[发明专利]基于CUDA的海洋涡旋及Argo浮标交集数据快速提取算法

摘要

本发明提出了一种使用CUDA并行加速提取海洋涡旋和Argo浮标相交数据集的算法。使用CPU/GPU异构，优化数据格式，减少数据传输量，使其缩短CPU和GPU之间拷贝时间；结合海洋涡旋的数据特点——不同涡旋之间一般互不影响，将每一个涡旋视为一个单位，用一个线程块表示，进而将一个涡旋一天的数据用一个线程表示，优化线程分配；在内核函数中遍历Argo浮标的点集数据，将涡旋数据和Argo浮标数据的儒略日进行匹配，然后应用平面包围盒算法和PNPoly算法计算出在涡旋边界范围内的Argo浮标数据；在数据存储过程中，优化涡旋数据组织形式，将所有信息整合到一个数据集中。分配线程的方式具有较强的逻辑性，在内核函数的计算过程中对算法进行了优化，大幅提高了数据集的生成效率。

主权项

1.基于CUDA的海洋涡旋及Argo浮标交集数据快速提取算法，其特征在于，结合海洋涡旋和Argo浮标的数据特征优化GPU并行计算技术的方法包括以下步骤：（1）在CPU端对涡旋数据和Argo浮标数据进行整合，处理成适合进行线程分配的形式；（2）在GPU端分配计算资源，在CUDA平台上分配线程时考虑海洋涡旋的数据组织形式；（3）在内核函数中，对涡旋数据集和Argo浮标数据集进行匹配计算，并通过原子操作和计数器记录相交的海洋涡旋和Argo浮标数据，减少CPU与GPU之间的数据传输量；在内核函数中使用计数器和原子操作，当多个线程同时访问全局存储器的同一位置时，保证每个线程能够实现对共享可写数据的互斥操作；在一个操作完成之前，其他任何线程都无法访问此地址，所有的线程一旦找到匹配的涡旋和Argo浮标数据时，都要排队进行计数并记录涡旋和Argo浮标的；计算涡旋和Argo浮标数据交集，得到全球海洋中尺度涡旋最大似转流速度内的Argo浮标数据，计算方法是逐个匹配Argo浮标位置与涡旋边界数组的关系，首先使用平面包围盒算法检测Argo浮标点是否在涡旋外包围矩形内，然后根据PNPoly算法判断Argo浮标是否在涡旋边界内，记录每条匹配的Argo浮标号和涡旋序号；浮标位置于涡旋内部，其记录的数据能够反映涡旋的物理属性特征；（4）将匹配成功的数据集拷贝到CPU端，并优化存储形式。