疊前時間偏移方法和裝置與流程
2023-05-27 16:57:12
本發明涉及地震勘探
技術領域：
，特別涉及一種疊前時間偏移方法和裝置。
背景技術：
：疊前時間偏移技術是地震資料處理技術之一，它能提供時間域中人們可見的最為準確的地震構造成像資料，在發現規模油田中有著十分重要的作用。隨著地震勘探正在邁入PB級數據時代，地震資料的處理周期越來越長，其中，疊前時間偏移是地震資料處理中最為費時的環節，一般需要佔據整個處理周期的40％左右的時間。然而，如果想要縮短處理周期以提高疊前時間偏移的計算效率，僅僅依靠增加CPU核數和計算節點數顯然是不合適的。針對上述問題，目前尚未提出有效的解決方案。技術實現要素：本發明實施例提供了一種疊前時間偏移方法，以簡單有效地提高疊前時間偏移的計算效率，該方法包括：將待偏移地震數據映射到五維坐標空間，其中，所述五維坐標空間對應的維度包括：CMP線號、CMP、記錄時間、炮檢距和方向角；將映射到五維坐標空間的待偏移地震數據沿著炮檢距和方位角兩個維度進行分解，得到M個OVT片數據，其中，M為正整數；將所述M個OVT片數據劃分為N個OVT域成像任務，其中，N為大於等於M的正整數；將所述N個OVT域成像任務分配至多個計算節點組進行偏移成像，其中，在每個計算節點組中，按照各個計算節點的處理能力為組內的各個計算節點分配任務，在每個計算節點中，CPU和GPU按照各自的處理能力申請任務。在一個實施方式中，將所述M個OVT片數據劃分為N個OVT域成像任務，包括：計算所述M個OVT數據片中各個OVT數據片的成像空間的大小；將所述M個OVT數據片中的每個OVT數據片劃分為一個或多個成像空間小於等於預設空間大小閾值的OVT域成像任務，得到N個OVT域成像任務。在一個實施方式中，所述預設空間大小閾值為2GB。在一個實施方式中，將所述N個OVT域成像任務分配至多個計算節點組進行偏移成像，包括：將參與計算的計算節點劃分為多個計算節點組，其中，每個計算節點組中設置一個組長節點，除組長節點之外的節點作為組員節點；每個計算節點組中的組長節點領取一個OVT域成像任務，並按照所在計算節點組的組員節點的處理能力，以地震數據道為單位為各個組員節點分配領取的OVT域成像任務；每個計算節點組的組長節點在組員節點處理完成後，回收並輸出組員節點的成像結果，並領取下一個OVT域成像任務，直至所有的OVT域成像任務已被領取。在一個實施方式中，在按照所在計算節點組的組員節點的處理能力，以地震數據道為單位為各個組員節點分配領取的OVT域成像任務之後，所述方法還包括：各個組員節點將領取的成像任務存儲在各自的緩衝池內。在一個實施方式中，在各個組員節點將領取的成像任務存儲在各自的緩衝池內之後，所述方法包括：每個組員節點按照以下方式對領取的成像任務進行處理：組員節點中的CPU和GPU按照各自的處理能力從所述緩衝池內申請任務；在組員節點所領取的成像任務完成之後，CPU回收所在計算節點的CPU和GPU的成像結果。本發明實施例還提供了一種疊前時間偏移裝置，以簡單有效地提高疊前時間偏移的計算效率，該裝置包括：映射模塊，用於將待偏移地震數據映射到五維坐標空間，其中，所述五維坐標空間對應的維度包括：CMP線號、CMP、記錄時間、炮檢距和方向角；分解模塊，用於將映射到五維坐標空間的待偏移地震數據沿著炮檢距和方位角兩個維度進行分解，得到M個OVT片數據，其中，M為正整數；劃分模塊，用於將所述M個OVT片數據劃分為N個OVT域成像任務，其中，N為大於等於M的正整數；分配模塊，用於將所述N個OVT域成像任務分配至多個計算節點組進行偏移成像，其中，在每個計算節點組中，按照各個計算節點的處理能力為組內的各個計算節點分配任務，在每個計算節點中，CPU和GPU按照各自的處理能力申請任務。在一個實施方式中，所述劃分模塊包括：計算單元，用於計算所述M個OVT數據片中各個OVT數據片的成像空間的大小；劃分單元，用於將所述M個OVT數據片中的每個OVT數據片劃分為一個或多個成像空間小於等於預設空間大小閾值的OVT域成像任務，得到N個OVT域成像任務。在一個實施方式中，所述預設空間大小閾值為2GB。在一個實施方式中，所述分配模塊包括：分組單元，用於將參與計算的計算節點劃分為多個計算節點組，其中，每個計算節點組中設置一個組長節點，除組長節點之外的節點作為組員節點；分配單元，用於控制每個計算節點組中的組長節點領取一個OVT域成像任務，並按照所在計算節點組的組員節點的處理能力，以地震數據道為單位為各個組員節點分配領取的OVT域成像任務；回收單元，用於控制每個計算節點組的組長節點在組員節點處理完成後，回收並輸出組員節點的成像結果，並領取下一個OVT域成像任務，直至所有的OVT域成像任務已被領取。在一個實施方式中，上述疊前時間偏移裝置還包括：控制模塊，用於在按照所在計算節點組的組員節點的處理能力，以地震數據道為單位為各個組員節點分配領取的OVT域成像任務之後，控制各個組員節點將領取的成像任務存儲在各自的緩衝池內。在一個實施方式中，所述控制模塊還用於在控制各個組員節點將領取的成像任務存儲在各自的緩衝池內之後，控制每個組員節點按照以下方式對領取的成像任務進行處理：組員節點中的CPU和GPU按照各自的處理能力從所述緩衝池內申請任務；在組員節點所領取的成像任務完成之後，CPU回收所在計算節點的CPU和GPU的成像結果。在本發明實施例中，在每個計算節點組中，按照各個計算節點的處理能力為組內的各個計算節點分配任務，在每個計算節點中，CPU和GPU按照各自的處理能力申請任務，即，節點內CPU和GPU兩類處理器共享和動態分發OVT域成像空間，完成同樣的OVT域成像任務，並最終形成疊加成像結果輸出。通過上述方式解決了現有的疊前偏移成像中計算耗時長的問題，達到了簡單高效完成疊前時間偏移的技術效果。附圖說明此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本申請的一部分，並不構成對本發明的限定。在附圖中：圖1是根據本發明實施例的疊前時間偏移方法的方法流程圖；圖2是根據本發明實施例的Occupancy對性能的影響示意圖；圖3是根據本發明實施例的疊前時間偏移裝置的結構框圖。具體實施方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，下面結合實施方式和附圖，對本發明做進一步詳細說明。在此，本發明的示意性實施方式及其說明用於解釋本發明，但並不作為對本發明的限定。發明人考慮到可以藉助於GPU等協處理器來提升性能，並利用異構系統的能效優勢，降低運行成本。三維Kirchhoff積分法偏移的基本思想是上世紀60年代地震勘探廣泛使用的繞射疊加方法，三維Kirchhoff積分法偏移可以通過如下公式表示：其中，R表示地面點(x0,y0,z0＝0)到地下點(x,y,z)的距離，v表示地震波的傳播速度。為了縮短地震資料的處理周期，提高疊前時間偏移的計算效率，在本例中根據大規模CPU+GPU異構集群的體系結構特點和能效優勢，實現了面向CPU+GPU異構架構的3DKirchhoff疊前時間偏移技術，能夠適用於大規模工業生產的高效率低能耗的要求。該疊前時間偏移方法可以如圖1所示，包括如下步驟：步驟101：將待偏移地震數據映射到五維坐標空間，其中，所述五維坐標空間對應的維度包括：CMP線號、CMP、記錄時間、炮檢距和方向角；即，可以是將疊前時間偏移算法的輸入地震數據映射到五維坐標，(CMPline、CMP、記錄時間、炮檢距和方位角)空間內。步驟102：將映射到五維坐標空間的待偏移地震數據沿著炮檢距和方位角兩個維度進行分解，得到M個OVT片數據，其中，M為正整數；即，對輸入的地震數據沿著炮檢距和方位角二個維度進行分解，分解後單獨的數據子集就是一個OVT片數據，數據子集的個數就是OVT個數，可以記為j。在實際實現的時候，可以直接將一個OVT片數據作為一個成像任務。步驟103：將所述M個OVT片數據劃分為N個OVT域成像任務，其中，N為大於等於M的正整數；考慮到有時候一個OVT片數據對應的成像空間很大，GPU無法承載，因此可以先對一個OVT片數據對應的成像空間進行劃分，以保證每個成像任務都是CPU和GPU可以承擔的。具體地，可以按照以下公式計算一個OVT片的成像空間M：M＝CMPline數*CMP數*記錄樣點數*4/1024/1024/1024然後，將M個OVT數據片中的每個OVT數據片劃分為一個或多個成像空間小於等於預設空間大小閾值的OVT域成像任務，得到N個OVT域成像任務。進一步的，因為考慮到GPU顯存比較小，為了克服其顯存小的障礙，可以設定預設空間大小閾值為2GB，即，劃分得到的每個OVT域成像任務都是小於2GB的，這樣，也就使得GPU也可以對OVT域成像任務進行處理，克服了GPU顯存小的問題。在一個實施方式中，可以通過以下公式計算作業個數n：n＝int(M/2)+1即，將成像空間平均分為n等分，保證每一份成像空間都小於2GB，從而解決GPU顯存過小不適合大規模計算的問題。在進行成像空間劃分後，所得到的總任務數m(即，上述N)，可以按照以下公式計算得到：其中，na表示第a個OVT片所分成的作業個數。步驟104：將所述N個OVT域成像任務分配至多個計算節點組進行偏移成像，其中，在每個計算節點組中，按照各個計算節點的處理能力為組內的各個計算節點分配任務，在每個計算節點中，CPU和GPU按照各自的處理能力申請任務。具體地，可以先將參與計算的計算節點劃分為多個計算節點組，其中，每個計算節點組中設置一個組長節點，除組長節點之外的節點作為組員節點；然後，每個計算節點組中的組長節點領取一個OVT域成像任務，並按照所在計算節點組的組員節點的處理能力，以地震數據道為單位為各個組員節點分配領取的OVT域成像任務；每個計算節點組的組長節點在組員節點處理完成後，回收並輸出組員節點的成像結果，並領取下一個OVT域成像任務，直至所有的OVT域成像任務已被領取。在計算節點進行成像任務處理的時候，各個的組員節點可以將領取的成像任務存儲在各自的緩衝池內，然後每個組員節點中的CPU和GPU按照各自的處理能力從所在計算節點的緩衝池內申請任務，當這個計算節點所領取的成像任務被CPU和GPU領取並完成之後，CPU可以回收所在計算節點的CPU和GPU的成像結果。舉例而言，將參與計算的節點分成若干組，選定組內的第一個節點作為「組長」(Groupleader)節點，其它節點作為「組員」(Groupmember)節點。對劃分後的多個節點組中的每個節點組一次分配一個任務，「組長」節點根據「組員」節點的能力以地震數據道為單位異步分發計算任務。在節點內，CPU和GPU兩類處理器完成同一OVT域任務的計算，其全部計算任務存放在本節點緩衝池內，CPU和GPU兩類處理器之間按照各自的計算能力獨立地從緩衝池中異步申請任務。一個OVT域成像任務計算完畢，在節點內，CPU負責回收兩類處理器的成像結果，在節點組內，「組長」節點負責回收所有「組員」節點的成像結果，「組長」節點輸出成像結果並申請下一個OVT域任務，直至所有OVT域任務完成。在上例中，通過面向CPU+GPU異構架構的OVT域3DKirchhoff疊前時間偏移方法，通過多維度成像空間分解算法，節點內CPU、GPU兩類處理器共享和動態分發OVT域成像空間，完成同樣的OVT域成像任務，並最終形成疊加成像結果輸出。下面結合一具體實施例進行說明，該面向CPU+GPU異構架構的3DKirchhoff疊前時間偏移方法的執行流程可以包括：測試機器配置2路8核IntelXeonE5-2670(共16個物理核)和2路NvidiaTeslaK20Xm，是兩款處於同一時期的高性能處理器，測試數據的in-line範圍為：490-600線，cross-line範圍為：1～824，成像空間共有91464個面元。首先，對輸入數據按OVT號進行分解，一個節點組一次分配一個OVT片成像任務。在節點內，CPU和GPU兩類處理器共同參與計算，其全部計算任務存放在本節點緩衝池內，CPU和GPU兩類處理器之間按照各自計算能力獨立從緩衝池中異步申請任務。當一個共炮檢距成像空間大於2GB時，通過公式(n＝int(一個共炮檢距成像空間/2)+1)將成像空間平均分為n等分，從而保證每一份成像空間都小於2GB。對於GPU計算，疊前時間偏移將大量的參數存入常量內存(constmemory)，頻繁訪問的地震道預先存入紋理內存，大幅降低了訪存延遲。設備佔用率(occupancy)對性能也有非常重要的影響，較高的佔用率意味著GPU流處理器有更多可並發執行的活動線程，利用與CPU超線程類似的技術原理，隱藏訪存延遲。如圖2所示，佔用率與疊前時間偏移性能的關係，佔用率越高，疊前時間偏移的性能越高。通過最小化線程使用的寄存器數目和調整每block的線程數量兩個手段可以提高佔用率。以CPU單核為基準，如表1所示為不同個數CPU加速比，展示了不同CPU-GPU設備組合，偏移10240個地震道的執行時間，及相應的加速比。作為基準的CPU版本代碼做了充分的優化，2個CPU共16個物理核可以獲得接近14.83倍(理論16倍)的加速，展現了良好的可擴展性。表1ArchitecturesExecutionTime/msRealSpeeduptheorySpeedup1CPU-Core13901231.002CPUs9375914.8316.0如下表2所示為不同GPU數的加速比，2個GPU是1個GPU性能的1.94倍，和理論值2.0非常接近，說明GPU間任務劃分策略達到了很好的負載均衡。表2ArchitecturesExecutionTime/msRealSpeeduptheorySpeedup1GPU379332GPUs195671.942.0如下表3所示為2個GPU相比2個CPU的加速比，取得了4.80倍的加速效果。由於疊前時間偏移在GPU間、CPU間都接近線性擴展，那麼1個TeslaK20XmGPU相當於4.8個XeonE5-2670CPU性能。表3ArchitecturesExecutionTime/msRealSpeeduptheorySpeedup2CPUs937592GPUs195674.80如下表4所示為CPU-GPU協同節點相比純CPU節點的加速比，取得了5.23倍的加速效果，接近5.8倍的理論值，也就是說一個協同節點相當於5.23個CPU節點。證明了異構設備間任務劃分以及實現策略的有效性。表4ArchitecturesExecutionTime/msRealSpeeduptheorySpeedup2CPUs937592CPUs+2GPUs179205.235.80基於同一發明構思，本發明實施例中還提供了一種疊前時間偏移裝置，如下面的實施例所述。由於疊前時間偏移裝置解決問題的原理與疊前時間偏移方法相似，因此疊前時間偏移裝置的實施可以參見疊前時間偏移方法的實施，重複之處不再贅述。以下所使用的，術語「單元」或者「模塊」可以實現預定功能的軟體和/或硬體的組合。儘管以下實施例所描述的裝置較佳地以軟體來實現，但是硬體，或者軟體和硬體的組合的實現也是可能並被構想的。圖3是本發明實施例的疊前時間偏移裝置的一種結構框圖，如圖3所示可以包括：映射模塊301、分解模塊302、劃分模塊303和分配模塊304，下面對該結構進行說明。映射模塊301，用於將待偏移地震數據映射到五維坐標空間，其中，所述五維坐標空間對應的維度包括：CMP線號、CMP、記錄時間、炮檢距和方向角；分解模塊302，用於將映射到五維坐標空間的待偏移地震數據沿著炮檢距和方位角兩個維度進行分解，得到M個OVT片數據，其中，M為正整數；劃分模塊303，用於將所述M個OVT片數據劃分為N個OVT域成像任務，其中，N為大於等於M的正整數；分配模塊304，用於將所述N個OVT域成像任務分配至多個計算節點組進行偏移成像，其中，在每個計算節點組中，按照各個計算節點的處理能力為組內的各個計算節點分配任務，在每個計算節點中，CPU和GPU按照各自的處理能力申請任務。在一個實施方式中，上述劃分模塊303可以包括：計算單元，用於計算所述M個OVT數據片中各個OVT數據片的成像空間的大小；劃分單元，用於將所述M個OVT數據片中的每個OVT數據片劃分為一個或多個成像空間小於等於預設空間大小閾值的OVT域成像任務，得到N個OVT域成像任務。在一個實施方式中，所述預設空間大小閾值為2GB。在一個實施方式中，分配模塊304可以包括：分組單元，用於將參與計算的計算節點劃分為多個計算節點組，其中，每個計算節點組中設置一個組長節點，除組長節點之外的節點作為組員節點；分配單元，用於控制每個計算節點組中的組長節點領取一個OVT域成像任務，並按照所在計算節點組的組員節點的處理能力，以地震數據道為單位為各個組員節點分配領取的OVT域成像任務；回收單元，用於控制每個計算節點組的組長節點在組員節點處理完成後，回收並輸出組員節點的成像結果，並領取下一個OVT域成像任務，直至所有的OVT域成像任務已被領取。在一個實施方式中，上述疊前時間偏移裝置還可以包括：控制模塊，用於在按照所在計算節點組的組員節點的處理能力，以地震數據道為單位為各個組員節點分配領取的OVT域成像任務之後，控制各個組員節點將領取的成像任務存儲在各自的緩衝池內。在一個實施方式中，所述控制模塊還用於在控制各個組員節點將領取的成像任務存儲在各自的緩衝池內之後，控制每個組員節點按照以下方式對領取的成像任務進行處理：組員節點中的CPU和GPU按照各自的處理能力從所述緩衝池內申請任務；在組員節點所領取的成像任務完成之後，CPU回收所在計算節點的CPU和GPU的成像結果。從以上的描述中，可以看出，本發明實施例實現了如下技術效果：在每個計算節點組中，按照各個計算節點的處理能力為組內的各個計算節點分配任務，在每個計算節點中，CPU和GPU按照各自的處理能力申請任務，即，節點內CPU和GPU兩類處理器共享和動態分發OVT域成像空間，完成同樣的OVT域成像任務，並最終形成疊加成像結果輸出。通過上述方式解決了現有的疊前偏移成像中計算耗時長的問題，達到了簡單高效完成疊前時間偏移的技術效果。顯然，本領域的技術人員應該明白，上述的本發明實施例的各模塊或各步驟可以用通用的計算裝置來實現，它們可以集中在單個的計算裝置上，或者分布在多個計算裝置所組成的網絡上，可選地，它們可以用計算裝置可執行的程序代碼來實現，從而，可以將它們存儲在存儲裝置中由計算裝置來執行，並且在某些情況下，可以以不同於此處的順序執行所示出或描述的步驟，或者將它們分別製作成各個集成電路模塊，或者將它們中的多個模塊或步驟製作成單個集成電路模塊來實現。這樣，本發明實施例不限制於任何特定的硬體和軟體結合。以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明實施例可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。當前第1頁1 2 3