[發(fā)明專利]一種基于計算機集群的大氣污染物擴散模擬方法

有效

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• 申請日: 2021-04-20
• 公開（公告）號: CN113239522B
• 公開（公告）日: 2022-06-28
• 發(fā)明（設計）人: 石光明;楊復沫
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F9/50;G06F113/08
• 代理公司: 成都東恒知盛知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 51304
• 代理人: 羅江

本發(fā)明公開了一種基于計算機集群的大氣污染物擴散模擬方法，根據(jù)一定的規(guī)則將一個大的計算問題分解成許多小的子問題,將這些子問題分配調度到高性能計算平臺的不同節(jié)點上進行計算，通過將大的問題分解成小問題進行并行計算，可以大大縮短問題的處理時間。本發(fā)明方法能夠在大型計算機集群運算平臺上，實現(xiàn)大氣污染物擴散模型的跨節(jié)點多線程并行計算，提升計算效率，本發(fā)明方法能在不對模型進行源碼更改的條件下，實現(xiàn)了計算機集群平臺上的跨節(jié)點并行計算，與單線程計算和單機多核并行計算相比，進一步提升計算效率。

技術領域

本發(fā)明涉及大氣環(huán)境技術領域，具體涉及一種基于計算機集群的大氣污染物擴散模擬方法。

背景技術

大氣污染物擴散模擬是大氣環(huán)境研究和空氣質量管理中廣泛使用的手段，常用的大氣擴散模型包括HYSPLIT、CALPUFF、AERMOD等。大氣擴散模型通過建立描述污染物在大氣中遷移轉化規(guī)律的方程，實現(xiàn)對污染物在大氣中輸送、擴散和轉化過程的預測。通過大氣擴散模型，可以在已知氣象參數(shù)場的前提下，計算出特定排放源所造成的大氣污染物空間分布特征。

當前，隨著城市與區(qū)域環(huán)境管理的深化和計算機技術的普及，復雜的大氣擴散模式多被移植到PC桌面環(huán)境中運行，這些模式已經(jīng)成為支持環(huán)境空氣質量評價、大氣環(huán)境容量核定、優(yōu)化污染源的布局、空氣質量預報等業(yè)務工作的基本工具。為了滿足環(huán)境管理要求，擴散模式不斷向大型化和復雜化發(fā)展，從經(jīng)典的高斯點源擴散模式向其變形模式、統(tǒng)計模式、相似模式、K模式甚至多模式組合模擬的方向發(fā)展。當考慮的影響因素眾多、污染源數(shù)量較多、模擬的時間周期延長、模擬的空間網(wǎng)格更加精細時，在PC環(huán)境中運行模式需要花費很長的計算機時間，單機性能上的缺陷已經(jīng)難以勝任在短時間內計算環(huán)境空氣質量這一任務。例如對即使在公里網(wǎng)格(1km×1km)上對10³數(shù)量級的工業(yè)污染點源使用最簡單的高斯型的評價模式進行模擬分析,也需要花費數(shù)小時的時間才能完成一次模擬分析，這還不包括在更細的網(wǎng)格上對更加復雜的污染源如線源、體源等進行模擬分析。此外，在污染擴散過程的分析中，還經(jīng)常需要進行交互式的計算模擬，這就對計算的實時性提出了更高的要求。為了解決PC計算效率和環(huán)境管理業(yè)務對于計算模擬實時性要求之間的矛盾，我們將研究的著眼點轉向高性能體系下的并行計算，并行計算是解決復雜問題的主要方法之一。

常用的大氣擴散模型包括HYSPLIT、CALPUFF、AERMOD等，此類擴散模型基于單線程串行計算邏輯而設計，在個人電腦或工作站等簡單的平臺上均可運行，具有簡潔明了的優(yōu)勢。這樣的運行模式在解決較少排放源和較短運行時長的案例中計算效率尚可接收，但是，當需要考慮的排放源增多、需要模擬的時長增加時，單線程運行的計算機時將大幅上升。另一方面，在當前環(huán)境管理應用中，對污染物擴散模擬的時效性要求越來越高。因此，急需對此類廣泛使用的擴散模型進行并行化運算改進，提高運算效率。

發(fā)明內容

為解決現(xiàn)有技術中存在的問題，本發(fā)明提供了一種基于計算機集群的大氣污染物擴散模擬方法，根據(jù)一定的規(guī)則將一個大的計算問題分解成許多小的子問題,將這些子問題分配調度到高性能計算平臺的不同節(jié)點上進行計算，通過將大的問題分解成小問題進行并行計算，可以大大縮短問題的處理時間，解決了上述背景技術中提到的問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案：一種基于計算機集群的大氣污染物擴散模擬方法，包括如下步驟：

一、從計算機集群中分配供計算使用的節(jié)點，確定其中一臺節(jié)點為管理節(jié)點，一臺節(jié)點為計算請求端，其他節(jié)點為并行計算節(jié)點，并行計算節(jié)點與管理節(jié)點建立連接形成計算節(jié)點序列；

二、登陸管理節(jié)點，編輯配置文件，設置控制參數(shù)；

三、對所有進程進行命名，包含節(jié)點名和進程編號兩個信息，建立進程管理文件，記錄空閑進程的名稱；

四、計算請求端向管理節(jié)點發(fā)起計算請求，當請求獲得通過之后，計算請求端向管理節(jié)點發(fā)送與計算相關的參數(shù)和數(shù)據(jù)文件；