基于Java在時移地震油藏監(jiān)測的集群技術研究

精品文檔-下載后可編輯基于Java在時移地震油藏監(jiān)測的集群技術研究對于高性能計算不斷增長的需求和計算技術的持續(xù)發(fā)展,促進了計算機集群技術的發(fā)展和應用。計算機集群系統(tǒng)具有系統(tǒng)建設、維護和升級成本低,可擴展性好,易維護,易升級,計算性能強以及通用和跨平臺的并行計算軟件開發(fā)環(huán)境（PVM和MPI等）等優(yōu)點。本文概述了計算機集群技術的概念、技術基礎、并行軟件開發(fā)環(huán)境和Beowulf集群;論述了石油工業(yè)對高性能計算的需求;

一、時移地震油藏監(jiān)測技術與并行計算

時移地震油藏監(jiān)測技術是在油藏生產過程中，在同一油氣田不同的時間重復進行地震測量，地震響應隨時間的變化可以表征油藏性質的變化。通過特殊的四維地震處理技術，差異分析技術和計算機可視化技術來描述油藏內部物性參數的變化和追蹤流體前緣。隨著油田勘探開發(fā)的深入，資料的數據量和處理量越來越大，資料要進行大規(guī)模并行處理已成為人們的共識。在同等情況下，時移地震油藏監(jiān)測要處理的數據量是一般勘探方法的三倍。所以，時移地震油藏監(jiān)測中高性能的計算變得越來越重要，并行處理的要求更加迫切。

時移地震油藏監(jiān)測正演模擬通常由聲波方程或彈性波方程的有限差分數值模型近似其縱波方程。對于有限差分的并行實現，可以采用數據并行來實現并行計算。即將問題空間分成同樣大小的子區(qū)，分別由不同的集群節(jié)點完成對它們的計算。分區(qū)的前提是對于每個網格的計算操作都是相同的。分區(qū)的原則是在微機集群中均勻分配任務和數據。

時移地震油藏監(jiān)測資料處理要經過面元重置、互均衡處理、一致性分析、差異分析等許多環(huán)節(jié)。這些環(huán)節(jié)中涉及各種變換以及相關分析等數學運算，它們本身可以進行并行計算，其變換域的數據往往也適合并行處理。

二、時移地震資料采集

重復采集的地震資料間存在的誤差主要由以下原因造成：采集參數、潮汐、潛水面、環(huán)境噪音、物理環(huán)境變化、記錄儀器、不同震源類型、近地表速度和影響等。例如，震源和接收器位置等的微小變化都會對時移地震數據產生非常不利的影響。研究表明，通過降低拖纜羽狀化，改進海底和陸上采集設計以及安置性檢波器等，可以減小某些不利的采集效應。因此時移地震資料需要采用特別的采集技術，將時移地震數據的信噪比提高到。

當然，某些采集效應，如潛水面變化等，不能依靠采集設計來解決，而應在時移地震數據處理階段予以去除。

三、時移地震資料處理

時移地震數據是間隔性采集和處理的，兩次采集很難保證完全一致。這就決定了時移地震監(jiān)測除了在采集上下大功夫，使得由于各種非地質因素引起的不一致降低到限度外，還必須進行時移地震資料歸一化處理。

時移地震歸一化處理的原則是，在理想條件下，在非油氣藏部分，由于沒有流體流動的變化，兩次不同時間采集的地震數據應該一致，時間、振幅、速度、頻率和相位應該相同，而地震信號變化是油氣藏部分由于抽油生產或注氣注水等引起的。實際數據的間隔性導致了地震剖面上非油氣藏部分地震波的到達時間、振幅、速度、頻率、相位等地震屬性也發(fā)生變化。為了獲得真正由于油氣藏部分油氣水變化引起的地震屬性差異，對非油氣藏部分時移地震數據進行歸一化校正，使其盡可能保持剖面一致，剩下油氣藏部分的差異則可解釋為由于油藏內部流體運動引起的變化。為了實現這一目的，在歸一化處理過程中必須進行一致性處理。

四、計算機集群與Java技術

Java平臺由Java虛擬機（JavaVirtualMachine）和Java應用編程接口（ApplicationProgrammingInterface、簡稱API）構成。Java應用編程接口為Java應用提供了一個獨立于操作系統(tǒng)的標準接口，可分為基本部分和擴展部分。在硬件或操作系統(tǒng)平臺上安裝一個Java平臺之后，Java應用程序就可運行?，F在Java平臺已經嵌入了幾乎所有的操作系統(tǒng)。這樣Java程序可以只編譯，就可以在各種系統(tǒng)中運行。

為解決網絡計算平臺異構性問題，目前的趨勢是分布技術和并行技術的結合。集群系統(tǒng)將多臺計算機通過高速局域網相互連接起來，配備一定的并行支撐軟件，形成一個松散耦合的并行計算環(huán)境，協同地并行求解同一個問題。隨著網絡和低檔計算機的性能不斷提高而價格不斷下降，使用一組在結構和性能上互異的計算機組成集群進行網絡并行計算已成為當前超級計算的重要發(fā)展方向。

典型的集群并行計算編程環(huán)境有消息傳遞界面MPI、并行虛擬機PVM和數據并行編程語言HFP.另外，Java技術在并行計算方面有著獨特的特點：①Java具有平臺獨立性，它支持在分布計算機網絡上的計算，每臺計算機可以使用不同的平臺，Java可以作為底層平臺在微機集群上進行高性能計算。②Java除了支持以Java遠程方法調用（RMI）為基礎的Java分布對象模型，還支持通用的CORBA模型。③Java支持并行編程模型，有的模型被包括在Java開發(fā)工具（JDK）中（如Java線程API），有的是JDK之外的（如JavaSpace）；另外，還有MPI和PVM的Java實現--JMPI和JPVM.④Java可以進行基于Web的并行計算。

Java的引入給分布式并行計算系統(tǒng)的實現帶來了一些新特點。Java是面向網絡的跨平臺語言，移植性、網絡應用和安全問題是該語言本身的特征。對分布式問題，Java在語義上提供了更為簡潔清晰的描述。用Java來構造系統(tǒng)，在實現上更符合網絡的特點。

五、Java并發(fā)處理技術

Java,是由SunMicrosystems公司于1995年5月推出的Java程序設計語言和Java平臺的總稱。用Java實現的HotJava瀏覽器（支持Javaapplet）顯示了Java的魅力：跨平臺、動態(tài)的Web、Internet計算。從此，Java被廣泛接受并推動了Web的迅速發(fā)展，常用的瀏覽器現在均支持Javaapplet.

Java在語言級通過使用線程來支持并發(fā)處理機制。在Java之前的大多數編程語言只能通過直接訪問操作系統(tǒng)的特定庫，才能實現并發(fā)處理。這種方式的缺點是，一方面使對并發(fā)處理變得非常困難，另一方面使得移植到其他平臺成了一件不可能的事情。Java不僅在語言級實現了和平臺無關的并發(fā)處理支持，而且還讓編程變得非常簡單。

Java并發(fā)處理機制的是java.lang.Thread類。通過這個類我們可以啟動、中斷、喚醒、減慢、加速和終止一個線程。此外，Java語言中還提供其他有用的方式，例如Runnable接口等，幫助我們使用這種類。另外在基類java.lang.Object類里也提供了一些方法用來支持線程的使用。此外，Java語言中還有synchronized和volatile兩個關鍵字用于支持并發(fā)處理，所有這些都是語言本身不可分割的一部分。

在Java語言中有兩種創(chuàng)建一個新線程的方式。其中比較簡單的一種方式是通過從Thread類派生一個子類，然后通過創(chuàng)建該子類的實例創(chuàng)建新線程。創(chuàng)建了一個實例以后，再調用它的start（）方法，這時將會導致從系統(tǒng)中分離出一個新的線程，并且新線程里的run（）方法開始有機會執(zhí)行。需要傳給新線程的參數不能通過run（）方法傳遞，而是通過派生的Thread類的子類的構浩函數來傳遞。種方法使用的是繼承方式，而Java又只支持單重繼承，因此創(chuàng)建線程就需要有第二種變通的方式來避免直接繼承Thread類。不過為了讓系統(tǒng)知道要執(zhí)行什么操作，新的線程需要有一個提供了run（）方法的類，這個類可以通過實現Runnable接口的方式達到要求。Runnable接口標志著這個類是一個提供run（）方法的類，這樣線程就可以調用它。在創(chuàng)建一個線程的時候就可以將這個類的實例傳給Thread類的構造方法。通過這種方式，就可以將一個線程指定到可以繼承任意類的一個類中。

六、Jini技術和JavaSpace技術

Jini是分布式系統(tǒng)體系結構的一種，它利用Java構建分布式系統(tǒng)的中間件。Jini的基礎是Socket和遠程方法調用（RMI）的分布式計算機制。我們可以借助于Jini,創(chuàng)造出一個富有彈性、容易管理且可隨時隨地使用各種服務的網絡計算環(huán)境。

Jini的體系結構是由基礎建設（infrastructure）、程序設計模型（programmingmodel）、服務（services）三方面所構成。

Jini基礎建設的包含以下幾個部分：（1）DiscoveryProtocol:提供了如何讓網絡上任何種類的資源加入聯盟的方式。（2）eXtendedRMI:Jini的元件彼此溝通時所使用的機制。（3）DistributedSecurity:定義了Jini聯盟成員的使用權限。（4）LookupService:用來展現聯盟中的所有成員，以及幫助使用者尋找網絡資源，或者負責提供聯盟中的資源給使用者使用。

Jini提供一些分布式的程序設計模型，而Jini的基礎構造，就是利用這些模型來組合。模型所提供的界面（Interface）包括以下幾個類型：LeasingInterface:負責管理對象被使用的時間。面向對象的（object-oriented）界面。負責管理分布式事務處理（transaction），如rollback、rollforward等。EventsInterface:在分布式計算的環(huán)境中，必須確保程序執(zhí)行的先后順序，利用事件的觀念可以幫助我們解決這個問題。

有了Jini的架構以及程序設計模型后，我們可以利用這些技術來設計管理網絡資源的服務，以促進分布式計算的發(fā)展。

JavaSpaces是用Jini所發(fā)展的技術，并且通過RMI進行網絡通訊，一般應用在N層（n-tiers）架構的中間層（middletiers）。JavaSpaces雖然能提供需求者與供應者之間查詢與溝通的機制，但它并不是資料庫，而是以簡單的messagingsystem為基礎，進而提供更強大的功能。

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