[发明专利]基于CPU加速的波场正演模拟优化方法

说明书

本发明公开了一种基于CPU加速的波场正演模拟优化方法，其包括以下步骤：S1)提出波场正演具体物理模型；S2)进行数值建模；在空间维度上使用高阶差分来模拟二阶微分，从而减小内存的使用；在时间维度上减少延拓步长；S3)进行静态分块及分配：根据线程数量k，将图像沿长边方向平均分成k个子图，然后将其按顺序标记后作为基础子图；S4)并行化及通信时间隐藏；S5)模型拆分和任务分解。本发明能够有效提高波场正演模拟的计算速度，并且能动态分块调配节点，从模型分块和通信时间隐藏两个方面优化，进行并行加速，充分利用多核计算资源，并有效的同步模拟实际物理传播过程。

技术领域

本发明涉及计算机数值模拟领域，尤其涉及一种基于CPU加速的波场正演模拟优化方法。

背景技术

通过计算机模拟获得物理过程，已经成为现代物理学和工程学不可或缺的技术手段，由于很多物理现象空间或时间尺度过大或过小，有的条件过于复杂，实验成本过高，直接通过物理实验的方式来获得实验结果往往变得很不实际。先通过数值模拟的方式进行实验可以节约时间和物质成本，并且实验具有灵活性和可重复性。近年来，随着计算机集群计算能力的提高，数值模拟在天气预报、石油勘探、航天器设计等领域取得了丰硕的成果。

依据波动理论进行正演的方法是把所进行正演的地质模型空间首先进行网格化，这样网格上每个点就能获得对应的数值，然后用差分的方法或者有限元法等，把波动方程离散形式表达出来，然后根据时间步长进行地震波场的迭代，获得波场正演的模拟结果。波动理论正演方法因为能够准确描述地震波的动力学特征，即地震波的振幅、频率、相位属性的变化，因而可以作为一种研究波场的有效方式。所以以波动方程为理论基础的正演模拟，对认识地震波传播规律、进行地震属性研究、地震资料地质解释、储层评价等,均具有重要的意义和价值。以波动方程为基础的数值模拟包含了地震波的运动学特征和动力学特征，因此产生的波包含了种类繁多的信息，使我们在研究波的传播规律和复杂地层时有了更多的依据。简言之，地震波场数值模拟就是把所谓的地球物理问题进行分析、简化，进而形成一个能用数学形式表达的模型，并通过数值计算方式得到相应的地震相应。它是研究在地震条件下，地层构造和大量的岩石物性和岩性等信息与地震波包含的波动信息相对应的一门技术。地震波传播理论是地震勘探的基础，地震波在地下地质构造的传播中所包含的波动信息对探明地层内部结构是一种很重要的手段。

有限差分方法是最早被建立起来的数值模拟方法，该方法具有计算成本低，实现便捷的特点，在网格剖分足够密集的情况下，可以清晰的刻画出各种物理场的细节。由于其计算法则，便于并行化和各种处理器加速，至今仍然被广泛应用于波动力学、流体力学以及热力学领域的数值计算模拟工作中。由于在计算机集群实现过程中模型规模太大，超出了单个节点的处理能力，必须对模型按节点进行分割，导致沿着时间步长延拓的过程中，节点之间的边界数据需要通信。特别是采用显格式计算的时候，由于时间步长被控制得很小，加大了通信成本。

现有技术方案中存在波场正演模型在集群并行计算效率低的问题，此外还存在以下不足：

1、只对原始串行算法进行了表层的静态并行化。

波场正演算法比较复杂，涉及到物理数学和数值计算的知识，且存在过分割问题，这需要进行分割后处理。波场正演运算过程中涉及到非常多的递归运算，且物理波场模拟的数据量庞大，因此在模型分割过程中计算量很大，耗时长，所需计算资源较多，故在分割算法计算过程中主要对其进行并行化改造。如何进行算法的并行化改造是需要技巧的，需要进行合理的算法设计。然而现有算法仅仅进行了最简单的静态并行化改造，对算法的速度提升有限，相当于把模型分割进行并行计算，并没有充分考虑到各个部分之间的联系，没有充分利用计算资源，造成资源的闲置、浪费。因此需要根据算法运行中，各任何和计算资源的状态，设计动态并行算法，进一步提高算法并行效率。

2、在对过分割小模型区域合并时没有考虑算法的通信噪声抗干扰能力。