科研動(dòng)態(tài)
基于物理過(guò)程的異構(gòu)圖注意力網(wǎng)絡(luò)河流原油泄漏擴(kuò)散模擬
中文題目：基于物理過(guò)程的異構(gòu)圖注意力網(wǎng)絡(luò)河流原油泄漏擴(kuò)散模擬
論文題目：Physically-based simulation for oil leakage and diffusion on river using heterogeneous graph attention network
錄用期刊：Heliyon (JCR Q2)
作者列表：
1） 連遠(yuǎn)鋒 中國(guó)石油大學(xué)（北京）信息科學(xué)與工程學(xué)院/人工智能學(xué)院 計(jì)算機(jī)系教師
2） 高浛釗 中國(guó)石油大學(xué)（北京）信息科學(xué)與工程學(xué)院/人工智能學(xué)院 計(jì)算機(jī)技術(shù)專(zhuān)業(yè) 碩21
3） 紀(jì)連恩 中國(guó)石油大學(xué)（北京）信息科學(xué)與工程學(xué)院/人工智能學(xué)院 計(jì)算機(jī)系教師
4） 董紹華 中國(guó)石油大學(xué)（北京）安全與海洋工程學(xué)院 安全工程系教師
輸油管道穿越河流上發(fā)生事故時(shí)，模擬原油在水面擴(kuò)散與污染效果對(duì)制定救援方案具有重要意義。針對(duì)現(xiàn)有的河流溢油模擬方法無(wú)法呈現(xiàn)符合物理過(guò)程的擴(kuò)散效果以及模擬速度過(guò)慢問(wèn)題，提出融合Mixture模型的河流溢油兩相流模擬方法。首先，在無(wú)發(fā)散光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法的基礎(chǔ)上提出了一種改進(jìn)的混合流體擴(kuò)散方法(Mixture Tension Divergence-Free SPH, MTDF-SPH)，用于模擬原油與水之間的不混溶相的混合和分解效果。其次，為了加速模擬結(jié)果的獲取，提出了一種基于物理感知的異構(gòu)圖注意力網(wǎng)(Physics-Aware Graph Attention Network, PAGAT)，通過(guò)兩相流物理感知模塊消除教師網(wǎng)絡(luò)和學(xué)生網(wǎng)絡(luò)的差異。最后，在不同工況條件下，分別對(duì)原油在河流表面泄漏擴(kuò)散物理過(guò)程和油品泄漏擴(kuò)散形態(tài)進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，文中方法實(shí)現(xiàn)了河流表面原油泄漏擴(kuò)散的高效模擬。
基于物理過(guò)程的多相流模擬在電影特效、工業(yè)生產(chǎn)、災(zāi)難仿真等領(lǐng)域有重要研究?jī)r(jià)值。隨著油氣資源廣泛開(kāi)采運(yùn)輸和開(kāi)發(fā)利用，穿越河流的輸油管道泄漏會(huì)對(duì)生物和自然環(huán)境造成極大損害。目前對(duì)原油污染流體模擬與分析已進(jìn)行諸多研究工作，但是大多數(shù)聚焦于海洋原油污染和土壤原油污染，對(duì)河流水域原油泄漏和擴(kuò)散過(guò)程研究較少。準(zhǔn)確和高效地解決原油在水面的模擬問(wèn)題具有重要意義。
首先，本文提出了一種河流溢油擴(kuò)散模擬方法MTDF-SPH，使原油泄漏擴(kuò)散過(guò)程滿(mǎn)足不混溶多相流擴(kuò)散物理規(guī)律。其次，為了提高模擬速度，設(shè)計(jì)了一種基于異構(gòu)圖注意力機(jī)制的物理感知網(wǎng)絡(luò)PAGAT，該網(wǎng)絡(luò)使用MTDF-SPH方法生成的數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練，并使用知識(shí)蒸餾方法對(duì)該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行壓縮和優(yōu)化，在保證模擬精度的同時(shí)加快模擬速度。最后，針對(duì)不同工況進(jìn)行準(zhǔn)確性和魯棒性實(shí)驗(yàn)并得到了很好的模擬效果。
MTDF-SPH算法
如圖1所示，基于光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)框架結(jié)合混合模型和表面張力模型，構(gòu)建了一種無(wú)散度模擬方法MTDF-SPH。MTDF-SPH能夠真實(shí)地模擬流體各相在方向和位置上的變化。
圖1 MTDF-SPH溢油擴(kuò)散示意圖
混合物的連續(xù)和動(dòng)量方程可以表示為：
其中，ρo?w和po?w分別為油水混合物的壓力和密度，To和Tw分別為油和水黏性力張量，uo?w是混合物的速度，udo和udw分別為水相和油相的漂移速度。表面張力中粒子間的相互作用力方程為：
其中，
是粒子間相互作用力的強(qiáng)度因子，rij是粒子i和j之間的距離，h是粒子的SPH核半徑。粒子的運(yùn)動(dòng)方程為：
其中，
是作用于粒子i的合力，而
是表面張力。
PAGATNet模型
如圖2所示，為了從油、水兩相流提取特征以獲得更詳細(xì)的特征信息，這里提出了一種溢油擴(kuò)散模擬網(wǎng)絡(luò)PAGATNet。設(shè)計(jì)了知識(shí)蒸餾方法以提高網(wǎng)絡(luò)的魯棒性和收斂性。
圖2 PAGATNet框架
如圖3所示，表面粒子與內(nèi)部粒子受到不同的力，為了提取不同流體粒子的力特征，設(shè)計(jì)了融合三種不同機(jī)制的注意力圖模塊(Attention Graph Network Block, AGNB)。為了提高模擬精度，將AGNB與物理感知模塊相結(jié)合。盡管教師模型能夠準(zhǔn)確地描述多相流的相互效果，但其不具備輕量級(jí)和高效率的特性，為此我們提出了特征響應(yīng)知識(shí)蒸餾（Feature-Response Knowledge Distillation, FRKD）來(lái)壓縮并微調(diào)模型結(jié)構(gòu)。
圖3 油-水界面表面張力示意圖
圖4 兩相流體交互渲染結(jié)果
如圖4所示，兩組流體以相反方向注入容器中，在粒子發(fā)生碰撞后落到底部。在使用DFSPH方法進(jìn)行模擬時(shí)，兩組流體主要的交互方式是粒子與容器邊界的碰撞，而粒子之間的碰撞較少。使用MTDF-SPH方法進(jìn)行模擬時(shí)，兩組流體在接觸后會(huì)發(fā)生碰撞，落容器的底部后產(chǎn)生分層。
圖5 河流溢油從第2300幀到第2390幀的MTDF-SPH、GNS、PAGATNet_AGNB和PAGATNet模擬結(jié)果。
如圖5所示，GNS模擬的溢油邊緣與MTDF-SPH存在較大差異。由于PAGATNet_AGNB移除了AGNB模塊無(wú)法處理表面張力和多相流相互作用力，模擬結(jié)果溢油分布稀疏。盡管PAGATNet與MTDF-SPH的模擬結(jié)果在溢油擴(kuò)散的前沿略有不同，但能夠真實(shí)地模擬河流中游和上游的溢油形狀。
表1 河流原油泄漏模擬算法的T幀生存時(shí)間比較
由于SPH算法中融入了混合模型和表面張力模型，導(dǎo)致油泄漏模擬的時(shí)間有所增加。如表1所示，在第3100幀時(shí)，MTDF-SPH所需的時(shí)間比DFSPH增加了13.84%。因此，需要優(yōu)化MTDF-SPH算法以提高其模擬效率。
表2 基于河流原油泄漏污染數(shù)據(jù)集的運(yùn)行時(shí)間和模型誤差比較
為了驗(yàn)證模擬算法的效率，我們比較了MTDF-SPH、DPI-Nets、GNS和PAGATNet在真實(shí)河流上模擬原油泄漏的情況。如表2所示，與其它算法相比，PAGATNet顯著減少了整體計(jì)算時(shí)間。當(dāng)模擬幀數(shù)為130時(shí)，PAGATNet所需的時(shí)間比MTDF-SPH少了45.57%。這表明，相較于其他算法，PAGATNet在模擬計(jì)算中具有更高的效率。
本文針對(duì)河流溢油擴(kuò)散的兩相流模擬問(wèn)題，提出了一種新的模擬方法?；诨旌夏Ｐ?、表面張力模型和DFSPH方法構(gòu)建了模擬模型MTDF-SPH。為了加速兩相流模擬，采用知識(shí)蒸餾方法設(shè)計(jì)了一種異構(gòu)圖注意力網(wǎng)絡(luò)PAGATNet。通過(guò)多個(gè)實(shí)驗(yàn)證明了本文方法在模擬河流溢油時(shí)具有更高的穩(wěn)定性。
連遠(yuǎn)鋒，教授、碩士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)閳D像處理與虛擬現(xiàn)實(shí)、機(jī)器視覺(jué)與機(jī)器人、深度學(xué)習(xí)與數(shù)字孿生。