[發(fā)明專利]海嘯數(shù)值計(jì)算模型基于GPU并行的快速執(zhí)行方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810130177.1
• 申請(qǐng)日: 2018-02-08
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN108460195B
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-06-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王宗辰;原野;于福江
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50;G06F9/50;G06F9/38;G06F9/302
• 代理公司: 北京易捷勝知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11613
• 代理人: 齊勝杰

1.一種海嘯數(shù)值計(jì)算模型基于GPU并行的快速執(zhí)行方法，其特征在于，包括：

CPU接收海嘯數(shù)值計(jì)算模型的啟動(dòng)指令后，獲取與所述海嘯數(shù)值計(jì)算模型相關(guān)的參數(shù)信息，并獲取初始海表面形變信息；

所述CPU讀取到數(shù)據(jù)傳輸指令時(shí)，所述CPU將所述參數(shù)信息、初始海表面形變信息通過(guò)PCI-E3.0接口一次性傳輸至GPU的顯存；

所述GPU接收所述參數(shù)信息、初始海表面形變信息后，執(zhí)行所述海嘯數(shù)值計(jì)算模型的海嘯從深海傳播至近岸計(jì)算過(guò)程，其中，所述海嘯數(shù)值計(jì)算模型采用有限差分方法求解球坐標(biāo)系下二維線性方程和非線性方程，獲取海嘯的計(jì)算結(jié)果；所述非線性方程考慮底摩擦效應(yīng)；

所述GPU讀取到數(shù)據(jù)回傳指令時(shí)，所述GPU將所述海嘯的計(jì)算結(jié)果傳輸至所述CPU；

所述CPU根據(jù)輸出指令，將所述海嘯的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行格式化處理并輸出；

其中，用于海嘯數(shù)值計(jì)算的GPU作為CPU的協(xié)處理器對(duì)海嘯傳播計(jì)算模塊進(jìn)行加速；所述GPU接收所述參數(shù)信息、初始海表面形變信息后，執(zhí)行所述海嘯數(shù)值計(jì)算模型的海嘯傳播計(jì)算過(guò)程，獲取海嘯的計(jì)算結(jié)果的步驟，包括：

所述CPU在確定需要獲取至少一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的海嘯計(jì)算結(jié)果時(shí)，所述CPU向所述GPU發(fā)送至少一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的海嘯中間計(jì)算結(jié)果獲取指令；

所述GPU根據(jù)所述至少一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的海嘯中間計(jì)算結(jié)果獲取指令，將計(jì)算過(guò)程中符合所述時(shí)間節(jié)點(diǎn)的海嘯中間計(jì)算結(jié)果傳輸至所述CPU；

具體地，第一、根據(jù)地震發(fā)生位置和潛在海嘯影響區(qū)域確定海嘯數(shù)值計(jì)算模型計(jì)算區(qū)域，設(shè)定海嘯計(jì)算空間范圍、空間分辨率Δx、時(shí)間分辨率Δt以及計(jì)算時(shí)長(zhǎng)；根據(jù)空間范圍和空間分辨率采用公式(10)計(jì)算生成球坐標(biāo)系下正交曲線網(wǎng)格以及相應(yīng)的網(wǎng)格參數(shù)，即讀取原始地形水深文件，插值得到地形水深網(wǎng)格數(shù)據(jù)；計(jì)算Courant系數(shù)；

其中，g表示重力加速度，h_max為計(jì)算范圍內(nèi)的最大水深；

即利用Fortran語(yǔ)言編程，在CPU端聲明所有變量并賦初值，編寫(xiě)子程序讀入一個(gè)固定格式的模型參數(shù)文件，根據(jù)計(jì)算區(qū)域和空間分辨率計(jì)算正交曲面網(wǎng)格每一點(diǎn)的經(jīng)緯度并插值水深；編寫(xiě)子程序?qū)ourant系數(shù)是否滿足穩(wěn)定性條件進(jìn)行判斷，若不滿足，對(duì)時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)整；

第二、獲取海底斷層破裂引起的海底形變信息，即初始海表面形變量；即利用Fortran語(yǔ)言編程，根據(jù)Okada斷層模型，結(jié)合讀入的地震和斷層參數(shù)計(jì)算初始海表面形變；或者直接讀入文件格式的初始海表面形變量和動(dòng)量通量信息；

第三、將海嘯傳播計(jì)算模塊需要的變量和參數(shù)通過(guò)PCI-3.0接口傳遞至GPU顯存；即利用CUDA_C語(yǔ)言的cudaMalloc命令，在GPU端聲明變量、分配顯存，然后再用cudaMemcpy(*，cudaMemcpyHostToDevice)命令，實(shí)現(xiàn)從CPU向GPU傳遞所有參與海嘯傳播計(jì)算的變量和參數(shù)，包括海平面初始垂向位移、沿經(jīng)度和緯度動(dòng)量通量；

第四、海嘯波在大洋深水區(qū)的傳播計(jì)算，即數(shù)值求解線性淺水方程，包括質(zhì)量連續(xù)方程、經(jīng)向和緯向動(dòng)量方程和定解邊界條件；

即利用CUDA_C語(yǔ)言編寫(xiě)在設(shè)備端執(zhí)行的內(nèi)核函數(shù)__global__void**_kernel(…)，包括離散化的質(zhì)量連續(xù)方程、經(jīng)向和緯向動(dòng)量方程和海嘯波吸收邊界算法；采用交錯(cuò)式顯性蛙越方案求解方程，網(wǎng)格中心點(diǎn)是海嘯波高和水深，上下及相鄰四邊為沿經(jīng)向和緯向的動(dòng)量通量；

時(shí)間上，GPU執(zhí)行逐時(shí)間步長(zhǎng)迭代計(jì)算；空間上，GPU執(zhí)行沿經(jīng)度和緯度兩個(gè)方向求解；當(dāng)執(zhí)行至網(wǎng)格邊界時(shí)，采用吸收邊界算法濾波；同一時(shí)間步長(zhǎng)，GPU必須遍歷所有網(wǎng)格點(diǎn)，然后才能進(jìn)入下一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)計(jì)算，循環(huán)往復(fù)直至設(shè)定的計(jì)算時(shí)長(zhǎng)；方程的解包括海嘯波高和兩個(gè)方向的海嘯動(dòng)量通量；

第五、海嘯波在淺水區(qū)域的傳播計(jì)算，即數(shù)值求解非線性淺水方程，包括質(zhì)量連續(xù)方程、經(jīng)向和緯向動(dòng)量方程和吸收邊界算發(fā)；動(dòng)量方程中增加了底摩擦項(xiàng)和非線性對(duì)流項(xiàng)；

第六、輸出保存海嘯計(jì)算結(jié)果，采用NetCDF格式對(duì)結(jié)果進(jìn)行輸出保存。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括：

所述CPU將所有的海嘯中間計(jì)算結(jié)果進(jìn)行格式化處理并輸出。