一种基于分布式异构平台的洪水淹没演进计算系统

摘要

本发明公开了一种基于分布式异构平台的洪水淹没演进计算系统，它包括：演进范围划分功能模块，其与建立河道断面数据功能模块电连接，建立河道断面数据功能模块与联合演进计算功能模块电连接，联合演进计算功能模块与演进结果输出功能模块电连接，解决了目前洪水淹没演进计算方法中，一二维模型联合演进结合困难，计算效率低下致使现实运用价值降低等问题。

说明书

技术领域

本发明属于防洪决策支持领域，尤其涉及一种基于分布式异构平台的洪水淹没演进计算技术。

背景技术

洪水淹没演进计算方法一直以来是防洪决策支持中的一个技术瓶颈，由于实现难度大，对防洪决策产生了严重的制约，加之现在气候环境的变化，极端天气出现频率明显增高，受到洪水威胁的地区不断扩大，对大众生命财产安全及国民经济与社会的发展都造成了严重影响，基于此建立一套行之有效的洪水演进方法，以提前规避洪水所带来的风险。洪水淹没演进的理论主要基于一维河道演进的圣维南模型以及根据圣维南模型扩展得到二维水流演进模型，通过DEM网格迭代运算，但在实现上存在两大难题：

1，一二维模型的结合困难

一维模型主要适用于河道或河网内部洪水的线性演进，对平面上复杂地形、水流方向存在夹角（在平面x、y方向的速度分量都不为0）的情况，一维模型很难解决，因此对洪水漫过岸边以后的演进情况，一维模型基本无能为力；二维模型正是对平面洪水演进最有效的方法，但由于河道中水流主要是线性演进，运用二维模型会放大河道横向速度对洪水的影响，致使传播速度明显延迟。加之河道运用二维模型会加大一定网格计算量，降低部分计算效率的同时，也造成了资源的浪费，因此仅运用二维模型的效果也不甚理想。

一、二维模型联合演进是解决上述问题最有效的手段。但一、二维模型如何衔接目前尚没有一个行之有效的方发，致使洪水演进中还未采用此类方法，

2、计算效率低下，致使现实运用价值降低。

由于洪水淹没演进是基于DEM网格迭代计算实现的，而且对精度要求也较高，所以计算的网格的单位尺寸不能太大，造成计算规模非常巨大，现在使用一台民用PC机要短时间内模拟一场完整的洪水演进过程，几乎是不可能的。根本不能满足防洪决策迅速、及时响应的要求。致使目前其巨大的应用价值无法得到体现。

发明内容

本发明要解决的技术问题：提供一种基于分布式异构平台的洪水淹没演进计算系统，以解决：目前洪水淹没演进计算方法中，一二维模型联合演进结合困难，计算效率低下致使现实运用价值降低等问题。

本发明技术方案：

一种基于分布式异构平台的洪水淹没演进计算系统，它包括：

演进范围划分功能模块，按照1:1万的DEM数据和洪水影响的预订区域，划定出网格的范围，与建立河道断面数据功能模块电连接；

建立河道断面数据功能模块，将划定区域内的河道划分为小断面，将DEM网格划分为河道内网格，河道边界网格及河道外网格，并根据各断面的位置将河道内网格与河道边界网格划归不同的断面，与联合演进计算功能模块电连接；

联合演进计算功能模块，根据演进范围划分功能模块和建立河道断面数据功能模块建立的数据模型，运用一维水流演进和二维水流演进进行数据计算，并实时交换数据信息，与演进结果输出功能模块电连接；

演进结果输出功能模块，将联合演进计算功能模块的计算结果，以动态帧的方式通过GIS系统输出呈现。

联合演进计算功能模块包括：

一维水流演进计算子功能模块，对河道进行一维水流演进计算，计算出河道上网格断面的水位及流量，并将断面的水位与流量转换为河道内网格与河道边界网格的水位及x，y方向上的速度，与二维水流演进计算子功能模块电连接；

二维水流演进计算子功能模块，将河道边缘的网格与河道外已被淹没的网格组合在一起进行二维水流演进计算，每次演进完成，利用水量平衡公式对网格进行修正，使每个网格的水量平衡。

联合演进计算功能模块的计算处理通过GPU与CPU组成的异构计算平台，对每个网格处理划归为一个阵列单元，采用阵列计算，进行并行化处理。

联合演进计算功能模块的计算处理通过分布式网络系统进行。

本发明有益效果：

本发明利用演进范围划分功能模块根基国家测绘局给定的1:1万DEM数据(地理高程数据)，及洪水可能影响的区域，划定出网格的范围，利用建立河道断面数据功能模块，将划定的网格范围河道分为若干个断面，将DEM网格划分为河道内网格，河道边界网格及河道外网格，并根据各断面的位置将河道内网格与河道边界网格划归不同的断面，利用联合演进计算功能模块中的一维水流演进计算子功能模块和二维水流演进计算子功能模块，根据建立的数据模型，首先对河道进行一维水流演进，计算出河道上网格断面的水位及流量，通过水位与网格的高程比较，通过网格过水面积，将流量转为流速，再根据断面方向，，将速度分解到x、y方向，然后将河道边缘的网格与河道外已被淹没网格和在一起进行二维水流演进，每次演进完成，利用水量平衡公式对网格进行修正，确保每个网格的水量平衡，最后，依据河道边缘网格的水位变化，调整所属断面的水位，并将其在二维演进前后水量的变化量以侧流量的形式加入到下一时段的一维演进中。这样就完成了一次一、二维模型的数据交换，很好的解决了二者综合运用的问题。通过以上步骤的反复迭代，即可得到一场完整的洪水演进过程，解决了一维运算和二维运算联合演进的结合问题，关于网格多，数据计算量大的问题，利用通过GPU与CPU组成的异构计算平台，对每个网格处理划归为一个阵列单元，采用阵列计算进行并行化处理，计算效率通常可达到单CPU处理效率的2~3倍，大大提升了单机处理洪水演进的能力，采用分布式网络结构，网络规模比较灵活且便于控制。一次性分发任务，最大限度降低了通信所带来的效率损耗，对硬件要求不苛刻，实现起来相对容易；解决了目前洪水淹没演进计算方法中，一二维模型联合演进结合困难，计算效率低下致使现实运用价值降低等问题。

附图说明：             

图1为本发明功能模块组成框图；

图2为本发明联合演进计算功能模块组成框图。

具体实施方式

一种基于分布式异构平台的洪水淹没演进计算系统，它包括（见图1）：

演进范围划分功能模块，按照国家测绘局给定的1:1万的DEM数据和洪水影响的预订区域，划定出网格的范围，与建立河道断面数据功能模块通过数据调用函数连接；

建立河道断面数据功能模块，将划定区域内的河道划分为小断面，将DEM网格划分为河道内网格，河道边界网格及河道外网格，并根据各断面的位置将河道内网格与河道边界网格划归不同的断面，与联合演进计算功能模块通过数据调用函数连接，将划定区域内的河道划分为若干个断面，为保证计算精度，断面的间距不宜太大，一般以200米左右设置一断面为宜，但通常河道断面数据不会如此详尽，在间距较大的实测断面之间，采用虚设断面的方法，运用数值插值方法，并结合DEM数据，获取虚设断面数据。断面划分完成后。将DEM网格划分为河道内网格，河道边界网格及河道外网格，并根据各断面的位置将河道内网格与河道边界网格划归不同的断面。

联合演进计算功能模块，根据演进范围划分功能模块和建立河道断面数据功能模块建立的数据模型，运用一维水流演进和二维水流演进进行数据计算，并实时交换数据信息，与演进结果输出功能模块通过数据调用函数连接。

联合演进计算功能模块包括（见图2）：

一维水流演进计算子功能模块，对河道进行一维水流演进计算，计算出河道上网格断面的水位及流量，编制程序根据水位与网格的高度比较，根据网格过水面积，将流量转为流速，再根据断面方向和与坐标的角度关系，将速度分解到x、y方向,并将断面的水位与流量转换为河道内网格与河道边界网格的水位及x，y方向上的速度，与二维水流演进计算子功能模块通过数据调用函数连接；二维水流演进计算子功能模块，将河道边缘的网格与河道外已被淹没的网格组合在一起进行二维水流演进计算，每次演进完成，利用水量平衡公式对网格进行修正，使每个网格的水量平衡，最后，依据河道边缘网格的水位变化，调整所属断面的水位，并将其在二维演进前后水量的变化量以侧流量的形式加入到下一时段的一维演进中，这样就完成了一次一、二维模型的数据交换，很好的解决了二者综合运用的问题。通过以上步骤的反复迭代，即可得到一场完整的洪水演进过程。

联合演进计算功能模块的计算处理通过GPU与CPU组成的异构计算平台，对每个网格处理划归为一个阵列单元，采用阵列计算，进行并行化处理，根据洪水演进模型的特征，无论是一维模型的断面计算，还是二维模型的网格计算，每个单元(断面或网格)计算仅与他相邻单元上一时段的结果有关，因此对同一时段的所有单元计算采用并行化同时处理的方法是可行的，利用GPU的阵列式计算在并行化浮点计算上的强大处理能力。将GPU作为计算资源，与CPU组成异构计算平台，对网格或断面进行计算处理，在CPU中采用多线程机制实现并行化，针对GPU在内架构上的特殊形式，对每个网格处理划归为一个阵列单元，采用阵列计算，进行并行化处理。对整个异构平台的控制在CPU上完成。包括计算任务分配与数据汇总。通过以上的处理方法。计算效率通常可达到单CPU处理效率的2~3倍，大大提升了单机处理洪水演进的能力。

联合演进计算功能模块的计算处理通过分布式网络系统进行, 分布式采用星型——总线型逻辑结构，由一台主机作为控制中心控制整个计算过程，该主机不承担任何计算任务,由控制中心搜可调度参与计算的终端机，根据可调度的终端规模将淹没区域网格划分成若干个小区域，分发给参与计算的终端。并将记录每台机器所分发到网格的索引表也一并分发给各终端。各终端根据所分配到的网格采用异构平台的模式进行计算，对于区域边界的计算则根据控制中心所派发的索引表，直接与相邻网格的计算终端通信交换数据，以降低与控制中心频繁通信对处理效率的影响，计算结果则由控制中心整体回收、汇总，完成洪水淹没演进过程，该方法的优点在于，网络规模比较灵活且便于控制。一次性分发任务，最大限度降低了通信所带来的效率损耗，对硬件要求不苛刻，实现起来相对容易。

演进结果输出功能模块，将联合演进计算功能模块的计算结果，以动态帧的方式通过GIS系统输出呈现，呈现方式可采用结合GIS系统在电脑屏幕上实时显示或通过打印机打印。