大地電磁三維反演云計(jì)算系統(tǒng)toPeak的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉鐘尹 陳小斌 蔡軍濤 崔騰發(fā) 趙國澤 湯 吉 歐陽飚

1)中國地震局地質(zhì)研究所，地震動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

2)應(yīng)急管理部國家自然災(zāi)害防治研究院，北京 100085

0 引言

經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，大地電磁(MT)二維反演技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得十分成熟，無論是算法程序還是應(yīng)用軟件都已實(shí)用化。在專業(yè)軟件方面，國外的GeoTools(Compagnie Générale de Géophysique，2013)和WinGLink(Schlumberger，2013)等以及國內(nèi)的MTPioneer(陳小斌等，2004)等在各生產(chǎn)單位、大學(xué)和科研院所都擁有大量用戶。在專業(yè)軟件的幫助下，許多研究得以更順利、更方便地產(chǎn)出成果(蔡軍濤等，2010a，b；葉濤等，2013；陳小斌等，2014，2017b，2019；郭春玲等，2018)。

與二維反演相比，MT三維反演有著數(shù)據(jù)預(yù)處理簡單、模型與實(shí)際情況接近、反演結(jié)果更加可靠和穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)和前沿課題之一，該方法也必將取代當(dāng)前主流的二維反演方法。隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的提高和反演技術(shù)的突破(Maddenetal.，1989；Newmanetal.，2000；Siripunvarapornetal.，2005)，MT三維反演技術(shù)在近幾年有了很大發(fā)展，從最開始的理論測試研究轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在的逐漸應(yīng)用于實(shí)際資料的解釋。Siripunvaraporn等(2005，2009)開發(fā)了基于三維數(shù)據(jù)空間算法(Data Space Occam)的WSINV程序；而后，Kelbert等(2008，2014)實(shí)現(xiàn)了基于非線性共軛梯度(NLCG)的ModEM程序。后者避免了靈敏度矩陣的計(jì)算和儲存，極大地減少了內(nèi)存需求、提高了反演速度，是目前應(yīng)用最為廣泛的三維反演算法程序。由于反演的初始模型從二維提升到三維，測線也提升為測面，三維反演的計(jì)算量非常大，WSINV和ModEM都采用了并行編程，以更好地利用計(jì)算資源，提高反演速度。

依托于目前國內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)的良好環(huán)境(網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用低廉、網(wǎng)絡(luò)速度快、網(wǎng)絡(luò)覆蓋全)，加上各類計(jì)算服務(wù)中心和超算的建立，近年來以互聯(lián)網(wǎng)和并行計(jì)算為支撐的云計(jì)算發(fā)展勢頭迅猛。相比云計(jì)算系統(tǒng)，單位自行搭建的計(jì)算服務(wù)器往往存在維護(hù)成本高昂、計(jì)算資源有限等問題，因此石油勘探、天氣預(yù)報(bào)、建模仿真、動畫渲染、科研計(jì)算等計(jì)算量和數(shù)據(jù)量大的行業(yè)逐漸從自建服務(wù)器轉(zhuǎn)移到了云計(jì)算系統(tǒng)。

有別于已基本實(shí)現(xiàn)實(shí)際使用功能的三維反演算法程序，三維反演應(yīng)用還處在早期階段。以目前使用較多的Unsworth團(tuán)隊(duì)開發(fā)的MATLAB腳本集M3DET(Turkoglu，2009)為例，其提供了多個(gè)腳本文件，包括生成反演所需的數(shù)據(jù)、模型和參數(shù)文件，結(jié)果模型和擬合曲線顯示等功能，用戶需要手動調(diào)用腳本生成的所需文件，然后再登陸超算計(jì)算集群，自行上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行反演計(jì)算，所有反演流程由多種軟件協(xié)同完成，用戶需要熟練使用多種軟件，并且需掌握Linux命令行的使用，對使用者要求較高。類似于正演試錯(cuò)法，所有流程需自己手動完成，不僅工作量大、操作復(fù)雜，還需考慮長期有效保存和管理種類繁復(fù)的反演數(shù)據(jù)，是最原始的云計(jì)算方法。

基于此，我們采用Delphi語言開發(fā)了大地電磁三維反演云計(jì)算系統(tǒng)——toPeak。其由云端和客戶端組成，不僅能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的長效管理，還可通過網(wǎng)絡(luò)自動化連接云端進(jìn)行反演計(jì)算。用戶無需了解與Linux和超算計(jì)算相關(guān)的復(fù)雜命令，即可在Windows平臺通過鼠標(biāo)可視化交互操作完成大地電磁三維反演，實(shí)現(xiàn)反演的云計(jì)算。

1 需求分析與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

我們的設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)一套基于服務(wù)端-客戶端(C/S)的云計(jì)算系統(tǒng)平臺，在完善反演數(shù)據(jù)管理的基礎(chǔ)上，于云端集成現(xiàn)今最前沿的大地電磁三維反演算法程序，通過互聯(lián)網(wǎng)連接實(shí)現(xiàn)大地電磁三維反演的全部功能。該系統(tǒng)應(yīng)具備數(shù)據(jù)長期保存的可靠性、可視化交互操作的便利性、長期運(yùn)行的穩(wěn)定性、功能算法的易于擴(kuò)展性、軟件的可維護(hù)性和生命周期長等特點(diǎn)。

圖1 大地電磁三維反演云計(jì)算系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the three-dimensional magnetotelluric inversion cloud computing system.

結(jié)合設(shè)計(jì)目標(biāo)和需求分析設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。服務(wù)端部署于超級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(超算)上，包括大地電磁三維反演算法程序(ModEM、WSINV等)，借助超算強(qiáng)大的并行計(jì)算資源，基于接收的反演數(shù)據(jù)進(jìn)行反演任務(wù)，并對反演結(jié)果數(shù)據(jù)的儲存進(jìn)行配置和管理。結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)連接，服務(wù)端成為計(jì)算云端，可通過網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，進(jìn)行反演云計(jì)算?？蛻舳瞬渴鹩赪indows端，由Windows可視化數(shù)據(jù)集成處理軟件和中間件組成，是一個(gè)胖客戶端(thick client)?？梢暬浖?shí)現(xiàn)了三維反演的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、模型構(gòu)建、反演計(jì)算控制和結(jié)果管理等功能；中間件基于SSH協(xié)議封裝了客戶端與服務(wù)端之間通過互聯(lián)網(wǎng)連接實(shí)現(xiàn)的命令交互和數(shù)據(jù)傳輸功能。

在任務(wù)分配上，云端用于大計(jì)算量的三維反演并行運(yùn)算，客戶端用于反演數(shù)據(jù)集的管理編輯和連接云端進(jìn)行反演數(shù)據(jù)傳輸以及反演控制。由于不承擔(dān)計(jì)算任務(wù)，客戶端對于電腦性能的要求很低，只需要Windows XP及以上版本的系統(tǒng)、保持互聯(lián)網(wǎng)連接且能正常訪問云端即可隨時(shí)隨地進(jìn)行大地電磁三維反演操作。這種 “本地?cái)?shù)據(jù)管理+云端計(jì)算”的模式與當(dāng)前云計(jì)算的趨勢一致。

2 系統(tǒng)各部分的介紹

2.1 服務(wù)端

2.1.1 算法介紹

在部署于超算上的服務(wù)端中，大地電磁三維反演算法程序是服務(wù)端的核心部分，該部分集成了當(dāng)前最先進(jìn)的三維反演并行算法——WSINV和ModEM。

WSINV(數(shù)據(jù)空間Occam反演算法)是Siripunvaraporn等(2005，2009)基于Occam反演算法將目標(biāo)函數(shù)計(jì)算迭代式從模型空間(M×M)變換到數(shù)據(jù)空間(N×N)實(shí)現(xiàn)的。在大部分情況下，數(shù)據(jù)參數(shù)量(N)遠(yuǎn)小于模型參數(shù)量(M)，且相差好幾個(gè)數(shù)量級。相比于傳統(tǒng)模型空間的Occam反演算法，數(shù)據(jù)空間的Occam反演算法除繼承了Occam算法穩(wěn)定性好、細(xì)節(jié)分辨率高、收斂次數(shù)少等優(yōu)點(diǎn)之外，還大大減少了運(yùn)算量和內(nèi)存消耗。但是，該算法仍需儲存和計(jì)算全部的靈敏度矩陣，總體而言，內(nèi)存消耗仍然較大。其在一次迭代中需要對測點(diǎn)進(jìn)行數(shù)次正演，測點(diǎn)越多、單次迭代所需計(jì)算量越大。

ModEM(非線性共軛梯度反演算法)是Kelbert等(2008，2014)基于非線性共軛梯度(NLCG)法實(shí)現(xiàn)的反演算法。其采用共軛梯度(CG)方法直接最小化反演目標(biāo)函數(shù)，避免計(jì)算和存儲靈敏度矩陣，極大地減小了內(nèi)存存儲消耗和運(yùn)算量。其在一次迭代計(jì)算中僅需2次附加的正演及1次數(shù)據(jù)擬合的正演，總共僅需3次正演。

超算的最大特點(diǎn)是計(jì)算節(jié)點(diǎn)多，并行程序能夠充分利用計(jì)算資源來提高計(jì)算速度。大地電磁正演具有天然的并行性，在正演過程中，不同頻率的正演計(jì)算是完全獨(dú)立的，2種極化源(X極化源和Y極化源)的計(jì)算也是完全獨(dú)立的。無論是WSINV還是ModEM，它們都采用Message Passing Interface(MPI)接口來實(shí)現(xiàn)程序的并行化，程序并行策略都是單個(gè)極化源、單個(gè)頻率用一個(gè)獨(dú)立的進(jìn)程進(jìn)行計(jì)算。如對40個(gè)頻點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行正演計(jì)算時(shí)需要2個(gè)極化源，則可以采用80個(gè)核同時(shí)并行計(jì)算，再加1個(gè)協(xié)調(diào)處理核，即采用81個(gè)計(jì)算核即可實(shí)現(xiàn)完美的并行計(jì)算。

2.1.2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

在服務(wù)端，除了最核心的計(jì)算程序外，還需要搭建一個(gè)良好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與之配套。三維反演計(jì)算會產(chǎn)生大量的結(jié)果文件，對于服務(wù)端來說，是一個(gè) “一對多”的情況，會有很多用戶連接到同一個(gè)服務(wù)端進(jìn)行三維反演計(jì)算，進(jìn)而產(chǎn)生更多的結(jié)果文件。因此，設(shè)計(jì)搭建一個(gè)合理的數(shù)據(jù)儲存結(jié)構(gòu)，是保證服務(wù)端正常運(yùn)行的關(guān)鍵之一。

圖2 顯示了服務(wù)端的數(shù)據(jù)儲存結(jié)構(gòu)。首先，針對不同的用戶賬號設(shè)置不同的用戶文件夾，以保證各個(gè)用戶之間的數(shù)據(jù)互不干擾。其次，針對每個(gè)用戶，在其用戶文件夾下生成一個(gè)數(shù)據(jù)儲存的根目錄，所有的數(shù)據(jù)和參數(shù)文件都存放于該根目錄文件夾下，按照 “數(shù)據(jù)工程—反演作業(yè)—數(shù)據(jù)文件” 3個(gè)層級進(jìn)行存放，層次分明。

圖2 服務(wù)端的數(shù)據(jù)儲存結(jié)構(gòu)Fig.2 Server data storage structure.

至此，服務(wù)端設(shè)計(jì)完畢，它定位于云端的計(jì)算和儲存部分，部署了反演算法程序，用于進(jìn)行三維反演運(yùn)算，并對反演結(jié)果進(jìn)行儲存和管理。

2.2 互聯(lián)網(wǎng)

2.2.1 設(shè)計(jì)原理

作為云端兩大組成部分(服務(wù)端和互聯(lián)網(wǎng))之一，互聯(lián)網(wǎng)部分基于當(dāng)今的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，圍繞服務(wù)端進(jìn)行功能封裝，實(shí)現(xiàn)服務(wù)端與客戶端的連接。

從云端的計(jì)算和儲存的定位進(jìn)行分析。針對計(jì)算，互聯(lián)網(wǎng)部分需要實(shí)現(xiàn)控制計(jì)算開始和停止、計(jì)算過程監(jiān)測等功能；針對儲存，互聯(lián)網(wǎng)部分需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳、下載和刪除等功能。由于互聯(lián)網(wǎng)部分所有功能都要在公開網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進(jìn)行，為了保證數(shù)據(jù)的安全，采用加密的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議SSH。

現(xiàn)行的超算計(jì)算集群均部署了作業(yè)資源管理系統(tǒng)，用于管理和分配并行程序的計(jì)算和資源(段新華等，2009)，所有計(jì)算控制操作都基于該系統(tǒng)。目前國內(nèi)主流的超算所使用的資源管理系統(tǒng)不盡相同，如“天河1號”和“天河2號”使用SLURM(Yooetal.，2003)，“神威太湖之光”使用Sunway(Fuetal.，2016)，而小規(guī)模的計(jì)算集群一般采用PBS(Henderson，1995)和SLURM，如中國地震局地質(zhì)研究所自建的計(jì)算集群就采用PBS系統(tǒng)。這些作業(yè)資源管理系統(tǒng)所包含的功能大體一致，都可實(shí)現(xiàn)計(jì)算任務(wù)的提交、查看、停止和刪除，計(jì)算資源的查看和分配等功能，但不同的作業(yè)資源系統(tǒng)具體的操作命令有很大的不同。

至此，從服務(wù)端出發(fā)，基于SSH協(xié)議，互聯(lián)網(wǎng)部分針對不同的超算，實(shí)現(xiàn)了控制計(jì)算和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ懿ζ溥M(jìn)行封裝，實(shí)現(xiàn)云端的連接部分。服務(wù)端和互聯(lián)網(wǎng)部分共同構(gòu)成了完整的云端。

2.2.2 中間件

上節(jié)提到不同的作業(yè)資源管理系統(tǒng)有不一樣的操作命令。為使互聯(lián)網(wǎng)部分適配不同超算，同時(shí)保證系統(tǒng)的擴(kuò)展性，我們依托于IP WorksSSH控件，以多態(tài)的形式實(shí)現(xiàn)了一個(gè)中間件，針對不同作業(yè)資源管理系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的控制計(jì)算和數(shù)據(jù)傳輸功能進(jìn)行了抽象和封裝，對外提供一致的API接口函數(shù)(圖3)。

圖3 中間件的封裝與多態(tài)Fig.3 The encapsulation and polymorphism of the middleware.

圖3 中，TInvBase為中間件的基類，其內(nèi)聲明了中間件的所有方法并實(shí)現(xiàn)了一部分，包括開始、停止反演，獲取反演信息，獲取反演作業(yè)列表，上傳、下載反演數(shù)據(jù)，獲取計(jì)算集群節(jié)點(diǎn)信息等。斜體字為抽象方法或虛方法，留待派生類中實(shí)現(xiàn)。圖3 第2排列出了從基類派生出的多個(gè)派生類，它們分別對應(yīng)不同的超算、計(jì)算集群，這些計(jì)算集群有不同的架構(gòu)，采用了不同的作業(yè)資源管理系統(tǒng)，故也采用不同的代碼實(shí)現(xiàn)相同的功能。在具體使用時(shí)，只需要聲明一個(gè)基類變量，再根據(jù)實(shí)際情況采用工廠方法模式(Gammaetal.，1994)將其實(shí)例化為不同類型的派生類對象，即可使用一個(gè)變量完成對不同超算、計(jì)算集群的操作。再添加新的超算時(shí)，只需要從基類派生，然后實(shí)現(xiàn)指定的基類抽象方法或虛方法，就能完成對新添加超算的控制操作。

通過該中間件，無論針對哪個(gè)超算計(jì)算集群，只需調(diào)用統(tǒng)一的API接口函數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)控制計(jì)算和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，非常簡潔方便。中間件默認(rèn)已經(jīng)添加配置了“天河1號”、“ 天河2號”、“神威太湖之光”等超算，這些平臺接入后可直接使用；此外，在接口不變的情況下也可很方便地添加其他超算計(jì)算集群。

2.3 客戶端

客戶端包括Windows可視化數(shù)據(jù)集成處理軟件和中間件。由于前文已經(jīng)介紹了中間件，這里主要介紹Windows可視化數(shù)據(jù)集成處理軟件，即整個(gè)云計(jì)算系統(tǒng)中用戶直接接觸操作的部分。

2.3.1 系統(tǒng)框架

區(qū)別于一般單線流程的算法程序，客戶端軟件在面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)思想(Object Oriented Programming，OOP)的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，它繼承了MTPioneer(簡稱MTP)軟件以數(shù)據(jù)為核心的設(shè)計(jì)思路(陳小斌等，2004)，利用數(shù)據(jù)工程對象封裝儲存了所有MT數(shù)據(jù)、處理與解釋結(jié)果。之后圍繞該數(shù)據(jù)工程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理反演等操作，再利用可視化技術(shù)將這些處理反演的過程及結(jié)果以圖形的形式顯示出來。圖4 直觀地展示了這種思想，同時(shí)也展示了軟件的主要功能，所有操作都圍繞著數(shù)據(jù)工程進(jìn)行。

圖4 客戶端主要的設(shè)計(jì)思想Fig.4 Main design idea of client.

圖5 客戶端的架構(gòu)Fig.5 Structure of client.

從程序設(shè)計(jì)角度來看，遵循 “高內(nèi)聚、低耦合”的原則，客戶端軟件由3部分組成：數(shù)據(jù)層、邏輯層和顯示層(圖5)。其中數(shù)據(jù)層為客戶端的核心部分，包含原始數(shù)據(jù)和所有反演結(jié)果數(shù)據(jù)；邏輯層圍繞著數(shù)據(jù)層，包含客戶端軟件的主要處理和反演功能；顯示層為軟件最外層的部分，用于數(shù)據(jù)處理、解釋的過程以及結(jié)果的顯示。

2.3.2 功能介紹

(1)數(shù)據(jù)的儲存與管理

使用客戶端軟件時(shí)，需要新建數(shù)據(jù)工程或打開已有的數(shù)據(jù)工程，軟件所有的操作都基于數(shù)據(jù)工程(圖6)，能夠很方便地實(shí)現(xiàn)對不同MT數(shù)據(jù)的建立、打開、保存或?qū)С鲂鹿こ痰裙δ堋?shù)據(jù)工程有3種創(chuàng)建途徑，可基于EDI功率譜文件、MTP導(dǎo)出的阻抗傾子文件以及視電阻率相位文件建立。在創(chuàng)建數(shù)據(jù)工程時(shí)，可一次建立整個(gè)工程，也可只建立部分測點(diǎn)，再根據(jù)需求繼續(xù)添加測點(diǎn)數(shù)據(jù)。

圖6 客戶端的數(shù)據(jù)工程結(jié)構(gòu)Fig.6 Client’s data project structure.

在客戶端軟件中，根據(jù)建立數(shù)據(jù)工程的不同方式，可導(dǎo)入不同類型的數(shù)據(jù)。阻抗傾子以及視電阻率相位均可被導(dǎo)入作為原始數(shù)據(jù)，既可兼容只有視電阻率相位的老舊數(shù)據(jù)，也能夠使用完備的阻抗傾子數(shù)據(jù)進(jìn)行更多處理操作。數(shù)據(jù)工程包括4個(gè)部分：工程信息、原始數(shù)據(jù)、結(jié)果數(shù)據(jù)和配置文件，每個(gè)數(shù)據(jù)工程就是一個(gè)完備的數(shù)據(jù)集?；诖藬?shù)據(jù)集，用戶可持續(xù)性地針對該工區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、編輯、反演等操作，也可以很方便地把數(shù)據(jù)工程復(fù)制到U盤等設(shè)備或上傳到同步云盤，隨時(shí)開展工作。

(2)云端配置與應(yīng)用

圖7 云端配置與應(yīng)用功能Fig.7 Function of cloud configuration and application.

為便于連接和使用云端進(jìn)行云計(jì)算，客戶端軟件實(shí)現(xiàn)了完整的云端配置與應(yīng)用功能(圖7)。首先，云端配置功能實(shí)現(xiàn)了客戶端對云端超算連接和運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置及儲存，用戶可以很方便地添加新的云端信息，使客戶端軟件能夠正常連接云端。其次，基于中間件實(shí)現(xiàn)了查看云端超算計(jì)算節(jié)點(diǎn)資源和計(jì)算設(shè)置等功能，用戶可連接指定的云端，查看上面的計(jì)算資源，然后設(shè)置反演計(jì)算所需要的計(jì)算資源(計(jì)算節(jié)點(diǎn)數(shù)和核數(shù))。最后，仍基于中間件實(shí)現(xiàn)了在云端進(jìn)行反演計(jì)算的功能，包括從客戶端提交反演任務(wù)、上傳數(shù)據(jù)到云端及發(fā)送命令開始反演，計(jì)算并監(jiān)控反演計(jì)算過程，反演結(jié)束后可從云端下載反演結(jié)果。

依托于可視化交互操作界面，用戶可以很方便地對云端配置進(jìn)行管理，除了默認(rèn)的云端配置外，也能手動添加新的云端超算，適用范圍很廣?？蛻舳送ㄟ^中間件與云端實(shí)現(xiàn)了連接，由于中間件良好的封裝和多態(tài)設(shè)計(jì)，區(qū)別于其他現(xiàn)有軟件輸入命令進(jìn)行云端遠(yuǎn)程操作的模式，用戶只需用鼠標(biāo)點(diǎn)擊相關(guān)按鈕，即可實(shí)現(xiàn)包括提交反演任務(wù)、查看反演流程、停止反演、取回反演數(shù)據(jù)等操作，且所有云端和反演信息都在軟件界面上以圖形直觀地顯示。

圖8 初始模型構(gòu)建功能Fig.8 Function of initial model building.

(3)初始模型構(gòu)建

在大地電磁三維反演中，初始模型是一個(gè)重要的參數(shù)。一個(gè)合適的初始模型能夠使反演收斂速度更快，使反演結(jié)果更合理，而易用的初始模型構(gòu)建功能則能夠幫用戶更容易地構(gòu)建理想的初始模型。客戶端軟件的初始模型構(gòu)建主要包含了4種模型的自動構(gòu)建功能(圖8)：構(gòu)建均勻半空間模型、原反演網(wǎng)格模型插值構(gòu)建模型、印模法構(gòu)建模型和構(gòu)建帶地形模型，足以滿足用戶的不同需求。

首先，可實(shí)現(xiàn)最基本的構(gòu)建均勻半空間模型的功能。基于用戶選擇的參與反演的測點(diǎn)，自動對測點(diǎn)所在區(qū)域進(jìn)行二維網(wǎng)格剖分生成XY平面核心區(qū)域網(wǎng)格，向外按照一定步長延拓生成延展區(qū)網(wǎng)格，向Z軸方向按照一定步長生成垂直網(wǎng)格，所有生成的網(wǎng)格單元的電阻率值都相同。構(gòu)建所用到的參數(shù)，包括XY平面核心區(qū)域網(wǎng)格單元大小、延展區(qū)網(wǎng)格數(shù)和增長步長、垂直網(wǎng)格深度分界和增長步長、模型電阻率值等都能任意進(jìn)行修改，模型構(gòu)建非常靈活。

其次，可實(shí)現(xiàn)原反演網(wǎng)格模型插值構(gòu)建模型的功能。一次反演很難得到最終的反演結(jié)果，往往需要將結(jié)果模型作為初始模型重新編輯，再多次反演才能得到最后結(jié)果。在已有反演結(jié)果模型的前提下，可重新設(shè)計(jì)初始模型網(wǎng)格，然后用結(jié)果模型在初始模型網(wǎng)格下進(jìn)行插值，得到新的模型。

再次，可實(shí)現(xiàn)印模法構(gòu)建模型功能。一般情況下，用原反演網(wǎng)格模型插值構(gòu)建得到的初始模型直接進(jìn)行反演是不太推薦的方法，因?yàn)榉囱萁Y(jié)果中可能存在很多局部的小異常和 “掛面條”現(xiàn)象，這些小異常中可能存在假異常，而 “掛面條”現(xiàn)象更會影響反演結(jié)果。印模法選定特定的深度，將印模深度以下的模型設(shè)置為均勻半空間模型，印模深度以上的模型采用加權(quán)求和的方式求得新的電阻率值，至此得到既在淺部保留已有反演結(jié)果主要輪廓、又在深部去除 “掛面條”現(xiàn)象的初始模型。用戶在進(jìn)行印模法操作時(shí)可設(shè)置印模深度、印模電阻率和印模加權(quán)求和方式，其中加權(quán)求和方式有開方加權(quán)、線性加權(quán)和平方加權(quán)3種，從開方到平方加權(quán)，對模型的修改依次減小。

最后，可實(shí)現(xiàn)帶地形模型構(gòu)建功能。當(dāng)反演區(qū)域地形起伏變化較大時(shí)，用帶地形的初始模型進(jìn)行反演，其結(jié)果要比不帶地形模型的反演更為合理。目前為三維模型添加地形信息是一個(gè)難題，我們實(shí)現(xiàn)的帶地形模型構(gòu)建功能可通過導(dǎo)入規(guī)則網(wǎng)格化的地形信息構(gòu)建帶地形模型，十分簡便。構(gòu)建帶地形模型的前提是要準(zhǔn)備好反演區(qū)域的地形信息，用戶對準(zhǔn)備好的地形信息文件進(jìn)行規(guī)則網(wǎng)格化后，即可將其導(dǎo)入生成帶地形的模型，并以三維顯示的方式查看地形情況。同時(shí)可根據(jù)計(jì)算精度修改模型的地形部分垂直單元網(wǎng)格來調(diào)整地形的垂直分辨率，也可實(shí)現(xiàn)對水體的導(dǎo)入和修改。

除以上4項(xiàng)主要功能外，在初始模型構(gòu)建部分還能通過多種方式對模型進(jìn)行手動微調(diào)，結(jié)合這些功能，用戶能很方便地構(gòu)建自己想要的模型，不僅可進(jìn)行反演計(jì)算，也可進(jìn)行正演驗(yàn)證。

(4)多種數(shù)據(jù)圖形的顯示、編輯與輸出

客戶端軟件能夠?qū)Χ喾N數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和編輯，包括測點(diǎn)分布圖(經(jīng)緯度坐標(biāo)和相對直角坐標(biāo))、測點(diǎn)的視電阻率相位數(shù)據(jù)、測點(diǎn)的阻抗傾子數(shù)據(jù)、測點(diǎn)的模型曲線、模型顯示、模型地形信息三維顯示、反演結(jié)果擬合曲線和反演收斂曲線等。用戶可以在客戶端中對數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形化并查看，也可以制作或?qū)С鰣D形文本文件，使用其他專業(yè)圖片編輯軟件進(jìn)行修改和編輯。

(5)多種數(shù)據(jù)的輸入、輸出功能

客戶端軟件提供了多種數(shù)據(jù)和模型的輸入、輸出接口：

提供了多種數(shù)據(jù)參數(shù)的輸出接口(原始阻抗傾子、原始視電阻率相位、阻抗傾子響應(yīng)、視電阻率相位響應(yīng)、測點(diǎn)反演模型值、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等)，方便用戶導(dǎo)出數(shù)據(jù)，使用Surfer或Grapher等專業(yè)軟件繪制圖件。

提供了三維反演結(jié)果模型的輸出接口，輸出模型文件采用4列 “xyzv”模式排列，可輸出經(jīng)緯度模型或相對直角坐標(biāo)的模型，方便用戶采用toPeer(陳小斌等研發(fā)的專門針對大地電磁三維反演結(jié)果的三維可視化繪圖軟件)、Voxler或Tecplot等專業(yè)三維成圖軟件進(jìn)行模型繪制、解釋等后續(xù)操作。

提供了斷層的輸入、輸出接口，用戶可輸入斷層數(shù)據(jù)，并在測點(diǎn)分布圖上進(jìn)行顯示，也可裁剪反演區(qū)域內(nèi)的斷層數(shù)據(jù)并輸出，以便在toPeer等軟件中顯示三維反演結(jié)果時(shí)進(jìn)行斷層顯示。

3 操作方法

3.1 操作流程

圖9 toPeak操作流程示意圖Fig.9 Workflow of toPeak.

如圖9 所示，使用云計(jì)算系統(tǒng)toPeak進(jìn)行三維MT反演的主要流程包括以下幾步：首先，在客戶端導(dǎo)入數(shù)據(jù)并建立數(shù)據(jù)工程后，根據(jù)測點(diǎn)分布和數(shù)據(jù)質(zhì)量情況，對數(shù)據(jù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、處理和篩選操作，構(gòu)建出理想的初始模型，完成一系列反演參數(shù)的設(shè)置。之后連接云端，設(shè)計(jì)云計(jì)算的節(jié)點(diǎn)數(shù)和核數(shù)，提交反演任務(wù)，監(jiān)控反演流程并查看當(dāng)前的反演信息，下載任意次迭代的結(jié)果數(shù)據(jù)。最后，在反演結(jié)果顯示界面查看所有反演情況，包括收斂曲線、單點(diǎn)擬合曲線、平面擬合情況等。對于多次的反演結(jié)果，可選定其中一個(gè)作為反演結(jié)果，將該次反演的所有設(shè)置和結(jié)果導(dǎo)入到客戶端主界面中作為下一次反演時(shí)數(shù)據(jù)篩選和參數(shù)設(shè)置的依據(jù)，同時(shí)也可將反演結(jié)果模型以文本文件的形式導(dǎo)出，用其他專業(yè)的三維顯示軟件進(jìn)行查看和解釋。

3.2 功能演示

圖10a、b顯示了測點(diǎn)在經(jīng)緯度下和相對直角坐標(biāo)下的分布情況，通過鼠標(biāo)框選參與反演計(jì)算的測點(diǎn)。在相對直角坐標(biāo)系顯示狀態(tài)下，能對測點(diǎn)坐標(biāo)和阻抗傾子數(shù)據(jù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，盡可能減少構(gòu)建初始模型時(shí)產(chǎn)生的廢網(wǎng)格。

圖10 部分功能的示意圖Fig.10 Software’s functions.a 測點(diǎn)分布經(jīng)緯度顯示；b 測點(diǎn)分布相對直角坐標(biāo)顯示；c 初始模型構(gòu)建；d 地形顯示；e 反演數(shù)據(jù)擬合顯示；f 反演擬合殘差顯示

圖10c 顯示了初始模型構(gòu)建部分中模型電阻率的分布情況。模型在計(jì)算域(每個(gè)單元網(wǎng)格的大小一致)或物理域(每個(gè)單元網(wǎng)格按照實(shí)際大小設(shè)置)下進(jìn)行顯示，用戶可構(gòu)建出均勻半空間模型，也可通過原反演網(wǎng)格模型插值和印模法對模型進(jìn)行修改，還能通過導(dǎo)入地形信息構(gòu)建帶地形的模型，最后也可使用鼠標(biāo)調(diào)整模型的電阻率值。

圖10d 顯示了帶地形模型的地形情況。圖中以3D的形式顯示了模型的地形情況，其內(nèi)也包括測點(diǎn)分布，用戶可以很方便地旋轉(zhuǎn)、拖動、縮放顯示的地形圖像，查看模型的地形是否符合預(yù)期。

圖10e 顯示了反演結(jié)果數(shù)據(jù)的擬合情況。該圖顯示了測點(diǎn)參與計(jì)算頻率的擬合情況(散點(diǎn)表示實(shí)測數(shù)據(jù)，曲線表示擬合曲線)，通過勾選上面的顯示設(shè)置項(xiàng)，可動態(tài)顯示不同測點(diǎn)的擬合情況，查看各個(gè)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)擬合質(zhì)量，為下次反演提供數(shù)據(jù)篩選的依據(jù)。

圖10f 顯示了反演結(jié)果界面中數(shù)據(jù)擬合的殘差情況。該圖在平面上顯示了測點(diǎn)的擬合情況，通過勾選上面的顯示設(shè)置項(xiàng)，可動態(tài)顯示不同條件下測點(diǎn)的平面擬合情況，可為篩選數(shù)據(jù)進(jìn)行下次反演提供一定的依據(jù)。

圖11 部分功能的示意圖Fig.11 Software’s function.a 選擇云端計(jì)算節(jié)點(diǎn)和計(jì)算核；b 云端任意數(shù)據(jù)工程指定反演任務(wù)的擬合情況；c 當(dāng)前數(shù)據(jù)工程指定反演的實(shí)時(shí)計(jì)算信息

圖11a 顯示了云端計(jì)算節(jié)點(diǎn)和計(jì)算核的選擇情況。在向云端提交反演任務(wù)前，需要設(shè)置反演任務(wù)運(yùn)行所需要的節(jié)點(diǎn)CPU，目前有2種方式可供選擇：整體選擇節(jié)點(diǎn)數(shù)和核數(shù)(每個(gè)節(jié)點(diǎn)參與計(jì)算的核數(shù)相同)以及選擇指定節(jié)點(diǎn)和對應(yīng)的核數(shù)(對每個(gè)節(jié)點(diǎn)參與計(jì)算的核進(jìn)行單獨(dú)設(shè)置)。

圖11b 顯示了云端任意數(shù)據(jù)工程指定反演任務(wù)的擬合情況。用戶通過點(diǎn)擊左側(cè)的云端上已存在的反演任務(wù)名來獲取指定反演任務(wù)的計(jì)算信息。計(jì)算信息包括反演基本信息、RMS擬合曲線、正則化因子λ更新情況和反演日志。

圖11c 顯示了當(dāng)前數(shù)據(jù)工程指定反演的實(shí)時(shí)計(jì)算信息。用戶通過下拉菜單選擇反演任務(wù)來獲取該反演的實(shí)時(shí)計(jì)算信息。計(jì)算信息包括反演基本信息、RMS擬合曲線、正則化因子λ的更新情況和反演日志。通過取回?cái)?shù)據(jù)按鈕可取回迭代結(jié)果，在結(jié)果顯示部分做進(jìn)一步操作。

4 三維反演案例

由于toPeak大大降低了三維反演的門檻，在其研發(fā)成型后，很快得到了推廣應(yīng)用，基于該系統(tǒng)有多個(gè)成果發(fā)表(陳小斌等，2017a；崔騰發(fā)，2019；鄧琰，2019；蔡軍濤等，2020；崔騰發(fā)等，2020；趙凌強(qiáng)等，2020)，也幫助完成了多個(gè)項(xiàng)目。圖12 展示了某地震構(gòu)造區(qū)的三維反演結(jié)果，從中可以看出明顯的高、低阻交錯(cuò)特征和橫向上殼內(nèi)高導(dǎo)層明顯的不均勻性，可能與該地區(qū)歷史上曾經(jīng)發(fā)生的一次大型構(gòu)造變形運(yùn)動有關(guān)。圖13 展示了某油田大地電磁剖面的三維反演結(jié)果，三維反演解決了該研究中二維反演結(jié)果與已知的地質(zhì)資料矛盾的問題。圖14 展示了已開挖的某鐵路隧道的AMT老數(shù)據(jù)三維反演結(jié)果，反演結(jié)果與已知地質(zhì)資料非常一致。

圖12 某地震地殼的三維電性結(jié)構(gòu)分布圖(崔騰發(fā)等，2020)Fig.12 Three-dimensional electrical structure distribution map of crust of an earthquake(CUI Teng-fa et al.，2020).

圖13 某油田MT剖面的三維反演結(jié)果Fig.13 Three-dimensional inversion result of MT profile of an oilfield.

圖14 某鐵路隧道AMT數(shù)據(jù)的三維反演結(jié)果Fig.14 Three-dimensional inversion result of AMT data of a railway tunnel.

5 結(jié)論

本文介紹了自主研發(fā)的大地電磁三維反演云計(jì)算系統(tǒng)——toPeak。該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中充分使用了面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)技巧和模塊化的設(shè)計(jì)風(fēng)格，由客戶端和云端共同構(gòu)成了完整的三維MT反演軟件云系統(tǒng)。以此作為平臺，只需要修改少量代碼，即可掛載各種三維MT反演計(jì)算程序并連接各種超算計(jì)算集群。

作為一款專業(yè)軟件，toPeak以數(shù)據(jù)工程為核心，以可視化操作為包裝，實(shí)現(xiàn)了流程化三維MT反演的全部功能，大大降低了三維MT反演難度，促進(jìn)了三維MT反演的實(shí)用化。

雖然目前toPeak實(shí)現(xiàn)了三維反演操作的全部功能，但還遠(yuǎn)達(dá)不到完善的程度。隨著MT理論不斷深入研究和計(jì)算軟硬件技術(shù)不斷發(fā)展，更多新技術(shù)和新算法將不斷出現(xiàn)，我們也將對toPeak進(jìn)行長期的完善維護(hù)和功能升級，以跟上技術(shù)發(fā)展的腳步。

致謝文中使用的三維反演算法程序ModEM由Egbert、Kelbert和Meqbel開發(fā)并授權(quán)下載使用；三維反演算法程序WSINV為趙國澤研究員自該程序作者Siripunvaraporn處購買；長江大學(xué)和中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司提供了部分三維測試數(shù)據(jù)。在此一并表示感謝！