[發明專利]一種基于異構計算的船舶有限時間可達集快速求解方法

在審

• 申請號: 202211091528.5
• 申請日: 2022-09-07
• 公開（公告）號: CN116304496A
• 公開（公告）日: 2023-06-23
• 發明（設計）人: 鄭凱;王科文;姜毅;王子昕
• 申請（專利權）人: 大連海事大學
• 主分類號: G06F17/13
• 分類號: G06F17/13;G06Q10/04;G06F9/50
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 魯保良;李洪福

本發明公開了一種基于異構計算的船舶有限時間可達集快速求解方法，利用數值微分方法對船舶可達路徑以及多路徑形成的可達集合進行求解，同時利用CPU?GPU異構方式快速計算船舶可達集，基于CPU處理器和GPU處理器的單線程計算能力，將微分方程的N×M個初始輸入條件根據GPU處理器和CPU處理器運行時間進行實時動態分配，分配到相對應的線程后，每個線程中采用數值微分方法迭代計算每一條可達路徑，所有線程計算出的可達路徑集合即為所求的船舶可達集。這樣不僅充分發揮了GPU處理器的快速計算能力，而且當GPU處理器運行時使空閑的CPU處理器線程也得到了充分利用，縮短計算時間，達到更優的效果，提高船舶在海上行駛的安全度。

技術領域

本發明涉及船舶可達集領域，具體涉及到基于異構計算的船舶有限時間可達集的快速求解方法。

背景技術

船舶的行駛安全問題一直是航運領域關注的重要問題，船舶的可達集常用于船舶避碰及風險估計研究，所以基于船舶可達集來評估或預測行駛風險，可以有效的預防船舶碰撞和擱淺事故。船舶可達集是指給定船舶初始狀態，在一定的控制條件下，系統可以到達的所有終端狀態集。可達集可以是多個點形成的線，也可以是多條線形成的面，現階段船舶可達集的求解方法是通過使用常微分方程根據一個輸入條件對船舶模型進行串行計算，針對大范圍的船舶可達集，串行計算是就顯得速度較慢。由于GPU處理器具有高性能并行計算能力，在船舶可達集的求解中，依靠大量的并行線程對其常微分方程在不同初始狀態下運行的速度大大加快，超過CPU處理器運行計算的幾十倍甚至幾百倍。但是當GPU處理器運行計算船舶可達集時，CPU處理器會處于空閑狀態，這樣會導致資源的浪費，基于CPU-GPU異構算法不僅可以發揮CPU處理器的計算能力以及存儲能力和GPU處理器的計算能力，還可以采用動態調度算法按照一定比例合理地在有限時間內將計算任務分配到CPU處理器和GPU處理器中，動態調度是在任務執行的過程中根據CPU處理器和GPU處理器的計算性能動態地分配任務，加速計算大量船舶可達集數據的同時，提高CPU處理器和GPU處理器之間的帶寬資源利用率。

目前，國內外針對采用CPU-GPU異構算法在有限時間內船舶可達集的研究比較少，大部分的研究還是處于分析介紹CPU-GPU性能階段，或者只對車輛可達集進行理論分析研究，而針對CPU-GPU異構系統進行任務調度時一般是采用靜態分配方式進行一次性分配任務來計算船舶可達集，這種方法會造成線程資源的負載不均衡問題，沒有將資源利用率最大化。

發明內容

為解決現有技術存在的上述問題，本發明要設計一種基于異構計算的船舶有限時間可達集快速求解方法，能夠及時高效的計算出在海上航行時船舶在有限時間內的可達集，提前預知并且避免不必要的危險，提高船舶在海上行駛的安全度。

為了實現上述目的，本發明的技術方案如下：一種基于異構計算的船舶有限時間可達集快速求解方法，包括以下步驟：

步驟A：利用數值微分方法求解在有限時間內的船舶可達集

步驟A1：確定船舶動態系統模型如下：