基于校園網(wǎng)格的海洋數(shù)值模式研究

陳玉清，陳 林

（1.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098 2.河海大學(xué) 力學(xué)與材料學(xué)院，江蘇 南京 210098）

數(shù)值模擬技術(shù)是利用電子計(jì)算機(jī)來進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和圖像顯示，從而完成對(duì)工程和科學(xué)計(jì)算問題的研究，它相對(duì)于實(shí)驗(yàn)技術(shù)來說在一定的研究范圍內(nèi)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。在自然界有許多科學(xué)問題無法得到精確解，但可以通過數(shù)值模擬技術(shù)，得到相應(yīng)問題的近似解。它已經(jīng)成為許多工程與科學(xué)研究領(lǐng)域的重要分析手段，比如海洋運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究。在海洋科學(xué)研究中，海浪、潮汐和海流等的運(yùn)動(dòng)方程是基于地球流體力學(xué)方程的，屬于偏微分方程形式，一般是無法得到其精確解的[1]。而數(shù)值模擬計(jì)算技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物理海洋學(xué)以及相關(guān)交叉學(xué)科的環(huán)境要素進(jìn)行數(shù)值模擬，以及進(jìn)行數(shù)值預(yù)報(bào)。目前比較成熟的海洋數(shù)值模式主要有POP、POM、FVCOM、HYCOM、HAMSOM 等[2]。

隨著人們對(duì)海洋求解問題領(lǐng)域的不斷拓展，所遇到的問題也越來越復(fù)雜，而且規(guī)模也越來越大，解決這些問題所需要的計(jì)算能力也在大幅度提高，需要的計(jì)算量較大，如果由單個(gè)計(jì)算機(jī)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)是無法完成相應(yīng)計(jì)算的。而隨著網(wǎng)格和高性能計(jì)算技術(shù)[3]的發(fā)展，可以將網(wǎng)絡(luò)上的各種計(jì)算資源通過技術(shù)手段整合在一起，實(shí)現(xiàn)資源共享、協(xié)同工作，形成較為可靠和高效能的計(jì)算能力。這種技術(shù)的通用性和可擴(kuò)充性比較好，便于維護(hù)。而校園網(wǎng)格是網(wǎng)格技術(shù)的一種典型應(yīng)用，它將校園內(nèi)的計(jì)算資源實(shí)現(xiàn)共享，可以為需要大量計(jì)算的海洋運(yùn)行研究等問題提供技術(shù)支撐。而河海校園網(wǎng)格平臺(tái)安裝了許多典型的海洋數(shù)值模式，為海洋科學(xué)研究工作者提供了良好的計(jì)算環(huán)境。

1 河海校園網(wǎng)格的特點(diǎn)及其架構(gòu)

河海校園網(wǎng)格繼承了網(wǎng)格技術(shù)的通用性和可擴(kuò)展性，并且具有一定的先進(jìn)性和較長(zhǎng)的生命周期。它有以下特點(diǎn)：

1）采用基于國(guó)際開放標(biāo)準(zhǔn)（WSRF[4]，OGSA[5]）的網(wǎng)格主流技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)與國(guó)內(nèi)和國(guó)際相關(guān)科學(xué)數(shù)據(jù)網(wǎng)格互通互用打基礎(chǔ)。同時(shí)具有良好的可擴(kuò)展性，平臺(tái)可以隨時(shí)進(jìn)行資源擴(kuò)充，從而滿足不斷增長(zhǎng)的計(jì)算需求。

2）統(tǒng)一任務(wù)調(diào)度方式，所有用戶提交的計(jì)算任務(wù)，由平臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一任務(wù)分配，以作業(yè)的形式提交給計(jì)算資源，不需要用戶進(jìn)行干預(yù)，這樣可以靈活的使用各資源環(huán)境，提高利用率。用戶提交方式可以采用Web、遠(yuǎn)程Shell或者遠(yuǎn)程圖形用戶界面。

3）采用預(yù)構(gòu)件形式集成應(yīng)用。河海校園網(wǎng)格使用“應(yīng)用模版庫(kù)”來實(shí)現(xiàn)“預(yù)構(gòu)件”，將一些通用的算法和應(yīng)用程序，如典型的海洋數(shù)值模式，封裝成模板庫(kù)的形式提供給科研人員使用，減少重復(fù)性勞動(dòng)。

河海校園網(wǎng)格采用了3層結(jié)構(gòu)：資源層、網(wǎng)格服務(wù)層和客戶端服務(wù)層。資源層提供基本的硬件支持，有大型機(jī)、存儲(chǔ)設(shè)備和機(jī)群系統(tǒng)等各。網(wǎng)格服務(wù)層主要是對(duì)各種不同的分布式計(jì)算資源進(jìn)行調(diào)度和管理，收集信息等?？蛻舳朔?wù)層是服務(wù)于最終用戶，比如身份驗(yàn)證、任務(wù)提交和任務(wù)監(jiān)控等服務(wù)。河海校園網(wǎng)格提供了用戶以Web方式進(jìn)行任務(wù)提交以及遠(yuǎn)程Shell提交作業(yè)的方式。平臺(tái)的主要任務(wù)盡量做到資源的負(fù)載平衡，提高資源的利用率。每個(gè)層次由相應(yīng)的網(wǎng)格中間件實(shí)施網(wǎng)格的各項(xiàng)功能。如圖1所示。

圖1 河海校園網(wǎng)格結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the hohai campus grid

2 河海校園網(wǎng)格任務(wù)運(yùn)行方式

河海校園網(wǎng)格平臺(tái)使用如下3種方式來提交任務(wù)：

1）Web方式服務(wù)：用戶可通過Web界面使用系統(tǒng)的計(jì)算能力和信息資源，Web站點(diǎn)地址：http://grid.hhu.edu.cn。

2）Shell方式服務(wù)：通過遠(yuǎn)程Shell方式用戶可以直接登陸到網(wǎng)格計(jì)算資源進(jìn)行操作，這種方式能滿足用戶的更多需求。

3）遠(yuǎn)程圖形終端服務(wù)：使用戶更加直觀的使用平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了資源最大限度的共享。

3 基于校園網(wǎng)格的海洋數(shù)值模式計(jì)算

3.1 POP模式的并行計(jì)算

POP（Parallel Ocean Program）[6]海洋數(shù)值預(yù)報(bào)模式是在美國(guó)能源部資助下，由美國(guó)Los Alamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)。該模式推動(dòng)了大尺度氣候預(yù)測(cè)科學(xué)的發(fā)展。POP模式的并行采用了OpenMP和MPI技術(shù)，它是大部分氣候模擬器的標(biāo)準(zhǔn)模塊。河海校園網(wǎng)格也成功部署了POP的并行程序，并利用它的標(biāo)準(zhǔn)算例進(jìn)行了測(cè)試和對(duì)比，結(jié)果如表1所示。

3.2 FVCOM模式的并行計(jì)算

FVCOM （The Unstructured Grid Finite Volume CoastalOcean Model）是2000年由美國(guó)佐治亞大學(xué)海洋學(xué)院海洋生態(tài)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)麻省大學(xué)海洋科學(xué)和技術(shù)學(xué)院海洋生態(tài)模型實(shí)驗(yàn)室人員開發(fā)的海洋環(huán)流與生態(tài)模型。它采用了有限體積的數(shù)值方法，在水平方向上采用無結(jié)構(gòu)化非重疊的三角形網(wǎng)格，在垂直方向采用坐標(biāo)變換，基于自由表面的三維原始控制方程。該模式在近岸高分辨率以及小尺度計(jì)算問題上得到了廣泛應(yīng)用。在河海校園網(wǎng)格上對(duì)該模式并行版進(jìn)行了測(cè)試和對(duì)比，結(jié)果如表2所示。

表1 POP模式的并行計(jì)算時(shí)間和加速比Tab.1 Parallel computing time and speedup of POP model

表2 FVCOM模式的并行計(jì)算時(shí)間和加速比Tab.2 Parallel computing time and speedup of FVCOM model

3.3 HYCOM模式的并行計(jì)算

HYCOM （Hyrid Coordinate Ocean Model）[8-10]是在美國(guó)邁阿密大學(xué)的等密度面坐標(biāo)海洋模式基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，研究的是全球海洋環(huán)流模式，采用了等密度面坐標(biāo)和垂向混合坐標(biāo)，這樣可以做到兩者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。該模式在層化效應(yīng)顯著的開擴(kuò)大洋研究方面得到較快的發(fā)展。河海校園網(wǎng)格安裝了該模式的并行版，并做了相應(yīng)的測(cè)試和對(duì)比，結(jié)果如表3所示。

表3 HYCOM模式的并行計(jì)算時(shí)間和加速比Tab.3 Parallel computing time and speedup of HYCOM model

4 結(jié)束語(yǔ)

河海校園網(wǎng)格平臺(tái)整合了校內(nèi)的高性能計(jì)算的硬件、軟件資源，實(shí)現(xiàn)了資源共享目標(biāo)，不僅能提高資源使用效益，節(jié)省有關(guān)開支，而且大大提高了科學(xué)與工程的計(jì)算能力，推動(dòng)了科學(xué)創(chuàng)新研究。該平臺(tái)為用戶提供了較為方便的使用環(huán)境，通過簡(jiǎn)單的三種方式來進(jìn)行作業(yè)任務(wù)提交。通過校園網(wǎng)格平臺(tái)先進(jìn)的計(jì)算力為大規(guī)模的海洋數(shù)值計(jì)算提供強(qiáng)有力的支撐，促進(jìn)了河海大學(xué)海洋學(xué)科的發(fā)展。

[1]林萬濤，董文杰.計(jì)算地球流體力學(xué)的回顧、進(jìn)展及展望[J].地球科學(xué)進(jìn)展，2004（4）：599-604.LIN Wan-tao，DONG Wen-jie.Review， progress and prospects of the computational geophysical fluid dynamics[J].Advances in Earth Sciences，2004（4）:599-604.

[2]鄭沛楠，宋軍，張芳苒，等.常用海洋數(shù)值模式簡(jiǎn)介[J].海洋預(yù)報(bào)，2008（4）：108-120.ZHENG Pei-nan，SONG Jun，ZHANG Fang-ran，et al.The introduction of the ocean general circulation model[J].Marine Forecasts，2008（4）:108-120.

[3]徐志偉，馮百明，李偉.網(wǎng)格計(jì)算技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[4]Czajkowski K，F(xiàn)erguson D F，F(xiàn)oster I，et al.The WSResource framework [EB/OL][2012-12-25].http://www.globus.org/wsrf/.

[5]Nick I J，Tuecke S.The physiology of the grid:anopen grid services architecture for distributed systems integration，Open GridService Infrastructure WG，Global Grid F[R/OL]， 2002.

[6]張理論，趙軍，吳建平，等.POP海洋模式在四核至強(qiáng)集群上的并行計(jì)算[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2009（5）：189-192.ZHANG Li-lun，ZHAO Jun，WU Jian-ping，et al.The parallel computing of pop model on 4 cores XEON cluster[J].Computer Engineering and Applications，2009（5）:189-192.

[7]CHEN Chang-sheng，Beardsley R C，Cowles G.Fvcom user manual[EB/OL][2012-12-12].http://woodshole.er.usgs.gov/staffpages/rsignell/rps/share/FVCOM_Manual.pdf.

[8]Wallcraft A.Hybrid coordinate ocean model （hycom）user’s guide[EB/OL][2012-12-20].http://hycom.org/attachments/063_hycom_users_guide.pdf.

[9]Black R，Halliwell G，Wallcraft，et al.Hybrid coordinate ocean model， user’s manual[EB/OL][2012-12-21].http://oos.soest.hawaii.edu/pacioos/outreach/documents/063_hycom_users_manual.phttp://oos.soest.hawaii.edu/pacioos/outreach/documents/063_hycom_users_manual.pdf.

[10]孫文心，江文勝，李磊.近海環(huán)境流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模型[M].北京：科學(xué)出版社，2004.