[發(fā)明專利]一種用于地球系統(tǒng)模式的并行耦合方法

有效

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• 申請日: 2012-05-16
• 公開（公告）號: CN102707932A
• 公開（公告）日: 2012-10-03
• 發(fā)明（設計）人: 季穎生;楊廣文;何健
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G06F9/38
• 分類號: G06F9/38;G06F9/54
• 代理公司: 北京清亦華知識產(chǎn)權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 廖元秋

1.一種用于地球系統(tǒng)模式的并行耦合方法，其特征在于，該方法分為三個階段：基于子區(qū)域映射關系的耦合初始階段，基于子區(qū)域映射的耦合運行階段；以及耦合結束階段；

1）設分量模式A和分量模式B進行耦合，分量模式A基于網(wǎng)格A，分量模式B基于網(wǎng)格B；耦合物理量數(shù)據(jù)從分量模式A流向分量模式B，分量模式A發(fā)送耦合物理量數(shù)據(jù)，分量模式B接收耦合物理量數(shù)據(jù)，然后分量模式B執(zhí)行并行插值計算，將網(wǎng)格A上的耦合物理量數(shù)據(jù)插值到網(wǎng)格B上，網(wǎng)格A為源網(wǎng)格，網(wǎng)格B為目標網(wǎng)格；

基于子區(qū)域映射關系的耦合初始階段，具體包括以下步驟：

步驟1-1：從namelist文件中讀取namelist信息，包含了耦合相關的運行參數(shù)及數(shù)據(jù)文件信息，這部分信息由用戶給定；

步驟1-2：根據(jù)通信配置中的通信信息初始化MPI通信域，包括地球系統(tǒng)模式的全局通信域和分量模式A和B的局部通信域，通信配置信息由用戶給定；

步驟1-3：初始化靜態(tài)剖分：根據(jù)剖分配置中的并行剖分配置信息初始化靜態(tài)剖分，其中分量模式A基于網(wǎng)格A和分量模式B基于網(wǎng)格B的并行剖分由分量模式自身提供，通過調(diào)用耦合器提供的初始化接口函數(shù)進行參數(shù)導入，分量模式B基于網(wǎng)格A的并行剖分由用戶在剖分配置中給定剖分方式，在剖分初始化過程中調(diào)用相應的剖分算法生成，該步驟中的并行剖分為靜態(tài)剖分；

步驟1-4：初始化剖分前網(wǎng)格：分量模式的進程從網(wǎng)格配置中包含的網(wǎng)格數(shù)據(jù)文件中讀取完整的網(wǎng)格信息，該網(wǎng)格信息為剖分前網(wǎng)格；

步驟1-5：初始化插值算法：分量模式B的進程將基于網(wǎng)格B的靜態(tài)剖分作為目標網(wǎng)格單元集合搜索插值配置中包含的插值系數(shù)文件，獲取對應的插值權重系數(shù)，構成插值權重矩陣；

步驟1-6：生成動態(tài)剖分：分量模式B的進程將基于網(wǎng)格B的靜態(tài)剖分作為目標網(wǎng)格單元集合搜索相應的插值權重矩陣，得到網(wǎng)格A的網(wǎng)格單元集合，然后根據(jù)基于網(wǎng)格A的靜態(tài)剖分，求出不在該進程上的網(wǎng)格單元集合作為子區(qū)域信息，將子區(qū)域信息和基于網(wǎng)格A的靜態(tài)剖分保存在一起，建立新的并行剖分，該并行剖分為動態(tài)剖分，采用該操作流程生成的動態(tài)剖分記為同一種剖分類型；

步驟1-7：將動態(tài)剖分和靜態(tài)剖分進行合并，統(tǒng)一為并行剖分：首先建立一個并行剖分鏈表，然后在并行剖分對象中搜索相同網(wǎng)格名的靜態(tài)剖分和動態(tài)剖分，再在結果中搜索相同剖分類型的動態(tài)剖分對象，最終的搜索結果存在三種情況：情況一，如果僅包含一個靜態(tài)剖分，則將其加入到并行剖分鏈表中；情況二，如果包含一個靜態(tài)剖分和一個動態(tài)剖分，則將動態(tài)剖分加入到并行剖分鏈表中；情況三，如果包含一個靜態(tài)剖分和兩個以上的動態(tài)剖分，則首先合并動態(tài)剖分的子區(qū)域信息，將合并后的子區(qū)域信息與靜態(tài)剖分保存在一起，建立新的并行剖分，將其加入到并行剖分鏈表中，最后釋放所有未加入到并行剖分鏈表中的動態(tài)剖分和靜態(tài)剖分的內(nèi)存空間；

步驟1-8：分量模式A和分量模式B根據(jù)并行路由配置和合并后的并行剖分初始化并行路由，在并行路由配置中描述了分量模式A和分量模式B需要建立進程間的通信映射關系，根據(jù)不同類型的并行剖分建立相應的并行路由，具體操作為：首先，分量模式A的進程與分量模式B的進程兩兩握手，交換基于網(wǎng)格A的并行剖分，每個進程將自身基于網(wǎng)格A的并行剖分與通過交換得到的對方完整的并行剖分進行求交，確定進程所負責網(wǎng)格單元在對方分量模式的哪個進程上，建立起通信映射關系；

步驟1-9：初始化剖分后網(wǎng)格：根據(jù)合并后的并行剖分的網(wǎng)格單元索引號從剖分前網(wǎng)格中獲取并行剖分所包含的網(wǎng)格單元信息，申請內(nèi)存空間保存這部分網(wǎng)格單元信息，建立剖分后網(wǎng)格，最后釋放保存剖分前網(wǎng)格的內(nèi)存空間；

步驟1-10：初始化數(shù)據(jù)緩沖區(qū)：根據(jù)耦合物理量基本信息初始化耦合物理量命名空間，根據(jù)合并后的并行剖分的網(wǎng)格單元數(shù)來申請相應大小的內(nèi)存空間用于管理耦合物理量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；

基于子區(qū)域映射的耦合運行階段，具體包括以下步驟：

步驟2-1：首先，兩個分量模式執(zhí)行并行通信，分量模式A的進程根據(jù)并行路由將耦合物理量數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中取出并打包，發(fā)送給分量模式B，分量模式B的進程接收分量模式A發(fā)送的數(shù)據(jù)包；

步驟2-2：然后分量模式B的進程根據(jù)并行路由進行解包，將數(shù)據(jù)復制到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的對應位置上；

步驟2-3：完成并行通信后，分量模式B的進程直接進行插值計算，不再執(zhí)行MPI通信來收集數(shù)據(jù)；

耦合結束階段，分量模式通過調(diào)用耦合器提供的結束接口函數(shù)去釋放耦合相關的內(nèi)存空間，結束MPI通信等收尾工作；

2）設分量模式A和分量模式B進行耦合，分量模式A基于網(wǎng)格A，分量模式B基于網(wǎng)格B；耦合物理量數(shù)據(jù)從分量模式B流向分量模式A，分量模式B執(zhí)行并行插值計算，將網(wǎng)格B上的耦合物理量數(shù)據(jù)插值到網(wǎng)格A上，網(wǎng)格B為源網(wǎng)格，網(wǎng)格A為目標網(wǎng)格，然后分量模式B發(fā)送耦合物理量數(shù)據(jù)，分量模式A接收耦合物理量數(shù)據(jù)。

基于子區(qū)域映射關系的耦合初始階段，具體包括以下步驟：

步驟1-1：從namelist文件中讀取namelist信息，包含了耦合相關的運行參數(shù)及數(shù)據(jù)文件信息，這部分信息由用戶給定；

步驟1-2：根據(jù)通信配置中的通信信息初始化MPI通信域，包括地球系統(tǒng)模式的全局通信域和分量模式A和B的局部通信域，通信配置信息由用戶給定；

步驟1-3：初始化靜態(tài)剖分：根據(jù)剖分配置中的并行剖分配置信息初始化靜態(tài)剖分，其中分量模式A基于網(wǎng)格A和分量模式B基于網(wǎng)格B的并行剖分由分量模式自身提供，通過調(diào)用耦合器提供的初始化接口函數(shù)進行參數(shù)導入，分量模式B基于網(wǎng)格A的并行剖分由用戶在剖分配置中給定剖分方式，在剖分初始化過程中調(diào)用相應的剖分算法生成，該步驟中的并行剖分為靜態(tài)剖分；

步驟1-4：初始化剖分前網(wǎng)格：分量模式的進程從網(wǎng)格配置中包含的網(wǎng)格數(shù)據(jù)文件中讀取完整的網(wǎng)格信息，該網(wǎng)格信息為剖分前網(wǎng)格；

步驟1-5：初始化插值算法：分量模式B的進程將基于網(wǎng)格B的靜態(tài)剖分作為源網(wǎng)格單元集合搜索插值配置中包含的插值系數(shù)文件，獲取對應的插值權重系數(shù)，構成插值權重矩陣；

步驟1-6：生成動態(tài)剖分：分量模式B的進程將基于網(wǎng)格B的靜態(tài)剖分作為源網(wǎng)格單元集合搜索相應的插值權重矩陣，得到網(wǎng)格A的網(wǎng)格單元集合，然后根據(jù)基于網(wǎng)格A的靜態(tài)剖分，求出不在該進程上的網(wǎng)格單元集合作為子區(qū)域信息，將子區(qū)域信息和基于網(wǎng)格A的靜態(tài)剖分保存在一起，建立新的并行剖分，該并行剖分為動態(tài)剖分，采用該操作流程生成的動態(tài)剖分記為同一種剖分類型；

步驟1-7：將動態(tài)剖分和靜態(tài)剖分進行合并，統(tǒng)一為并行剖分：首先建立一個并行剖分鏈表，然后在并行剖分對象中搜索相同網(wǎng)格名的靜態(tài)剖分和動態(tài)剖分，再在結果中搜索相同剖分類型的動態(tài)剖分對象，最終的搜索結果存在三種情況：情況一，如果僅包含一個靜態(tài)剖分，則將其加入到并行剖分鏈表中；情況二，如果包含一個靜態(tài)剖分和一個動態(tài)剖分，則將動態(tài)剖分加入到并行剖分鏈表中；情況三，如果包含一個靜態(tài)剖分和兩個以上的動態(tài)剖分，則首先合并動態(tài)剖分的子區(qū)域信息，將合并后的子區(qū)域信息與靜態(tài)剖分保存在一起，建立新的并行剖分，將其加入到并行剖分鏈表中，最后釋放所有未加入到并行剖分鏈表中的動態(tài)剖分和靜態(tài)剖分的內(nèi)存空間；

步驟1-8：分量模式A和分量模式B根據(jù)并行路由配置和合并后的并行剖分初始化并行路由，在并行路由配置中描述了分量模式A和分量模式B需要建立進程間的通信映射關系，根據(jù)不同類型的并行剖分建立相應的并行路由，具體操作為：首先，分量模式A的進程與分量模式B的進程兩兩握手，交換基于網(wǎng)格A的并行剖分，每個進程將自身基于網(wǎng)格A的并行剖分與通過交換得到的對方完整的并行剖分進行求交，確定進程所負責網(wǎng)格單元在對方分量模式的哪個進程上，建立起通信映射關系；

步驟1-9：初始化剖分后網(wǎng)格：根據(jù)合并后的并行剖分的網(wǎng)格單元索引號從剖分前網(wǎng)格中獲取并行剖分所包含的網(wǎng)格單元信息，申請內(nèi)存空間保存這部分網(wǎng)格單元信息，建立剖分后網(wǎng)格，最后釋放保存剖分前網(wǎng)格的內(nèi)存空間；

步驟1-10：初始化數(shù)據(jù)緩沖區(qū)：根據(jù)耦合物理量基本信息初始化耦合物理量命名空間，根據(jù)合并后的并行剖分的網(wǎng)格單元數(shù)來申請相應大小的內(nèi)存空間用于管理耦合物理量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；

基于子區(qū)域映射的耦合運行階段，具體包括以下步驟：

步驟2-1：首先，分量模式B的進程直接進行并行插值計算，不再執(zhí)行MPI通信來收集數(shù)據(jù)，將插值計算結果存放到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中。由于沒有執(zhí)行通信，部分源網(wǎng)格單元上的耦合物理量數(shù)據(jù)在其它進程上進行了計算，所以這里插值計算所得為不完全結果；

步驟2-2：兩個分量模式執(zhí)行并行通信，分量模式B的進程根據(jù)并行路由將耦合物理量數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中取出并打包，發(fā)送給分量模式A，分量模式A的進程接收分量模式B發(fā)送的數(shù)據(jù)包；

步驟2-3：分量模式A的進程根據(jù)并行路由進行解包，由于插值計算所得為部分計算結果，需要將分量模式B的不同進程發(fā)送來的相同網(wǎng)格單元上的耦合物理量數(shù)據(jù)進行合并，分量模式A的進程首先將保存這部分耦合物理量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)置0，然后根據(jù)并行路由將耦合物理量數(shù)據(jù)加到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)對應的位置上；

耦合結束階段，分量模式通過調(diào)用耦合器提供的結束接口函數(shù)去釋放耦合相關的內(nèi)存空間，結束MPI通信等收尾工作。