Projekt badawczy HOMING PLUS DPS/422-5551/11

IG_FNP_EU


Witamy na stronie projektu badawczego pt."Advanced Simulation Methods for Electromagnetic Exposure Assessment" realizowanego w ramach programu HOMING PLUS finansowanego przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej z funduszy strukturalnych Unii Europejskiej w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka.

Na stronie tej znajdziesz między innymi:

Krótki opis projektu

Liczba urządzeń radiowych znacząco wzrosła w ostatnich latach. Ze względu na emitowane pole elektromagnetyczne, ich wpływ nie pozostaje obojętny dla ludzkiego zdrowia. Paradoksalnie, pole elektromagnetyczne znajduje również zastosowanie w medycynie, np. w diagnostyce i leczeniu chorób nowotworowych. Te fakty motywują prowadzenie badań w ramach projektu "Advanced Simulation Methods for Electromagnetic Exposure Assessment", którego celem jest opracowanie nowych technik wielkoskalowych symulacji elektromagnetycznych dla oceny oddziaływania pola elektromagnetycznego na organizmy żywe. Numeryczne narzędzia są szczególnie istotne w tym przypadku ze względu na ograniczenia metod eksperymentalnych w zastosowaniu do organizmów żywych. Cel projektu zostanie osiągnięty poprzez rozszerzenie możliwości stosowania metody różnic skończonych w dziedzinie czasu (FDTD), która to jest powszechnie uznana za najbardziej przydatną do symulacji oddziaływania pola elektromagnetycznego na organizmy żywe. Chociaż podstawowe sformułowanie tej metody liczy sobie więcej niż 40 lat, dalsze zwiększenie jej efektywności jest konieczne, aby móc rozwiązać aktualne problemy z pogranicza biologii i elektromagnetyzmu, a które są związane ze smogiem elektromagnetycznym w obszarach miejskich czy też z projektowaniem anten mikrofalowych na potrzeby diagnostyki i terapii chorób nowotworowych. W celu osiągnięcia pożądanego postępu w wielkoskalowych symulacjach elektromagnetycznych, proponuje się rozwój teorii i implementację w postaci oprogramowania:

  • dekompozycji dziedziny obliczeniowej w metodzie FDTD na podobszary związane z symulowanymi obiektami i uwzględnienia oddziaływań miedzy nimi za pomocą dyskretnych propagatorów,
  • rozwój nowej klasy elektromagnetycznych warunków brzegowych dla redukcji rozmiaru dziedziny obliczeniowej,
  • heterogenicznego przetwarzania równoległego na wielordzeniowych jednostkach centralnych (CPU) i procesorach graficznych (GPU).

Synergia ostatnich wyników badań w teorii elektromagnetyzmu z heterogenicznym przetwarzaniem równoległym pozwoli na przeprowadzenie symulacji bioelektromagnetycznych na niespotykana dotąd skalę za pomocą relatywnie tanich zasobów obliczeniowych. Weryfikacja eksperymentalna opracowanych algorytmów zostanie przeprowadzona we współpracy z czołową grupą badawczą zajmującą sie zobrazowaniem mikrofalowym w medycynie. Przykładowe scenariusze symulacji elektromagnetycznych będących w obszarze badań projektu prezentuje rys.1.

(a)
społeczeństwo wystawione na oddziaływanie nadajników telefonii komórkowej,
(b)
szyk antenowy do diagnostyki chorób nowotworowych
Rys. 1 Przykłady oddziaływań promieniowania elektromagnetycznego z organizmami żywymi, których symulacja wymaga olbrzymich zasobów obliczeniowych: (a) społeczeństwo wystawione na oddziaływanie nadajników telefonii komórkowej, (b) szyk antenowy do diagnostyki chorób nowotworowych.
Powrót

Wykonawcy projektu

Powrót

Zamówienia

Powrót

Aktualnie prowadzone prace

Aktualnie trwają prace ukierunkowane na uruchomienie symulacji antenowych z obiektem rozpraszającym (modelem ludzkiej głowy) w metodzie FDTD operującej na rozłącznych dziedzinach obliczeniowych.
Powrót

Dotychczasowe wyniki prac

  • Opracowano szybką metodę generacji dyskretnej funkcji Green’a (DGF) na procesorze wielordzeniowym, wynik opublikowano w [1, 2].
  • Zbadano dokładność stosowania DGF jako propagatora w metodzie FDTD, stwierdzono występowanie ograniczeń związanych z dokładnością obliczeń stosujących DGF. Zbadano możliwości stosowania techniki okienkowania DGF dla zwiększenia dokładności obliczeń opartych na skróconej DGF. Stwierdzono, że okno Hanna zapewnia najwyższą dokładność obliczeń. Wyniki opublikowano w [3, 4].
  • Opracowano metodę akceleracji obliczeń DGF na procesorze graficznym [5] pozwalającą uzyskać 6-ktotne przyspieszenia w stosunku do poprzedniej wersji akceleracji opracowanej w projekcie dla procesora wielordzeniowego. W stosunku do konkurencyjnych wyników opublikowanych w 2011 roku uzyskano w ten sposób przyspieszenie na poziomie 20 000 razy. Jednakże, mimo tak dużego przyspieszenia generacji DGF, symulacje elektromagnetyczne oparte o DGF są w dalszym ciągu możliwe jedynie dla problemów elektromagnetyzmu o znaczeniu akademickim. Aktualnie, przesył sygnału w postaci fali elektromagnetycznej za pomocą DGF można zastosować do komunikacji między niewielkimi dziedzinami obliczeniowymi rozmieszczonymi na kierunkach minimalnego błędu numerycznego siatki FDTD (kierunek diagonalny). Ograniczeniem jest czas generacji DGF dla wszystkich punktów występujących na powierzchniach Huygensa w dziedzinach obliczeniowych, których ilość przekłada się na całkowity czas generacji propagatora. Dla zakończenia projektu z sukcesem konieczne jest dalsze przyspieszenie metody generacji DGF. Ograniczeniem jest dostępność szybkich bibliotek obliczeń wielokrotnej precyzji dla procesorów graficznych.
  • Opracowano heterogeniczną akcelerację obliczeń dyskretnej funkcji Greena. Kod jednocześnie wykorzystuje procesor wielordzeniowy i kartę graficzną do zadań obliczeniowych, dla których użycie tych architektur obliczeniowych jest optymalne. Osiągnięto tą metodą dalsze przyspieszenie obliczeń dyskretnej funkcji Greena [6].
  • Opracowano technikę przesyłu fali elektromagnetycznej między rozłącznymi dziedzinami obliczeniowymi w metodzie FDTD. Błąd tej metody wynosi -40...-90 dB w zależności od długości propagatora. Aby uzyskać stabilne symulacje FDTD na rozłącznych dziedzinach potrzeba długich propagatorów co przekłada się na nieakceptowalnie długi czas obliczeń. Ograniczenia związane z dokładnością tej metody zostały wykazane, co opublikowano w [7,8]. Opracowaną metodę zaimplementowano w symulatorze elektromagnetycznym FDTD.
  • Opracowano graficzny interfejs użytkownika dla symulatora elektromagnetycznego będącego rezultatem projektu [10,12]. Zastosowano akcelerację na GPU opartą o technologię OpenGL dla generacji tablic materiałowych w metodzie FDTD.
  • Opracowano silnik graficzny umożliwiający wprowadzanie i wizualizację modeli ludzkiego ciała wygenerowanych za pomocą narzędzia makehuman [10].
  • Opracowano dwuwymiarowy model propagacji fali elektromagnetycznej w obszarach miejskich wykorzystując hybrydyzację metody FDTD z techniką ray-tracingu.

Opracowany Symulator Elektromagnetyczny

W ramach projektu opracowano uniwersalny oraz przyjazny dla użytkownika pakiet oprogramowania służący realizacji trójwymiarowych obliczeń elektromagnetycznych. Bazuje on na metodzie FDTD wspomaganej propagatorem DGF. Symulator został zaprojektowany tak, aby jak najlepiej spełniać rolę zintegrowanego środowiska pracy. Szczególny nacisk położono na przejrzystość interfejsu użytkownika oraz jego uniwersalność i prostotę obsługi. W opracowanym symulatorze zastosowano szereg nowoczesnych rozwiązań znanych z komercyjnych pakietów oprogramowania. Graficzny interfejs użytkownika podzielony został na szereg paneli, które odpowiadają poszczególnym funkcjom pakietu. Użytkownik może w wygodny sposób konfigurować swoje środowisko pracy poprzez dowolne rozmieszczenie paneli oraz zmianę ich wielkości. Pakiet umożliwia również wygodną pracę na wielu monitorach.


Okno graficznego interfejsu użytkownika pakietu symulatora elektromagnetycznego z wczytanymi wynikami symulacji,
Rys. 2 Okno graficznego interfejsu użytkownika pakietu symulatora elektromagnetycznego z wczytanymi wynikami symulacji

Pakiet umożliwia odczyt, zapis oraz edycję plików wejściowych dla symulatora elektromagnetycznego w formacie HDF5. Zawiera również okno trójwymiarowej wizualizacji dziedziny obliczeniowej. Zrealizowano je za pomocą biblioteki OpenGL, która jest niekwestionowanym liderem w odniesieniu do zastosowań naukowych. Wirtualną scenę można obracać, przesuwać oraz skalować. Ułatwia to przygotowanie domeny obliczeniowej dla symulacji elektromagnetycznych. Do dziedziny obliczeniowej można wprowadzać standardowe bryły (kula, cylinder, prostopadłościan, walec, torus, itd.) a także dowolne modele 3D stworzone poza pakietem. Interfejs użytkownika umożliwia generację siatek materiałowych na podstawie wizualizacji domeny obliczeniowej. Oznacza to możliwość symulacji dowolnych obiektów, dla których da się stworzyć modele 3D. W szczególności symulować można modele ludzkiego ciała wygenerowane za pomocą narzędzia makehuman [10].

Model ludzkiego ciała (z lewej) oraz wyniki generacji siatki materiałowej (z prawej) dla domeny obliczeniowej FDTD. Model ludzkiego ciała (z lewej) oraz wyniki generacji siatki materiałowej (z prawej) dla domeny obliczeniowej FDTD.
Rys. 3 Model ludzkiego ciała (z lewej) oraz wyniki generacji siatki materiałowej (z prawej) dla domeny obliczeniowej FDTD.

Edycja parametrów symulacji uzupełniona jest o możliwość dodawania Ÿródeł EM oraz elementów umożliwiających odczyt parametrów pola w danym miejscu (punkcie, płaszczyŸnie bądŸ elemencie objętości). Powierzchnia stanowiąca wynik transformacji NTFF (ang. Near-To-Far-Field) jest również dostępna w oknie wizualizacji wyników. Wyniki pomiarów można prezentować na wiele sposobów, wybierając paletę kolorów oraz zakres prezentowanych wielkość. Można wyliczać wartości średnie, odchylenia standardowe, wartości maksymalne i minimalne prezentowanych danych. Wyniki 2D można prezentować jako film, który stanowi sekwencję odczytanych wartości pola EM w czasie. Dla danych 3D użytkownik może wybrać płaszczyznę prezentacji wraz z jej położeniem. Pakiet oprogramowania został stworzony przy użyciu platformy .NET firmy Microsoft. Jest to nowoczesna platforma programistyczna i uruchomieniowa, dzięki której twórca oprogramowania ma dostęp do najnowszych technologii IT oraz bardzo dobrych narzędzi programistycznych. W trakcie projektowania i implementacji użyto szeregu wzorców projektowych oraz współczesnych technik tworzenia i zarządzania kodem.


Prezentacja danych 3D.
Rys. 4 Prezentacja danych 3D.


[1] T. P. Stefański, „Fast implementation of FDTD-compatible Green's function on multicore processor”, IEEE Antennas Wireless Propag. Lett., vol. 11, 81-84, 2012
[2] T. P. Stefański, „Acceleration of the discrete Green’s function computations”, 2012 IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium (APSURSI), Chicago, 8-15 Lipiec, 2012
[3] T. P. Stefański, „ Accuracy of the discrete Green's function formulation of the FDTD method”, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 61, no. 2, 829-835, 2013
[4] T. P. Stefański, „Accuracy of the discrete Green's function computations”, 2012 19th International Conference on Microwave Radar and Wireless Communications (MIKON), Warszawa, 21-23 Maj, 2012
[5] T. P. Stefański (95% udział), K. Krzyżanowska, „Implementation of FDTD-compatible Green's function on graphics processing unit”, IEEE Antennas Wireless Propag. Lett., vol. 11, 1422-1425, 2012
[6] T. P. Stefanski, „Implementation of FDTD-compatible green's function on heterogeneous cpu-gpu parallel processing system", Progress In Electromagnetics Research, vol. 135, 297-316, 2013
[7] T. P. Stefański, Discrete Green's function approach to disjoint domain simulations in 3D FDTD method, Electronics Letters, vol. 49, no. 9, 597-598, 2013
[8] T. P. Stefański, Applications of the discrete Green's function in the finite-difference time-domain method, Progress In Electromagnetics Research, vol. 139, 479-498, 2013
[9] T. P. Stefański, K. Krzyżanowska, GPU-accelerated computations of FDTD-compatible Green’s function, The 7th European Conference on Antennas and Propagation, Gotheburg, 8-12 Kwiecień, 2013
[10] S. Orłowski, T. P. Stefański, Material matrix generation for FDTD simulations using OpenGL, The 7th European Conference on Antennas and Propagation, Gotheburg, 8-12 Kwiecień, 2013
[11] T. P. Stefański, Windowing of the discrete Green's function for accurate FDTD computations, Progress In Electromagnetics Research Symposium, Sztokholm, Szwecja, 12-15 Sierpień, 2013
[12] S. Orłowski, T. P. Stefański, Development of graphical user interface for modern FDTD simulation tool, Progress In Electromagnetics Research Symposium, Sztokholm, Szwecja, 12-15 Sierpień, 2013
Powrót
© 2004-2006 Katedra Inżynierii Mikrofalowej i Antenowej Politechniki Gdańskiej