[发明专利]使用MPI实现全波形反演的方法和系统

说明书

技术领域

本发明涉及地震资料成像领域，更具体地，涉及使用MPI实现全波形反演(FWI)的方法和系统。

背景技术

全波形反演是地震波建模成像中的关键和前沿技术，由于它的计算量非常巨大，通常需要依赖大型高性能计算机集群的并行计算来实现。即使在大型高性能计算机集群上运行，单个项目运行时间通常达到几周或几个月。因此如何实现全波形反演的并行计算，并使得全波形反演项目能够克服计算机集群的硬件故障，同时实现高效率的并行计算，成为人们实现产业化全波形反演技术的关键难点。

目前所有公开的全波形反演并行计算实现方案，都是采用MPI(Message Passing Interface)技术来实现的。MPI并行实现，通常是由主节点带一定数量的从节点实时协同并行实现。如图1所示，每个从节点被配置为顺序执行单炮的梯度计算和步长计算，而叠加多炮的梯度以及根据多炮的步长确定最终的步长均在主节点中执行。在如图1所示的全波形反演计算的全程，主节点与从节点之间、从节点之间将存在实时网络通讯交换数据。

在实际应用中，该方法存在许多显著缺陷：1)不支持硬件设备的动态增加和减少：MPI并行作业一旦发出，就不能添加或减少参与计算的计算机节点，而在大型数据处理中心通常具备大量计算机节点，同时有大量作业运行，导致可用计算机节点数量动态变化较大，只有支持动态设备增加和减少，才能实现资源的充分利用；2)稳定性差：采用MPI技术时，大量计算机节点同时计算并且相互关联，通常全波形反演技术的计算时间比较长(几周至几个月)，一旦 某个节点出现硬件故障，整个计算立即失败；3)不支持异构设备：MPI技术不能运行在异构的计算机集群，MPI技术要求所有计算机节点必须是相同的，如果计算机节点不同，它是按最慢的计算机节点的效率来运行的。而在实际生产应用中，由于计算机节点采购的时间不同，同时计算机硬件更新速度很快，不可避免地导致计算机集群由不同计算机节点组成，因此不适合MPI的并行计算；4)硬件成本高：MPI并行实现对计算机集群的节点之间的网络速度和稳定性要求很高，迫使人们采用Infiniband以及其他设备来提高网络通信效率，迫使人们采用更昂贵的硬件来提高系统的稳定性，这些毫无疑问地显著提升高性能计算机设备的采购配置成本；5)大规模并行计算效率低下：MPI技术的并行效率随计算机节点数增加而降低，一旦计算机节点数超过10个，MPI对计算效率提升的瓶颈作用就有体现。

因此，虽然目前人们在全波形反演技术的实现过程中普遍采用上述MPI并行方法，但由于它具有上述缺陷，严重制约了全波形反演技术的进一步发展。

发明内容

本发明提出了一种能够克服上述缺陷的使用MPI实现全波形反演的系统。本发明还提出了相应的方法。

根据本发明的一方面，提出了一种使用MPI实现全波形反演的方法，该方法包括：将多个MPI并行进程中的每个MPI并行进程均置为通过访问共享盘获取该MPI并行进程当前执行的任务以及执行该任务所需的地震数据、以及将执行该任务得到的计算结果返回至相应的计算结果文件，并且将不同MPI并行进程配置为彼此互不通信。其中，所述共享盘用于存储共享状态文件和共享数据体，所述共享状态文件中存储全波形反演的最大循环次数、当前循环次数、每个MPI并行进程当前执行的任务、每个MPI并行进程的当前任务的计算结果文件的存放路径，所述共享数据体包括全波形反演所需的地震数据。

根据本发明的另一方面，提出了一种使用MPI实现全波形反演的系统，该 系统包括共享盘和多个MPI并行进程，其中；所述共享盘用于存储共享状态文件和共享数据体，所述共享状态文件中存储全波形反演的最大循环次数、当前循环次数、每个MPI并行进程当前执行的任务、每个MPI并行进程的当前任务的计算结果文件的存放路径，所述共享数据体包括全波形反演所需的地震数据；多个MPI并行进程中的每个MPI并行进程均被配置为通过访问共享盘获取该MPI并行进程当前执行的任务以及执行该任务所需的地震数据、以及将执行该任务得到的计算结果返回至相应的计算结果文件，不同MPI并行进程被配置为彼此互不通信。

本发明的各方面，将每个MPI并行进程都视为主进程，每个MPI并行进程通过访问共享盘的方式获取其要执行的任务并进行数据交互，不同MPI并行进程间互不通信，从而能够在全波形反演中支持硬件设备的动态变化、能够使得网络计算结构更为稳定、能够支持异构设备、便于降低硬件成本，此外应用本发明还消除了不同MPI并行进程间网络通信瓶颈对全波形反演效率的限制。

附图说明