[发明专利]一种基于TBB线程构建块的连续系统仿真多核并行方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于TBB线程构建块(Thread Building Blocking)的连续系统仿真 多核并行方法，属于计算机仿真与算法优化领域。

背景技术

连续系统仿真广泛应用于航空、航天、气象和电子等领域。随着这些学科技术的发展， 由此建立的仿真模型也日益复杂，仿真计算量不断加大。

连续系统仿真通常使用微分方程组来建立数学模型，微分方程组有成熟的数值解法，如 龙格-库塔法，亚当姆斯法等。但传统的串行方法在解决大规模问题时计算时间过长，难以满 足仿真的实时性要求，有的复杂问题使用串行算法甚至无法求解。

提高连续系统仿真速度的一种有效方法是采用并行技术，人们在连续系统微分方程组的 并行化上做了大量工作，在串行算法的基础上提出了各种各样的并行算法。在早期的研究工 作中，Nievergelt提出设置多个初始值进行并行计算，然后对计算结果进行修正的并行算法， Shampine和Watts提出了隐式板块方法和预估-校正执行方式，Miranker和Liniger也做了 预估-校正法的并行研究工作，此外还给出了龙格-库塔法二阶、三阶的计算格式，并推导出 了MIMD型龙格-库塔法计算公式，具体做法是采用逼近法来计算导数值以打断差值之间的相 关链，并适当选择参数构造出稳定的并行计算格式。但是传统的并行算法实现方式繁杂，线 程管理、数据交换等过程需要程序员管理，这使得并行程序的编写需要耗费大量的时间和精 力，这就阻碍了并行技术在仿真计算中的应用。

随着计算机技术向着多处理器及多核架构发展，单机上的并行数据处理成为可能。TBB 是最新推出的多核处理器并行计算平台，基于任务的算法、容器和同步基元可简化并行应用 程序的开发工作，它提供完善的提取模板、容器和类别支持并行处理器，可以和MPI、Open MP等结合使用，是一种简单高效的并行方法。但是，TBB和连续系统仿真结合的相关研究 工作还处于初始阶段。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种基于TBB线程构建块的连续系统仿真多核 并行方法，提高连续系统仿真计算的速度，以缩短仿真研究的周期，满足仿真的实时性要求。

连续系统仿真一般采用微分方程组建立模型，仿真计算的时间主要花费在微分方程组的 求解上。本发明采用基于TBB的预估-校正并行算法，在该算法中，预估计算和校正计算是 每一步积分计算中的主要内容，他们占据了仿真计算时间中的绝大部分。通过使用TBB并行 技术，将预估计算和校正计算作为两个并行的子任务，为它们各分配一个线程，两个子任务 在各自的线程上并行执行。

TBB采用基于任务概念的封装，这使得并行方法的实现更为简易。通过相关的模版类， 将并行计算的部分分配到各个单独的线程，预估计算和校正计算两个子任务分别在两个单独 的线程中执行，这样可以充分利用多个处理器内核的资源，达到加快计算速度的目的。

一种基于TBB线程构建块的连续系统仿真多核并行方法，主要包括以下步骤：

步骤一：搭建TBB并行计算平台；

步骤二：构造并行ParaODES模版类；

步骤三：模型初始化；

步骤四：TBB任务调度初始化；

步骤五：仿真时间范围判断；

步骤六：调用并行模版类ParaODES；

步骤七：仿真结果传递；

步骤八：结束TBB任务调度。

本发明的优点在于：

(1)本发明利用TBB实现连续系统仿真的并行化处理，提高了仿真运算的速度，从而 满足仿真的实时性要求，缩短了仿真研究周期；

(2)本发明利用TBB进行并行化处理，过程简单灵活，易于操作，具有很好的扩展性；

(3)TBB采用多核架构，符合当今并行技术向多核平台发展的方向。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是本发明在两个处理内核P₁、P₂上并行执行示意图；

图3是传统的串行方法和本发明所述的基于TBB的并行方法的运行时间曲线比较图。

具体实施方式

下面将结合附图和实例对本发明作进一步的详细说明。