大地电磁三维交错网格有限差分数值模拟的并行计算研究

为了更有效的提高大地电磁三维正演的计算速度,引入了并行处理技术.大地电磁三维交错网格有限差分数值模拟是按照不同频率来计算的,各频率之间求取电磁场值的过程是相互独立的.根据这一特点,可以将多个频率的计算任务平均划分为一个或者几个频率的计算子任务,分配到各个计算节点去并行执行,计算完成后将结果汇总.本文通过采用主从并行模式、分频并行计算的方案,在曙光TC5000A高性能并行平台上实现了基于MPI的大地电磁三维正演的并行计算.通过两个理论模型对实现的大地电磁三维正演并行算法进行试算,对比分析了多个节点机下程序的执行效率.测试结果表明,所实现的三维正演并行算法是正确的、高效的,为进一步的大地电磁三维反演并行算法研究奠定了重要基础.     

大地电磁三维正演并行算法研究

大地电磁法三维正演算法计算量大,用传统的串行程序计算相当耗时。而三维正演是逐个频率按顺序计算的,并行性好,适合并行运算。结合MPI自身的优越性,在深入分析大地电磁三维正演串行程序实现流程的基础上,确定了并行计算的思路,实现了三维正演的并行计算。通过三个理论模型对实现的三维正演并行程序进行了试算,分析对比了在多种情况下程序的执行效率。测试结果表明,所实现的三维正演并行程序运行结果正确,效率提高明显。此思路可为解决其它地球物理超大计算量问题所借鉴。     

基于MPI的一维大地电磁并行计算研究

在大地电磁中运用并行处理技术来减少计算时间,提高运算效率.结合一维广义逆矩阵法反演的计算特点,详细分析了串行程序并行化方法,主要采用主从并行模式、分频并行计算的并行方案.在Linux系统上使用Fortran和MPICH2相结合的开发工具编写了并行程序,通过理论模型和实测数据对实现的并行程序进行试算,并与串行程序对比验证了该算法的可行性、正确性,为二维、三维的正反演并行计算提供了研究基础.     

基于CUDA并行计算的大地电磁二维有限元数值模拟研究

大地电磁测深二维反演是现有MT数据处理解释的主流,而反演的速度依赖于正演的计算精度和速度.本文在简要介绍CUDA并行计算模型的基础上,对MT二维有限单元数值模拟进行了分析,采用基于CUDA并行技术和有限元数值模拟技术,实现了基于CUDA并行计算的大地电磁二维有限元数值模拟方法.通过一个三层模型的CDUA并行算法计算结果与解析解对比,及3个复杂模型的CDUA并行算法与CPU串行算法计算结果对比分析,结果表明,这种新的数值模拟方法在保证计算精度的同时能显著提高计算速度,加速比可达20多倍.     

基于二次场方法的并行三维大地电磁正反演研究

快速且高精度的三维大地电磁法正反演是目前研究的热点.由于大地电磁法场源的平面波特性,以往的正演方法大多采用直接求解总场的方法,在边界强加二维边界条件.本文提出了一种基于二次场方法的三维大地电磁法正演算法,将平面波在层状背景模型中的响应作为场源项,得到二次场满足的偏微分方程,并利用交错网格有限差分法求取二次场.与其他学者的基于总场方法的结果的对比证明了本文采用方法的正确性.在基于二次场的正演算法基础上,实现了基于L-BFGS的三维反演方法,并对公开的数据集进行了反演.另外,针对大地电磁法的多频率观测特性,采用了基于MPI的分频并行策略对程序进行并行化,可达到接近线性的加速比.     

基于多重网格有限元法的大地电磁二维正演计算研究

为提高大地电磁正演计算速度,开展了基于多重网格有限元法的大地电磁二维正演模拟计算研究.将稳定双共轭梯度算法作为多重网格法的细网格松弛迭代算法,插值算子采用完全加权算子,限制算子设计基于网格单元面积率,使多重网格法更适于求解大型复系数方程组.二维均匀半空间模型、低阻体模型和高阻体模型的大地电磁正演模拟结果表明:当计算量较小时(网格剖分数量少),多重网格法在计算效率方面并未有优势,网格剖分数量较大时,多重网格有限元算法在收敛速度方面的优势明显,多重网格有限元法的大地电磁正演精度优于一般数值算法.这为三维多重网格有限元的大地电磁正演研究奠定了基础.     

基于MATLAB语言的二维大地电磁OCCAM快速反演

以TM模式为例,基于MATLAB语言对二维大地电磁快速正反演算法进行了研究.针对有限元正演计算中多次矩阵赋值和多频率计算的特点,引入了矢量化编程和并行计算两种策略,编制了实现快速正演的MATLAB程序.以此为基础,开展了基于OCCAM理论的反演算法研究.首先,使用拟正演手段对偏导数矩阵进行快速求取.其次,为平衡模型参数与拟合误差的关系,采用了固定步长减小的拉格朗日乘子,简化了拉格朗日乘子的求解过程,提高了反演计算的效率.最后,对模型数据进行反演,结果显示反演算法收敛快速、稳定性好.     

基于交叉梯度结构约束的大地电磁主轴各向异性并行三维反演

各向异性介质对大地电磁观测数据的影响往往不可忽略,因此需要提高大地电磁各向异性三维反演的可靠性和有效性.为了满足大地电磁各向异性三维反演的需求,本文研究了一种基于交叉梯度结构约束的大地电磁主轴各向异性并行三维反演算法.根据大地电磁平面波理论假设,正演方程采用背景场与二次场分离的计算方式,二次场利用交错网格有限差分法求解.由于各向异性反演的多解性,本文将各向异性介质简化为主轴各向异性,并在此基础上进一步采用有限内存拟牛顿LBFGS法实现三维各向异性反演.为了提高各向异性反演的分辨率,反演目标函数中引入交叉梯度项,利用先验的结构信息,对三个方向的电阻率参数进行结构约束,最终的反演进一步利用MPI(Message Passing Interface,消息传递接口)技术实现分频并行计算,测试结果显示并行接近线性加速比.     

大地电磁测深二维正演中辅助场的新算法

文中提出一种计算大地电磁二维正演辅助场的新方法。在主场满足线性插值基函数的前提下,通过构建二次插值基函数来提高辅助场计算中数值求导的精度。通过与线性插值函数法的计算结果进行对比,证明该算法在基本不增加计算量的同时可以大幅度提高大地电磁二维正演精度。文中还研究了网格对辅助场计算的影响,结果表明二次插值法较线性插值法对网格的要求更为宽松。此外还以均匀半空间模型为例讨论了地表网格纵向间距与模型之间的关系,这对正演计算中的网格设计有参考意义     

基于大地电磁二维反演的MPI并行算法研究

大地电磁测深法是以岩石的电性差异为基础和前提的勘探方法.本文所采用的大地电磁二维反演方法为共轭梯度法,该方法避免了求解雅可比矩阵,效率较高,但是在将模型剖分为较细网格,多频率进行计算时效率有待提高.基于大地电磁根据各频率依次独立处理数据的特点,在本文中采用了MPI并行运算方法,用多个进程同时来计算各频率数据,最后再将数据进行收集,得到最后的计算结果.通过对正演和反演结果的比较,验证了程序的正确性.对并行算法的效率进行了统计,进程数为2~8时,加速比能达到1.63~2.64,验证了并行算法的有效性.