震源函數(shù)：
[0127] 震源函數(shù)在空間上采用高斯函數(shù)，時(shí)間上采用Ricker子波，形式如下：
[0128] s(x，y，z，t)=g(x，y，z) · f(t)公式（1)
[0129] 其中，以七）=(1-2(對代）2)6叉？（-(對代）2) 公式（2)
[0130]
[0131 ] 式中：t表示時(shí)間，fo表示Ricker子波的中心頻率，模型計(jì)算中fo = 15Ηζ，β為常數(shù)； (義0,7〇,2())為震源的空間位置，1、7和2分別為1軸、7軸和2軸方向上的位置。
[0132] 4.彈性波動(dòng)方程的數(shù)值格式：
[0133] 采用8階精度進(jìn)行有限差分?jǐn)?shù)值模擬，則對應(yīng)Κ
，我們利用公 式(4)-(6)進(jìn)行每一步的波場計(jì)算。
[0134] 5.區(qū)域分解及GPU Direct通信：
[0135] 采用前述的區(qū)域分解方案，在Y方向上進(jìn)行區(qū)域分解，節(jié)點(diǎn)內(nèi)采用GPU Direct P2P 進(jìn)行通信，節(jié)點(diǎn)間采用GPU Direct RDMA進(jìn)行通信。測試環(huán)境為使用本機(jī)是三臺雙路GPU月艮 務(wù)節(jié)點(diǎn)作為測試平臺。每個(gè)節(jié)點(diǎn)配置有雙路10核Xeon E5-2680V2 2.806他處理器，12868 DDR3 內(nèi)存。GPU設(shè)備為NVIDIA Tesla K40c(Kepler)，Infiniband 適配卡為Mellanox ConnectX-3IBQDRMT26428，所有節(jié)點(diǎn)運(yùn)行在RHEL6·3，Infiniband的驅(qū)動(dòng)版本為0FED-2.3-1.0.1。所有測試基于MVAPICH2-2. la發(fā)行版本的MPI。
[0136] 6.數(shù)值模擬結(jié)果分析：
[0137] 圖9為三個(gè)測試模型得到的波場快照，可以清楚的看到各向異性對波場造成的影 響。圖10為進(jìn)行的GPU Direct P2P節(jié)點(diǎn)內(nèi)的通信測試，圖中的縱坐標(biāo)為加速比，是通過GPU 的計(jì)算時(shí)間與單顆CPU計(jì)算時(shí)間而得到的，可以清楚的看到，采用了GPU Direct P2P的節(jié)點(diǎn) 內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸相較于傳統(tǒng)的MPI方法有著顯著的計(jì)算效率提升。圖11為進(jìn)行的GPU Direct RDMA節(jié)點(diǎn)間的通信測試，其中圖例所示的MPI -⑶R表示的是GPU D i re c t RDMA的意思，進(jìn)行 了兩個(gè)平臺的測試，平臺A每個(gè)節(jié)點(diǎn)1塊K40C共三個(gè)節(jié)點(diǎn)，平臺B每個(gè)節(jié)點(diǎn)3塊K40C共三個(gè)階 段。測試結(jié)果表明GPU Direct RDMA對跨節(jié)點(diǎn)的通信有顯著的提升效果，而且隨著通信數(shù)量 的增加其效果越發(fā)明顯。
[0138]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和 原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種三維各向異性彈性波數(shù)值模擬方法，其特征在于，具體包括以下步驟： 步驟1:建立介質(zhì)模型，對介質(zhì)模型進(jìn)行網(wǎng)格離散得到多個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)； 步驟2:計(jì)算震源函數(shù)，根據(jù)震源函數(shù)計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的壓力值； 步驟3:將三維各向異性彈性波方程轉(zhuǎn)換為傳播方程，將每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的壓力值帶入傳 播方程進(jìn)行計(jì)算，得到每一刻的波場值； 步驟4:根據(jù)波場值確定每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的計(jì)算區(qū)域，進(jìn)行分區(qū)并對分區(qū)邊界數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù) 交換，完成彈性波數(shù)值模擬。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三維各向異性彈性波數(shù)值模擬方法，其特征在于，所述步 驟4具體包括以下步驟： 步驟4.1:根據(jù)所有波場值確定每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的計(jì)算區(qū)域，并采用吸收邊界的方式確定計(jì) 算區(qū)域邊界，在計(jì)算區(qū)域內(nèi)模擬地下介質(zhì)中波的傳播； 步驟4.2:對所有計(jì)算區(qū)域進(jìn)行分區(qū)，對相鄰分區(qū)的邊界數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，得到模擬 彈性波數(shù)據(jù)，完成彈性波數(shù)值模擬。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種三維各向異性彈性波數(shù)值模擬方法，其特征在于，所述步 驟4.2中邊界數(shù)據(jù)的采用GPU-Direct技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種三維各向異性彈性波數(shù)值模擬方法，其特征在于，所述步 驟4.2中的數(shù)據(jù)交換具體包括： 沿介質(zhì)模型中計(jì)算區(qū)域邊界數(shù)據(jù)變化最慢的軸向進(jìn)行區(qū)域分解，得到多個(gè)分區(qū)，將所 有分區(qū)分配到多個(gè)GPU中，每個(gè)分區(qū)獨(dú)立在一個(gè)GPU上執(zhí)行計(jì)算;每兩個(gè)相鄰分區(qū)的邊界數(shù) 據(jù)再進(jìn)行交換。5. 根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的一種三維各向異性彈性波數(shù)值模擬方法，其特征在 于，所述步驟1具體包括以下步驟： 步驟1.1:根據(jù)地質(zhì)背景條件、實(shí)際測得的巖石物理測試數(shù)據(jù)和測井資料數(shù)據(jù)建立介質(zhì) 豐旲型； 步驟1.2:采用形狀規(guī)則的三維網(wǎng)格對介質(zhì)模型進(jìn)行網(wǎng)格離散，得到網(wǎng)格點(diǎn)。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種三維各向異性彈性波數(shù)值模擬方法，其特征在于，所述震 源函數(shù)在空間上采用高斯函數(shù)，在時(shí)間上采用Ricker子波，所述震源函數(shù)的具體公式為： s(x,y,z,t) = g(x,y,z) · f(t) 公式（1) 其中，f⑴=(1-2(31侃)2)6叉？(-(31侃)2)公式(2) gu.v,z)^ -、少…」,公式(3) β 式中：t表示時(shí)間，fo表示Ricker子波的中心頻率，模型計(jì)算中fo = 15Hz，β為常數(shù)；（χο, y〇,zo)為震源的空間位置，x、y和ζ分別為X軸、y軸和ζ軸方向上的位置。7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種三維各向異性彈性波數(shù)值模擬方法，其特征在于，所述步 驟3具體包括以下步驟： 步驟3.1:將三維各向異性彈性波方程中的微分用差分近似替代，得到相應(yīng)的有限差分 格式的傳播方程，所述傳播方程中空間采樣步長和時(shí)間采樣步長滿足該數(shù)值格式的穩(wěn)定性 條件； 步驟3.2:采用區(qū)域分解的方式將每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的壓力值帶入傳播方程進(jìn)行計(jì)算，得到 每一刻的波場值。8. -種三維各向異性彈性波數(shù)值模擬系統(tǒng)，包括建模模塊、震源模塊、傳播模塊和數(shù)據(jù) 交換模塊； 所述建模模塊用于建立介質(zhì)模型，對介質(zhì)模型進(jìn)行網(wǎng)格離散得到多個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)； 所述震源模塊用于計(jì)算震源函數(shù)，根據(jù)震源函數(shù)計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的壓力值； 所述傳播模塊用于將三維各向異性彈性波方程轉(zhuǎn)換為傳播方程，將每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的壓 力值帶入傳播方程進(jìn)行計(jì)算，得到每一刻的波場值； 所述數(shù)據(jù)交換模塊用于根據(jù)波場值確定每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的計(jì)算區(qū)域，進(jìn)行分區(qū)并對分區(qū)邊 界數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，完成彈性波數(shù)值模擬。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種三維各向異性彈性波數(shù)值模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù) 據(jù)交換模塊包括區(qū)域確定模塊和分區(qū)交換模塊； 所述區(qū)域確定模塊用于根據(jù)所有波場值確定每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的計(jì)算區(qū)域，并采用吸收邊界 的方式確定計(jì)算區(qū)域邊界，在計(jì)算區(qū)域內(nèi)模擬地下介質(zhì)中波的傳播； 所述分區(qū)交換模塊用于對所有計(jì)算區(qū)域進(jìn)行分區(qū)，對相鄰分區(qū)的邊界數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交 換，得到模擬彈性波數(shù)據(jù)，完成彈性波數(shù)值模擬。10. 根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的一種三維各向異性彈性波數(shù)值模擬系統(tǒng)，其特征在于，所 述分區(qū)交換模塊中邊界數(shù)據(jù)的采用GPU-Direct技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種三維各向異性彈性波數(shù)值模擬方法及系統(tǒng)，其中方法包括：步驟1：建立介質(zhì)模型，對介質(zhì)模型進(jìn)行網(wǎng)格離散得到多個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)；步驟2：計(jì)算震源函數(shù)，根據(jù)震源函數(shù)計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的壓力值；步驟3：將三維各向異性彈性波方程轉(zhuǎn)換為傳播方程，將每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的壓力值帶入傳播方程進(jìn)行計(jì)算，得到每一刻的波場值；步驟4：根據(jù)波場值確定每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的計(jì)算區(qū)域，進(jìn)行分區(qū)并對分區(qū)邊界數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，完成彈性波數(shù)值模擬。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了利用GPU加速復(fù)雜介質(zhì)下的三維彈性波數(shù)值模擬，提出了利用GPU？Direct技術(shù)加速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)方案，避免了大量的CPU到GPU，GPU到CPU的數(shù)據(jù)拷貝，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化通信瓶頸的問題。
【IPC分類】G01V1/28
【公開號】CN105467443
【申請?zhí)枴緾N201510902580
【發(fā)明人】王一博, 薛清峰, 常旭, 姚振興
【申請人】中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所
【公開日】2016年4月6日
【申請日】2015年12月9日