利用最小二乘直接法反演卫星重力场模型的MPI并行算法

针对海量卫星重力数据反演高阶次地球重力场模型的密集型计算任务与高内存耗用问题,基于MPI实现了最小二乘直接法恢复高阶次位系数的并行算法。引入并行读写、分块存储与分块计算等方式完成了设计矩阵的构建、法方程的形成与求解等密集型计算任务的并行算法,数值计算结果表明三者的并行相对效率峰值可分别达到95%、68%、63%。利用GOCE轨道跟踪和径向扰动重力梯度数据(共518 400个历元)分别反演了120、240阶次地球重力场模型,计算时间仅为40 min、7 h,内存耗用峰值仅为290 MB、1.57 GB;采用与GOCE同等噪声水平的观测数据恢复的重力场模型精度与GOCE已发布模型的解算精度相一致,联合GRACE和GOCE的解算模型能够实现二者独立信息的频谱互补,表明本文方法可高效稳定地恢复高阶次地球重力场模型。     

频率多尺度全波形速度反演

以二维声波方程为模型,在时间域深入研究了全波形速度反演.全波形反演要解一个非线性的最小二乘问题,是一个极小化模拟数据与已知数据之间残量的过程.针对全波形反演易陷入局部极值的困难,本文提出了基于不同尺度的频率数据的"逐级反演"策略,即先基于低频尺度的波场信息进行反演,得出一个合理的初始模型,然后再利用其他不同尺度频率的波场进行反演,并且用前一尺度的迭代反演结果作为下一尺度反演的初始模型,这样逐级进行反演.文中详细阐述和推导了理论方法及公式,包括有限差分正演模拟、速度模型修正、梯度计算和算法描述,并以Marmousi复杂构造模型为例,进行了MPI并行全波形反演数值计算,得到了较好的反演结果,验证了方法的有效性和稳健性.     

大地电磁三维交错网格有限差分数值模拟的并行计算研究

为了更有效的提高大地电磁三维正演的计算速度,引入了并行处理技术.大地电磁三维交错网格有限差分数值模拟是按照不同频率来计算的,各频率之间求取电磁场值的过程是相互独立的.根据这一特点,可以将多个频率的计算任务平均划分为一个或者几个频率的计算子任务,分配到各个计算节点去并行执行,计算完成后将结果汇总.本文通过采用主从并行模式、分频并行计算的方案,在曙光TC5000A高性能并行平台上实现了基于MPI的大地电磁三维正演的并行计算.通过两个理论模型对实现的大地电磁三维正演并行算法进行试算,对比分析了多个节点机下程序的执行效率.测试结果表明,所实现的三维正演并行算法是正确的、高效的,为进一步的大地电磁三维反演并行算法研究奠定了重要基础.     

数据驱动型多次波衰减方法的研究

在油气田勘探过程中,多次波的存在往往会直接影响地质构造的解释程度.鉴于自由界面的反射系数一般都远远大于地层的反射系数,与之相关多次波具有更强的能量,更多的宽频带,本文聚焦于与表面相关多次波的模拟与衰减.表面多次波的衰减可以表述为一种迭代的过程,其中MPI(Wang,2003)是一种全数据驱动型的多次波建模方法,它是通过迭代修正多次波模型从而预测出更为精确的多次波.MPI多次波建模方法的显著特征在于它减弱了对表面操作因子的依赖性,即在先验信息未知的情况下,仍可以依据地震数据而模拟出较为精确的多次波模型,这种方法的另一特征在于它不仅在时间域而且在相位和振幅域也可以模拟出多次波模型.根据实际地震数据的应用效果,表明在给定一个一般精度的去多次波结果的情况下,通过利用全数据驱动型迭代反演可以建立更为精确的多次波模型,然后再把它从原始地震数据中减去,从而更为有效地压制和衰减多次波场能量.     

基于MPI的二维大地电磁正演的并行计算

大地电磁二维正演对每一个频率分别进行计算,各频率对应的电磁场值间相互独立,根据这一特点可以将程序按频率划分粒度,将每个频点计算分配到各个进程同时进行计算,并行执行。文中给出了大地电磁二维有限元正演的并行算法,它结合了MPI的优点,采用主从并行模式、分频并行计算的并行方案来执行。为了检验编写的并行程序,对设计的2个模型进行试算,并与串行程序对比验证了该算法的可行性、正确性,为二维反演、三维正反演的并行计算提供了研究基础。     

产生安全椭圆曲线的MPI并行实现

快速产生安全的椭圆曲线是椭圆曲线密码体制(ECC)理论研究和实际应用的前提和基础，构造给定阶的椭圆曲线的复乘(CM)方法，是实践中构造安全椭圆曲线最常用的方法。基于消息传递接VI(MPI)的并行实现了复乘方法，实验表明，在两台主机上加速比达到了1．38。     

A strategy for raster-based geocomputation under different parallel computing platforms

The demand for parallel geocomputation based on raster data is constantly increasing with the increase of the volume of raster data for applications and the complexity of geocomputation processing. The difficulty of parallel programming and the poor portability of parallel programs between different parallel computing platforms greatly limit the development and application of parallel raster-based geocomputation algorithms. A strategy that hides the parallel details from the developer of raster-based geocomputation algorithms provides a promising way towards solving this problem. However, existing parallel raster-based libraries cannot solve the problem of the poor portability of parallel programs. This paper presents such a strategy to overcome the poor portability, along with a set of parallel raster-based geocomputation operators (PaRGO) designed and implemented under this strategy. The developed operators are compatible with three popular types of parallel computing platforms: graphics processing unit supported by compute unified device architecture, Beowulf cluster supported by message passing interface (MPI), and symmetrical multiprocessing cluster supported by MPI and open multiprocessing, which make the details of the parallel programming and the parallel hardware architecture transparent to users. By using PaRGO in a style similar to sequential program coding, geocomputation developers can quickly develop parallel raster-based geocomputation algorithms compatible with three popular parallel computing platforms. Practical applications in implementing two algorithms for digital terrain analysis show the effectiveness of PaRGO.     

POM海洋模式的并行算法

POM模式目前尚无正式发布的并行版本。通过对POM串行程序的数据流向分析,讨论了POM模式并行化所涉及的关键算法和主要技术问题;并基于消息传递接口(MPI),研发了POM模式的并行版本。测试结果表明,POM并行软件效率较高,达到了业务化要求,业已应用于国家海洋信息中心的再分析业务化系统中。