[發明專利]一種分布式水文模型的匯流并行調度方法

有效

• 申請號: 201910031090.3
• 申請日: 2019-01-14
• 公開（公告）號: CN109753362B
• 公開（公告）日: 2020-03-24
• 發明（設計）人: 周祖昊;秦澤寧;向東;劉佳嘉;嚴子奇;牛存穩;賈仰文;王浩
• 申請（專利權）人: 中國水利水電科學研究院
• 主分類號: G06F9/50
• 分類號: G06F9/50;G06F30/20
• 代理公司: 北京市盛峰律師事務所 11337
• 代理人: 梁艷

本發明公開了一種分布式水文模型的匯流并行調度方法，涉及水資源調度技術領域。該方法，首先通過對河網進行二叉樹編碼，將河網中的多個子流域劃分為多個子流域塊，并通過主處理器采用貪婪多處理器調度算法將多個子流域塊分配到多個從處理器中，從處理器分別處理之后再由主處理器進行數據融合。所以，本發明有效的解決了分布式水文模型匯流模塊由于依賴關系復雜無法并行化計算的問題；本發明提出了貪婪多處理器調度算法用來處理匯流子流域塊的任務調度，解決了并行計算時多處理器負載不均衡問題。通過使用主處理器和從處理器對匯流模塊進行并行化改造，提高了分布式水文模型匯流過程的計算效率。

技術領域

本發明涉及水資源調度技術領域，尤其涉及一種分布式水文模型的匯流并行調度方法。

背景技術

分布式水文模型是探索和認識復雜水文循環過程和機理的有效手段，也是解決許多水文實際問題的有效工具，已經在氣候變化、LUCC、缺資料地區、生態水文學、水資源管理等領域的研究中發揮了重要作用。分布式水文模型具有計算密集的特點，主要體現在：(1)流域水文模擬高度復雜，包括不同下墊面的產流過程模擬以及坡面和河道匯流等，計算過程中存在許多中間變量，具有數據傳輸密集；(2)分布式水文模型涉及大量的柵格或者子流域數據。隨著遙感技術和地理信息系統的發展，分布式水文模型能夠獲取到的信息越來越多，模擬的范圍越來越大，同時劃分的單元也越來越精細，模擬單元計算密集；(3)流域水文過程計算要求較高的時間動態性，時間步長往往為小時或分鐘尺度，具有時間密集的特點。分布式水文模型對高性能計算提出了很高的要求，傳統的串行計算難以滿足其要求，需要并行計算技術為模型提供高速率運算。

隨著并行計算軟硬件技術的發展，不論從CPU、GPU等硬件的提升，還是從OpenMP、MPI、CUDA等并行編程標準的發展，并行計算的門檻不斷降低。同時，分布式水文模型的模擬范圍越來越廣、分辨率越來越高、數據量也越來越多。在此基礎上，分布式水文模型的并行計算得到了良好的發展。

不過，由于分布式水文模型匯流過程不同于其他蒸發蒸騰、入滲等模擬過程在其所在的子流域即可獨立完成計算，不需要其他子流域的相關信息。匯流模塊模擬當前子流域時需要上游依賴子流域的計算結果作為輸入，由于其特有的依賴關系導致并行計算設計過后存在處理器任務分配不均衡的問題，負載過大的處理器在執行計算而負載過小的處理器發生空閑。因此，針對匯流過程子流域之間的依賴關系設計合理的并行任務調度方法在計算效率提升上尤為重要。

發明內容

本發明的目的在于提供一種分布式水文模型的匯流并行調度方法，從而解決現有技術中存在的前述問題。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：

一種分布式水文模型的匯流并行調度方法，包括如下步驟：

S1，針對河網構建二叉樹結構，二叉樹中的一個節點代表河網中的一個子流域，每個子流域節點均用二維編碼(V，L)表示，V表示該子流域節點在對應層內的序號，L表示該子流域距離流域出口的距離所在的層數，其中，河網主河段中的子流域的二維編碼中的V等于0；

S2，將V等于0的河網主河段中的子流域及其上游所有依賴子流域劃分成為一個子流域塊，針對河網劃分為多個子流域塊，形成分布式水文模型匯流模塊中的多個子流域塊任務；

S3，主處理器采用貪婪多處理器調度算法將所有的子流域塊任務分配給多臺從處理器，使子流域任務塊處理時間之和最大的從處理器上的負載最小化；

S4，每臺從處理器分別進行任務處理，并將處理結果發送至主處理器；

S5，主處理器對處理結果進行統計融合，生成匯流輸出文件，完成匯流并行調度。

優選地，S3包括如下步驟：

S301，在主處理器中，按照子流域塊處理時間的升序或者降序對所有的子流域塊任務進行排序，形成任務列表；