基于MPI和OpenMP的重力及重力梯度数据并行正演算法研究

为提高重力及重力梯度数据的正演效率,笔者引入基于MPI (Message Passing Interface)和OpenMP (Open Multi-Processing)的并行计算,通过对比分析不同数据规模的网格数和模型体个数对并行效率和加速比的影响,得出随着正演数据规模的增加,并行效率和加速比均得到提高。同时对比了基于MPI和基于OpenMP的两种并行方式的性能,结果表明,重力及重力梯度数据正演的并行计算中MPI的提速能力优于OpenMP,且在较大规模数据的正演计算中基于MPI的并行效率优于基于OpenMP的并行效率。     

MPI并行的节点大地电磁三维有限元正演

用fortran语言编程实现了有限元三维大地电磁正演,通过层状介质模型、二维棱柱体模型及三维低阻体模型结果的对比,验证了所编写程序的正确性。首先通过加入第一类边界条件,减少了最终求解方程组的维数,同时对系数矩阵的存储采用非零存储技术,大大降低了对计算机内存的需求;最后在串行程序的基础上,基于MPI实现了频点间的并行,并对一个三维模型进行计算,并行后开启4进程时加速比达到了2.328,有效地减少了所需时间。     

分布式水文模型的GPU并行化及快速模拟技术

分布式水文模型对流域水文过程的应用深度及广度不断加深,常与数值天气及气候预报相结合,面临巨大的计算量。近年来GPU技术的进步使普通电脑能够实现高效而又廉价的并行计算。提出了资料插值、单元产流以及单元汇流采用GPU并行计算,马斯京根法河道汇流采用一种非并行的递归方法。基于笔记本电脑和NVIDIA GPU/CUDA结合C#语言,由分布式新安江模型在沂河流域的模拟应用表明,降水量空间插值及新安江产流的并行执行效率为普通CPU上C#的8~9倍。使用直接递归法实现马斯京根汇流演算比以往采用汇流次序表的执行效率提升0.5~0.9倍。     

基于Dotnet Remoting技术实现Windows平台下的并行计算

分布式并行计算是目前提高计算能力的重要手段,在生产、科研中起着重要的作用。Windows平台下的NET Framework Remoting技术,为开发分布式并行计算提供了方便、灵活、简单的手段,可以屏蔽分布式编程所需要处理的通信、协议、消息传输等细节,使分布式编程与本地编程具有相同的界面,为本地计算和远程分布式计算提供了一个一致的面向对象的编程环境,使开发分布式计算如同开发本地计算一样,这就大大降低了开发分布式并行计算的难度。这里主要介绍了如何利用NET Framework Remoting技术,实现Windows平台下的并行计算。     

基于MPI的面波有限差分正演模拟

近年来,瑞利波波形反演技术因其避开了常规频散曲线计算,直接进行波场计算和反演不再受水平层状介质理论假设的限制,得到广大学者的高度重视。但瑞利波波形反演过程中需要不断进行波场正演和逆推计算。另外,由于浅地表速度较小,模拟计算时需要较小的网格间距才能避免数值频散,这无疑大大增加了正演模拟的计算量。对于这一问题,通常采用并行化设计来提高正演模拟的计算效率。本文基于消息传递接口（MPI）并行有限差分算法,以区域分解思路将模型区间分解成若干子区域,各区域互相通信,共同完成对模型的正演计算。并详细给出了区域分解、坐标转换、区域通信、波场合并等并行方案中的具体实现方法和实现步骤。通过对弹性模型、Kelvin黏弹性模型和标准线弹性固体（SLS）黏弹性模型不同并行方案的计算结果进行分析,验证了本文并行方案的可行性和有效性。并行计算结果表明,与单处理器计算时间相比,增加处理器数目可以明显减少计算时间,但随着处理器数目的增加,不同处理器之间的通信时间也增大;因此,并行时需要选择合适的处理器数目。对于黏弹性介质模型,SLS黏弹性模型的并行计算效率优于Kelvin黏弹性模型。     

二维非恒定渗流的有限元并行计算

建立了二维非恒定渗流的有限元并行计算模型,在windows操作系统下实现了基于消息传递的二维渗流的有限元并行计算。模型采用广义极小残余算法(GMRES)对方程组进行并行迭代求解,通过分析数据执行时的相关性和检验算法结构的固有串行性,将原有串行算法中的算法元直接并行化。对溪洛渡上游围堰的渗流分析进行了并行数值模拟,并针对水位骤降情况下非恒定渗流进行了并行计算,证明了模型的合理性。对模型进行了加速比测定,可以看出并行计算的效率随着问题规模的增加而逐渐提高。     

基于向量化的扰动引力矢量快速并行算法

无人飞行器在飞行过程中受地球外部扰动引力影响,对其精确控制需要计算飞行轨迹点扰动引力。为有效恢复地球外部引力场,常采用地球重力场位系数模型进行计算,但其计算耗时随模型阶数的升高而呈指数增加。本文提出一种扰动引力矢量计算的向量化方法,推导出利用地球重力场模型计算扰动引力三分量的向量化表达公式,并利用CUDA（compute unified device architecture）异构并行算法进行并行化以达到快速计算单点扰动引力的目的。通过仿真实验可知,本文所提方法可有效减少单点扰动引力计算耗时,利用跨阶次递推法进行单点计算加速比可达8以上,最高可达13.20;利用Belikov递推法进行单点计算加速比可达6以上,最高可达8.99。     

航空瞬变电磁中MPI并行计算分析

由于航空瞬变电磁的数据量很大,外加瞬变电磁反演方法耗时较大地电磁更多,为了在后期资料处理时减少不必要的耗时,对正演计算中的频时转换的方法做了一定研究,采用基于拉普拉斯尺度变换性质的Gaver-Stehfest变换做频时转换,适当减少了编写程序代码的行数及程序计算的时间消耗。针对现在的计算机很多都是多核的特点,研究了航空瞬变电磁一维反演的MPI(Message Passing Interface)并行计算,大大地节约了运算时间,分析了并行计算时不同的多核CPU和不同的进程数时的加速比及并行效率。     

大型洞室群软岩置换方案优化的并行实现

并行计算己成为求解大规模岩土工程问题的一种强大趋势 。 以水布娅大型洞室群软岩置换方案优化为例 , 探讨了方案优化中的并行计算问题,分析了并行计算中的编程模式 、 任务划分 、负载平衡和编程方法等问题,在 W id n o w s 环境下的 PC 机群上成功实现了软岩置换方案优化的并行计算,并获得了近乎线性的加速比 , 从而大大提高了方案优化的计算速度和效率 , 为岩土工程计算并行化思路提供了重要参考 。     

基于非线性系统理论的分布式水文模型

提出了一种基于水文系统理论的分布式水文模拟方法,它将集总的水文非线性系统模型通过GIS平台,结合单元水文模拟,拓展到分布式流域水文模拟。它既具有分布式水文概念性模拟的特征,同时又具有水文系统分析适应能力强的优点。实例分析表明:在黄河板桥流域,通过考虑时变增益因子G的空间变异性,该模型吸纳了局部高强度降水信息,对分布式空间降水输入能够产生积极的响应,获得了比集总模型更好的峰值模拟效果;在华北潮白河流域,通过分析不同森林覆盖率下的G值变化曲线,初步揭示了潮白河流域土地利用变化的水文响应趋势,即在相同的土壤湿度条件下,随着森林覆盖率的增加,G值呈减小趋势,地表产流能力降低。     

基于粗细网格的有限元并行分析方法

并行计算己成为求解大规模岩土工程问题的一种强大趋势。探讨了粗细网格与预处理共轭梯度法结合的并行有限元算法。从多重网格刚度矩阵推得有效的预处理子。该算法在工作站机群上实现。用地基处理时土体强夯的数值模拟分析进行了数值测试,对其并行性能进行了详细分析。计算结果表明：该算法具有良好的并行加速比和效率,是一种有效的并行算法。     

二维水动力模型的并行计算研究

建立了二维水动力并行模型;针对MPI不能实现进程迁移现状,自主开发了并行通讯平台,平台机群负载平衡采用基于蚁群算法的人工智能算法,并根据模型需要制定了相关通讯协议;对长江内江段进行数值模拟,结果表明当网格数一定时,存在一最优客户端数,当客户端数小于最优客户端数时,并行算法所需时间小于串行算法时间,并随着客户端数增加,所需时间也逐渐减少;反之,所需时间则逐渐增大。     

基于OpenMP大地电磁二维正演的并行计算

本文采用有限元方法,在Win7操作系统下,基于Open MP并行编程模式实现了任意频点数的大地电磁二维正演并行化。验证并行程序的正确性后,又对一个模型进行了计算。结果表明,当开启4个线程时两者都达到了2.3-2.6倍的加速比。事实证明对于多核单机来说,Open MP是一种简单有效的并行方法,可以充分利用多核的处理能力。     

CSAMT拟二维反演并行计算程序设计

可控源音频大地电磁法（CSAMT）拟二维反演并行计算程序,基于多进程与多线程方式实现程序的并行化,并形成相应的算法和程序。采用该并行计算程序,在多处理器多核工作站上进行实测数据的计算测试,结果表明,CSAMT拟二维反演并行计算程序可以有效提高反演效率。     

典型草原地区降水-径流演变趋势分析

深入探究典型草原降水和径流演变趋势和规律,对地区水资源合理配置及利用等工作具有重要意义。基于此,根据锡林浩特市气象站和锡林河水文站实测数据,运用Mann-Kendall法和线性回归法分析了典型草原地区锡林河流域40多年的降水、径流变化特征和演变规律;同时,结合降水频率,对不同水平年降水与径流相关性进行了分析。结果表明,两种评价方法一致认为,降水随时间的变化呈减少趋势,但减少趋势不显著;径流随时间的变化亦呈减少趋势,减少趋势较为显著。另外,不同水平年之间,随降水的增加,典型草原径流增加幅度表现为平水年丰水年枯水年。     

岩土工程亿级单元有限元模型可扩展并行计算

讨论了亿万单元有限元模型的可扩展并行计算方法。从软件和硬件两个方面提出了前处理、并行计算方法、程序算法、后处理实现等核心问题的解决方案。采用网格加密方法生成一亿单元的有限元模型,利用对偶原始有限元撕裂内联法（FETI-DP）求解系统方程。基于图论理论建立了子区域间的通讯拓扑关系,实现了子区域间点对点通讯,避免速度慢、通信量大的全局通讯。在自主开发程序基础上,增加相应模块,采用面向对象编程技术和MPI消息传递库开发程序。对一个一亿多单元的工程实例运用5 000核并行计算,得到了超线性加速比。计算结果在专用图形工作站上进行后处理,显示和交互操作速度良好。研究在两方面实现了突破：一是将模型规模提高到了一亿多单元;二是同时调用了5 000个计算核来并行运算,并得到了很高效率。高分辨率有限元并行模拟研究成果可为岩土工程中结构特别复杂、计算区域特别大、地质情况复杂等模拟提供很好的技术方法和实现手段。     

基于并行预处理算法的三维重力快速反演

随着地球物理设备和探测技术的不断发展,快速处理大规模地球物理数据的需求也随之增长。为了解决三维重力数据密度反演的耗时问题,提出一种并行的预处理共轭梯度算法来提高计算效率。本文分别采用两种不同的预处理算子通过组合模型数据反演进行测试比较,并利用迭代残差和计算用时共同评价其加速效果。结果表明：对称逐次超松弛预处理方法比对角预处理方法反演计算速度快,密度结果更贴近实际模型;与传统串行的共轭梯度算法相比,本文并行预处理快速算法可以获得近19倍的加速比。将该算法应用于美国Vinton盐丘的实测重力数据中,反演结果能够很好地圈定出岩体的位置,验证了本文并行预处理共轭梯度法在三维重力数据快速反演中的高效性和可行性。     

非平稳条件下北京市最大月降水量频率特征分析

为探究气候变化下极端降水的频率变化特征,基于北京市22个雨量站实测月降水量数据,以时间为协变量构建平稳和非平稳GEV模型,对北京市最大月降水量序列(极值降水序列)进行模拟和频率分析,并采用Bootstrap方法对频率分析结果的不确定性进行评价。结果表明:所有极值降水序列的最优概率分布模型均为非平稳GEV模型,该模型能够抓住序列随时间呈显著下降趋势的变化特征;由非平稳GEV模型估算得到的极值降水重现水平随时间呈减少趋势,这意味着未来极值降水导致洪涝灾害的风险在降低,但导致干旱的风险将增加;随着重现期的增加,极值降水重现水平估计值的不确定性也随之增大。     

大地电磁三维正、反演多核并行计算的设计与实现

首先以频点为并行粒度,完成了MT三维正演并行计算,然后将该算法引入共轭梯度法MT三维反演过程中的正演求数据的残差、反演方程右端项的求取、共轭梯度求解模型增量这三个计算环节中,使得MT三维反演中的主要计算量实现并行化。对编制的MT三维正、反演并行计算程序,在多核工作站上通过理论地电模型进行了正演试算和反演验证,并在串行和并行两种计算方式下进行了计算效率对比。     

基于PC机群波动方程叠前深度偏移的并行计算策略

基于波动方程的叠前深度偏移技术是解决复杂地质地貌地区地震成像的一种非常有效的手段,但是在实际应用中面临着数据量巨大和计算量巨大的双重困难.以PC 机集群为硬件环境,以MPI消息传递并行编程环境为并行程序设计平台,研究设计出请求分配作业的主从模式来实现波动方程叠前深度偏移的并行计算,从而解决了动态负载均衡难题,采用的作业登记与分析技术解决了容错处理问题.理论模型数据和实际地震资料测试结果表明:程序运行稳定,并行效率高.对我国东部地区某三维地震数据进行了处理,用请求分配作业的主从模式比平均分配作业的主从模式节省了23.68%的时间.