基于灰色理论的故障案例检索算法

基于灰色理论的故障案例检索算法 基于灰色理论的故障案例检索算法 第34卷 1.34 第9期 No.9 计算机工程 ComputerEngineering 2008年5月 May2008 ?开发研究与设计技术?文章编号:1oo_3428(2oo8)o9.-_0281—_02文献标识码.A中图分类号:TP391.41 基于MPI的层状地层并行可视化技术 陈鹏,.,任波,郭振岗,王乘 (1.华中科技大学数字化工程与仿真中心,武汉430074;2.三峡大学电气信息学院,宜昌443002) 摘要:为了提高层状地层的可视化绘制速度,结合地质探勘数据的特点,基于MPI开发地层的并行可视化程序,并采用Kriging方法对 多个地层的数据进行并行插值计算.利用多台PC机搭建Windows2000操作系统下的并行计算环境,计算时间统计数据对比表明并行计算 方法能有效地节省计算时间. 关键词:层状地层;并行计算;可视化;消息传递接口 ParallelVisualizationofStratifiedStratumBasedonMPI CHENPeng,liENBo,GUOZhen.gang,WANGCheng (1.DigitalEngineeringandSimulationCenve,HuazhongUniversityofScience&Tech nology,Wuhan430074; 2.CollegeofElectricalEngineering&InformationTechnology,ChinaThreeGorgesU niversity,Yichang443002) [Abstract]Inordertoimprovethespeedofvisualizationofs~atifiedstratum,theparallelvisua liZationprogrambasedonMPIisprovided accordingtothecharacterofthegeologicalexplorationdata,andtheKrigingmethodisadopte dtoimplementtheinterpolationcomputingofthe stratums.ThecomputingenvironmentisestablishedusingPCswithWindows2000OS,andt hestatisticdatashowthattheparallelprogramCansave thecomputingtimeefficiently. [Keywords]stratifiedstratum;parallelcomputing;visualization;MessagePassingInterfac e(MPI) 科学计算可视化技术为地质工作者在三维空间中观察, 分析地质现象及其分布提供一种有效的研究手段.现有的可 视化技术主要基于传统的单处理器模式来开发三维地质体的 可视化系统,存在计算和绘制时间过长的缺点,因此需要寻 求一种新的计算模式来实现复杂地层的快速建模和绘制.利 用并行体系结构对大规模地层勘探数据进行计算处理及可视 化绘制成为可视化领域一个非常有效的方法.目前,消息传 递接VI(MessagePassingInterface,MPI)已成为国际上并行程 序设计中消息传递的标准J,本文基于MPI标准平台,在集 群并行环境中探讨并实现了一种适用于多层地层三维可视化 的并行算法,根据某煤矿的钻孔数据并采用Kriging插值算 法实现了层状地层的数据建模,并给出了算法的性能测试分 析结果. 1层状地层可视化与Kriging插值方法 三维地质体的可视化包括三维地质数据建模和三维数据 显示2个方面,一般是首先选择合适的插值方法形成一系列 连续变化的面或层,然后,根据这些面或层的垂向叠置关系, 来依次叠加这些面或层,最后形成基于面或基于体的地层模 型.在地质勘探过程中,通常在一定区域内按照一定的原 则选定一系列钻孔点进行钻孔取样,然后对土样分析描述形 成柱状图,柱状图 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 地下每个钻孔对应的各岩层的深度, 厚度,位置和岩性信息.这些钻孔数据是一系列离散的,稀 疏的,空间上分布不均匀的数据,需通过插值技术形成完整 的地质体空间数据. Kriging插值方法是对空间分布的数据求线性最优,无偏 内插估计一种方法.它的核心技术就用半变异函数模型代 表空间中随距离变化的函数,在无偏估计与最小估计变异数 的条件下,决定各采样点的权重系数,最后以各采样点与已 求得的权重线性组合求解空间任意点的内插估计值.Kriging 插值方法应用于层状地层的可视化绘制时,将每层的岩层表 面深度z(x,),)看成是区域化变量,,),)是钻孔的二维坐标. Kriging插值方法对各地层界面进行插值拟合,形成各地层 界面在统一规则网格下的数据,从而形成一个描述地层的多 层空间数据场;通过算法处理获得地层上,下层面数据后, 利用地层中层面和层厚描述地层拓扑关系,形成一个完整的 三维地层模型. 文献[4】基于PVM(ParallelVirtualMachine)对Kriging并 行算法开展了研究,讨论了Kriging插值法中适合运用并行 设计的子程序的可能性,在采样点的权重系数求解过程中引 入并行算法,实验测试表明并行Kriging算法能提高插值计 算速度.本文并不打算从Kriging算法的并行设计上来实现 层状地层的可视化计算,而是根据层状地层可视化绘制中存 在的天然并行特点来考虑其并行设计与实现. 2基于层的离散数据并行插值方法 在传统的基于单处理器的层状地层绘制过程中,程序是 依次对每层的数据进行插值计算,然后叠加层形成基于面或 体的地层模型.引入并行程序设计的思想时,可以考虑2种 并行策略:(1)插值算法的并行程序设计,如文献[4】所述开发 并行Kriging插值算法用于数据的插值计算,属于细粒度的 并行程序设计,由于受到通信开销的影响,这种并行插值算 法的效率较低;(2)以地层的层面为单位,利用相同的Kriging 作者简介:陈鹏(1973--),男,高级工程师,博士研究生,主研方 向:系统优化,科学计算可视化;任波,副教授,博士;郭振岗, 硕士研究生;王乘,教授,博士,博士生导师 收稿日期:2007—05—23E—mail:febird@eyou.com , 28l一 方法分别对每层的数据进行插值计算,然后合并数据形成地 层模型.本文主要研究基于第2种策略的算法,这种方式是 一 种粗粒度的并行计算,能减少计算过程中的通信开销.层 状地层的并行可视化计算过程如图1所示. 图1并行地层数据播值流程 概括起来可以分为以下步骤: (1)MPI初始化; (2)按层为单位为每个CPU分配基于钻孔的离散数据; (3)各个处理器利用Kriging插值算法获取统一规则网格 数据; (4)向特定CPU传送数据; (5)由特定CPU合并处理数据后绘制图形. 使用MPI可以很方便地实现处理器间的通信,本文是通 过使用集成到C中的MPICH一1.2.7库来实现处理器间的通 信.为了确保通信正确,MPI系统必须用下面的形式初始化: /*MPI程序的初始化, MPI_Init(&argc,&argv); 得到当前时间,用于计算时间的统计, starttime=MPI_Wtime(); 得到当前的进程ID/ MPI—Commrank(MPI— COMM_ WORLD,&rank); 得到进程总数/ MPI—. Comm—.size(MPI_COMM_WORLD,&size); 得到机器名, MPI—.Get_processor_name(processor_name,&namelen); 接下来为每个CPU按层为单位分配数据,各个CPU采 用Kriging方法进行数据插值计算.由于计算任务被多个CPU 分担,因此计算总时间被大大缩短.在MPI程序中,各个处 理器一般通过标准通信模式MPI.Send()和MPI.Recv0来进 行信息的传递当各个处理器计算完毕后,其他的处理器将 计算结果发送给0号CPU,而0号CPU接收其他处理器的 计算结果并最终完成绘制任务. 3算法测试及性能分析 以河南省某煤矿的地质勘探数据(柱状图)为基础,分别 采用串行计算和并行计算方法实现层状地层的可视化,并记 录各种条件下的计算时间,对并行算法的性能进行比较. 为了对该煤矿的地下岩层分布尤其是煤层的分布情况开 展研究获取了建矿前期的地质勘探柱状图数据.选用分布 均匀的40个钻孔的柱状图的数据并合并部分岩层,重点研究 了开采过程中的煤层及其上下2层共5个地层的地层分布情 282一 况.柱状图的数据经过处理后得到离散地层信息文件(.txt文 件),数据项为地层层号(0—6),钻孔编号(oo?40),水平地理坐 标,y),z(地层上表面标高). 在Windows2000操作系统下,选用Pc集群系统作为测 试对象,系统主要参数为:2个节点,每个节点2.4GHzCPU, 512MB内存,100Mb/s网卡,?1000Mb/s交换机. 采用普通Kriging算法【3】,变异函数模型采用球状模型, 算法中规则网格的大小按照研究区域地层边长的1/100来确 定,即把研究区域的每层划分100~100个网格,并考虑断层 的影响;地层绘制结果如图2所示,绘制的地层图形符合该 区域具有大断层,缓倾斜的地质特点. 豳2考虑断层的层状地层楱基展示图 并行和串行计算的用时情况如表1所示,从表中可以看 出图形绘制时间在整个地层可视化过程中所占的时间比例很 小,影响绘制时间的主要是数据的插值过程;这也说明对数 据的插值处理进行并行设计是提高可视化速度的途径.表1 的结果表明,在开发地层可视化程序时,并行处理可以节省 大量的时间.在测试系统性中,需要对5个地层共6个层面 的数据进行插值计算,在使用2个CPU进行并行计算时,每 个CPU将处理3个层面的数据;由于CPU之间的通信和数 据传送需要耗费时间,该并行算法的加速比为1.849,其计算 时间节省率达到43.39%.在保证任务分配平衡的情况下,当 采用3个或6个节点实现并行计算时,计算及绘制用时分别 为41.661S和21.463S,加速比分别为2.861和5.553,总体 来看该并行算法呈线性加速. 表12种算法在层状地层绘割中的计算时阎 4结束语 为实现层状地层的快速三维体绘制,本文以地层探勘数 据为计算对象引入并行可视化算法.在Windows2000操作系 统下采用MPI实现了适用于多台计算机组成的Windows局 域网的并行绘制,并给出了在2合计算机上计算的数值结果, 统计数据表明了该方法的有效性. 参考文献 [1]李培军.层状地质体的三维模拟与可视化fJ].地学前缘,2000, 8f71:271-277. [2]JonesTA.ModelingGeologyinThreeDimensions[J].Geobyte, 1988,3(1):14?20. [3]王家华,周叶,高海余.克里金地质绘图技术[M].北京:石油 工业出版社,1999. [4]GebhardtA.PVMKfigingwithR[C]//Proc.ofthe3rdInternational WorkshoponDistributedStatisticalComputing.Vienna,Austria: [s.n.],2003.