电磁场有限元法解释分布式并行计算的研究

论文摘要

目前,科学计算主要采用单机计算、分布式计算、并行计算和分布式的协同计算等几种形式。而在地球物理勘探应用中,许多科学计算采用的是单机计算,如电磁场有限元法二维构造或三维构造的解释软件。这些软件的单机计算,由于数据量大并且计算时间长,往往只有高性能计算能力的系统支持才能满足应用需要。一个研究热点问题-分布式并行计算（DPC）是使用局域网上的闲置CPU资源协同实现的高性能计算。因此,研究基于经济可行的局域网实现电磁场有限元法解释的分布式并行计算系统,可以解决其单机计算时间长、计算结果难以实时可视化等科学计算问题,将会在地球物理应用领域产生巨大的应用价值,推动电磁法勘探解释计算技术的向前发展。论文完成的主要工作和研究成果有:1、提出了在局域网上建立分布式并行计算平台的设想,实现了地球物理勘探解释的科学计算。将地球物理勘探的数据处理问题和计算机及其网络技术的进步结合起来,发展了地球物理的解释方法,推动了地球物理解释方法的技术进步。2、系统地给出了大地电磁法解释的数学模型,重新推导了部分的计算公式。完整地给出了基于大地电磁场勘探解释数学模型的有限元法求解的计算模型;为了程序实现,重新推导了求解一种解系数矩阵为块状三对角对称矩阵的线性代数方程组的快速算法-格林菲尔德（Greenfield）算法。3、研究了国内外文献中涉及不多的基于Win32的面向对象的并行程序设计技术;提出了在电磁法勘探应用的科学计算领域,运用面向对象技术实现其分布式并行计算的问题;该技术不仅解决了电磁场有限元法解释的求解问题,而且还为其它地球物理解释的高性能计算的并行算法设计提供了依据。4、研究了电磁场有限元法解释的串行计算的算法和软件实现、并行计算的算法和软件实现,给出了电磁法有限元法解释计算任务并行的划分和分治,解决了有关并行计算的负载均衡技术,合理地给出了算法的粒度选取。5、依据并行计算模型和电磁场有限元法解释的并行计算程序,经计算获得了在不同的计算规模或节点下的实验数据,给出了相关的性能分析和效率分析。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题目的和意义
• 1.2 国内外研究现状及进展
• 1.3 研究方法和技术路线
• 1.3.1 针对电磁场FEM 解释使用并行计算的实现技术
• 1.3.2 针对电磁法FEM 解释使用划分和分治技术
• 1.3.3 针对电磁场FEM 解释使用负载平衡和终止检测技术
• 1.3.4 算法的粒度选取
• 1.3.5 分布式并行计算的效率分析
• 1.4 本课题的研究目标、主要内容以及论文结构
• 1.5 本章小结
• 第二章 电磁法勘探的数学模型和 FEM 的算法分析
• 2.1 大地电磁解释问题的数学模型
• 2.2 传输面相似对比关系
• 2.3 边界条件的确定
• 2.4 有限单元法的计算模型
• 2.4.1 FEM 求解问题的基本原理
• 2.4.2 FEM 求解问题的基本步骤
• 2.4.3 有限元网格剖分的基本原则
• 2.4.4 大地电磁二维正演矩形网格剖分的FEM
• 2.5 格林菲尔德算法
• 2.6 本章小结
• 第三章 DPC 范型及其软硬件计算环境
• 3.1 科学计算的基本形式
• 3.1.1 单机计算
• 3.1.2 分布式计算
• 3.1.3 并行计算
• 3.1.4 协作计算
• 3.2 分布式并行计算
• 3.3 PC 机群系统
• 3.4 并行计算范型
• 3.4.1 Flynn 分类法及系统范型
• 3.4.1.1 向量处理SIMD 型计算机系统
• 3.4.1.2 共享存储MIMD 并行多处理机系统
• 3.4.1.3 分布存储MIMD 并行多处理机系统
• 3.4.1.4 SPMD 和 MPMD 系统
• 3.4.2 存储分类法及系统范型
• 3.5 并行算法范型
• 3.5.1 并行算法分类及其编程范型
• 3.5.2 易并行计算范型
• 3.6 并行计算软硬件环境
• 3.6.1 硬件环境配置
• 3.6.2 软件环境配置
• 3.6.2.1 操作系统选择
• 3.6.2.2 并行计算编程平台的选择
• 3.6.2.3 MPICH2 的并行编写平台的创建
• 3.6.2.4 并行程序的执行工具
• 3.7 本章小结
• 第四章 并行算法及其编程关键技术
• 4.1 电磁场FEM 解释的算法设计
• 4.1.1 串行算法设计
• 4.1.2 并行算法的设计方法
• 4.1.3 问题求解的并行算法设计
• 4.2 并行算法编程接口MPI
• 4.2.1 消息传递接口MPI
• 4.2.2 MPI 并行程序的基本结构
• 4.2.3 MPI 的基本数据类型
• 4.3 MPI 并行进程通信
• 4.3.1 MPI 通信域
• 4.3.2 MPI 通信模式
• 4.3.2.1 标准通信模式
• 4.3.2.2 缓存通信模式
• 4.3.2.3 同步通信模式
• 4.3.2.4 就绪通信模式
• 4.4 MPI 库函数及其使用方法
• 4.4.1 MPI 库函数及其调用参数说明
• 4.4.2 MPI 的基本函数调用
• 4.5 MPI 并行程序设计的基本模式
• 4.5.1 对等模式
• 4.5.2 主从模式
• 4.6 并行计算的面向对象技术
• 4.6.1 面向对象程序设计技术
• 4.6.2 复数类（CComplex）的实现
• 4.6.3 矩阵类（CArrayMatrix）的实现
• 4.6.4 矩阵运算相关的数据结构
• 4.7 并行程序调试的方法与步骤
• 4.7.1 并行程序调试的困难
• 4.7.2 并行程序调试的方法
• 4.7.3 并行程序调试的步骤
• 4.8 MPI 并行程序的实现和执行
• 4.9 本章小结
• 第五章 并行算法的性能评价和效率分析
• 5.1 并行计算的性能度量
• 5.2 性能预测方法与影响因素分析
• 5.2.1 加速比和效率的具体表示法
• 5.2.2 Amdahl 定律
• 5.2.3 Gustafson-Barsis 定律
• 5.2.4 Karp-Flatt 度量指标
• 5.2.5 等效指标
• 5.3 电磁场FEM 解释的并行计算的性能分析
• 5.3.1 串行计算与并行计算的性能比较
• 5.3.2 并行计算影响因素及其性能分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 结束语
• 致谢
• 主要参考文献
• 攻读博士期间发表的论文
• 个人简历