[发明专利]基于GPU+CPU异构平台的三维大地电磁反演并行方法

说明书

技术领域

本发明涉及地质电磁勘探技术领域，尤其涉及一种基于GPU+CPU异构平台的三维大地电磁反演并行方法。

背景技术

大地电磁法(MT)作为一种实用的低成本(相对于地震勘探)地球物理勘探方法，在构造研究、石油勘探、矿产及水文勘探等领域扮演着重要角色，是探测岩石层电性结构的主要方法。大地电磁法的基本原理是：通过观测天然变化的电磁场水平分量，经过数据处理计算阻抗和倾子张量数据，然后反演求得地下电阻率分布。在大地电磁法勘探数据的反演解释中，主要的计算过程包括正演和反演，正演是指已知地下的电阻率分布，根据电磁理论计算地面上不同测点不同频率的观测数据的过程；反演是指根据观测数据，求取地下的真实电阻率分布的过程，反演是一种最优化数学过程，其算法核心是求解当前猜测模型的正演，并对正演结果与实际观测数据做误差评价，求取修正量。

近年来，三维大地电磁法的正演、反演技术已实用化并取得了巨大进展。然而，随着勘探数据集的增大、对于勘探精度的需求不断提高，要求三维MT反演的计算速度更快、计算平台成本更低廉。在现有技术中，主要采用两种并行方案来提高计算速度。方案一、基于单机的多核CPU并行计算方案(如OpenMP)，在反演的正演核中同时求解N个大型稀疏复线性方程组，N为计算机支持的最大并行线程数，例如，对于四核八线程CPU，可以同时执行8个线性方程组求解，因此，如果需要求解40个大型线性方程组，则需重复执行5次。该方案的缺点是由于单机只有一条系统总线，在同一时刻只有一个进程在执行，并行计算效率由CPU本身的缓存决定，一般加速比仅为CPU线程数的一半左右；方案二、适应并行计算集群(PC-Cluster)的多节点并行计算方案(如OpenMPI)，每个计算节点(等价于一台单机)在需要做三维大地电磁反演的正演计算时会被分配任务，求解得到结果后再通过高速局域网汇总结果到主计算节点。该方案的缺点是并行机价格昂贵，并且需要专门的机房和维护人员，计算程序无法安装在大地电磁数据采集的野外计算机上，而且针对并行机的MPI编程协议相对比较复杂，增加了开发成本，且代码的调试和维护非常困难。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供能够充分利用单机硬件资源并提高三维大地电磁反演的并行计算能力的技术方案。

根据本发明的一方面，提供了一种基于GPU+CPU异构平台的三维大地电磁反演并行方法，包括：

步骤1：基于网格剖分和单元电阻率值形成三维大地电磁的正演方程组；

步骤2：获取求解所述正演方程组所需的存储空间大小；

步骤3：基于所述存储空间大小获取GPU最大并行线程数Ng和CPU最大并行线程数Nc；

步骤4：将求解所述正演方程组的并行计算任务分配给空闲的GPU线程和CPU线程执行。

优选地，在步骤4中，计算任务的分配顺序是，优先分配空闲的GPU线程，若GPU线程均不空闲则分配给CPU线程。

优选地，所述正演方程组表示为：

其中，x_x、x_y和x_z为求解向量，b_x、b_y和b_z分别是各方向电场对应的右端项子向量，为系数矩阵。

优选地，以按行压缩的稀疏矩阵方式将所述系数矩阵存储为行指针数组、列下标数组和非零数值数组，所述列下标数组用于表示非零元素的列数，所述行指针数组用于表示该行的起始非零元素在列下标数组中的位置，所述非零数值数组表示所述系数矩阵中的非零元素。

优选地，使用一组公共行指针和列下标数组来存储所有并行线程中的系数矩阵的所述行指针数组和所述列下标数组。

优选地，采用预条件稳定双共轭梯度法求解每个并行线程的三维大地电磁正演方程组。

优选地，对于每个并行线程，需要的所述存储空间包括临时向量的内存需求、系数矩阵的内存需求和系数矩阵的预条件分解阵的内存需求。