膠州灣水質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)負(fù)載均衡策略研究.pdf

1、通過(guò)研究海洋水體中各種物質(zhì)的變化過(guò)程，對(duì)海洋水體環(huán)境進(jìn)行預(yù)測(cè)，能夠更好地治理海洋水質(zhì)環(huán)境、保障沿海地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。在研究過(guò)程中大多采用數(shù)值模擬的方式進(jìn)行，為了研究結(jié)果的準(zhǔn)確性，往往需要選擇廣闊的計(jì)算區(qū)域和豐富的水體元素，并提高研究區(qū)域的空間分辨率，但隨著海洋環(huán)境數(shù)據(jù)的豐富及空間分辨率的提高，海洋水質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)計(jì)算量也急劇增長(zhǎng)，導(dǎo)致數(shù)值模擬過(guò)程耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，計(jì)算效率低下，存在一定的局限性。
　　近幾年，隨著高性能計(jì)算相關(guān)技術(shù)的發(fā)展成

2、熟，通過(guò)MPI技術(shù)對(duì)數(shù)值模擬計(jì)算方法并行化處理得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，在一定程度上節(jié)省了系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間，提高了系統(tǒng)的性能;由于各節(jié)點(diǎn)間計(jì)算任務(wù)的分布存在嚴(yán)重的不均衡現(xiàn)象，單純通過(guò)增加計(jì)算節(jié)點(diǎn)來(lái)減少運(yùn)行時(shí)間的方案效果不明顯，節(jié)點(diǎn)過(guò)多導(dǎo)致消息傳遞增多，反而會(huì)增加運(yùn)行時(shí)間，使系統(tǒng)運(yùn)行效率降低。
　　針對(duì)以上問(wèn)題，本文將負(fù)載均衡技術(shù)與MPI并行技術(shù)相結(jié)合，對(duì)膠州灣水質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行性能優(yōu)化，主要研究成果如下:
　　(1)對(duì)膠州灣水質(zhì)預(yù)

3、報(bào)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)分析，并繪制網(wǎng)格中計(jì)算任務(wù)的分布示意圖，確定導(dǎo)致負(fù)載不均衡的因素，從而找到負(fù)載均衡優(yōu)化的切入點(diǎn)。
　　(2)在對(duì)膠州灣水質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)和負(fù)載均衡技術(shù)及相關(guān)理論研究的基礎(chǔ)上，將靜態(tài)負(fù)載均衡技術(shù)用于對(duì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的優(yōu)化處理，分別在2、4、8個(gè)節(jié)點(diǎn)情況下進(jìn)行試驗(yàn);并對(duì)負(fù)載均衡效果進(jìn)行量化分析，加速比和加速效率有明顯提高，在2節(jié)點(diǎn)情況下，并行效率最高可達(dá)91.098％;4節(jié)點(diǎn)情況下，并行效率最高可達(dá)77.979％。

4、　　(3)考慮到系統(tǒng)運(yùn)行的硬件環(huán)境多樣且比較復(fù)雜，利用Linux系統(tǒng)的開(kāi)源特性對(duì)各節(jié)點(diǎn)負(fù)載信息進(jìn)行收集處理，并對(duì)額外開(kāi)銷(xiāo)進(jìn)行評(píng)估，從而對(duì)節(jié)點(diǎn)間的負(fù)載任務(wù)及時(shí)做出處理，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)間的負(fù)載使之達(dá)到均衡。對(duì)膠州灣水質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡優(yōu)化處理，使各節(jié)點(diǎn)間的負(fù)載量能夠得到及時(shí)調(diào)整，從而一直保持相對(duì)均衡的狀態(tài)。綜合靜態(tài)和動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，將混合負(fù)載均衡技術(shù)應(yīng)用于數(shù)值模擬計(jì)算方法，以提升預(yù)報(bào)系統(tǒng)的性能，分別用2、4、8個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn);

5、以4節(jié)點(diǎn)為例，比靜態(tài)負(fù)載優(yōu)化運(yùn)行時(shí)間最高可節(jié)省30.62s，運(yùn)行效率有明顯的提升。
　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用負(fù)載均衡技術(shù)對(duì)水質(zhì)預(yù)報(bào)并行系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化能夠有效減少預(yù)報(bào)時(shí)間、提升系統(tǒng)性能。以4節(jié)點(diǎn)為例，與負(fù)載均衡優(yōu)化前的系統(tǒng)相比，靜態(tài)負(fù)載均衡和混合負(fù)載均衡加速比最高可達(dá)3.1192和3.3070，并行效率最高為77.979％和82.675％，這兩種方式下，在一定程度上縮短了程序運(yùn)行時(shí)間，使系統(tǒng)性能得到了顯著提高，但在混合負(fù)載均衡模式下具有