波动方程叠前深度偏移中的并行策略.pdfVIP

波动方程叠前深度偏移中的并行策略 潘宏勋方伍宝 中国石化石油勘探开发研究院南京石油物探研究所，江苏南京，210014 摘要基于波动方程的叠前深度偏移是解决复杂地区地震成像的一种非常有效的手段，但在实际 应用中面临着数据量巨大和计算量巨大的困难。以Pc机集群为硬件环境，以MPI消息传递并行 编程环境为并行程序设计平台，实现了波动方程叠前深度偏移的并行计算。通过主从模式程序设 计实现了动态负载均衡，采用作业登记与分析技术解决了容错处理。理论模型数据和实际地震策 略测试结果表明，该程序运行稳定，偏移成像结果正确，并行效率高。 关键词叠前深度偏移MPI并行并行计算主从模式动态负载均衡容错处理 要，人们普遍把目光投向基于波动方程的叠前深度偏移(PSDM)。但是在实际应用中，后者面 临着数据量巨大和计算量巨大的困难，加上市场经济要求地震资料处理的周期愈来愈短，于是 如何能大幅地提高PSDM的计算效率就是当前该项技术实现及推广应用中的一个亟须解决的 问题。国内外一些学者致力于偏移成像方法及偏移算法的改进以提高计算效率””J。然而 PSDM技术的根本目的是对复杂岩性、构造的精确成像，任何以牺牲保幅性、保真性及成像精 度等为代价来提高计算效率的偏移方法都不是好的选择，特别是在计算机技术日新月异的今 天。可喜的是高性能并行计算机的应用，特别是具有较高性能价格比，及在可靠性、可缩放性、 系统与软硬件维护等方面都有很大优势的Pc机集群系统”。1给这一领域带来广阔前景。从 bertin指出，集群式并行机进行波动方程三维叠前深度偏移的并行计算堪称石油工业界具有 开创性和革命性的技术”-。 波动方程叠前深度偏移的并行计算日前受到业界的广泛关注。国外，在油气勘探并行计 算方面研究较早，而国内起步较晚，但目前已受到重视。其中制约并行计算效率的负载均衡问 Vir- tual Mashine)并行环境分别对2D，3DKirchhoff叠前深度偏移实现了并行计算，王有新采用数 据并行来实现负载均衡”o。2001年，张文生认为启动并行运算后，应首先将任务尽量平均分 配给各个处理器以达到负载均衡”“。2002年，匡斌采用基于“任务缓冲池”的动态任务分配 来实现各节点负载的动态平衡”“。李克臣等2003年运用堆排序算法以动态分配各节点的计 算任务“…，但其策略使节点之间同步运算成为可能的优点在此却成为不小的缺憾，另外，堆排 序不仅增加了算法的时间开销，而且也增加了节点间数据的传递开销。总之，目前尽管许多学 者在这一领域做出了突出贡献，但在以下几方面仍存在一些问题：①主要设计平台为工作站， 而非Pc机集群；②动态负载均衡仍没有很好地解决；③容错处理没有或很少考虑到。 在此我们以Pc机集群为硬件平台，以Linux为操作系统，以移植性强、可扩展性好的MPI (Message Passing 深度偏移的并行程序设计。采用主从模式达到了各节点间的动态负载均衡，采用作业簿登记 与分析技术解决了容错处理。理论模型数据和实际地震资料测试结果表明，该并行程序运行 一158—— 稳定，偏移成像结果完全正确，并行效率很高。这非常利于波动方程叠前深度偏移技术大规模 的推广应用。 1方法原理 在叠前深度偏移成像算法并行性分析的基础上，针对PC机群的特性，着重考虑通讯开 销、计算与通讯的重叠程度、负载均衡及容错处理等关键问题，坚持相关数据共享、独立数据并 行、分而治之的原则，合理地选择并行粒度与并行模式进行并行程序设计，并采用了一些技术 手段以解决并行计算中一些问题。 1．1并行设计 波动方程叠前深度偏移成像时，在共炮域、共中心点域或共偏移距域里，采用分步傅里叶 播算子(GSP)等将波场向下延拓，在相应的成像点位置进行偏移成像。常规偏移成像的串行 算法如流程示意图1。在不同的域里进行波场外推时，各自的循环体如一个炮集、一个共偏移 距道集、一个共CDP道集或一个频率切片都是一个相对独立的作业，偏移成像时相互之间不 需要或很少需要数据交换，具有很强的并行性，很适合作为一个独立的并行作业。该作业在一 个节点上完成，粒度中等，通讯次数和通讯量均很小，而且负载均衡及容错处理容易解决。 图1叠前深度偏穆常规的串行算法流程示意图 考虑到