地震三维观测系统共中心点面元属性的并行计算方法

针对高密度地震勘探下的三维观测系统海量面元属性计算需求,基于Open CL并行编程模型,研究并实现了适用于异构环境下面元属性的并行计算方法。根据面元分析算法特点将整个网格分成多个子区域,子区域可由不同设备以粗粒度方式并行,而子区域内部以炮检对方式细粒度并行。采用HP Z820工作站,在CPU+GPU异构混合平台下的试算结果表明,异构多核处理速度是CPU(单核)的30倍以上,数据生成速率高于300 MB/s。     

基于OpenMP的一阶声波方程波场并行算法

针对高阶交错网格技术的计算效率瓶颈,研究了一种基于OpenMP的一阶声波方程波场并行算法。通过对多组不同规模的模型测试,分析了并行效率在不同并行粒度下模型和CPU核心数目的关系。实验结果表明,该方法达到了与串行方法相同的数据精度,在微机商用多核CPU上获得了2倍多的性能提升。     

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。     

基于OpenMP的二维有限元-离散元并行分析方法

Munjiza提出的有限元-离散元耦合分析方法（FEDM）是分析岩石破裂过程的一种十分有效的方法。然而,为了克服网格依赖性,需要将岩体剖分成非常细小的三角形单元,且三角形单元之间不共用节点,导致问题的变量数目巨大,计算非常耗时。为了提高计算效率,基于OpenMP(open multi-processing)多核并行技术实现了有限元-离散元法的并行化,克服了并行化过程中存在的数据竞争,实现了并行程序的负载平衡。提出了一套将串行程序并行化的策略,即首先确定串行程序的热点区域,然后尽可能地将热点区域并行化,尽量使用私有变量来规避数据竞争;若各线程间仍存在数据竞争,可采用动态链表数据结构,先将数据存于动态链表中,最后在并行区域外,将存于各个动态链表中的数据进行合并,这样可以规避数据竞争,同时避免了使用临界区或锁,从而提高了程序的并行化效果。开发了并行版本FDEM程序,将所提出的方法用于大规模工程问题的求解,最后通过陡崖塌落的算例说明该方法的有效性。     

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。     

基于并行处理的CSAMT拟二维反演解释

为提高野外CSAMT测深数据的反演解释效率,提出了将并行计算技术引入CSAMT测深一维自动迭代反演中进行CSAMT拟二维反演解释的思路,基于多处理器多核工作站,结合多进程和多线程并行编程技术,形成相应并行算法和程序。采用该并行计算方法进行实测数据反演解释,结果表明,CSAMT拟二维反演解释并行计算技术能较大幅度地提高CSAMT测深数据的反演解释效率。     

基于多核模式的隧道沉降预测

为提高支持向量机的预测精度,提出一种基于自适应多核学习模型的预测方法。自适应多核学习算法中采用树形筛选结构,通过生枝、剪枝操作完成核函数间的相加、相乘处理,增强了多核函数的非线性与多样性。采用网格遍历和粒子群算法对核参数、权重系数及模型参数进行寻优处理,弥补了训练样本缺少先验知识对参数赋值产生的偏差。将多核学习方法用于地铁隧道沉降预测,并与单核函数的预测数值进行对比。试验结果表明,自适应多核学习模型有效提高了预测模型的预测精度及泛化性能。     

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。     

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。     

基于Open Inventor的三维地层可视化

利用面向对象的三维图形软件开发包 Open Inventor,来进行三维地层的可视化.通过Delaunary三角剖分方法,得到Open Inventor模块可以直接使用的地层数据,实现了地层三维动态显示,断层按Z轴方向等比例缩放,多井插值和剖面插值形成3D地层模型等功能.     

基于C++AMP并行加速的三维弹性波波动方程数值模拟

在地震勘探方面,地震数值模拟技术在地球物理反演及观测系统设计领域有着广泛地应用。这里主要提出并实现了利用C++AMP并行加速内存/计算密集型的三维弹性波的正演模拟,使用C++AMP编写的代码可以有效地在图形处理器(GPU)等支持数据并行的硬件上运行。在重点研究C++AMP三维弹性波数值模拟的并行算法实现的基础上,结合CPU串行及CPU多核并行进行加速对比,三维盐丘实验的结果说明,利用GPU的强大并行计算能力的C++AMP,可以极大地提高数值模拟的效率。此外,C++AMP在Windows平台具有良好的可移植性,同时兼容NVIDA和AMD的设备,极大地提升了开发效率。     

基于OpenCL的显卡加速射线能谱数据处理

极大似然算法在核探测谱线中能够进行全谱解析,可以有效分解能量差为2/3FWHM重叠峰,但是由于该算法计算量大、耗时多而制约实际应用.这里采用OpenCL(Open Compu-ting Language,开放运算语言)平台,在异构系统中利用GPU的并行运算能力,实现RL算法的并行计算.通过测试,在特定平台下该算法可以有效地提高运行效率,运行时间为原有的1/30,提高了该算法的实际可行性.     

变水头入渗试验推求垂向渗透系数的计算方法

在Philip与Nestingen土壤水运动计算方法基础上,推导出描述单环变水头入渗试验中水深变化过程的计算公式,提出了确定土壤垂向渗透系数的MP方法.利用土壤非饱和数值模拟及室内土槽入渗试验得到的单环水位变化过程,验证了MP方法推求土壤垂向渗透系数的可靠性.结果表明:MP方法推求的土壤垂向渗透系数比目前采用的Philip方法、Nestingen方法及Green-Ampt方法精度更高,具有广泛的应用前景.     

基于3D-FSM的预紧力端锚数值模拟及其多核并行化研究

在对传统锚杆荷载传递机制分析的基础上,提出了一种考虑托板、锚杆与岩体相互作用的数值模拟方法：通过Kelvin基本解计算出锚杆集中力对围岩的影响,同时就锚杆自由段与相应岩体两端点的位移差相等建立位移方程,结合先前开发的3D-FSM数值模拟系统中的表面受力平衡方程进行联立求解,利用所得结果可以计算域内任意点的应力及位移变化,形成完整的预紧力端锚边界元数值模拟系统。通过与Flac3D系统模拟对比,验证了该系统的可靠性。为提高运算效率,对该系统进行基于OpenMP的多核并行化改进,给出了改进的基本思路和加速比对比图。由于边界元本身具有建模简单、计算区域大、计算精度高等优点,因此,这种模拟方法有很大的应用价值。     

缓坡地形上非线性波浪变形的并行计算

基于椭圆型缓坡方程和消息传递接口机制,提出了缓坡地形上非线性波浪变形的一种并行数值模拟方法,并在微机群集并行系统上进行了数值实现.对一种典型缓坡地形上的非线性波浪传播变形进行了数值模拟,数值结果与实验数据的比较表明,在椭圆型缓坡方程中应用非线性波色散关系可有效考虑波浪的非线性效应,同时从获得的并行效率和并行加速比来看,并行数值方法可有效提高数值模拟效率.     

并行布尔模拟算法

布尔模拟是一种基于目标的模拟方法,主要用于模拟河道、泥岩夹层等具有相对简单几何形状对象的分布。地质统计学软件库（GSLIB）中的Ellipsim程序是布尔模拟的经典程序,采用Fortran编写。笔者主要介绍了如何利用VisualC＃4．0和．NETFramework4．0的并行扩展把Ellipsim从串行化模式改写为并行化模式。通过自动测试模块和耗时统计模块统计了并行化的加速比,结果表明并行后的程序在很大程度上提高了计算速度。布尔模拟的并行化方法对于其他随机模拟程序的改写具有很好的借鉴意义。     

边坡稳定可靠度分析的并行随机有限元方法

将Monte-Carlo随机方法与并行有限元方法结合,设计了基于PC机群的并行随机有限元算法,每一次随机模拟产生一个随机场,作为一个样本,代入有限元进行稳定性计算,发挥并行有限元计算量大、计算速度快的特点,克服了Monte-Carlo方法计算时间长的缺点。用C++语言结合MPI消息传递接口开发了相应的计算软件,计算了1 000个随机样本的边坡可靠度问题,验证了程序的可靠性及高效性。     

基于GPU集群的大规模三维有限差分正演模拟并行策略

三维弹性波动方程有限差分正演模拟的低效率问题是导致该算法无法在大规模实际生产中应用的最重要的原因,使用GPU平台进行加速又面临GPU显存的限制。针对这一问题,提出了一种基于CPU/GPU的异构集群环境的并行加速解决方案。通过使用CPU/GPU协同并行模式和区域分解方法,实现了该算法的多级并行策略,并提出了非阻塞通讯、存储优化和基于MPI-IO的并行读写等方法,对程序的执行效率和存储使用进行了优化,为大规模实际生产应用提供了有效支撑。     

基于MPI的TOUGHREACT并行性能分析

反应运移模拟在实际应用中的主要制约因素是其计算量巨大,对模拟程序并行化可以拓展反应运移模拟的应用范围。在阐述反应运移模拟耦合过程的基础上,介绍了TOUGHREACT基于MPI的并行实现方法。以ECO2N模块为例,通过分析程序的流程图、加速比和并行效率,探讨TOUGHREACT并行程序的计算性能,并通过加密网格的方式对其加速效果进行验证。结果表明:基于MPI的TOUGHREACT并行程序采用METIS区域分解方法和AZTEC并行迭代解法器库,有效地实现了对TOUGHREACT的并行加速;在计算集群上调用2~128个处理器时,可以达到2.00~68.09倍的相对加速,显著提高了程序的计算效率;网格的剖分精度越高,该程序的并行效果就越好,表明该程序对复杂问题的并行加速效果更优。     

基于MPI环境的并行程序设计

MPI(Message Passing Interface)是消息传递并行程序设计的标准之一,概述了MPI的概念和组成,着重介绍了支持并行程序设计的消息传递接口(MPI)以及在MPI环境下的并行程序设计方法,并给出一个MPI并行程序设计实例,说明了MPI的程序设计流程和主从并行计算流程,由此提出了一个Master/Slave结构的设计模式。