[发明专利]一种基于MPI进程拓扑的地震波场三维正演模拟方法

说明书

本发明涉及一种基于MPI进程拓扑的地震波场三维正演模拟方法，包括：获取MPI进程拓扑参数和所有任务的三维正演模拟参数，每一所述任务对应一炮三维正演模拟；基于所述MPI进程拓扑参数将所有并行进程分组，每个进程组包括一个或多个进程，并为每一所述进程组创建通信域；将所有任务分组，再为每一所述进程组分配一组任务；每一所述进程组基于对应任务组中的每一任务的三维正演模拟参数依次执行对应任务组中的每一任务，并输出对应的执行结果，直至对应任务组中所有任务执行完毕。本发明采用多层级的细粒度并行优化方式进行三维正演模拟，能够满足三维正演模拟对海量内存的需求，提高计算效率和可扩展性，并保证了文件系统的稳定性。

技术领域

本发明涉及勘探地球物理技术领域，尤其涉及一种基于MPI进程拓扑的地震波场三维正演模拟方法。

背景技术

在勘探地球物理中，正演模拟用于模拟地震波在地下介质的传播情况，它是逆时偏移和波形反演等技术的基础。三维正演模拟用于模拟多震源(即多炮)情况下地震波在三维地下介质中的传播情况，在三维情况下，模拟花费的时间非常长，通常采用集群或超级计算机进行。正演模拟是地震勘探的基础，它的效率直接决定了地震勘探的效率，特别是对于上千平方公里的三维工区，其计算量非常庞大，而超级计算机的发展有利的驱动了地震勘探的发展。针对多炮情况下的三维正演模拟方法，现有技术通常采用的数值模拟方法，通常是采用炮间任务并行，每炮对应一个信息传递接口(Message Passing Interface，简称MPI)进程，每个MPI进程独立计算，最终输出独立的炮记录文件，但是至少具有以下缺点

(1)对于范围较大的三维区块，内存不能满足三维正演模拟的需求

三维正演模拟对内存的需求取决于要模拟的三维模型的大小，随着模型的增大，对内存的需求不断扩大。以声介质为例，当模型大小为1000x1000x1000时，至少需要15G的内存，对于复杂介质，如弹性介质和各项异性介质，需要的内存往往都在声介质的3倍以上，甚至达到10倍。当前的集群或超级计算机的单节点内存通常都在128GB以下，内存大小几乎不能满足需求。如果模型大小进一步扩大，内存需求则远远无法满足。

(2)计算效率低、成本高

通常的三维正演模拟方法仅仅进行了粗粒度的炮间任务并行，有的会在炮内加入共享存储并行编程(Open Multi-Processing，简称OpenMP)多线程并行，这种粗粒度的处理方法，完全没有发挥集群或超级计算机的硬件潜力，从而导致计算效率低、成本高。

(3)对集群文件系统压力大

每个进程分别进行一炮的正演模拟，分别进行三维模型读入和炮记录输出，如果数据量达到几十GB，数百个进程同时进行I/O操作时，容易造成文件系统压力过大，导致程序崩溃，同时影响集群或超级计算机的稳定性。

发明内容

本发明目的在于，提供一种基于MPI进程拓扑的地震波场三维正演模拟方法，采用多层级的细粒度并行优化方式进行三维正演模拟，能够满足三维正演模拟对海量内存的需求，提高计算效率和可扩展性，并保证了文件系统的稳定性。

本发明实施例提供了一种基于MPI进程拓扑的地震波场三维正演模拟方法，包括以下步骤：

获取MPI进程拓扑参数和所有任务的三维正演模拟参数，每一所述任务对应一炮三维正演模拟，所述三维正演模拟参数是指用于求解三维正演模拟的参数，所述MPI进程拓扑参数是指进行单炮三维正演模拟求解所需的并行计算进程的配置参数；

基于所述MPI进程拓扑参数将所有并行进程分组，每个进程组包括一个或多个进程，并为每一所述进程组创建通信域；

将所有任务分组，再为每一所述进程组分配一组任务；

每一所述进程组基于对应任务组中的每一任务的三维正演模拟参数依次执行对应任务组中的每一任务，并输出对应的执行结果，直至对应任务组中所有任务执行完毕。