Seminario Instituto de Ingeniería Matemática y Computacional

5 de junio de 2019

Integrando simulaciones de tsunamis en el navegador web usando la GPU

Departamento de Ingeniería Hidráulica Ambienta

Escuela de Ingeniería

Pontificia Universidad Católica de Chile

José Daniel Galaz Mora

Desde el 2000*:

• +250.000 muertes
• +37.000 heridos
• +261 billones de USD

*National Geophysical Data Center / World Data Service: NCEI/WDS Global Historical Tsunami Database. NOAA National Centers for Environmental Information. doi:10.7289/V5PN93H7

• Esfuerzos de distintos gobiernos del mundo para reaccionar a tiempo (Kânoglu et al., 2015)

• Tres elementos clave (Kânoglu et al., 2015; Denber y Titov 2015)
  • Caracterizacón de la fuente sísmica
  • ​Mediciones de altura en el océano
  • Simulación numérica para estimación precisa y rápida de sus efectos

• No consideran la integración del simulador en otros sistemas
• Desaprovechan el potencial de uso de los simuladores en otras áreas
• Ej: ​Comunicación del riesgo y educación

COMMIT: Simulador MOST de NOAA

Kanoglu et al. (2014); Titov et al. (2016)

• Simulación en la nube con interfaz Web GIS (Merati et al., 2009)
• Busca que con poco entrenamiento, técnicos puedan revisar:
  • escenarios hipotéticos
  • escenarios históricos
  • alerta en tiempo real

Ideally, the MOST model could be directly integrated into ArcGISTM or any GIS enabled package, but as others have noted model integration is not simple, nor straightforward (Eveleigh et al. 2006; Martin et al. 2005).

Merati, N., Chamberlin, C., Moore, C., Titov, V., & Vance, T. C. (2009). Integration of tsunami analysis tools into a GIS workspace–research, modeling, and hazard mitigation efforts within NOAA’s Center for Tsunami Research. In Geospatial Techniques in Urban Hazard and Disaster Analysis (pp. 273-294). Springer, Dordrecht.

Integración directa: Limitación del software de simulación

• Mejoras en resolución y representaciones hidrodinámicas más sofisticadas*

  ​



• Foco de diseño: usuarios expertos

*GeoClaw (Berger et al., 2011)

COMCOT (Wang, 2009)

CoulWave (Lynett et al., 2002)

NeoWave  (Yamazaki et al., n.d.),

ANUGA (Nielsen et al., 2005)

​MOST (Titov et al., 2016)).

Tarjetas de video permiten paralelizar el cómputo a un bajo costo

• Exploradores de internet son herramientas ubicuas
   
• Acceso a la GPU es posible gracias al estándard web abierto WebGL (2011)
   
• Estándar web abierto implica que está diseñado para integrarse con otros elementos de la web

• Integración de los simuladores es difícil debido a cómo están diseñados
   
• Complejidad = barrera
  
   
• Soluciones actuales aún son insuficientes
  
   
• Hoy sí existen tecnologías que podrían facilitar la integración

• Desarrollar la primera librería de simulación de tsunamis que permite la integración directa de sus resultados con otros elementos para facilitar el desarrollo de nuevas aplicaciones

1. Compatibilidad: Ejecutar una simulación y visualizarla.
   
    
2. Integración: Acoplar el simulador con otros elementos y datos.
3. Precisión: Resultados tan precisos como los obtenidos con modelos numéricos equivalentes

Metodología

Modelo matemático

Arquitectura del software

Generación

Propagación

Inundación

• Esta es la escala donde se trabaja la alerta de tsunamis Bernard y Titov (2015)

Desplazamiento subterráneo debido al terremoto

Superficie del agua

Fondo del océano

Ecuaciones lineales de ondas largas

• Discretizacón con diferencias finitas leapfrog (tiempo) staggered (espacio) (Christgau et al., 2014; Wang, 2009;  UNESCO, 1997)
• Condiciones de borde:
  • Periódico
  • Cerrado (costa)
  • Abierto

Visión general

• Aplicación: sistema web gis, dashboard de información, video juego, etc.
   
• Propagar interacciones hasta Nami
   
• Propagar resultados desde Nami hasta el usuario

Componentes

Ciclo de vida de la simulación

Frame Buffer: Imagen Final

Frame Buffer Object (FBO)

Frame Buffer Object (FBO)

Render Pipeline

Fragment Shader

Frame Buffer: Imagen Final

FBO 1

Batimetría

Dominio

Condiciones de borde

FBO 2

Modelo en WebGL

FBO 1

Batimetría

Terremoto

Dominio

Condiciones de borde

FBO 2

Modelo en WebGL

Casos de uso

1. Mapas de propagación y verificación del modelo

2. TsunamiLab: Plataforma educacional web

8.8 Mw Maule 2010

9.1 Mw Tohoku 2011

Mediciones en boyas DART

Simulación NAMI

Simulación EasyWave

Mediciones en boyas DART

Simulación NAMI

Simulación EasyWave

• Nami se puede configurar para generar resultados estándar para la alerta temprana
   
• Nami e EasyWave casi idénticos (hipótesis 3)
   
• Respecto a mediciones:
  • Desfase en campo lejano de hasta ~15 minutos
     
  • Explicación: Cambios de relación de dispersión de la onda:
    (Abdoladi y Kirby, 2017; Watada et al., 2014)
    • Deformación elástica del fondo
    • Deformación de la columna de agua por compresibilida

• Plataforma educacional que busca aumentar la conciencia del riesgo asociado a tsunamis
   
• Utiliza Nami, React, ThreeJS y datos de la USGS para generar una plataforma interactiva de simulación
   
• Disponible en www.tsunamilab.cl

• Premio Chile Diseño 2016 "Diseño en alerta"
• Mención honorable en Mathematics of Planet Earth
• Seleccionado para Futur.E.S 2018 en París y reconocido por medio local como una de las 10 demos destacadas

Importancia de la interactividad para enseñar sobre riesgo de tsunamis

• Integración con sensores como Leap Motion y PSMove

• Interactividad aumenta el interés por la ciencia

Conclusiones 

1. Compatibilidad: Nami permite configurar todo el proceso de simulación y visualización de ondas largas lineales  desde el web browser
    
2. Integración: Con TsunamiLab se demuestra que Nami puede integrarse directamente con datos, sensores y elementos web.
    
3. Precisión: Nami posee la misma precisión que otro software similar. Diferencias con mediciones provienen de los supuestos hechos en el modelo escogido y no del software.

Proyecciones

Computación de alto rendimiento

Simulación multi - amenaza

Aplicaciones interdisciplinarias

Actualmente:

• Existe un tamaño máximo para el FBO y depende de la GPU
• Existe un número máximo de FBOs y depende  de la GPU

Solución posible:

• Modelos de inundación  expresan los efectos a escala de metros (v/s km)


• Ecuaciones son no lineales, algoritmos numéricos más complejos, representan fenómenos más sofisticados.

• Ejemplos:
  • Inundación en la costa
  • Inundación por lluvias
  • Inundación por aluviones

• ¿Es TsunamiLab realmente efectivo para enseñar sobre tsunamis?
• ¿Para comunicar mejor el riesgo?
• ¿Para educar y generar comunidades más resilientes?
   
• Desafío interdisciplinario:
  • Educación - comunicación -  diseño
  • Geofísica - computación 

Tesis para optar al grado de Magíster en Ciencias de la Ingeniería

José Daniel Galaz Mora

Integrando simulaciones de tsunamis en aplicaciones web usando Nami, una librería de simulación del lado cliente acelerada por la GPU

Departamento de Ingeniería Hidráulica Ambienta

Escuela de Ingeniería

Pontificia Universidad Católica de Chile