面向移动设备的拉格朗日海洋输运模拟：实现现场交互式物理仿真新突破

本文综述提出了一种创新的拉格朗日（Lagrangian）流体输运模拟方法，专为移动设备设计。该方法通过四阶龙格-库塔（Runge–Kutta）时间积分实现粒子平流（advection）的并行化，在移动端SIMD架构上达到每时间步10.2毫秒处理50万粒子的高性能，其运行效率与TRACMASS、OceanParcels等非便携式模拟器相当。该研究突破了传统模拟器依赖大型计算设备的限制，为海洋污染物（如塑料、溢油）的现场实时模拟与交互式协同可视化（co-visualization）提供了全新解决方案。

　　

文献综述

智能设备通常比现代个人电脑的计算能力弱得多，后者拥有8-32 GB内存和运行在3-5 GHz的多核处理器，而大多数智能设备的内存仅为千字节到千兆字节，CPU主频低于3 GHz [12]。此外，许多现有模拟并未针对移动设备进行优化。这种优化缺失主要归因于使用了典型的数值编程语言（例如 FORTRAN、MatLab 或 Python）。这些语言的设计初衷是...

数据

在本文中，我们使用术语模型（model）作为物理系统的数学描述，而模拟（simulation）则是该系统的计算执行过程。

所开发的方法可推广至任何欧拉（Eulerian）输入模型，因为它对模拟的物理数据集不做任何假设。本研究模拟的具体物理用例是双涡流（Double-Gyre）模型 [24]。双涡流模型是计算流体动力学中一个著名的基准，由两个反向旋转的...

实现

该应用程序实现了三种不同的粒子模拟方法。按复杂度升序排列，这些方法是：（1）顺序粒子平流（advection），（2）并行粒子平流，以及（3）使用GPU的粒子平流。根据公式（12）以及公式（2）至（3），我们可以看到，要执行粒子的平流，我们只需要知道粒子的位置以及速度场在粒子位置处的值。这意味着每个粒子的平流是独立的...

结果

以下段落评估了各项性能指标，并针对这些指标比较了所提出的三种粒子平流方法。关键指标包括渲染时间、计算时间、应用程序周期时间、挂钟时间（所有时序见第5.1节）、不同计算任务的应用程序周期构成（第5.2节）以及内存消耗（第5.3节）。最后，还将应用程序的运行时间与现有的参考框架进行了...

性能比较

如图1所示，渲染时间与粒子数量呈线性关系，与显示的顶点数直接成正比。y轴截距接近零，这是因为OpenGL ES绘制调用的开销可以忽略不计。矢量场渲染时间也微不足道，尤其是在粒子数量庞大时，因为只渲染了场的部分区域。渲染的矢量场顶点数为 36 × 18 × 6 = 3,888，这大约只占所使用的 539 × 269 × 28 = 4,059,748 个顶点的 0.1%。

致谢

本研究得到了格罗宁根大学伯努利研究所的支持。本出版物是项目HiWAVE（档案号VI.Vidi.233.066）的一部分，该项目属于ENW Vidi研究计划，由荷兰研究理事会（NWO）资助，资助号为 https://doi.org/10.61686/CBVAB59929。我们感谢匿名审稿人富有建设性的评论和反馈。