基于WEP-L水循环模型的产流并行计算研究
发布时间：2021-10-21 13:08
目前我国流域水文信息化的研究越来越受重视,但由于海量的数据处理和复杂的物理计算需要更多的时间开销,流域水文模型的模拟速度已不能满足流域水循环过程的精细化研究需求。基于多核的水文模型并行计算技术是提高模拟速度的主流方法,然而如何合理的设计并行算法应用于水文模型,以及如何高效利用CPU、GPU的计算能力已成为快速模拟中亟需解决的关键性问题。针对上述问题,本文基于WEP-L水循环模型的产流模块,选取OpenMP、MPI和CUDA三种具有代表性的并行技术,对模型进行了并行化设计,并对设计模型进行了效果分析,也在此基础上提出了进一步的优化措施。主要工作及成果如下:（1）基于OpenMP的模型并行计算设计与实现。本文对子流域循环采取指数调度方式,分配子流域处理个数由大到小的递减,进行CPU上多线程动态分配。以及对存在循环依赖关系的全局变量采取线程私有化设计,解决数据竞争问题。并行化的模型适用于多核的单主机。当线程数为20时,黄河流域产流模块计算的总时间达到最小,由单线程的9556秒缩短至1219秒。当线程数为1820时,加速比峰值为7.8。（2）基于MPI的模型并行计算设计与...
【文章来源】：华北水利水电大学河南省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
二元水循环结构简图
华北水利水电大学硕士学位论文2是在每个空间单元上遵循概念性集总式模型的计算方式得出净雨量，再完成汇流模拟，得出流域出口断面的流量数值；基于物理方程的分布式模型，机理是在每个空间单元上运用运动方程、连续方程等抽象化联立相邻单元间的时空依赖关系，再通过数值分析计算求解。2003~2004年，在国家重点基础研究（973）发展规划项目“黄河流域水资源演化规律与可再生性维持机理”的研究过程中，中国水利水电科学研究院水资源所[2~3]开发了基于耦合模拟天然水循环过程与人工侧支水循环过程的大尺度流域分布式水文模型WEP-L（WaterandEnergytransferProcessinLargeriverbasins），是具有物理基础的分布式水文模型。经过10多年的发展和完善，功能越来越完备。从最初主要面向人类活动较少流域的自然水循环模拟，逐步发展到面向高强度人类活动流域的二元水循环模拟，再发展到寒区水循环模拟、城市水循环模拟等，应用范围越来越广泛[4~6]。由于研究的大流域越来越精细，单元结构越来越复杂，模拟速度不理想，阻碍了水文工作者对流域水循环的研究，其传统的串行计算方式亟待改变。1.1.2并行计算概述在并行机上，将一个待解决问题用分治法的思路，拆分成多个小问题，再匹配不同的处理器，处理器之间互相协作，收发数据，同时开始计算，以此达到缩短计算时间或者提高计算规模的目的，这就是并行计算。当并行计算求解一个物理问题时，需将其映射到并行机上，再层层抽象完成并行程序设计，如图1-2所示。图1-2问题的并行求解过程Fig1-2Theparallelsolutionofaproblem对于实际的物理问题，先进行抽象建模，建立它的并行求解模型，才能高效地求解
绪论7图1-3研究技术路线图Fig1-3Theillustrationoftechnologyroadmap1.4本文组织结构第一章为绪论。本章简要阐述了水文模型和并行计算的研究背景，并说明并行计算应用于水文模型的目的和意义。然后讨论了国内外专家学者在水文模型并行计算领域取得的进展和如今的发展趋势。最后，介绍文章的主要研究内容、技术路线和组织结构。第二章为WEP-L水循环模型在黄河流域的应用。本章主要介绍WEP-L水循环模型的相关理论知识。开端将研究流域水循环的意义作为引言，了解此模型存在的价值。然后从流域概况分析，了解黄河流域地理条件复杂、功能模块多样、水文数据海量、计算工程庞大等特点。之后根据模型的计算单元划分，明确模型的计算基础，再从平面结构着重阐述汇流过程，从垂向结构着重阐述产流过程。并从模型模拟环境与步骤了解其程序的具体运作流程，最后对模型的并行化进行可行性分析。第三章为基于OpenMP的模型并行计算设计与实现。本章首节介绍了OpenMP的相关理论，包括多线程在单核和多核的运作方式、共享内存模型、Fork/Join并行框架及常用编程指令；次节对基于CPU多线程下的任务划分、数据竞争及程序设计问题进行探讨；末节应用于WEP-L模型产流模块，对设计的OpenMP并行算法进行测试，分析模型的并行性能。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于三级汇流和产输沙结构的分布式侵蚀产沙模型[J]. 蔡静雅,周祖昊,刘佳嘉,王浩,贾仰文. 水利学报. 2020(02)
[2]基于静态和动态权重的流域水文模型集合预报方法对比[J]. 王婕,刘翠善,刘艳丽,鲍振鑫,宋明明,刘悦,王国庆. 华北水利水电大学学报(自然科学版). 2019(06)
[3]一种中尺度数值预报模式数据并行传输应用研究[J]. 赵磊,高松,吴钲,杜钦. 气象科技进展. 2019(06)
[4]基于Spark的并行化高效用项集挖掘算法[J]. 何登平,何宗浩,李培强. 计算机工程与科学. 2019(10)
[5]分布式水文模型的回顾与展望[J]. 王泽群. 绿色科技. 2018(18)
[6]不同水文模型在金溪流域的模拟与适应性研究[J]. 罗志勇,杨炳良,管晓祥,陈士永,金君良,刘悦,李胜,陈清. 华北水利水电大学学报(自然科学版). 2018(03)
[7]基于分布式水文模型的GPU并行化及快速模拟技术研究[J]. 宏瑾靓. 黑龙江水利科技. 2018(04)
[8]GPU并行优化技术在水利计算中的应用综述[J]. 覃金帛,曾志强,梁藉,杨明祥,张健. 计算机工程与应用. 2018(03)
[9]水文模拟中并行参数优化算法[J]. 申蒙蒙,陆忠华,王彦棡. 计算机工程与设计. 2017(04)
[10]分布式水文模型的GPU并行化及快速模拟技术[J]. 刘永和,冯锦明,徐文鹏. 水文. 2015(04)
博士论文
[1]变化环境下渭河流域水循环分布式模拟与演变规律研究[D]. 刘佳嘉.中国水利水电科学研究院 2013
[2]分布式环境下并行空间分析方法研究[D]. 刘思远.武汉大学 2013
[3]基于物理概念的水文模型InHM机群并行计算研究[D]. 苏丹阳.浙江大学 2012
[4]面向分布共享存储体系结构的高效能OpenMP关键技术研究[D]. 黄春.国防科学技术大学 2007
硕士论文
[1]基于WEP模型的高原寒区冻土水循环模拟研究[D]. 刘扬李.华北水利水电大学 2019
[2]面向栅格化分布式水文模拟的并行调度方法研究[D]. 胡鹏辉.南昌大学 2017
[3]基于CUDA的水文模型并行算法研究[D]. 张涛.电子科技大学 2015
[4]基于OpenMP的多核多线程负载均衡调度策略研究[D]. 李滋田.西安工业大学 2014
[5]基于OpenMP和MPI的并行算法研究[D]. 王亭亭.吉林大学 2011
[6]Linux应用程序多核并行化方法研究与实现[D]. 陈小兰.西南交通大学 2010
本文编号：3449043
【文章来源】：华北水利水电大学河南省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
二元水循环结构简图
华北水利水电大学硕士学位论文2是在每个空间单元上遵循概念性集总式模型的计算方式得出净雨量，再完成汇流模拟，得出流域出口断面的流量数值；基于物理方程的分布式模型，机理是在每个空间单元上运用运动方程、连续方程等抽象化联立相邻单元间的时空依赖关系，再通过数值分析计算求解。2003~2004年，在国家重点基础研究（973）发展规划项目“黄河流域水资源演化规律与可再生性维持机理”的研究过程中，中国水利水电科学研究院水资源所[2~3]开发了基于耦合模拟天然水循环过程与人工侧支水循环过程的大尺度流域分布式水文模型WEP-L（WaterandEnergytransferProcessinLargeriverbasins），是具有物理基础的分布式水文模型。经过10多年的发展和完善，功能越来越完备。从最初主要面向人类活动较少流域的自然水循环模拟，逐步发展到面向高强度人类活动流域的二元水循环模拟，再发展到寒区水循环模拟、城市水循环模拟等，应用范围越来越广泛[4~6]。由于研究的大流域越来越精细，单元结构越来越复杂，模拟速度不理想，阻碍了水文工作者对流域水循环的研究，其传统的串行计算方式亟待改变。1.1.2并行计算概述在并行机上，将一个待解决问题用分治法的思路，拆分成多个小问题，再匹配不同的处理器，处理器之间互相协作，收发数据，同时开始计算，以此达到缩短计算时间或者提高计算规模的目的，这就是并行计算。当并行计算求解一个物理问题时，需将其映射到并行机上，再层层抽象完成并行程序设计，如图1-2所示。图1-2问题的并行求解过程Fig1-2Theparallelsolutionofaproblem对于实际的物理问题，先进行抽象建模，建立它的并行求解模型，才能高效地求解
绪论7图1-3研究技术路线图Fig1-3Theillustrationoftechnologyroadmap1.4本文组织结构第一章为绪论。本章简要阐述了水文模型和并行计算的研究背景，并说明并行计算应用于水文模型的目的和意义。然后讨论了国内外专家学者在水文模型并行计算领域取得的进展和如今的发展趋势。最后，介绍文章的主要研究内容、技术路线和组织结构。第二章为WEP-L水循环模型在黄河流域的应用。本章主要介绍WEP-L水循环模型的相关理论知识。开端将研究流域水循环的意义作为引言，了解此模型存在的价值。然后从流域概况分析，了解黄河流域地理条件复杂、功能模块多样、水文数据海量、计算工程庞大等特点。之后根据模型的计算单元划分，明确模型的计算基础，再从平面结构着重阐述汇流过程，从垂向结构着重阐述产流过程。并从模型模拟环境与步骤了解其程序的具体运作流程，最后对模型的并行化进行可行性分析。第三章为基于OpenMP的模型并行计算设计与实现。本章首节介绍了OpenMP的相关理论，包括多线程在单核和多核的运作方式、共享内存模型、Fork/Join并行框架及常用编程指令；次节对基于CPU多线程下的任务划分、数据竞争及程序设计问题进行探讨；末节应用于WEP-L模型产流模块，对设计的OpenMP并行算法进行测试，分析模型的并行性能。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于三级汇流和产输沙结构的分布式侵蚀产沙模型[J]. 蔡静雅,周祖昊,刘佳嘉,王浩,贾仰文. 水利学报. 2020(02)
[2]基于静态和动态权重的流域水文模型集合预报方法对比[J]. 王婕,刘翠善,刘艳丽,鲍振鑫,宋明明,刘悦,王国庆. 华北水利水电大学学报(自然科学版). 2019(06)
[3]一种中尺度数值预报模式数据并行传输应用研究[J]. 赵磊,高松,吴钲,杜钦. 气象科技进展. 2019(06)
[4]基于Spark的并行化高效用项集挖掘算法[J]. 何登平,何宗浩,李培强. 计算机工程与科学. 2019(10)
[5]分布式水文模型的回顾与展望[J]. 王泽群. 绿色科技. 2018(18)
[6]不同水文模型在金溪流域的模拟与适应性研究[J]. 罗志勇,杨炳良,管晓祥,陈士永,金君良,刘悦,李胜,陈清. 华北水利水电大学学报(自然科学版). 2018(03)
[7]基于分布式水文模型的GPU并行化及快速模拟技术研究[J]. 宏瑾靓. 黑龙江水利科技. 2018(04)
[8]GPU并行优化技术在水利计算中的应用综述[J]. 覃金帛,曾志强,梁藉,杨明祥,张健. 计算机工程与应用. 2018(03)
[9]水文模拟中并行参数优化算法[J]. 申蒙蒙,陆忠华,王彦棡. 计算机工程与设计. 2017(04)
[10]分布式水文模型的GPU并行化及快速模拟技术[J]. 刘永和,冯锦明,徐文鹏. 水文. 2015(04)
博士论文
[1]变化环境下渭河流域水循环分布式模拟与演变规律研究[D]. 刘佳嘉.中国水利水电科学研究院 2013
[2]分布式环境下并行空间分析方法研究[D]. 刘思远.武汉大学 2013
[3]基于物理概念的水文模型InHM机群并行计算研究[D]. 苏丹阳.浙江大学 2012
[4]面向分布共享存储体系结构的高效能OpenMP关键技术研究[D]. 黄春.国防科学技术大学 2007
硕士论文
[1]基于WEP模型的高原寒区冻土水循环模拟研究[D]. 刘扬李.华北水利水电大学 2019
[2]面向栅格化分布式水文模拟的并行调度方法研究[D]. 胡鹏辉.南昌大学 2017
[3]基于CUDA的水文模型并行算法研究[D]. 张涛.电子科技大学 2015
[4]基于OpenMP的多核多线程负载均衡调度策略研究[D]. 李滋田.西安工业大学 2014
[5]基于OpenMP和MPI的并行算法研究[D]. 王亭亭.吉林大学 2011
[6]Linux应用程序多核并行化方法研究与实现[D]. 陈小兰.西南交通大学 2010
本文编号：3449043
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