基于Qt與Fortran混合編程技術(shù)的磁偶極子源正演軟件的開發(fā)

楊成坤, 陳清禮, 鄭 凱, 王志剛, 魯 瑤

(1.長江大學(xué) 地球物理與石油資源學(xué)院，武漢 430100；2.長江大學(xué) 油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430100；3.中國石油集團(tuán) 東方地球物理勘探有限責(zé)任公司，涿州 072751)

0 引言

隨著我國資源勘查逐漸走向深部，深部礦產(chǎn)資源勘查技術(shù)裝備對外依賴度高、探測深度淺和精度不高等問題開始暴露出來，嚴(yán)重制約我國深部礦產(chǎn)資源的有效探測，針對這些問題，以國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃《地下與井中地球物理勘探技術(shù)與裝備》項(xiàng)目為依托，重點(diǎn)開展對項(xiàng)目課題《地下與井中探測軟件平臺研發(fā)》的研究，為我國資源勘查走向深部提供技術(shù)支撐。

在地球物理領(lǐng)域，大量的算法由Fortran語言編寫，由于Fortran語言的標(biāo)準(zhǔn)化程度高，擁有高精度的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和運(yùn)算結(jié)構(gòu)，具備強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算功能，許多地球物理學(xué)家、工程師使用Fortran編寫了大量的地球物理數(shù)據(jù)處理和正反演程序[1]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)水平的提高，大量優(yōu)秀的編程工具在地球物理軟件開發(fā)中得到了應(yīng)用，F(xiàn)ortran由于其界面不夠友好，人機(jī)交互性差，已不能滿足用戶的需求[2-3]。

Qt是基于C++編寫的跨平臺圖形界面程序開發(fā)軟件，是一個(gè)靈活性好、移植性強(qiáng)的開發(fā)程序框架，廣泛用于開發(fā)各種GUI應(yīng)用程序。目前混合編程技術(shù)在地球物理勘探行業(yè)進(jìn)行了大量的開發(fā)應(yīng)用，馮文杰等[4]將C++和Fortran混合編程技術(shù)在多點(diǎn)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)建模中進(jìn)行了應(yīng)用，彭土有[5]利用轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)文件格式的方法，使Qt編寫的地震數(shù)據(jù)處理解釋平臺直接調(diào)用Fortran可執(zhí)行程序；田仁飛等[6]利用了Qt和Fortran的混編技術(shù)對地震倒頻屬性計(jì)算軟件進(jìn)行了開發(fā)；陳楠等[7]利用Qt和Fortran語言混合編程技術(shù)開發(fā)了地震勘探可擴(kuò)展軟件平臺；李亞彬[8]使用Fortran語言編寫海洋電磁一維反演算法，Qt調(diào)用Fortran編譯的動態(tài)鏈接庫實(shí)現(xiàn)了海洋可控源電磁數(shù)據(jù)處理軟件的開發(fā)；王銳[9]使用Qt多進(jìn)程調(diào)用由Fortran編譯的大地電磁反演可執(zhí)行程序。

傳統(tǒng)的Qt和Fortran混編模式一般使用顯式鏈接調(diào)用動態(tài)鏈接庫、隱式鏈接調(diào)用動態(tài)鏈接庫和直接調(diào)用可執(zhí)行程序。地下與井中探測軟件平臺支持顯式鏈接調(diào)用和隱式鏈接調(diào)用，由于各方法模塊對保密性、防盜版的需要，不允許使用直接調(diào)用可執(zhí)行程序的方式進(jìn)行混合編程，對平臺軟件模塊的安全性有一定程度的保障。在集成開發(fā)此類大型綜合性平臺軟件中，參與人員單位多，功能復(fù)雜，故在Qt中創(chuàng)建項(xiàng)目開發(fā)模板，用來統(tǒng)一規(guī)范動態(tài)鏈接庫生成時(shí)的命名規(guī)則和路徑以及眾多開發(fā)者的代碼規(guī)范，可以大大減小各開發(fā)者對算法模塊集成時(shí)和項(xiàng)目管理人員在模塊集成匯總時(shí)的工作量，其中模塊開發(fā)工程模板中的算法項(xiàng)目模板和界面項(xiàng)目模板，分別對Fortran代碼構(gòu)建的項(xiàng)目和用戶界面進(jìn)行配置、編譯。

這里利用Qt開發(fā)交互式界面，利用Fortran編寫正演模塊算法，對兩種語言進(jìn)行混合編程，實(shí)現(xiàn)磁偶極子源的正演軟件在地下與井中探測軟件平臺上的集成應(yīng)用。

1 磁偶極源的電磁響應(yīng)

磁偶極子源電磁法是一種輕便、快捷、應(yīng)用范圍很廣的地球物理探測方法,其原名為地面電磁波法(Melos),是上世紀(jì)60年代法國地質(zhì)調(diào)查局，利用Wait推導(dǎo)出的垂直磁偶極子場強(qiáng)公式在大地電磁測深法的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，是頻率域電磁法勘探中的一個(gè)重要分支[10]。它利用不接地回線圈向地下發(fā)射一次脈沖電磁場，接收線圈同步接收一次場和地下良導(dǎo)體感應(yīng)的二次場的總和，用以探測地下良導(dǎo)體。該方法經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展,在礦產(chǎn)勘探、工程勘察、地下水探測、考古探測、軍事應(yīng)用等領(lǐng)域都取得了很多成就[11]。

以垂直磁偶極子中心在地面的投影為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立直角坐標(biāo)系，磁矩m=I×S，其中I是電流強(qiáng)度，S是表示垂直磁偶極子的線圈面積，放置在層狀地球模型地面上方的高度Z=-h處，如圖1所示為磁偶極子源正演層狀模型。則電磁場分量的積分表達(dá)式[12-13]如下所示：

(1)

J0(λr)dλ

(2)

(3)

(4)

其中在式(4)中

基于上述原理，使用Fortran語言開發(fā)了磁偶極子源正演計(jì)算程序。

2 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

軟件架構(gòu)的設(shè)計(jì)與軟件的執(zhí)行效率密切相關(guān)，合理的軟件架構(gòu)能夠提高軟件運(yùn)行的效率，縮短程序計(jì)算耗時(shí)。軟件架構(gòu)主體結(jié)構(gòu)由平臺數(shù)據(jù)庫、接口、數(shù)學(xué)運(yùn)算庫、動態(tài)鏈接庫和界面組成。

平臺數(shù)據(jù)采用Extensible Markup Language(XML)數(shù)據(jù)庫技術(shù)，對軟件中半結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)進(jìn)行存取和管理。平臺中數(shù)據(jù)的格式由兩部分構(gòu)成，分別為文件參數(shù)和數(shù)據(jù)體，文件參數(shù)部分包括數(shù)據(jù)體中屬性數(shù)據(jù)類型、屬性數(shù)量、屬性單位、數(shù)據(jù)行數(shù)、排序類型、版本號、文件描述等數(shù)據(jù)以及坐標(biāo)范圍、值范圍等統(tǒng)計(jì)信息，數(shù)據(jù)體由行列數(shù)據(jù)構(gòu)成，文件參數(shù)構(gòu)成如表 1所示。

表1 文件參數(shù)信息表

接口包含了集成開發(fā)接口、數(shù)據(jù)接口和業(yè)務(wù)接口，數(shù)學(xué)運(yùn)算庫包括非數(shù)值類、散點(diǎn)數(shù)據(jù)類和方程、矩陣與方程組等五類算法，業(yè)務(wù)接口包括內(nèi)存空間管理、線程管理等三類接口，上述接口和數(shù)學(xué)算法形成公共動態(tài)庫，由磁偶極子源正演主程序進(jìn)行調(diào)用。此外平臺中提供了模塊集成開發(fā)模板，該模板由平臺開發(fā)人員設(shè)計(jì)，預(yù)設(shè)界面、程序結(jié)構(gòu)等代碼，該模板面向軟件開發(fā)集成人員，集成人員根據(jù)實(shí)際算法要求，在該模板上進(jìn)行后續(xù)開發(fā)。本文的軟件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 軟件架構(gòu)

3 Qt與Fortran混編技術(shù)

3.1 參數(shù)數(shù)據(jù)類型

Qt是基于C++語言的，它調(diào)用Fortran動態(tài)鏈接庫的接口標(biāo)準(zhǔn)與C++調(diào)用Fortran動態(tài)鏈接庫的接口標(biāo)準(zhǔn)一致。在Qt調(diào)用Fortran生成的動態(tài)鏈接庫過程中，如果傳遞參數(shù)的數(shù)據(jù)類型不一致，會導(dǎo)致調(diào)用輸出結(jié)果出錯(cuò)，所以在設(shè)計(jì)兩種語言傳遞參數(shù)類型的過程中，需要保持?jǐn)?shù)據(jù)類型的一致性，由于Fortran和C++的數(shù)據(jù)類型不是完全一致，就軟件中常用到的整型、浮點(diǎn)型和字符型而言，有以下的對應(yīng)關(guān)系[14-15]，對應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表2 Fortran與C++數(shù)據(jù)類型對應(yīng)關(guān)系表

3.2 動態(tài)鏈接庫生成

算法項(xiàng)目模板預(yù)設(shè)了動態(tài)庫編譯生成的配置信息，通過創(chuàng)建C++接口，配置算法項(xiàng)目參數(shù)，導(dǎo)入Fortran代碼，編譯，完成動態(tài)鏈接庫的生成。動態(tài)鏈接庫生成流程圖如圖3所示。

圖3 動態(tài)鏈接庫生成流程圖

3.2.1 算法接口設(shè)計(jì)

依照表1中的C++與Fortran數(shù)據(jù)類型對應(yīng)關(guān)系，編寫Fortran算法接口。垂直磁偶極子源正演算法共有16個(gè)輸入?yún)?shù)，分為磁偶極子特性參數(shù)和模型參數(shù)，表3、表4設(shè)計(jì)了接口函數(shù)的參數(shù)名、Fortran參數(shù)與C++參數(shù)數(shù)據(jù)類型對應(yīng)關(guān)系，表中對各參數(shù)實(shí)際意義進(jìn)行了說明。

表3 特性參數(shù)類型對應(yīng)表

表4 模型參數(shù)類型對應(yīng)表

其中頭文件中定義的函數(shù)接口代碼如下所示：

extern "C" void(*emdpler_for_)(int *ifact, int *idipol, int *icomp, double *r, double *ht, double *z, double *freqmax, double *freqmin, double *ri, double *area, double *rm, double *x, double *y, int *nlyr, float *res, float *h, double *outData，int *isCancel);

除了磁偶極子特性參數(shù)和模型參數(shù)外，還包括終止標(biāo)識變量isCancel，在Fortran中對應(yīng)INTEGER*8類型，用來監(jiān)測運(yùn)算是否被用戶終止，當(dāng)返回值為非0時(shí)，表示函數(shù)正常結(jié)束。

3.2.2 配置算法項(xiàng)目參數(shù)

在QtCreator中，指定項(xiàng)目使用MinGW-w64[16]編譯環(huán)境，需要對算法項(xiàng)目的pro文件進(jìn)行配置，算法開發(fā)模板預(yù)設(shè)了以下參數(shù)：

TEMPLATE = lib

LIBS +=-lgfortran

DESTDIR += D:/qtworkspace/fortranmodule

QMAKE_CFLAGS-=-fno-keep-inline-dllexport

SOURCES += Emdpler.for

TEMPLATE是模板變量，為qmake指定makefile的類型，值lib表示建立一個(gè)庫的makefile。LIBS是用來指定要鏈接到項(xiàng)目中的庫的列表，值-lgfortran表示引入了gfortran的相關(guān)庫文件。DESTDIR用來指定目標(biāo)動態(tài)鏈接庫生成路徑，代碼中的路徑即為開發(fā)人員指定的私有動態(tài)鏈接庫目錄。QMAKE_CFLAGS用來設(shè)置編譯參數(shù)，-fno-keep-inline-dllexport表示忽略所有含dllexport屬性的內(nèi)聯(lián)函數(shù)，避免編譯時(shí)內(nèi)存耗盡錯(cuò)誤的產(chǎn)生。SOURCES設(shè)置Fortran代碼文件名，用來將Fortran代碼文件添加到項(xiàng)目中。

3.2.3 生成動態(tài)鏈接庫

將磁偶極子源正演的Fortran代碼文件拷貝至算法項(xiàng)目根目錄，在QtCreator中選中算法項(xiàng)目，點(diǎn)擊構(gòu)建按鈕，進(jìn)行編譯、調(diào)試，如無語法錯(cuò)誤，DLL文件將生成到私有動態(tài)鏈接庫目錄下。使用Dependency Walker工具檢查動態(tài)鏈接庫依賴關(guān)系,確保動態(tài)鏈接庫無缺少模塊、無依賴項(xiàng)錯(cuò)誤等，再將動態(tài)鏈接庫加入到測試程序里進(jìn)行調(diào)用、測試，如果測試結(jié)果不正確，需要重新修改源代碼，編譯源代碼，生成DLL文件，重復(fù)流程，直到動態(tài)鏈接庫調(diào)用測試正確為止。

3.3 Qt調(diào)用動態(tài)鏈接庫實(shí)現(xiàn)過程

界面開發(fā)模板用來創(chuàng)建軟件主程序和界面，該模板預(yù)設(shè)了界面和平臺公共動態(tài)鏈接庫接口的代碼。通過配置界面項(xiàng)目參數(shù)、設(shè)計(jì)用戶界面、編寫調(diào)用動態(tài)鏈接庫代碼，編譯生成可執(zhí)行文件，實(shí)現(xiàn)用戶界面、主程序、算法之間的連接。界面項(xiàng)目開發(fā)流程圖見圖4。

圖4 界面項(xiàng)目開發(fā)流程圖

3.3.1 配置界面項(xiàng)目參數(shù)

在QtCreator中，需要對界面項(xiàng)目的pro文件進(jìn)行如下配置：

LIBS += fortranvmd.dll

HEADERS += fortranvmd.h

FORMS += EMDPLERDialog.h

LIBS表示將算法項(xiàng)目生成的動態(tài)鏈接庫添加到界面項(xiàng)目中，HEADERS表示將算法項(xiàng)目動態(tài)鏈接庫的頭文件引入到界面項(xiàng)目中。

3.3.2 主程序調(diào)用動態(tài)鏈接庫

在界面項(xiàng)目主程序中引入動態(tài)鏈接庫的頭文件，編寫調(diào)用動態(tài)鏈接庫代碼，調(diào)用部分代碼如下所示，對于算法中的模型參數(shù)電阻率res、層厚度h和自定義頻率序列freq，使用平臺公共接口G::alloc1float進(jìn)行內(nèi)存空間的申請，且該接口定義只用于接口變量，RdMemoryManager::allocateMemory2D接口用于C++代碼中變量的內(nèi)存空間申請，從界面獲取參數(shù)后，使用動態(tài)庫頭文件中的接口進(jìn)行直接調(diào)用，接口中返回變量outData中包含了計(jì)算輸出的振幅和相位數(shù)據(jù)，創(chuàng)建G_HEADER類型的結(jié)構(gòu)體變量outputheader，設(shè)置了輸出數(shù)據(jù)文件的文件參數(shù)信息，調(diào)用接口G_Interface::IOWrite_Scatter以散點(diǎn)數(shù)據(jù)格式將數(shù)據(jù)輸出到平臺數(shù)據(jù)庫中，釋放申請的空間，調(diào)用結(jié)束。

調(diào)用部分代碼：

float *res = G::alloc1float(static_cast(nlyr));

float *h = G::alloc1float(static_cast(nlyr-1));

float *freq = G::alloc1float(static_cast(freq_num));//申請空間用于接口變量

RdMemoryManager::allocateMemory2D(outtempData, static_cast(2), static_cast(freq_num));//申請空間用于C++代碼

……//從界面獲取各變量的值

emdpler_for_(&ifact,&idipol,&icomp,&r,&ht,&z,&freqmax,&freqmin,freq,&ri,&area,&rm,&x,&y,&nlyr,res,h,outData[0]);//調(diào)用接口函數(shù)

outputheader->attrType[0]=G_PHASE;

outputheader->attrType[1]=G_AMPLITUDE;//設(shè)置輸出數(shù)據(jù)列名

outputheader->pointNumber = freq_num;//輸出數(shù)據(jù)行數(shù)

outputheader->attrNumber = 2;//輸出數(shù)據(jù)列數(shù)

G_Interface::IOWrite_Scatter(OutItem.fullFileName, outputheader, outData);//調(diào)用平臺數(shù)據(jù)接口，將獲取到的outData中的輸出數(shù)據(jù)保存到平臺數(shù)據(jù)庫中

RdMemoryManager::freeMemory2D(outtempData, static_cast(clo));

G::free1float(res);

G::free1float(h);

G::free1float(freq);//釋放變量內(nèi)存空間

界面項(xiàng)目經(jīng)過編譯生成exe可執(zhí)行文件，對exe文件進(jìn)行運(yùn)行測試，如測試結(jié)果不正確，修改代碼，重新編譯，直到程序正確執(zhí)行為止。實(shí)現(xiàn)的軟件用戶界面如圖5、圖6所示。

圖5 正演參數(shù)編輯界面

圖6 模型參數(shù)編輯界面

4 對比分析

設(shè)計(jì)兩層地質(zhì)模型，各層電阻率分別是ρ1=100 Ω·m，ρ2=10 Ω·m,層厚度h1=100 m,電流I=1 A,線圈面積S=1 m2,收發(fā)距SR=100 m，分別使用Fortran算法和混編后的軟件進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果經(jīng)過對比如圖7、圖8所示。

原Fortran程序和混合編程軟件計(jì)算輸出的結(jié)果一致，振幅和相位的輸出曲線完全重合，混合編程后的軟件模塊計(jì)算精度高、運(yùn)行速度快，界面操作友好。

5 結(jié)論

磁偶極子源正演模塊是地下及井中探測軟件平臺的一個(gè)重要組成部分。正演算法采用Fortran語言實(shí)現(xiàn)，而地下及井中探測軟件平臺利用QT開發(fā)。這里研究了Qt和Fortran的混合編程技術(shù)，利用軟件平臺開發(fā)接口和項(xiàng)目開發(fā)模板，實(shí)現(xiàn)了磁偶極子源正演在地下及井中探測軟件平臺上的集成應(yīng)用。對比測試表明，磁偶極子源正演集成到地下及井中探測軟件平臺后，計(jì)算結(jié)果正確，并且其用戶界面友好，軟件平臺模塊開發(fā)效率高。本文混編模式適合于大型、綜合性物探數(shù)據(jù)處理解釋軟件平臺的開發(fā)。