地震处理多核异构并行计算通用框架研究

新的地震采集方式可每天产生30TB的巨大数据,迫切需要并行计算技术支撑资料处理,而并行模式的复杂化(如MPI、OpenMP和CUDA等)导致程序设计的复杂化,尤其当系统软硬件资源变化时,必须反复修改源程序。为简化复杂的地震并行软件开发,提升地震处理并行效率,本文在分析各种并行模式的基础上,建立了一整套地震处理多核异构并行计算通用框架,将各种并行模式相结合,充分发挥各自的优势,实现地震处理软件的多核异构并行模式自动匹配,提高了地震处理软件在多核异构环境下开发的可行性和并行效率。基于该框架研发的GPU炮域波动方程叠前深度偏移软件,与CPU串行算法相比,计算精度等同,但并行效率提高20倍以上,且随GPU节点增多呈线性增长趋势。     

基于CPU+GPU联合计算真地表叠前时间偏移实用化研究

为了提高起伏地表条件下的基尔霍夫叠前时间偏移算法的计算效率,针对CPU+GPU异构计算平台开展了算法移植与优化研究。首先分析了起伏地表条件下提高偏移成像精度的反假频、弯曲射线旅行时计算以及真地表旅行时校正的处理方法,然后在对算法的并行计算特征进行分析的基础上,针对CPU+GPU异构平台的算法移植进行了多级并行联合计算架构的设计,通过炮检距域的多进程数据域并行、地震数据I/O与偏移计算的异步并行、基于CUDA的超大规模线程成像域并行以及联合CPU计算的多线程成像域并行技术对算法进行了移植及优化。利用大规模测试数据集进行了计算效率测试,测试结果验证了多级并行联合计算架构以及分别针对CPU和GPU平台的算法优化技术能够极大地提高偏移处理效率。     

海量地震数据叠前逆时偏移的多GPU联合并行计算策略

叠前逆时深度偏移(Pre-stack Reverse-time Depth Migration,RTM)是一种全波场成像方法。由于其实现过程存在着存储量、计算量庞大以及成像噪声等问题,难以适应实际生产的需求,使得该方法一直没有在工业界得到广泛的应用。采用震源波场重构的策略降低了存储需求;针对其计算量巨大的问题,利用了图形处理器(Graphic Processing Unit,GPU)进行并行计算,并与中央处理器(Central Processing Unit,CPU)结合实现协同并行处理;同时采用GPU多卡联合策略解决GPU显存不足的瓶颈。实际资料试验处理结果表明,上述技术措施能够在保证RTM高精度成像优势的基础上极大地提高计算效率,为应用RTM处理海量地震数据提供了良好的技术支持。     

CPU与GPU协同并行的多分量地震数据各向异性叠前时间偏移

地震勘探工区规模的日益庞大,造成多分量地震数据的各向异性叠前时间偏移算法耗时巨大。目前常用CPU集群方式并行加速该类算法,而集群方法必将导致节点间通信时耗增大;同时受限于CPU结构特点,只能通过扩大集群规模提高加速比。针对上述问题,提出一种基于CPU与GPU协同并行的多分量地震数据各向异性叠前时间偏移算法,利用OpenMP和CUDA实现CPU与多个GPU的协同并行,使用内存映射方法降低I/O耗费;并根据CPU与GPU的结构特点优化地震数据及速度数据的读取和存储方式,分割成像空间以节省算法内存消耗,每次只计算与开启的GPU个数相同条数的主测线,主测线内部采用一个GPU线程对应一道地震数据的偏移计算方法,以充分利用GPU计算能力。应用约29G的实际工区多分量地震数据分别比较不同个数GPU协同CPU并行的加速比,得知使用6个GPU协同CPU对实际纵波及转换波数据进行并行偏移处理时,加速比分别达到444和449。     

基于CPU/GPU异构平台的全波形反演及其实用化分析

全波形反演(Full Waveform Inversion,FWI)在理论上是当前精度最高的速度估计方法。通过分析FWI的计算特点,使用图形处理器(Graphic Processing Unit,简称GPU)进行算法加速,形成了基于CPU/GPU异构平台的时空域声波方程全波形反演算法实现流程。理论模型测试结果表明,该算法不仅对速度模型具有高精度刻画能力,而且计算效率比基于CPU集群的FWI算法大幅提升。对胜利探区某陆上区块实际地震资料进行全波形速度反演试处理,取得了初步的应用效果。在此基础上,讨论了FWI对实际地震资料质量的要求,就FWI在陆上地震资料的生产性应用提出了相应的策略。     

GeoEast积分法叠前深度偏移处理技术

为了适应高性能硬件资源对地震成像技术的挑战,并满足百TB级宽方位高密度地震数据的深度域叠前成像需求,本文深刻分析了积分法深度域叠前成像技术的技术瓶颈,突破了多维多任务拆分、动态异步任务调度、数据重复访问导致的I/O瓶颈、CPU/GPU异构硬件协同计算等瓶颈技术。提出了一套高效的叠前成像方法和策略,研发了混合域并行、千节点异构并行框架、CPU+GPU高性能协同计算、动态任务调度、高效高压缩比旅行时表压缩、OVT域叠前成像和Q叠前成像等技术,形成了GeoEast积分法叠前深度偏移软件。该软件具备起伏地表、TTI各向异性、OVT分方位偏移、Q偏移、OBN数据的双基准面偏移和镜像偏移等功能;可输出炮检距道集、反射角度道集或构造倾角道集;具备CPU/GPU大规模并行和断点保护、异常节点自动处理等能力,计算效率业界领先,在256及以上节点并行,其加速比接近线性。     

CPU+GPU异构系统在油田地震勘探领域的应用

油田地震勘探数据处理偏移成为准确成像的重要手段,而基于全三维波动方程的逆时偏移成为偏移的主流技术,相应带来对高性能计算的巨大需求,青海油田勘探开发研究院引进基于CPU+GPU异构系统运行GeoEast-Lightning逆时叠前深度偏移软件,以满足油气勘探复杂程度对巨大的计算量和地震成像技术的需求。     

基于GPU计算平台实现三维输出道方式的共反射面元(3D-CRS-OIS)叠加

输出道方式的共反射面元叠加(CRS-OIS)是对传统CRS叠加成像方法的重要改进。本文将3D-CRS-OIS方法应用于GPU计算平台,利用GPU大规模线程级并行计算架构,实现了基于GPU/CPU计算平台的稳健算法。该算法利用GPU存储带宽高、多寄存器和多处理器的结构特点,将3D-CRS-OIS的主要计算负荷——属性搜索转移至GPU端执行,从而大幅度提高了计算效率。理论与实际数据试算表明,基于GPU/CPU平台可以显著提高加速比,进一步拓展了3D-CRS-OIS算法的应用价值。     

物探专利名称选登

专利名称：地震资料处理的炮道集波动方程叠前深度偏移并行计算方法；专利名称：一种高精度的深度域叠前地震数据反演方法；专利名称：基于系统辨识提高地震资料分辨率的方法；专利名称：一种三维地震偏移成像的定点分解方法；专利名称：一种可控震源拆分振次激发方法.     

单程波动方程叠前深度偏移并行计算与应用

利用单程波动方程炮道集叠前深度偏移方法,建立了相关叠前深度偏移处理流程;在研究地震资料海量数据管理特点和波场外推算子并行算法的基础上,提出了主从模式动态负载平衡并行算法;研究了大规模地震数据并行计算的断点恢复技术,实现了软件级的断点恢复策略。应用自主研究开发的地震叠前成像软件系统对胜利油田BS6探区160km2的三维实际资料进行的生产性处理取得了较好的效果。     

计算机集群地震交互成像软件技术——概念、系统结构、设计模式及Internet交互处理

介绍了下一代地震交互成像软件中的交互电影、交互聚焦和交互解构概念，讨论了计算机集群地震交互成像软件系统的主要组成部分：地震道管理程序、并行计算引擎、图形显示管理程序、运行监控与参数数据库管理程序，以及基于窗口的交互用户界面。探讨了有关Observer设计模式和Strategy设计模式的应用，以及如何在Internet环境下实现地震成像计算。     

异构计算环境下的三维Kirchhoff叠前深度偏移混合域并行算法

三维Kirchhoff叠前深度偏移（KPSDM）面对数据量的不断增长以及可编程图形处理器（GPU）的引入,传统的并行策略已经不再适合当前的超大规模异构集群的体系架构。本文提出了一种新的混合域KPSDM并行算法,从成像空间、输入数据两个维度对偏移任务进行拆分,消除了任务之间的依赖性。为了应对异构计算环境,将核心计算部分移植到GPU上,并实现了“动态异步”的任务调度策略,保证了负载均衡;对于KPSDM执行过程中重复访问地震数据与旅行时场带来的巨大I/O开销,利用作业节点的本地存储构建分布式缓存系统,解决KPSDM可扩展性受限于共享存储能力的问题。在256节点的集群上处理实际地震数据,获得了接近线性的加速比效果。     

可控震源组合方向对地震采集资料的影响分析

随着各富油凹陷勘探开发程度的提高,针对复杂断块、地层岩性圈闭、低幅度构造、薄储层等油气藏的勘探已进入了精细勘探阶段,因而,对新采集地震资料的成像精度要求也越来越高。目前国内可控震源勘探均采用多台组合的形式施工,这种方法从理论上来说对地震采集的资料是有一定影响的,组合产生的时差问题会影响地质体的成像精度。通过模型正演及实际的野外地震采集资料分析发现,可控震源组合方向对静校正及地质体成像精度有较大影响,若多台震源组合,采用平行排列组合的方式所产生的误差变化相对简单,规律性较强,是一种相对较好的组合方式。可控震源组合也影响静校正量的精度,一般来说组合基距越小静校正量精度越高。     

叠前深度偏移技术在江苏火成岩地区的应用

江苏油田苏北盆地地下构造复杂，火成岩分布广泛，速度横向变化大，用常规时间偏移资料很难得到准确的地质信息。针对江苏油田ZH地区的实际情况，建立了一套实用有效的叠前深度偏移流程。处理结果表明，叠前深度偏移剖面较之叠后时间偏移剖面品质有较大的提高，偏移归位准确，地质体的成像整体上有明显改善，火成岩下伏地层的反射能量有所提高，剖面的信噪比较高。利用叠前深度偏移资料解释的目的层层位，与实钻结果差异较小。     

基于UNICORE的地震网格计算应用插件

地震网格计算应用插件以油气地震勘探应用网格（SeisGrid）为运行框架，完成网格环境下的地震成像计算。在iCluster叠前深度偏移成像软件系统运行环境、网格计算需求和并行计算模式分析的基础上，提取适合在客户端完成的应用功能及最迫切需要在网格环境运行的计算功能，借助于SeisGrid客户端的强大网络功能和安全机制，研发了面向网格的地震应用插件。地震网格计算应用插件可方便地使用SeisGrid管理的各计算中心的网格计算资源，实现对分布式计算资源的无缝、安全和简单易行的访问，通过网络访问远程网格计算资源和iCluster应用软件资源，完成网格环境下的叠前深度偏移成像计算。     

叠前深度偏移中的旅行时并行计算技术

旅行时计算技术是基于波动方程叠前深度偏移方法的核心内容，射线跟踪的数值计算精度和效率直接影响着介质成像质量和实用化。基于三维射线跟踪的微变网络方法和波前重建思路，提出一种适用于三维复杂介质地震波走时的快速算法。但它所需计算量巨大。采用并行计算技术，设计出基于“任务缓冲池”的动态负载平衡策略，在现有的分布式计算机上，实现了三维射线追踪和叠前深度偏移的并行计算。     

遗传和模拟退火混合寻优一步法三维CRS叠加

共反射面元(Common Reflection Surface,CRS)叠加充分利用了菲涅耳带半径内的地震信息,在不降低分辨率的前提下最大程度地提高了信噪比,是低信噪比地震资料成像的有力手段.同时,CRS叠加考虑了地下反射层的倾角和局部曲率,具有更高的成像精度.常规的三维CRS叠加,多步依次求取的八参数精度较低,影响了...     

并行三维叠前深度偏移在桩西古潜山的应用

桩西古潜山带经历了长期、复杂的地质演化过程，形成了地下复杂构造和速度突变带,用常规时间偏移资料很难得到潜山的地质信息。文中利用国产三维叠前深度偏移并行软件进行了并行处理，偏移结果归位准确，对地质体成像有明显的改进。可合理解释古潜山内部构造，获得的两个有利含油圈闭，经核对与钻井结果十分吻合。     

基于数据库的并行抽道集技术

针对目前地震海量数据处理的需求, 本文提出一种高效并行道集排序方法。利用地震数据按线和道多级关键字管理的特点, 将数据分块, 分发给多个节点同时进行初级关键字排序, 利用数据库存储过程, 控制并发进程之间的同步和异步, 由最后一个进程将按初级关键字排序后的道集信息进行合并, 继而再次分块进行下一级关键字的并行排序, 实现了海量地震数据分块多级并行排序。实际地震数据排序结果表明该方法切实可行, 效果良好。