Numerical modeling of the intensity and evolution of flood events are affected by multiple sources of uncertainty such as precipitation and land surface conditions. To quantify and curb these uncertainties, an ensemble-based simulation and data assimilation model for pluvial flood inundation is constructed. The shallow water equation is decoupled in the x and y directions, and the inertial form of the Saint-Venant equation is chosen to realize fast computation. The probability distribution of the input and output factors is described using Monte Carlo samples. Subsequently, a particle filter is incorporated to enable the assimilation of hydrological observations and improve prediction accuracy. To achieve high-resolution, real-time ensemble simulation, heterogeneous computing technologies based on CUDA (compute unified device architecture) and a distributed storage multi-GPU (graphics processing unit) system are used. Multiple optimization skills are employed to ensure the parallel efficiency and scalability of the simulation program. Taking an urban area of Fuzhou, China as an example, a model with a 3-m spatial resolution and 4.0 million units is constructed, and 8 Tesla P100 GPUs are used for the parallel calculation of 96 model instances. Under these settings, the ensemble simulation of a 1-hour hydraulic process takes 2.0 minutes, which achieves a 2680 estimated speedup compared with a single-thread run on CPU. The calculation results indicate that the particle filter method effectively constrains simulation uncertainty while providing the confidence intervals of key hydrological elements such as streamflow, submerged area, and submerged water depth. The presented approaches show promising capabilities in handling the uncertainties in flood modeling as well as enhancing prediction efficiency.


翻译:洪水强度和演变的数值模型受到降雨量和陆地表面条件等多种不确定性来源的影响。为了量化和遏制这些不确定性,将构建一个基于混合的模拟模型和数据同化模型,用于冰河淹没。浅水方程式在x和y方向中拆开,并选择Saint-Venant方程式的惯性形式,以便实现快速计算。用蒙特卡洛样本描述输入和产出系数的概率分布。随后,将粒子过滤器纳入一个粒子过滤器,以便能够吸收水文观测结果,并提高预测准确性。为了实现高分辨率、实时串联模拟,将基于CUDA(计算统一设备结构)的混合计算技术与基于分布式存储多GPU(地理处理单元)系统的混合计算模型。采用了多种优化技能,以确保模拟程序的平行效率和可缩缩放性。中国富州的一个城市地区以3m空间分辨率和4.0百万个单位为例,8 Tesla P100 PPUPUS 用于实现高分辨率的深度高分辨率模型模拟模拟,同时在模型中以96分钟的精确度计算模型显示模型的精确度计算方法,在模型中,这些模型中将显示一个精度模型显示一个精度模型的精度模拟区域,以精确度模型显示一个精度计算。

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ACM/IEEE第23届模型驱动工程语言和系统国际会议,是模型驱动软件和系统工程的首要会议系列,由ACM-SIGSOFT和IEEE-TCSE支持组织。自1998年以来,模型涵盖了建模的各个方面,从语言和方法到工具和应用程序。模特的参加者来自不同的背景,包括研究人员、学者、工程师和工业专业人士。MODELS 2019是一个论坛,参与者可以围绕建模和模型驱动的软件和系统交流前沿研究成果和创新实践经验。今年的版本将为建模社区提供进一步推进建模基础的机会,并在网络物理系统、嵌入式系统、社会技术系统、云计算、大数据、机器学习、安全、开源等新兴领域提出建模的创新应用以及可持续性。 官网链接:http://www.modelsconference.org/
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