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基于gpu并行加速的探地雷达逆时偏移和全波形反演

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基于GPU并行加速的探地雷达逆时偏移和全波形反演

作者：窦勇硕贵州大学

学位级别：硕士

地下结构是人类生产生活中都离不开的一个重要指标,在油气勘探、考古研究、道路病害检测、建筑物质量检测、溶洞探测等领域都起着重要作用。地下结构既包括不同介质之间的界面,又包括不同介质的内部参数。目前,很多研究证明逆时偏移是... 详细信息

地下结构是人类生产生活中都离不开的一个重要指标,在油气勘探、考古研究、道路病害检测、建筑物质量检测、溶洞探测等领域都起着重要作用。地下结构既包括不同介质之间的界面,又包括不同介质的内部参数。目前,很多研究证明逆时偏移是获取地下结构空间形态的有效方法,全波形反演被认为是获取地下结构内部参数信息的有效方法。本文在前人研究的基础上改进探地雷达逆时偏移和全波形反演算法,降低了存储量,提高了计算效率和收敛速度,增强了这两种方法的实用性,初步结论如下:(1)通过引入CUDA并行架构,调用多核并行计算电场、磁场分量节点,充分释放计算机的计算能力,编程实现了基于gpu并行架构的快速探地雷达正演算法。在与传统CPU算法进行了计算效率对比后,发现随着网格数量的增加,加速比也逐渐变大,最终能达到10以上。构建经典异常体模型和复杂模型测试算法,得出:对于网格大小为200×200的异常体模型,加速比为4.20;对于网格大小600×400的复杂介质模型,加速比达到了11.04。(2)针对逆时偏移占用内存较大和计算效率低的问题,分别采用波场重构和基于CUDA平台的gpu并行加速策略编写算法。通过存储边界网格点上不同时刻的波场,避免存储所有网格点的波场,在反传的同时进行波场重构。通过对均匀模型和复杂模型的正传波场和重构波场做差,得到绝对误差都在10e-5量级,证明波场重构技术是可靠的;经典异常体模型和溶洞模型的成像结果表明:逆时偏移通过反射波的归位以及绕射波的收敛,使界面和异常体能够高精度地呈现出来。(3)采用L-BFGS法计算下降方向,在BFGS的基础上进一步对Hessian矩阵近似代替,不再存储完整的近似Hessian矩阵,降低存储量的同时,提高了双参数反演的速度。编写算法时,引入CUDA并行架构,提高计算效率。构建三个模型对全波形算法进行测试,结果证明:整体收敛速度较快,收敛精度较高;四周观测系统的反演精度高于地面观测系统,地面观测系统下对于电导率的反演效果较差;结合逆时偏移实现了对于溶洞模型结构形态和内部参数的高精度成像,证明本文方法可以获取精确的地下结构。

关键词：探地雷达 gpu并行加速逆时偏移全波形反演

无网格法结构拓扑优化模型的gpu并行加速求解及应用

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装备制造技术 2023年第6期 10-15,31页

作者：唐芳冯应朗卢海山湖南理工职业技术学院新能源学院湖南湘潭411105 湘潭大学机械工程与力学学院湖南湘潭411105

基于无网格法的连续体结构拓扑优化,具有计算精度高、可消除传统拓扑优化中的数值不稳定性等优势,然而无网格法结构拓扑优化模型的求解存在计算耗时长的问题。为此引入gpu(Graphic processing unit,gpu)并行加速技术,开展无网格法结构... 详细信息

基于无网格法的连续体结构拓扑优化,具有计算精度高、可消除传统拓扑优化中的数值不稳定性等优势,然而无网格法结构拓扑优化模型的求解存在计算耗时长的问题。为此引入gpu(Graphic processing unit,gpu)并行加速技术,开展无网格法结构拓扑优化模型的gpu并行加速求解及应用研究,以缩短拓扑优化模型的求解耗时。基于交叉节点对思想构建了拓扑迭代中刚度矩阵的gpu并行组装流程,结合CUDA(Compute unified device architecture,CUDA)库函数与预处理共轭梯度法实现了离散方程的gpu并行加速计算,且通过提前计算并存储形函数及其导数值以避免重复计算,建立了无网格法拓扑优化模型的gpu并行加速求解算法。通过二维悬臂梁算例验证了算法的正确性,完成了二维曲形支架、三维支撑平台以及多工况固支梁的拓扑优化设计,并分析了gpu并行算法的加速性能。算例结果表明所提gpu并行加速算法的计算结果正确,且极大地提高了无网格法拓扑优化模型的求解效率。

关键词：拓扑优化无网格法 gpu并行加速 CUDA

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一个基于gpu并行加速的海啸数值模型

海洋通报 2020年第2期39卷 200-205页

作者：王宗辰原野李宏伟国家海洋环境预报中心自然资源部海啸预警中心北京100081

地震海啸通常发生在大洋板块向陆地板块俯冲的区域,距离震源最近的国家和地区往往在震后5~20 min之内就会遭受到海啸袭击。因此,及时的海啸预警和准确的海啸预报结果对于民众和决策者都至关重要。为了提升海啸预警效率,缩短海啸预报时间... 详细信息

地震海啸通常发生在大洋板块向陆地板块俯冲的区域,距离震源最近的国家和地区往往在震后5~20 min之内就会遭受到海啸袭击。因此,及时的海啸预警和准确的海啸预报结果对于民众和决策者都至关重要。为了提升海啸预警效率,缩短海啸预报时间,本研究对COMCOT海啸数值模型进行了基于图形计算单元gpu的二次并行开发。将原模型中海啸传播计算模块通过CUDA_C语言编写内核函数整体移植到gpu上并行加速,CPU负责模型其他代码的执行。为了减少CPU和gpu之间的数据通信,将吸收边界和变量更新函数一并改写。仅在需要输出的时间节点,gpu向CPU传递结果,其他时间步长,CPU和gpu之间只有指令和少量参数传输,基本可视为零耗时。基于gpu并行加速的COMCOT较串行版本效率提升超过67倍,加速性能显著优于基于CPU共享内存的OpenMP并行版本。交叉使用常水深和真实地形,采用均匀滑移海啸源和有限元海啸源对模型的计算结果进行了较为全面的分析检验,相对误差最大不超过1%,为大范围的越洋海啸实时计算提供了有力工具。

关键词：海啸数值模型 COMCOT gpu并行加速 CUDA_C

虚拟手术中软组织物理建模的优化及gpu并行加速

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虚拟手术中软组织物理建模的优化及GPU并行加速

作者：吕方飞河北大学

学位级别：硕士

虚拟手术作为新兴的研究方向正在逐步发展起来,它是将生物力学、材料学、医学、计算机图形学、机械力学等诸多学科结合起来的一门新兴交叉学科。虚拟手术的目的是使用计算机(主要是计算机图形学与虚拟现实)来模拟、指导医学手术所涉及... 详细信息

虚拟手术作为新兴的研究方向正在逐步发展起来,它是将生物力学、材料学、医学、计算机图形学、机械力学等诸多学科结合起来的一门新兴交叉学科。虚拟手术的目的是使用计算机(主要是计算机图形学与虚拟现实)来模拟、指导医学手术所涉及的各种过程。传统手术存在高风险,术后效果不理想等问题,而手术的效果受医生的个人业务水平影响,利用虚拟手术系统,医生则可以在术前进行手术演练,把通过成像设备获取的病人图像信息导入仿真系统,这样医生就可以根据虚拟手术对将要进行的真实手术步骤等作出相应的调整或修改,或者对手术进行较精确的前期测量和估算,从而预见手术的复杂性。作为虚拟手术的操作对象,人体器官模型的真实性与准确性直接影响了虚拟手术的可靠性,一个不受医生和病人信任的虚拟手术系统是没有存在价值的,因此可以说虚拟手术中软组织建模这部分是虚拟手术这个领域中尤为重要的部分。因为肝脏具有典型人体组织的特性,所以本文选取肝脏作为研究对象,探讨了人体软组织系统物理建模过程中关于真实性、实时性和精确性的问题。本文的具体研究内容包括以下几点:(1)为了提高形变仿真的真实度,本文在前人带有体弹簧的质点弹簧的基础上,加入了弹簧的阻尼系数,将传统的质点弹簧进行了升级,使仿真能显示肝脏循序渐进的变化。(2)为了获得弹簧的弹性系数,我们做了真实肝脏软组织的穿刺实验,通过MATLAB的拟合仿真和后期的计算,我们获得了真实肝脏软组织的黏性系数,然后再根据公式转换为每根弹簧的弹性系数,并加入到质点弹簧系统中。(3)为了提高仿真的实时性,本文引入了gpu并行加速的方法,将原CPU的部分计算功能转移到gpu中,通过gpu的并行计算,提高了仿真效率,减小了仿真的时间,达到了虚拟手术对仿真实时性的要求。

关键词：软组织建模 gpu并行加速质点弹簧模型阻尼系数软组织形变

基于gpu并行加速的电力系统高性能状态估计技术研究

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基于GPU并行加速的电力系统高性能状态估计技术研究

作者：方睿浙江大学

学位级别：硕士

目前,随着电力系统省地一体化、输配一体化的发展和分布式能源大规模的接入,电力系统分析的维度越来越高,传统的计算方法难以满足未来实时计算的要求。状态估计作为现代能量管理系统（Energy Management System,EMS）中最基础和重要的... 详细信息

目前,随着电力系统省地一体化、输配一体化的发展和分布式能源大规模的接入,电力系统分析的维度越来越高,传统的计算方法难以满足未来实时计算的要求。状态估计作为现代能量管理系统（Energy Management System,EMS）中最基础和重要的一个环节,必须保证其实时性。因此,本文立足于现代图形处理器（Graphic Processing Unit,gpu）并行加速技术,研究大规模电力系统的高性能状态估计方法。首先,本文简要介绍了不良数据辨识和状态估计技术的研究背景和研究现状,并介绍了gpu通用计算架构的特点,说明了课题研究的基本概要。随后,基于最大正常测点率（Maximum Normal Measurement Rate,MNMR）理论,提出了一种采用gpu并行加速的不良数据辨识方法,并设计了算法粗细粒度的并行加速策略,为后续的状态估计提供了良好的数据支撑。然后,针对潮流计算和状态估计中需要大规模计算表达式的特点,提出了基于最优表达式森林（Optimal Parallel Expression Forest,OPEF）的表达式并行计算方法,详细阐述了表达式森林（Expression Forest,EF）理论中的定义、生成和异构计算等环节,完整介绍了整个理论体系。最后,在采用牛顿法进行基本加权最小二乘（Weighted Least Squares,WLS）状态估计的基础上,从求解步骤中提炼出迭代的主要耗时成分,针对各个阶段分别设计gpu并行加速策略,实现了多阶段并行加速的WLS状态估计。算例结果表明,所提算法各个阶段均可采用gpu并行加速,加速后的算法计算时间短,加速效率高,能够满足实际运行需求。算法的内存和显存占用峰值较小,在普通的PC机上即可进行计算。

关键词：状态估计不良数据辨识 gpu并行加速表达式森林异构计算

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快速LZD匹配异源DEM空洞修复应用研究

计算机工程与应用 2023年第23期59卷 311-319页

作者：李小虎芦颖田壮中国电子科技集团公司第十五研究所北京100080

针对待修复数字高程模型存在较大面积不规则空洞,且与辅助模型的尺度特征、位姿存在明显差异时,需要对数据进行预处理、样本训练或进行大量计算,导致修复效率低下以及产生计算误差等问题,提出了一种基于最小高差(least Z-difference,LZD... 详细信息

针对待修复数字高程模型存在较大面积不规则空洞,且与辅助模型的尺度特征、位姿存在明显差异时,需要对数据进行预处理、样本训练或进行大量计算,导致修复效率低下以及产生计算误差等问题,提出了一种基于最小高差(least Z-difference,LZD)匹配和CPU-gpu并行加速的处理方法。利用Z坐标差值搜索最小距离点,将异步流迭代方式应用于空间转换模型参数的求解中,在简化的计算准则基础上进一步提升运行效率,实现对异源DEM空洞数据与基准数据的快速高精度匹配,同时,使用台阶融合算法填补空缺区域并进行边缘平滑。实验结果表明,该方法修复得到的DEM数据完整度、正确性高,处理过程较CPU多线程平台最高能够达到9.7倍的加速比,为数字高程模型的修复与分析研究提供了有益参考。

关键词：最小高差算法三维表面匹配 gpu并行加速 DEM数据空洞修复

面向复杂未知多障碍环境的多无人机分布式在线轨迹规划

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中国科学：信息科学 2022年第9期52卷 1627-1641页

作者：张学伟田栢苓鲁瀚辰谌宏鸣宗群天津大学电气自动化与信息工程学院天津300072 北京机电工程研究院复杂系统控制与智能协同技术重点实验室北京100074

考虑复杂未知多障碍环境对无人机实时轨迹规划性能的影响,提出了基于Tube-MPC和模型预测路径积分(model predictive path integral,MPPI)控制相结合的多无人机分布式实时轨迹规划框架与方法.首先,考虑无人机在多障碍环境下的避碰避障需... 详细信息

考虑复杂未知多障碍环境对无人机实时轨迹规划性能的影响,提出了基于Tube-MPC和模型预测路径积分(model predictive path integral,MPPI)控制相结合的多无人机分布式实时轨迹规划框架与方法.首先,考虑无人机在多障碍环境下的避碰避障需求,构造代价函数表征轨迹规划过程中的约束条件,将多无人机的轨迹规划问题转化为随机最优控制问题.其次,借鉴Tube-MPC思想,设计并实现了多无人机分布式轨迹规划框架,通过将低频标称控制器与高频辅助控制器串联保证了系统的实时性和鲁棒性.再次,为避免传统方法在求解过程中的维数灾难,提出基于MPPI的多无人机异步轨迹规划方法,该方法通过基于gpu的并行蒙特卡洛(Monte-Carlo)随机前向采样技术,将多无人机随机最优控制问题的求解转化为给定代价函数下对采样轨迹期望的求解,进而获得最优控制序列,其显著特点是求解速度快且避免了基于梯度求解方法对约束条件和代价函数连续性及凸特性的要求.最后,通过Gazebo虚拟仿真平台,在复杂未知多障碍环境下对算法的有效性进行了验证.

关键词：未知多障碍环境多无人机在线轨迹规划模型预测路径积分 gpu并行加速

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深水域非线性船行波的数值仿真

深水域非线性船行波的数值仿真

作者：蔡淼育大连海事大学

学位级别：硕士

随着航运业日趋繁荣,船行波的研究引起了人们广泛关注。目前,国内外学者对线性船行波做了大量研究,得到了较为成熟的研究成果,但针对三维非线性船行波的研究较少。本文基于势流理论,研究Kelvin源和Rankine源扰动下非线性船行波的建模方... 详细信息

随着航运业日趋繁荣,船行波的研究引起了人们广泛关注。目前,国内外学者对线性船行波做了大量研究,得到了较为成熟的研究成果,但针对三维非线性船行波的研究较少。本文基于势流理论,研究Kelvin源和Rankine源扰动下非线性船行波的建模方法及数值解法,进行深水域三维非线性船行波的数值仿真,并探究其特性。在此基础上,研究基于图形处理器(Graphics Processing Unit,gpu)的并行加速算法,以提高非线性船行波的计算效率。本文的主要工作如下:(1)建立了一种深水域三维非线性船行波的数值仿真模型。本文基于Kelvin理论和势流理论,利用Kelvin源和Rankine源在自由液面上形成类似于船行波的波浪。采用边界元法降低问题求解的空间维数,构建边界积分方程。并与非线性自由液面边界条件联立,经过数值离散形成用以求解三维非线性船行波的非线性方程组。(2)提出了一种针对非线性船行波问题的带状预处理Jacobian-free Newton-Krylov(JFNK)算法。将预处理矩阵P设置为线性船行波问题中的系数矩阵,并根据分块矩阵运算法则对预处理矩阵进行分解使之易于存储,然后选择合适的带宽将预处理矩阵转变为大规模稀疏矩阵。这种带状预处理方法进一步提高JFNK算法计算效率的同时节约了大量运行内存。(3)提出了一套非线性船行波的并行求解框架。首先将非线性船行波求解程序主要分为四部分:构建非线性方程组、构建预处理矩阵、预处理矩阵求逆和广义最小残量(Generalized Minimum Residual,GMRES)算法求解线性方程组,然后基于Compute Unified Architecture(CUDA)编程,通过编写核函数以及利用gpu加速库,在gpu上依次实现了这四部分的并行化计算,大幅提升了非线性船行波的计算效率。(4)生成了不同形态的船行波仿真结果,并探究了非线性船行波的观测特性。通过调整仿真模型的Froude数、源点强度和源点种类等参数,探究了与该仿真模型相关的船行波仿真机理,实现了不同尺度船舶在不同航速下的船行波数值仿真,同时也验证了仿真模型的有效性。随后利用该仿真模型对船行波的尾迹角进一步探究,总结了船行波尾迹角的变化规律。研究结果表明:本文生成的仿真结果与实际船行波相吻合,发现船行波的尾迹角随Froude数的增加呈阶段性下降趋势,随着源点强度的增加呈稳定增加趋势,从而准确地描述了船行波的观察特性;本文提出的带状预处理法能够节约三分之二的运行内存,提出的并行求解框架能够获得20倍的加速比,有效降低了非线性船行波算法的空间复杂度和时间复杂度。本文研究成果完善了非线性船行波的理论研究体系,优化了非线性船行波数学模型的数值解法,对船行波的研究及应用具有重要的理论意义和工程价值。

关键词：非线性船行波势流理论边界元法 JFNK算法 gpu并行加速

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基于并行计算的X射线焊缝缺陷检测系统研究

基于并行计算的X射线焊缝缺陷检测系统研究

作者：王丹西安石油大学

学位级别：硕士

管道安全是能源行业可靠运行的基础,随着我国环保力度的加大,越来越多的城市热电厂实现煤改气的同时管道建设也迎来了大的发展时期。焊接质量是影响管道安全的重要因素,在各种焊接质量检测方法中,X射线检测是使用最为广泛的技术,传统人... 详细信息

管道安全是能源行业可靠运行的基础,随着我国环保力度的加大,越来越多的城市热电厂实现煤改气的同时管道建设也迎来了大的发展时期。焊接质量是影响管道安全的重要因素,在各种焊接质量检测方法中,X射线检测是使用最为广泛的技术,传统人工评片模式不仅工作量大,检测结果受检测人员主观因素影响,易发生漏检。为提高检测准确率,利用图像处理技术进行自动检测已经成为当前研究的热点。文章以管道X射线环焊缝图像为研究对象,针对不同类型缺陷,提出利用稀疏描述技术和深度卷积网络进行检测。为提高计算速度,满足现场实际需求,引入并行计算,提高检测的实时性和准确性。论文主要从以下5个方面进行了研究:(1)针对X射线环焊缝图像噪声多、对比度低、难以直接处理的问题,首先采用中值滤波法降噪,结合伽马变换增强,提高图像清晰度。然后利用最大类间方差法与Sobel算子相结合,准确提取感兴趣区域,最后运用密度聚类算法,将疑似缺陷区域进行精准分割。(2)针对裂纹和以柱针为代表的圆形缺陷等相对面积较小、常规方法难以识别的问题,提出将稀疏描述技术与字典学习技术相结合,利用基于期望投影的字典模型构建算法,生成小缺陷字典矩阵。识别时,利用稀疏求解技术拟合待检测图像,通过稀疏系数来判定疑似图像是否为缺陷。(3)针对内凹、未焊透以及未熔合等面积较大缺陷的识别问题,提出将Inception模块与Res Net网络相结合,设计了适用于识别面积较大型缺陷的深度卷积神经网络模型。所建模型可以较好地提取图像深层特征,训练时采用交叉熵损失函数和自适应矩估计算法优化网络参数。实验结果表明,该模型具有很好的鲁棒性和较高的缺陷识别率。(4)为了提高缺陷检测的实时性,采用基于CUDA平台的gpu并行加速技术,对图像预处理模块进行了优化,提高了图像的处理速度。此外,运用CPU多核多线程的功能,实现两种识别算法的并行运行,促进了系统的高效化。(5)根据实际工业检测需求,研发了焊缝缺陷智能识别系统并通过了SGS通标标准技术服务有限公司的目击测试。该系统可在无人工干预的前提下对缺陷进行准确检出,检出类型覆盖全面,检出速率快,识别准确率高,可有效缓解检测人员工作压力。

关键词：焊缝缺陷检测稀疏字典学习深度卷积神经网络 gpu并行加速