基于GT3的网格计算平台的构建及应用

基于CEDAGrid项目的需求, 通过应用Web服务技术和网格计算技术, 构建了基于GT3的网格计算应用平台, 在有4个节点的网格计算平台上(其中只有3个节点参与了科学计算任务)进行了地震应力触发计算实例(以川滇地区为例, 共有17个断层), 系统耗时为13min25s, 如果只在一个节点上进行计算, 则需要时间为35min10s。 该实例的成功运行证明, 基于网格技术构建的计算平台可以解决传统的地震领域内的科学计算问题, 在时间效率上可以提高许多, 如果应力触发计算本身越复杂, 网格的计算资源越丰富, 网格计算的执行效率会体现的越优越。 通过这一科学计算试验为网格技术在地震领域的应用做了有意的探索。     

中国地震网格试验系统中资源管理与作业调度研究-资源管理和作业动态分配模型ProRMJS的建立me

通过分析与研究建立资源管理和作业动态分配ProRMJS模型,解决了中国地震灾害仿真网格试验系统（CEDAGrid）中网格科学计算平台在初期建设中存在的一些资源管理方面的问题. 针对网格科学计算平台默认各个计算节点均能提供计算服务的问题,ProRMJS通过ldquo;计算池rdquo;这一虚拟组织为调度器分发作业提供支撑;而调度器则根据计算池中各个节点的计算能力和状态,动态分配任务,这样就保证了计算平台的稳定性. 针对默认各个计算节点均能完成任务的问题, ProRMJS通过监控各个节点所负担作业的运行进度和设定作业时间阈值来管理作业运行. 对于各个节点计算能力大小的区别, ProRMJS通过对各个节点计算性能的权值量化,实行按ldquo;需rdquo;分配作业. 对各个节点计算性能的权值量化, ProRMJS是通过综合考虑各个因素对机器计算能力大小的影响后通过加权计算的方式完成的,从而提高了整个计算平台的工作效率. 最后通过实现地震应力触发科学计算实例验证了方案的有效性,为网格技术在地震领域内的进一步应用作了有意义的探索.      

基于WNAD方法的非一致网格算法及其弹性波场模拟

加权近似解析离散化(WNAD) 方法是近年发展的一种在粗网格步长条件下能有效压制数值频散的数值模拟技术. 在地震勘探的实际应用中, 不是所有情况都适合使用空间大网格步长. 为适应波场模拟的实际需要, 本文给出了求解波动方程的非一致网格上的WNAD算法. 这种方法在低速区、介质复杂区域使用细网格, 在其他区域采用粗网格计算. 在网格过渡区域, 根据近似解析离散化方法的特点, 采用了新的插值公式, 使用较少的网格点得到较高的插值精度. 数值算例表明, 非一致网格上的WNAD方法能够有效压制数值频散, 显著减少计算内存需求量和计算时间, 进一步提高了地震波场的数值模拟效率.     

关于网格资源调度的探讨

随着计算机网络技术的飞速发展, 出现了第三代Internet技术网格计算(Grid Computing)。 网格是一种异构、 动态、 分布式的计算环境。 网格资源管理是网格的核心组件, 文中介绍了网格资源管理的特点, 分析了Globus工具集网格资源管理的核心组件。 网格资源调度是网格资源管理的核心部分, 也是网格资源管理中极其繁琐复杂的问题。 基于分析网格计算环境中资源管理的结构特点, 分析和总结了网格调度策略, 提出了多级资源调度模式, 给出了多级资源调度的模式。     

面向目标自适应三维大地电磁正演模拟

本文将面向目标的自适应算法应用于三维大地电磁数值模拟.使用基于非结构网格的矢量有限单元法对起伏地表大地电磁正演模拟问题进行求解.使用利用垂向电流密度在物性界面上的连续性对后验误差进行估算的算法指导网格优化.由于全局自适应算法针对观测点优化网格的能力较差,本文通过求解正演问题的对偶问题计算后验误差的加权系数,并对相关加权系数进行改进,从而实现了面向目标的自适应算法.与传统基于结构化网格的电磁正演算法相比,采用非结构网格能够更好地拟合起伏地表和地下不规则异常体.由于使用了面向目标的自适应算法,本文能够使用更少的网格达到较高的计算精度.通过对比本文模拟结果与半空间响应和全局自适应算法计算结果,并通过对比使用改进前和改进后加权系数得到的网格剖分结果验证了本文算法的有效性.     

旋转时空双变网格有限差分地震波场正演模拟

在交错网格有限差分算法中,模型网格剖分原则与正演计算效率密切相关.当模型存在小型非均质体或者低降速层等情况,为保证精度,满足稳定性条件,需缩小网格步长,导致局部过采样,计算效率低下.为保证模拟精度的同时保持高计算效率,通常采用变化的空间网格与时间步长相结合的高阶有限差分模拟方法对波场进行模拟.然而,时空双变算法存在着交错网格固有缺点,在模拟非均匀性较强的复杂介质波场传播时,需对介质参数进行平均或内插.同时,该算法在空间与时间上的变网格实现极为复杂.为压制变网格引起的虚假反射,提升模拟精度和计算效率,本文在时空双变网格算法的基础上,采用旋转差分角度的方式,提出了旋转时空双变交错网格算法.该方法既保留了旋转网格和双变网格的优势,又简化了时空双变算法流程,更利于推广和应用.     

二维弹性及粘弹性TTI介质中地震波场数值模拟:四种不同网格高阶有限差分算法研究

本文利用交错网格、辅助网格、旋转交错网格、同位网格有限差分方法分别模拟了二维弹性TTI介质和二维黏弹性TTI介质中的地震波传播.在稳定性条件内,选用不同的网格间距及时间间隔,通过波场快照、合成理论地震图较为系统分析对比了这四种不同网格有限差分数值模拟在计算精度、CPU时间、相移、频散、以及保幅方面的优缺点.数值模拟结果表明:1)这四种不同网格有限差分算法都是很好的波场数值模拟算法;2)就CPU计算时间而言,旋转交错网格有限差分算法的计算效率最高;3)从计算精度来看,同位网格有限差分的计算精度最高;4)从振幅保护方面来看,四种网格的保护振幅的能力相当;5)相移方面,当网格间距增大时,交错网格和旋转交错网格有可能出现相移现象;6)频散方面,同位网格的频散现象不明显.     

裂缝型储层时空双变正演模拟研究

本文将深层裂缝型储层视为各向同性背景下的小尺度非均质体,采用时空双变正演模拟算法模拟其地震响应,并将Lanczos滤波算子推广到该算法中,在保证最优的计算效率及内存的前提下,解决了常规变网格算法长时间采样下的不稳定问题.测试结果验证了本文算法对深层微构造的模拟精度及效率.最后将本算法应用到裂缝储层正演模拟中,定量分析了不同裂缝开度、密度和倾角下的地震振幅响应规律,为裂缝型储层的检测和解释提供了可靠的理论指导.     

混合ADI-FDTD亚网格技术在探地雷达频散媒质中的高效正演

提出混合ADI-FDTD亚网格技术开展频散介质GPR正演,即在物性参数变化剧烈局部区域采用细网格剖分ADI-FDTD计算,其他的区域采用粗网格剖分常规FDTD计算,ADI-FDTD突破了CFL条件的限制,可选取与粗网格一致的大时间步长,有效地提高了计算效率.本文首先基于Debye方程,推导了粗网格FDTD及细网格ADI-FDTD频散介质差分格式,着重对粗细两种网格结合的场值交换方式进行了深入探讨,给出了该算法的计算流程.然后以一个薄层模型为例,分别应用粗网格、细网格、混合ADI-FDTD亚网格算法对该模型进行正演,计算资源的占用及模拟精度说明了混合ADI-FDTD亚网格算法的优势.最后,建立频散介质与非频散介质的组合模型,应用3种方法对该模型进行正演,对比3种方法优劣,分析雷达剖面中非频散介质及频散介质中波形特征,有效地指导雷达资料的精确解释.     

基于变网格高阶有限差分的鬼波数值模拟研究

由于海洋地震资料采集过程中电缆和震源沉放于海面以下几米至十几米深度,同时,薄夹层厚度也从几米到几十米变化,要准确模拟沉放深度即薄夹层对地震波场的影响,差分网格剖分须小于最小变化深度和厚度,全模型小网格模拟将急剧加大有限差分模拟计算量.通过均匀模型大网格与小网格模拟波场对比表明二者存在微小的相位差异,小网格模拟结果对于小尺度的波场变化模拟更加精确.针对上述问题,本文研究了变网格有限差分模拟方法,针对海面附近及目的层采用小网格模拟,其他区域采用大网格模拟,结果表明此策略可以较为准确模拟鬼波,同时保持较高的计算效率.文中还提出了一种与实际海洋气枪阵列子波波形近似的弱旁瓣Ricker子波,实现了鬼波波形波动方程精确模拟,模拟地震子波形态与理论及实际地震记录子波形态高度一致.     

Application of a parameter-shifted grey wolf optimizer for earthquake dynamic rupture inversion

Global optimization is an essential approach to any inversion problem. Recently, the grey wolf optimizer (GWO) has been proposed to optimize the global minimum, which has been quickly used in a variety of inversion problems. In this study, we proposed a parameter-shifted grey wolf optimizer (psGWO) based on the conventional GWO algorithm to obtain the global minimum. Compared with GWO, the novel psGWO can effectively search targets toward objects without being trapped within the local minimum of the zero value. We confirmed the effectiveness of the new method in searching for uniform and random objectives by using mathematical functions released by the Congress on Evolutionary Computation. The psGWO algorithm was validated using up to 10,000 parameters to demonstrate its robustness in a large-scale optimization problem. We successfully applied psGWO in two-dimensional (2D) synthetic earthquake dynamic rupture inversion to obtain the frictional coefficients of the fault and critical slip-weakening distance using a homogeneous model. Furthermore, this algorithm was applied in inversions with heterogeneous distributions of dynamic rupture parameters. This implementation can be efficiently applied in 3D cases and even in actual earthquake inversion and would deepen the understanding of the physics of natural earthquakes in the future.     

基于粒子群优化最小二乘向量机的地震预测模型

为解决地震预测中最小二乘向量机(LSSVM)模型的参数难以确定的问题,利用粒子群算法(PSO)的收敛速度快和全局优化能力,优化LSSVM模型的惩罚因子和核函数参数,建立了PSO-LSSVM地震预测模型.通过对地震实例的预测仿真及其相关分析表明该方法的有效性.该方法优于传统的神经网络和支持向量机的地震预测方法,可以有效提高预测效能.     

QuakeSim and the Solid Earth Research Virtual Observatory

We are developing simulation and analysis tools in order to develop a solid Earth Science framework for understanding and studying active tectonic and earthquake processes. The goal of QuakeSim and its extension, the Solid Earth Research Virtual Observatory (SERVO), is to study the physics of earthquakes using state-of-the-art modeling, data manipulation, and pattern recognition technologies. We are developing clearly defined accessible data formats and code protocols as inputs to simulations, which are adapted to high-performance computers. The solid Earth system is extremely complex and nonlinear, resulting in computationally intensive problems with millions of unknowns. With these tools it will be possible to construct the more complex models and simulations necessary to develop hazard assessment systems critical for reducing future losses from major earthquakes. We are using Web (Grid) service technology to demonstrate the assimilation of multiple distributed data sources (a typical data grid problem) into a major parallel high-performance computing earthquake forecasting code. Such a linkage of Geoinformatics with Geocomplexity demonstrates the value of the Solid Earth Research Virtual Observatory (SERVO) Grid concept, and advances Grid technology by building the first real-time large-scale data assimilation grid.     

基于输出反馈的建筑结构闭开环次优控制

对传统的结构抗震闭开环控制算法进行改进。基于地面运动自回归模型,采用Kalman滤波利用可以量测到的地面加速度激励对未来时段即将发生的地面加速度激励进行预估,并在微分方程的求解中引入精确高效的精细积分算法。考虑到实际控制中量测全部状态变量的困难,改进算法仅需量测部分状态变量。数值仿真表明,基于输出反馈的闭开环次优控制策略能大大降低结构的地震响应。     

Optimal control algorithm and neural network for dynamic groundwater management

Researchers have found that obtaining optimal solutions for groundwater resource‐planning problems, while simultaneously considering time‐varying pumping rates, is a challenging task. This study integrates an artificial neural network (ANN) and constrained differential dynamic programming (CDDP) as simulation‐optimization model, called ANN‐CDDP. Optimal solutions for a groundwater resource‐planning problem are determined while simultaneously considering time‐varying pumping rates. A trained ANN is used as the transition function to predict ground water table under variable pumping conditions. The results show that the ANN‐CDDP reduces computational time by as much as 94·5% when compared to the time required by the conventional model. The proposed optimization model saves a considerable amount of computational time for solving large‐scale problems. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

面向目标自适应海洋可控源电磁三维矢量有限元正演

本文实现了一种面向目标自适应海洋可控源电磁三维矢量有限元方法.为满足三维复杂电性结构模拟的需求,网格剖分采用非结构化六面体.在组装刚度矩阵之后,形成的大型复数线性方程组分解为等价的实数形式,利用带预条件的广义最小残差法进行求解.在获得微分方程的解之后,为提高解的准确性,通过面向目标的自适应误差估计来指示网格细化,重点加密能使观测点数值模拟精度提高的网格.对于大规模三维数据,为了使模型空间的并行计算达到均衡负载的效果,我们使用METIS函数库来进行网格计算任务量的划分.最后,通过对比一维解析解与三维自适应矢量有限元计算结果,验证了程序的正确性;通过自适应过程中误差指示子的分布,验证了面向目标自适应的有效性;通过对三维复杂模型进行均衡负载下的并行计算,测试了程序的可扩展性.     

A parallel dynamic programming algorithm for multi-reservoir system optimization

This paper develops a parallel dynamic programming algorithm to optimize the joint operation of a multi-reservoir system. First, a multi-dimensional dynamic programming (DP) model is formulated for a multi-reservoir system. Second, the DP algorithm is parallelized using a peer-to-peer parallel paradigm. The parallelization is based on the distributed memory architecture and the message passing interface (MPI) protocol. We consider both the distributed computing and distributed computer memory in the parallelization. The parallel paradigm aims at reducing the computation time as well as alleviating the computer memory requirement associated with running a multi-dimensional DP model. Next, we test the parallel DP algorithm on the classic, benchmark four-reservoir problem on a high-performance computing (HPC) system with up to 350 cores. Results indicate that the parallel DP algorithm exhibits good performance in parallel efficiency; the parallel DP algorithm is scalable and will not be restricted by the number of cores. Finally, the parallel DP algorithm is applied to a real-world, five-reservoir system in China. The results demonstrate the parallel efficiency and practical utility of the proposed methodology.     

双差算法的剖析及参数对定位的影响

分析了双差定位程序hypoDD实现的流程,对程序参数进行了研究和剖析,并且以2007年6月云南普洱地震为例,指出了在使用双差定位算法过程中需要注意的问题。