Сорокін М. В. Інформаційні технології паралельних обчислень наслідків техногенних впливів на стан річок і прибережної зони моря на основі двовимірних рівнянь

English version

Дисертація на здобуття ступеня кандидата наук

Державний реєстраційний номер

0425U000359

Облікова картка дисертації

0425U000359.pdf

Здобувач

Спеціальність

  • 05.13.06 - Інформаційні технології

15-12-2025

Спеціалізована вчена рада

Д 26.204.01

Інститут проблем математичних машин і систем Національної академії наук України

Анотація

Робота присвячена розробці технологій паралельних обчислень і моделюючих систем для оцінки наслідків техногенних впливів, у тому числі військових дій, на річки та прибережні зони морів. Розроблено гібридну технологію паралельних обчислень для комп’ютерних систем із CPU і GPU. Вона поєднує паралелізацію на основі процесів, декомпозицію області, halo-структури та обмін даними за допомогою MPI з потоковою паралелізацією на основі директив OpenACC. На базі цієї технології створено систему COASTOX-PRL паралельних математичних моделей. HWAVE – модель лінійної трансформації хвиль на прямокутних обчислювальних сітках (декомпозиція, halo-структури, MPI-процеси). ShipSim – модель двовимірної гідродинаміки мілкої води на прямокутних сітках, адаптована для прогнозування корабельних хвиль та розрахунку навантажень (директиви OpenACC). COASTOX-HD-SED-RN – модель двовимірної гідродинаміки, перенесення наносів і динаміки забруднюючих речовин на неструктурованих сітках (декомпозиція на основі поділу графів, MPI-типи даних для halo-структур, OpenACC). Чисельну схему рівнянь переносу у моделі COASTOX-HD-SED-RN вдосконалено для обробки різких градієнтів концентрації. Підхід на основі MPI також адаптовано для лагранжевої моделі SPH2d шляхом реалізації процедури міграції частинок між підобластями. Розроблені функціональні схеми моделей для CPU-систем та GPU та створені програмні модулі мовою Fortran. На основі файлових інтерфейсів та bash/batch-скриптів модулі інтегровані в єдину інформаційно-моделюючу систему. Реалізовані додаткові програми та скрипти для попередньої обробки вхідних даних, постобробки результатів та представлення інтерактивних ГІС-вебкарт. Розроблені специфікації для інтеграції модулів COASTOX-PRL у Java-системи підтримки прийняття рішень: JRODOS – для реагування на радіаційні аварії, HYDROS – для попередження та пом’якшення наслідків повеней. Створені інформаційні системи паралельних обчислень для дослідження гідродинаміки річок та прибережних зон, а також оцінки техногенного та військового впливу. Прогнозовано дощові паводки в басейнах річок Прут і Сірет, а також високі водопілля на річці Дніпро в Києві. Створено карти повеней різної забезпеченості. Оцінено наслідки руйнування ГЕС Дніпровського каскаду та змодельовано сценарії прориву Козарівської дамби, Київської, Каховської та Дніпровської ГЕС. Для реальних проривів Козарівської дамби та Каховської ГЕС результати підтверджено супутниковими знімками. Калібрування моделі Каховської ГЕС за вимірюваннями на гідропостях показало, що прорив стався через швидке утворення початкового прориву, який згодом збільшувався через розмив ґрунтів. Створені ГІС-матеріали для вебкарт, призначених для використання державними установами. Моделювання гідрологічного режиму Кілійської дельти Дунаю показало, що запланована реконструкція глибоководного суднового Дунай-Чорне море матиме незначний вплив на рівні води та розподіл витрат у рукавах дельти. Розроблено верифіковану систему моделювання цунамі 2011 року на узбережжях префектур Міягі та Фукусіма. Розроблено спектральну версію паралельного хвильового модуля HWAVE-S, який разом з відкритою моделлю SWASH використано для дослідження проникнення хвиль у портові акваторії та визначення резонансів. Модель SWASH разом із SPH2d використано для прогнозування накату хвиль та оцінки хвильових навантажень на берегові споруди. На основі модуля ShipSim створено систему GPU-обчислень корабельних хвиль у річці San Jacinto та районі терміналу Barbours Cut (США) та оцінки навантажень на пришвартовані судна. В рамках вирішення комплексних задач досліджено вплив кліматичних змін на ерозію узбережжя Чорного моря (м. Євпаторія). Показано, що в XXI столітті розподіл зон ерозії та акумуляції залишиться стабільним, а зміни інтенсивності седиментації перебуватимуть в межах невизначеності сценаріїв кліматичних змін. Розроблено систему прогнозування динаміки радіонуклідів у Київському водосховищі з урахуванням надходження забруднення з річок Прип’ять та Дніпро, взаємодії з донними відкладами та поверхневого осадження. Калібрування за даними концентрації Sr-90 під час весняного паводку 1999 р. продемонструвало значну буферну здатність водосховища, що зменшує пікові концентрації та ризик поглинання радіонуклідів населенням, яке проживає нижче за течією. Прогнозування поширення органічного забруднення в річці Дніпро в межах Києва (перенесеного річками Сейм і Десна в серпні 2024 року) показало ефективність водоскидів Київської ГЕС для зменшення концентрацій забруднюючих речовин і прискорення їх виносу за межі міста. Паралелізація прискорила розрахунки у десятки разів (на GPU у понад 100) і дозволила підвищити деталізацію та оперативність прогнозування навіть на персональних комп’ютерах з високопродуктивними графічними картами.

Читати повністю

Публікації

Сорокін, М. В., Железняк, М. Й., Ківва С. Л., Пилипенко О.І. (2025). Паралельне двовимірне моделювання транспорту наносів і забруднюючих речовин в річкових системах на багатопроцесорних системах і графічних процесорах. Екологічна безпека та природокористування, 54(3), 85-99. Бази: Index Copernicus International, ResearchBib, Google Scholar, Ulrich’s Periodicals Directory, CrossRef.

Сорокін, М. В., Железняк, М. Й., Аніщенко, Л. Я., Свердлов, Б. С. (2025). Паралельні обчислення гідрологічного режиму Кілійської дельти Дунаю на графічних процесорах. Електронне моделювання, 47(4), 90–112. Бази: Index Copernicus International, CrossRef, Ulrich’s Periodicals Directory, Google Scholar, Cambridge Scientific Abstracts (CSA), Computer and Information Systems Abstracts, INIS Collection.

Коцюруба, В., Прощин, І., Сорокін, М., Пилипенко, О. (2024). Удосконалена методика прогнозування наслідків надзвичайних ситуацій терористичного характеру на гідротехнічних спорудах. Сучасні інформаційні технології у сфері безпеки та оборони, 51(3), 5–14. Бази: CiteFactor, Google Scholar, Index Copernicus International, The Journals Impact Factor (JIF), Bielefeld Academic Search Engine (BASE), Research Bible, WorldCat, Asian Science Citation Index (ASCI).

Сорокін, М. (2023). Розпаралелювання чисельних розв’язків рівнянь мілкої води методом скінченних об’ємів для реалізації на багатопроцесорних системах і графічних процесорах. Екологічна безпека та природокористування, 46(2), 163–193. Бази: Index Copernicus International, ResearchBib, Google Scholar, Ulrich’s Periodicals Directory, CrossRef.

Железняк, М. І., Демченко, Р. І., Дикий, П. В., Сорокін, М. В. (2014). Численное моделирование резонансных свойств гаваней с помощью нелинейной негидростатической модели SWASH. Математичні машини і системи, (3), 78–87. Бази: CrossRef, Google Scholar, WorldCat, Open Ukrainian Citation Index (OUCI), Ulrich’s Periodicals Directory.

Каліон, В. А., Семенович, К. О., Сорокін, М. В. (2011). Метод гідродинаміки згладжених частинок в задачах про рух в’язкої рідини. Вісник Київського університету. Серія фізико-математичні науки, (4), 71–74. Бази: Scopus, Directory of Open Access Journals (DOAJ), Zentralblatt MATH (zbMATH), Index Copernicus International, CrossRef, Google Scholar, WorldCat, Bielefeld Academic Search Engine (BASE), JournalTOCs.

Zheleznyak, M., Kivva, S., Pylypenko, O., Sorokin, M. (2022). Modeling of behavior of Fukushima-derived radionuclides in freshwater systems. In K. Nanba, A. Konoplev, & T. Wada (Eds.), Behavior of radionuclides in the environment III (pp. 199-252). Бази: Scopus, Springer Nature Link, Google Scholar, WorldCat, CrossRef, KAKEN.

Zheleznyak, M., Kivva, S., Ievdin, I., Boyko, O., Kolomiets, P., Sorokin, M., Mikhalskyi, O., Gheorghiu, D. (2016). Hydrological dispersion module of JRODOS: Renewed chain of the emergency response models of radionuclide dispersion through watersheds and rivers. Radioprotection, 51(HS2), S129–S131. Бази: Scopus, PASCAL, Web of Science, INIS Atomindex, IET INSPEC, Chemical abstracts and Cambridge Scientific Abstracts.

Сорокін, М. В. (2024). Алгоритми чисельного розв’язку рівнянь двовимірної моделі динаміки поверхневих вод для графічних процесорів: розвиток і впровадження для прогнозування наслідків руйнування греблі Каховської ГЕС. Збірник тез XII Міжнародної науково-практичної конференції «ВОДА ДЛЯ МИРУ», 22–27. Київ.

Laptev, G., Voitsekhovych, O., Protsak, V., Zheleznyak, M., Nanba, K., Konoplev, A., Igarashi, Y., Wakiyama, Y., Bezhenar, R., Kivva, S., Pylypenko, O., Sorokin, M., Kireev, S., Veremenko, D. (2021). Temporal changes of mobile forms of 90Sr on Pripyat River floodplain in vicinity of Chornobyl NPP: Measurements and risk assessments for river water contamination. EGU General Assembly 2021, EGU21-10934.

Kivva, S., Zheleznyak, M., Bezhenar, R., Pylypenko, O., Sorokin, M., Demydenko, A., Kanivets, V., Laptev, G., Voitsekhovych, O., Boyko, V., Gudkov, D. (2021). Modeling of major environmental risks for the Kyiv city, Ukraine from the Dnieper river waters – inundation of coastal areas and contamination by the radionuclides deposited in bottom sediments after the Chornobyl accident. EGU General Assembly 2021, EGU21-13038.

Pylypenko, O., Zheleznyak, M., Demchenko, R., Kivva, S., Sorokin, M., Dykyi, P. (2020). Modelling of tsunami inundation in 2011 at the sites of three nuclear power plants – Onagawa, Fukushima Daiichi and Fukushima Daini. EGU General Assembly 2020, EGU2020-13940.

Sorokin, M., Zheleznyak, M., Kivva, S., Kolomiets, P., Pylypenko, O. (2020). High performance computing of waves, currents and contaminants in rivers and coastal areas of seas on multi-processors systems and GPUs. EGU General Assembly 2020, EGU2020-11372.

Сорокін, М. В. (2020). Моделирование корабельных волн с использованием уравнений мелкой воды на GPU. Тези доповідей XV міжнародної науково-практичної конференції “Математичне та імітаційне моделювання систем. МОДС 2020”, 137–140.

Zheleznyak, M., Kivva, S., Sorokin, M., Pylypenko, O., Konoplev, A., Aoyama, M., Tsumune, D., Igarashi, Y., Dykyi, P. (2019, December). Parallel shallow water modeling of radionuclide transport in solute and suspended sediments in Chernobyl and Fukushima waters. American Geophysical Union Fall Meeting 2019, H13L-1884. San Francisco, CA, USA.

Zheleznyak, M., Kivva, S., Boyko, S., Igarashi, Y., Konoplev, A., Pylypenko, O., Sorokin, M., Wakiyama, Y. (2018, June). Numerical model chain of radionuclide transport in “watershed – river – reservoir” systems: Development and implementation at Chernobyl and Fukushima-Daiichi nuclear power plants. 9th International Congress on Environmental Modelling and Software, Fort Collins, USA.

Zheleznyak, M., Dykyi, P., Kivva, S., Pylypenko, O., Sorokin, M., Aoyama, M., Tsumune, D. (2018). Modelling of Cs-137 transport in the nearshore zone of Fukushima–Daiichi NPP under the combined action of waves, currents and fluxes of sediments. EGU General Assembly 2018, Geophysical Research Abstracts, 20, EGU2018-19294.

Pylypenko, O., Zheleznyak, M., Boyko, O., Kovalets, I., Kivva, S., Khalchenkov, A., Mikhalsky, O., Sorokin, M. (2018). Flood forecasting system developed for Ukrainian parts of Prut and Siret river basins. Тези доповідей XIII міжнародної науково-практичної конференції “Математичне та імітаційне моделювання систем. МОДС 2018”, 39–41.

Pylypenko, O., Zheleznyak, M., Boyko, O., Kovalets, I., Kivva, S., Khalchenkov, A., Mikhalsky, O., Sorokin, M. (2018). Flood forecasting and flood inundation mapping system developed for Ukrainian parts of Prut and Siret river basins within EAST AVERT project. EGU General Assembly 2018, Geophysical Research Abstracts, 20, EGU2018-10652-2.

Kivva, S., Zheleznyak, M., Boyko, O., Ievdin, I., Pylypenko, O., Mikhalsky, O., Raskob, W., Sorokin, M. (2018). Updated module of radionuclide hydrological dispersion of the Decision Support System RODOS. EGU General Assembly 2018, Geophysical Research Abstracts, 20, EGU2018-19264.

Zheleznyak, M. I., Demchenko, R. I., Kolomiets, P. S., Sorokin, M. V., Dikiy, P. V. (2016). Numerical simulation of tsunami propagation by COASTOX-UN model. Тези доповідей XI міжнародної науково-практичної конференції “Математичне та імітаційне моделювання систем. МОДС 2016”, 83–86.

Zheleznyak, M., Kolomiets, P., Dzjuba, N., Ievgen, I., Sorokin, M., Denisov, N., Ischuk, O., Koeppel, S. (2015). Numerical modeling for flood mapping under climate change impacts: Transboundary Dniester River study. EGU General Assembly 2015, Geophysical Research Abstracts, 17, EGU2015-9361.

Kantardgi, I., Zheleznyak, M., Demchenko, R., Dykyi, P., Kivva, S., Kolomiets, P., Sorokin, M. (2014). Modeling of nonlinear hydrodynamics of the coastal areas of the Black Sea by the chain of the proprietary and open source models. EGU General Assembly 2014, Geophysical Research Abstracts, 16, EGU2014-11319-1.

Дикий, П. В., Железняк, М. Й., Коломієць, П. С., Ківва, С. Л., & Сорокін, М. В. (2013). Моделювання впливу регіональних змін клімату на ерозію берегів західного Криму. Тези доповідей VIII міжнародної науково-практичної конференції “Математичне та імітаційне моделювання систем. МОДС 2013”, 56–59.

Демченко, Р. І., Сорокін, М. В. (2013). Моделирование распространения волн в зоне природных и искусственных берегозащитных сооружений с помощью модели SWASH. Тези доповідей VIII міжнародної науково-практичної конференції “Математичне та імітаційне моделювання систем. МОДС 2013”, 49-52.

Сорокін, М. В. (2011). Паралельний явний кінцево-різницевий алгоритм розв’язку рівнянь моделі двовимірної гідроморфодинаміки прибережної зони на неструктурованих сітках. Тези доповідей VI міжнародної науково-практичної конференції “Математичне та імітаційне моделювання систем. МОДС 2011”, 103–105.

Сорокін, М. В. (2012). Параллельный алгоритм численного решения уравнений мелкой воды на неструктурированной сетке. Тезисы IV Международной научной конференции «Моделирование 2012», 412-415.

Демченко, Р. І., Коломієць, П. С., Сорокін, М. В. (2010). Моделирование трансформации волн в прибрежной зоне шельфа с помощью полу-спектральной модели HWAVE-S. Тези доповідей V науково-практичної конференції з міжнародною участю “Математичне та імітаційне моделювання систем. МОДС 2010”, 28-30.

Дикий, П. В., Демченко, Р.І., Железняк, М. Й., Ківва, С.Л., Коломієць, П. С., Сорокін М. В., (2009). Розрахунок літодинамічних процесів прибережної зони дельти Дунаю на основі комплексу моделей паралельних обчислень. Тези доповідей IV науково-практичної конференції з міжнародною участю “Математичне та імітаційне моделювання систем. МОДС 2009”, 37-40.

Національна академія наук України. (2023, 9 червня). Аналіз перебігу затоплення територій Херсонської області внаслідок руйнації гідроспоруд Каховської ГЕС [Повідомлення НАН України]. https://www.nas.gov.ua/UA/Messages/Pages/View.aspx?MessageID=10209

Національна академія наук України. (2022, 28 квітня). Науковці Академії спрогнозували характер затоплення територій Київщини, спричиненого російським вторгненням [Повідомлення НАН України]. https://www.nas.gov.ua/UA/Messages/Pages/View.aspx?MessageID=9011

Читати повністю

Файли

MSorokin_Dis_2025.pdf

autoreferat-MSorokin_Avtoref_2025.pdf

Схожі дисертації

0425U000413

Рихальський Олексій Юрійович

Інформаційна технологія формування знань для аналізу характеристик технічних систем на основі модельно-параметричного простору

0525U000523

Єфіменко Сергій Миколайович

Інформаційна технологія індуктивного моделювання багатовимірних об'єктів і процесів на основі рекурентно-паралельних обчислень

0425U000365

Хала Катерина Олександрівна

Інформаційна технологія видобування знань з текстів спеціалізованої галузі на основі онтологічного аналізу

0525U000479

Сажок Микола Миколайович

Методи багаторівневого генеративного аналізу мовленнєвого сигналу

0425U000305

Коваль Роман Григорович

Інформаційні технології збору та оброблення даних для прогнозування витрат на пенсії і соціальні допомоги