 

有效利用高性能计算对于实现NHERI计划的预期成果至关重要。SimCenter正在与DesignSafe紧密合作开发工作流程工具,以对数据库、仿真软件和不确定性量化工具在多处理器超级计算机、计算集群和云计算资源方面的集成予以简化和推动。SimCenter也在与Pegasus工作流程系统(http://pegasus.isi.edu/)的开发者们合作开发工作流程工具,从而在桌面、校园集群、系统网络和云等多种计算环境下,实现快速多步计算任务。为了探索和量化SimCenter框架提供的云仿真功能的可扩展性,对涉及大型分布式系统(生命线、交通系统等)和区域的测试平台的研究是必须的。

培养下一代自然灾害研究者 

作为计算工具开发的补充,SimCenter的教育与推广计划正在部署教育软件、网络研讨和在线资源,以培养本科生和研究生在自然灾害研究中使用先进计算方法的能力。在适当的时候,SimCenter将会与DesignSafe和NHERI-EF合作开展实践训练营和在线项目,从而在NHERI的各个领域应用仿真工具。SimCenter鼓励NHERI研究者们利用这些工具,向其贡献内容并提供反馈。


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