【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及水动力学仿真，尤其涉及一种基于web端gpu并行仿真方法、系统、介质和设备。
技术介绍
1、近年来，数字孪生和水动力学仿真技术的快速发展为水利工程和海洋工程的研究和建设提供了有力的支持。数字孪生是一种可视化仿真技术，它可以生成与真实系统一模一样的虚拟模型，并在模型中进行仿真实验，以达到预测真实系统行为、优化系统设计和降低系统风险的目的。水动力学仿真技术是一种通过计算机模拟水流行为和相互作用的技术，可以用于预测水的运动、水的力学性能、水的压力分布等，它在水利工程、海洋工程和环境水文学中广泛应用。
2、随着互联网的不断普及和webgl等技术的迅速发展，数字孪生和水动力学仿真技术已经开始向web端延伸。在web端进行水动力学仿真有着方便、普及、高效和交互的优势，通过数字孪生技术可以更广泛地推广水动力学仿真技术，使更多人了解和使用水动力学仿真技术。
3、当前，水动力学仿真技术在数字孪生领域的应用受到越来越多的关注，并且在数字孪生技术中的应用也越来越多。在数字孪生中，水动力学仿真技术不仅可以用于可视化水流运动和水的力学性能，还可以用于预测水的压力分布和水流的粒子运动等。同时，通过数字孪生技术的可视化，可以更好地观察水流现象，进一步提高水力学仿真技术的应用价值。另外，数字孪生技术可以用于水利工程的仿真以及优化工程设计，例如水库、水电站、堤坝等工程的建设和运行过程中的水流场、水波动以及水文、水力等复杂问题的解决。通过数字孪生技术可以基于真实的数据和建模的环境对工程进行仿真，进一步预测工程维护、改进和升级的
4、现有技术中目前存在以下问题：
5、目前，物联网领域已经有众多的水利系统、资产管理系统和农业物联控制系统，且大部分已有系统多为web应用，数字孪生系统成为中大型物联网项目的刚需环节，实现现有数据互通和界面整合，因而，数字孪生系统应兼容web应用。在web上进行水动力仿真，为了确保其效率和实时交互性，必须对仿真的求解进行加速，以满足实际应用中实时性要求。在web端进行水动力(浅水方程/重力波方程)并行加速，使用gpu进行加速计算是一种常见做法，即基于webgl的着色器中进行并行加速，以渲染的方式完成计算目的。目前，在webgl1.0中，每个绘制调用只能输出一个颜色缓存，这导致难以同时输出多个帧缓存。这无法满足生成多个渲染目标的高级需求，比如在水动力计算中，一次时间步迭代需要输出多个数据，如多个方向水深、水位、流速、通量等。webgl 1.0中可通过多次绘制并构建多个渲染管线解决这个问题，这大大增加了编写和维护渲染代码的难度。
6、另一方面，在web端进行水动力gpu加速计算时，处理不规则计算边界也是一个重要挑战。常规的图形渲染可以很好地处理规则矩形边界，但难以处理不规则的边界问题。由于水动力方程的计算边界本质上是一个多变量问题，需要采用不同的变量处理不同边界条件。在gpu中进行计算时，如何高效地处理不规则的边界也是一个挑战，需要设计高效的边界处理算法来解决这个问题。通常的处理方法是设计一个覆盖不规则计算域的掩膜，然后利用掩码进行区分计算与非计算域，但对于细长型的河道来说，此方法将浪费大量计算资源，影响渲染效率，且掩膜以像素的形式来表达位置信息，存在一定误差，无法精确表达边界真实位置。
7、综上所述，webgl 1.0中缺少mrt(multiple render targets)功能，渲染能力受限，无法轻松实现高效计算过程；在gpu中处理不规则边界是进行浅水方程/重力波方程计算的一个重要挑战，需要寻找高效的、精确边界处理算法，并适应不同的边界条件和实时交互变化。这些挑战需要有相关领域知识的专业人员来探索，以便在gpu上实现高效的重力波方程计算。
8、为解决现有技术中存在的问题，亟需研发一种新技术以解决上述问题，本专利技术提出一种基于webgl 2.0mrt技术进行重力波方程计算，并设计出一种处理复杂边界的算法；设计出一种隐式迭代方法，效率更高，稳定性更强。
技术实现思路
1、本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于web端gpu并行仿真方法、系统、介质和设备。
2、本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于web端gpu并行仿真方法，用于水动力仿真，方法包括：
3、网格拓扑构建步骤：基于设定的网格尺寸，将待仿真计算域进行规则网格划分，计算每个网格相应的拓扑信息，获得所有网格的顶点索引、空间、拓扑数据；并将网格索引、空间、拓扑数据以纹理形式进行存储；
4、计算渲染管线构建步骤：构建待渲染模型所需的多种资源，构建用于仿真计算的计算渲染管线，采用webgl着色器来加速仿真求解，将重力波方程的守恒迭代计算写入着色器中，获得满足收敛条件的计算结果；对计算渲染管线进行渲染，实现计算域的更新；
5、边界渲染管线构建步骤：构建待渲染边界所需的多种资源，构建边界渲染管线，基于边界网格的数据进行边界渲染，实现边界更新；
6、最终屏幕渲染管线构建步骤：构建最终屏幕渲染管线，将计算域更新的最终渲染结果输出至用户展示界面。
7、本专利技术实施例中，上述基于web端gpu并行仿真方法，方法还包括：
8、数据纹理构建步骤：将顶点空间、索引及拓扑数据存储在数据纹理中，并传递至shader中，在着色器中使用对应的顶点索引读取相应数据纹理，数据纹理包括：第一数据纹理，用于存放空间坐标及索引信息；第二数据纹理，用于存放周围四个网格索引；
9、初始化渲染管线构建步骤：输入第一数据纹理和第二数据纹理，构建初始化所需的多种资源，将初始化条件数据传入片元着色器，并将最终的处理结果输出至帧缓存中，再输出至纹理内存，为下个渲染管线使用作准备。
10、本专利技术实施例中，上述网格拓扑构建步骤进一步包括：
11、计算域网格构建步骤：基于设定尺寸的规则网格对待仿真的计算域进行网格划分，每个网格的数据包括：空间坐标、索引、周围四个网格索引、水深、水深差、水位、周围四个方向流速、周围四个方向通量等；
12、边界网格构建步骤：如果网格的周围网格其中一个或多个为空，则将空网格设定为边界网格，边界网格对应索引设为边界类型值，反射边界值设为-1，流量边界值设为-2，水位边界值设为-3，自由出流边界值设为-4。
13、本专利技术实施例中，上述计算渲染管线构建步骤进一步包括：
14、动量守恒迭代计算步骤：以结构化网格对空间进行离散化，采用积分形式对重力波方程的动量方程进行离散，迭代求解所有网格不同时刻、不同方向的单元间通量，直至遍历结束；
15、质量守恒迭代计算步骤：引入迭代数，对重力波方程的质量方程进行离散，迭代计算得到所有网格不同时刻水位，将计算的水位差更新至新时刻水位；
16、迭代收敛步骤：当新时刻水深差值达到预设收敛阈值，结束迭代计算，输出多个仿真计算结果，即帧缓存，计算渲染管线计算结果包括：gsurfa本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于Web端GPU并行仿真方法，其特征在于，用于水动力仿真，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述基于Web端GPU并行仿真方法，其特征在于，所述方法还包括：
3.根据权利要求1或2所述基于Web端GPU并行仿真方法，其特征在于，所述网格拓扑构建步骤进一步包括：
4.根据权利要求1或2所述基于Web端GPU并行仿真方法，其特征在于，所述计算渲染管线构建步骤进一步包括：
5.根据权利要求4所述基于Web端GPU并行仿真方法，其特征在于，所述计算渲染管线构建步骤进一步包括：
6.根据权利要求4所述基于Web端GPU并行仿真方法，其特征在于，上述网格数据以结构体组形式进行存储，形成网格结构体组，所述网格结构体组包括自身网格及四周相邻网格；所述结构体组由Center节点为中心，West、East、South及North节点环绕组成十字交叉的结构。
7.一种基于Web端GPU并行仿真系统，采用如权利要求1-6中任意一项所述基于Web端GPU并行仿真方法，其特征在于，用于水动力仿真，所述系统包括：
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9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权利要求1-6中任一项所述基于Web端GPU并行仿真系统方法的步骤。
10.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-6中任一项所述基于Web端GPU并行仿真系统方法的步骤。
...【技术特征摘要】
1.一种基于web端gpu并行仿真方法，其特征在于，用于水动力仿真，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述基于web端gpu并行仿真方法，其特征在于，所述方法还包括：
3.根据权利要求1或2所述基于web端gpu并行仿真方法，其特征在于，所述网格拓扑构建步骤进一步包括：
4.根据权利要求1或2所述基于web端gpu并行仿真方法，其特征在于，所述计算渲染管线构建步骤进一步包括：
5.根据权利要求4所述基于web端gpu并行仿真方法，其特征在于，所述计算渲染管线构建步骤进一步包括：
6.根据权利要求4所述基于web端gpu并行仿真方法，其特征在于，上述网格数据以结构体组形式进行存储，形成网格结构体组，所述网格结构体组包括自身网格及四周相邻网格；所述结构体组由ce...
【专利技术属性】
技术研发人员：乐世华，
申请(专利权)人：北京优锘科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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