臨界加速地震矩釋放模型的網(wǎng)格計(jì)算＊

黃建平 胡 彬

1)中國地震局地震預(yù)測研究所,北京 100036

2)中國地震臺網(wǎng)中心,北京 100045

臨界加速地震矩釋放模型的網(wǎng)格計(jì)算＊

黃建平1)胡 彬2)

1)中國地震局地震預(yù)測研究所,北京 100036

2)中國地震臺網(wǎng)中心,北京 100045

根據(jù)臨界加速地震矩釋放模型的基本原理,根據(jù)研究目的的不同,采取兩種不同的方式進(jìn)行基于網(wǎng)格的并行處理,即按時(shí)間分解和按空間分解。如果要根據(jù)歷史地震目錄資料預(yù)測某地區(qū)未來的地震活動,可以采用空間分解的方式;如果要根據(jù)某地區(qū)歷史上特定時(shí)間段的地震活動情況來檢驗(yàn)地震加速破裂模型,則可以采用時(shí)間分解的方式。最終,能夠在同樣計(jì)算精確度下縮短計(jì)算時(shí)間或者是同樣計(jì)算時(shí)間下取得更大的計(jì)算精確度。

臨界加速地震矩釋放模型;網(wǎng)格計(jì)算;Globus

引言

地震科學(xué)作為一門以觀測和實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科,從19世紀(jì)開始,不斷累積了海量觀測數(shù)據(jù)。與此同時(shí),地震學(xué)研究中也引入了越來越復(fù)雜的算法和模型[1-6]。這樣,人們不得不面臨這樣一個(gè)問題:如果以現(xiàn)有的計(jì)算方式進(jìn)行關(guān)于地震的科學(xué)計(jì)算和地震過程的模擬,就不得不花越來越長的時(shí)間和投入更多的精力。但是,網(wǎng)格技術(shù)的出現(xiàn),使人們通過網(wǎng)格技術(shù),可以充分利用各種計(jì)算資源,并將這些資源轉(zhuǎn)化為隨處可得的、可靠的、標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù),同時(shí)還得到經(jīng)濟(jì)的計(jì)算和處理能力。這里所謂的計(jì)算資源包括網(wǎng)絡(luò)通信能力、數(shù)據(jù)資料、儀器設(shè)備等各種資源。

目前,國內(nèi)外已有許多大中型的應(yīng)用網(wǎng)格計(jì)算的項(xiàng)目[7]。應(yīng)用網(wǎng)格技術(shù)使海量的地震觀測數(shù)據(jù)處理和復(fù)雜模型運(yùn)算得以實(shí)現(xiàn),從而將使得地震研究方式和方法發(fā)生革命性變革。

2003年6月,在國家發(fā)展和改革委員會的資助下,中國地震局和中國航天二院聯(lián)合構(gòu)建“中國地震減災(zāi)仿真網(wǎng)格試驗(yàn)系統(tǒng)CEDASGrid(ChinaEarthquakeDisaster AlleviationandSimulationGrid)”,系統(tǒng)研究網(wǎng)格技術(shù)及其在地震減災(zāi)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用[8]。本項(xiàng)目的目標(biāo)是利用現(xiàn)代網(wǎng)格技術(shù)和現(xiàn)代數(shù)字地震觀測技術(shù),通過對網(wǎng)格關(guān)鍵技術(shù)的研究和開發(fā),檢驗(yàn)網(wǎng)格技術(shù)解決地震問題的技術(shù)可行性,驗(yàn)證地震仿真網(wǎng)格技術(shù)對提高首都圈地區(qū)觀測資料的分析處理能力、綜合信息顯示能力和分析預(yù)報(bào)能力,實(shí)現(xiàn)對地震震情準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)測和災(zāi)情仿真的重要作用,為全國的地震仿真網(wǎng)格系統(tǒng)項(xiàng)目的提出和論證提供依據(jù)。

這里介紹的是該項(xiàng)目下的一個(gè)地震預(yù)報(bào)模型,即臨界地震矩加速釋放模型的網(wǎng)格計(jì)算的實(shí)現(xiàn)。

1 模型的分解

建立網(wǎng)格計(jì)算的目標(biāo)是把分散在各地的大型計(jì)算機(jī)資源利用網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)格中間件連接起來,構(gòu)成一個(gè)虛擬的超大型計(jì)算機(jī),獲得前所未有的處理能力,從而解決更為復(fù)雜的科學(xué)計(jì)算問題。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo),必須將計(jì)算模型按照某種方式分解。常用的分解方式包括:

(1)按步驟分解。某些科學(xué)計(jì)算由一系列處理序列組成,可以將處理序列分解到網(wǎng)格上不同的計(jì)算節(jié)點(diǎn)上,各個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)處理完成后的結(jié)果匯集到計(jì)算管理節(jié)點(diǎn)進(jìn)行最終的合成處理。例如,地震觀測臺站獲得地震相關(guān)數(shù)據(jù),并實(shí)時(shí)地將數(shù)據(jù)不斷地送到本地分析預(yù)報(bào)中心進(jìn)行預(yù)處理,然后再送到國家地震局分析預(yù)報(bào)中心進(jìn)行處理。

(2)按功能分解。某些科學(xué)計(jì)算任務(wù)能夠分解成相互獨(dú)立的不同功能單元。例如,全球氣候模型可以分解為大氣模型和海洋模型,不同的功能單元可以分別在不同的大型計(jì)算機(jī)上處理,計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸不是很頻繁。

(3)按數(shù)據(jù)分解。有很多科學(xué)計(jì)算(仿真)任務(wù)的數(shù)據(jù)量很大,可以把不同數(shù)據(jù)塊按其數(shù)據(jù)相關(guān)性的強(qiáng)弱分解到不同的計(jì)算機(jī)上處理。例如,模擬一個(gè)艦隊(duì)的戰(zhàn)爭態(tài)勢,雖然理論上艦隊(duì)所有軍艦戰(zhàn)斗單位(動力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和武器系統(tǒng)等)之間的行為是相關(guān)的,但是在絕大多數(shù)情況下,相同軍艦戰(zhàn)斗單位之間的行為相關(guān)性比不同軍艦戰(zhàn)斗單位之間的行為相關(guān)性要強(qiáng)。因此,可按其數(shù)據(jù)相關(guān)性的強(qiáng)弱進(jìn)行分解,每條軍艦在一個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上仿真。

但并不是所有的科學(xué)計(jì)算問題都能按照上述方式進(jìn)行分解。另外,即使能夠被分解,在下述情況下,也不太適合用網(wǎng)格計(jì)算:

(1)科學(xué)計(jì)算問題可以分解成多個(gè)步驟,但是每個(gè)步驟只處理一次;

(2)科學(xué)計(jì)算問題需要多個(gè)功能組件,但功能組件之間密切關(guān)聯(lián);

(3)科學(xué)計(jì)算問題需要處理大量的數(shù)據(jù),但數(shù)據(jù)之間的全局相關(guān)性很強(qiáng)。

本文介紹“松散型”科學(xué)計(jì)算問題,它是指其串行計(jì)算中至少存在一個(gè)模塊可以分解為多個(gè)彼此相對獨(dú)立的子模塊,如圖1所示。

圖1 “松散型”科學(xué)計(jì)算問題特征示意圖

在圖1所示的“松散型”科學(xué)計(jì)算問題實(shí)例中,一個(gè)串行模塊C被進(jìn)一步分解為C1、C2和C3等多個(gè)彼此獨(dú)立的子模塊。

2 流程設(shè)計(jì)

下面是地震加速釋放模型的計(jì)算流程:

(1)選定一個(gè)較大的區(qū)域,并將它網(wǎng)格化。對于網(wǎng)格中每一個(gè)節(jié)點(diǎn),我們都可以認(rèn)為是未來強(qiáng)震發(fā)生的位置。

(2)根據(jù)地震目錄提供的資料,用timeto-failture公式對累積地震矩進(jìn)行擬合;

(3)根據(jù)冪函數(shù)與直線擬合誤差的比值來確定震源區(qū)的尺度;

(4)根據(jù)(3),對每一個(gè)節(jié)點(diǎn)尋找其最佳震源區(qū)尺度(一般使用圓的半徑表示);

(5)根據(jù)LogR∝0.5M,從而確定未來地震的震級;

(6)多數(shù)震源區(qū)(用圓表示)相重疊的地方往往是未來該區(qū)域發(fā)生強(qiáng)震的地方。

根據(jù)上面的地震加速釋放模型計(jì)算流程,按照研究目的的不同,可以采取兩種不同的方式進(jìn)行基于網(wǎng)格計(jì)算的并行處理,即按時(shí)間分解和按空間分解。如果要根據(jù)歷史地震目錄資料預(yù)測某地區(qū)未來的地震活動,可以采用空間分解的方式,能夠在同樣計(jì)算精確度下縮短計(jì)算時(shí)間或者是在同樣計(jì)算時(shí)間下取得更大的計(jì)算精確度,在用地震加速模型分析全中國的地震活動情況時(shí)就使用了空間分解的方式,把全中國分成了6個(gè)大區(qū)進(jìn)行處理。如果要根據(jù)某地區(qū)歷史上特定時(shí)間段的地震活動情況來檢驗(yàn)地震加速破裂模型,則可以采用時(shí)間分解的方式,把特定時(shí)間段劃分成幾個(gè)地震加速期進(jìn)行處理,同樣可以達(dá)到縮短計(jì)算時(shí)間、提高計(jì)算精確度的效果。圖2是基于時(shí)間的地震加速釋放計(jì)算模型并發(fā)處理的流程圖。

圖2 加速釋放模型并發(fā)流程圖

在上圖中,第5步可以分解為多個(gè)沒有數(shù)據(jù)交互的并行計(jì)算單元,所以該問題屬于“松散型”科學(xué)計(jì)算問題,適合在上面設(shè)計(jì)和開發(fā)的網(wǎng)格計(jì)算平臺上運(yùn)行。

3 南天山地區(qū)的運(yùn)行實(shí)例

我國的南天山地區(qū)自有記錄以來,本地區(qū)地震活動的水平一直處于頻度與震級都很高的狀態(tài)。這為我們研究和檢驗(yàn)地震加速破裂模型提供了一個(gè)寶貴的實(shí)例。基于網(wǎng)格技術(shù)的南天山地震加速釋放模型計(jì)算頁面流程如圖3。

4 串行計(jì)算與網(wǎng)格計(jì)算的效率比較

圖3 計(jì)算頁面流程

在1臺PentiumIII1GPC單機(jī)上,上面實(shí)例采用串行計(jì)算的方式進(jìn)行處理,運(yùn)行時(shí)間大約為6min;在3臺PentiumIII1GPC組成的網(wǎng)格計(jì)算系統(tǒng)上,采用Globus網(wǎng)格中間件,對實(shí)例進(jìn)行處理,所有網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)都參與了模型的處理,按照模型的分解方法和程序的算法,中間件根據(jù)網(wǎng)格實(shí)際運(yùn)行狀況選擇其中1臺網(wǎng)格計(jì)算節(jié)點(diǎn)(資源)作為地震加速釋放計(jì)算的預(yù)處理節(jié)點(diǎn),將另兩臺網(wǎng)格計(jì)算節(jié)點(diǎn)作為并行計(jì)算節(jié)點(diǎn),Globus中間件管理所有加入網(wǎng)格的計(jì)算就資源,整個(gè)處理過程對用戶是透明的。上面實(shí)例采用網(wǎng)格計(jì)算方式處理運(yùn)行時(shí)間大約為3min。加速釋放計(jì)算本身越復(fù)雜,網(wǎng)格的計(jì)算資源就越豐富,網(wǎng)格計(jì)算的執(zhí)行效率會體現(xiàn)得越明顯。

(作者電子信箱,黃建平:huangjianping@seis.ac.cn)

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Grid computation of the CAMR model

Huang Jianping1),Hu Bin2)

1)Institute of Earthquake Science,CEA,Beijing100036,China

2)China Earthquake Networks Center,Beijing100045,China

Based on the CAMR model,two kinds of method are used in grid computation with different purposes,by time decomposition and by space decomposition.The space decomposition would be used if the historic catalogue is used to predict the regional seismicity.And the time decomposition method would betaken to test the CAMR model based on the selected seismicity in certain time interval.Finally,the time in computation could be shortened with same precision or the more precision could be achieved within the same computation time.

CAMR model;grid computation;globus

P315;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2011.07.008

2010-07-13;

2010-08-21。

中國地震局地震預(yù)測研究所基本科研業(yè)務(wù)項(xiàng)目0207690236和自然基金項(xiàng)目40574020。