[发明专利]一种基于计算机集群的大气污染物扩散模拟方法

说明书

本发明公开了一种基于计算机集群的大气污染物扩散模拟方法，根据一定的规则将一个大的计算问题分解成许多小的子问题,将这些子问题分配调度到高性能计算平台的不同节点上进行计算，通过将大的问题分解成小问题进行并行计算，可以大大缩短问题的处理时间。本发明方法能够在大型计算机集群运算平台上，实现大气污染物扩散模型的跨节点多线程并行计算，提升计算效率，本发明方法能在不对模型进行源码更改的条件下，实现了计算机集群平台上的跨节点并行计算，与单线程计算和单机多核并行计算相比，进一步提升计算效率。

技术领域

本发明涉及大气环境技术领域，具体涉及一种基于计算机集群的大气污染物扩散模拟方法。

背景技术

大气污染物扩散模拟是大气环境研究和空气质量管理中广泛使用的手段，常用的大气扩散模型包括HYSPLIT、CALPUFF、AERMOD等。大气扩散模型通过建立描述污染物在大气中迁移转化规律的方程，实现对污染物在大气中输送、扩散和转化过程的预测。通过大气扩散模型，可以在已知气象参数场的前提下，计算出特定排放源所造成的大气污染物空间分布特征。

当前，随着城市与区域环境管理的深化和计算机技术的普及，复杂的大气扩散模式多被移植到PC桌面环境中运行，这些模式已经成为支持环境空气质量评价、大气环境容量核定、优化污染源的布局、空气质量预报等业务工作的基本工具。为了满足环境管理要求，扩散模式不断向大型化和复杂化发展，从经典的高斯点源扩散模式向其变形模式、统计模式、相似模式、K模式甚至多模式组合模拟的方向发展。当考虑的影响因素众多、污染源数量较多、模拟的时间周期延长、模拟的空间网格更加精细时，在PC环境中运行模式需要花费很长的计算机时间，单机性能上的缺陷已经难以胜任在短时间内计算环境空气质量这一任务。例如对即使在公里网格(1km×1km)上对10³数量级的工业污染点源使用最简单的高斯型的评价模式进行模拟分析,也需要花费数小时的时间才能完成一次模拟分析，这还不包括在更细的网格上对更加复杂的污染源如线源、体源等进行模拟分析。此外，在污染扩散过程的分析中，还经常需要进行交互式的计算模拟，这就对计算的实时性提出了更高的要求。为了解决PC计算效率和环境管理业务对于计算模拟实时性要求之间的矛盾，我们将研究的着眼点转向高性能体系下的并行计算，并行计算是解决复杂问题的主要方法之一。

常用的大气扩散模型包括HYSPLIT、CALPUFF、AERMOD等，此类扩散模型基于单线程串行计算逻辑而设计，在个人电脑或工作站等简单的平台上均可运行，具有简洁明了的优势。这样的运行模式在解决较少排放源和较短运行时长的案例中计算效率尚可接收，但是，当需要考虑的排放源增多、需要模拟的时长增加时，单线程运行的计算机时将大幅上升。另一方面，在当前环境管理应用中，对污染物扩散模拟的时效性要求越来越高。因此，急需对此类广泛使用的扩散模型进行并行化运算改进，提高运算效率。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于计算机集群的大气污染物扩散模拟方法，根据一定的规则将一个大的计算问题分解成许多小的子问题,将这些子问题分配调度到高性能计算平台的不同节点上进行计算，通过将大的问题分解成小问题进行并行计算，可以大大缩短问题的处理时间，解决了上述背景技术中提到的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于计算机集群的大气污染物扩散模拟方法，包括如下步骤：

一、从计算机集群中分配供计算使用的节点，确定其中一台节点为管理节点，一台节点为计算请求端，其他节点为并行计算节点，并行计算节点与管理节点建立连接形成计算节点序列；

二、登陆管理节点，编辑配置文件，设置控制参数；

三、对所有进程进行命名，包含节点名和进程编号两个信息，建立进程管理文件，记录空闲进程的名称；

四、计算请求端向管理节点发起计算请求，当请求获得通过之后，计算请求端向管理节点发送与计算相关的参数和数据文件；