时空混合离散DGTD的负载均衡并行方法及介质技术

本发明专利技术公开了一种时空混合离散DGTD的负载均衡并行方法及介质，包括：根据多尺度目标的几何尺寸和结构参数建模，并在ANSYS中采用四/六面体混合建模技术进行离散；考虑局部时间步进技术，将各离散单元上的权重及相邻单元之间的权重关系转换为图表文件作为METIS的输入文件，METIS根据分区数量将离散单元均衡分配至各进程计算，使各进程的计算负载相对平衡及进程间的通信最小化。本发明专利技术能够有效减少计算时间，提高计算效率，实现多尺度复杂电磁目标的高效分析。标的高效分析。标的高效分析。

【技术实现步骤摘要】
时空混合离散DGTD的负载均衡并行方法及介质


[0001]本专利技术涉及多尺度复杂电磁目标的高效电磁仿真技术，特别是一种时空混合离散DGTD的负载均衡并行方法及介质。

技术介绍

[0002]随着实际工程问题的计算规模不断扩大，高效的大规模数值计算成为近些年来的研究热点，尤其是针对各种电大尺寸、多尺度、以及具有复杂电磁结构的问题，其计算规模往往不是一台普通计算机能够承受的，开发数值算法的并行处理技术是实现大规模电磁仿真的重要手段。消息传递接口(Message Passing Interface, MPI)被应用至DGTD（间断伽辽金时域）算法中以实现高效、快速的解决大规模复杂电磁问题；但在分析多尺度问题时，DGTD并行算法采用传统的空间位置进行进程划分会导致计算效率低下。
[0003]METIS是一个划分大规模不规则图，大网格和计算稀疏矩阵填充约化次序的软件包。METIS的算法是基于多层图划分的算法，其划分流程分为三部分：先对给定的图形进行持续粗化；对粗化后的图形进行分割，被计算分割后的区域映射至细小的图形上。最后再把这种划分逐步还原到规模不断增大的图，并在还原过程中用局部方法对划分进行微调，直到获得原图的划分。
[0004]METIS图划分方法在DGTD并行算法中的应用主要是将多尺度结构在ANSYS中离散得到的网格合理分配至各个进程计算，以实现以下两点目标：一，确保每个进程分配到的单元数量基本一致，保证各进程的计算负载相对平衡；二，分配给不同处理器的相邻单元个数最小化，以确保进程间的通信最小化。我们将离散网格信息转换为图表文件作为METIS图划分的输入文件，如何准确合理地将离散单元上的信息转化为图表中每个顶点及边上的权重值是决定METIS图划分方法能否划分出高质量分区的关键，目前METIS图划分权重值计算时没有考虑四/六面体混合建模以及LTS引入的情况，无法确保进程间的通信最小化。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种时空混合离散DGTD的负载均衡并行方法及介质，该方法均衡分配各进程的未知量并保证各进程间的通信量最小化，缩短了进程间等待的时间，大大提高了并行效率。
[0006]实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种时空混合离散DGTD的负载均衡并行方法，为了实现多尺度复杂电磁结构的高效并行计算，包括步骤：根据多尺度目标的几何尺寸和结构参数建模，并在ANSYS中采用四/六面体混合建模技术进行离散；考虑局部时间步进技术，将各离散单元上的权重及相邻单元之间的权重关系转换为图表文件作为METIS的输入文件，METIS自动分区后输出每个网格单元所属的分区的数据；
METIS根据分区数量将离散单元均衡分配至各进程计算，使各进程的计算负载相对平衡及进程间的通信最小化，进程间通信的信息只在相邻分界面处进行。
[0007]进一步地，考虑局部时间步进技术，将各离散单元上的权重及相邻单元之间的权重关系转换为图表文件作为METIS的输入文件，具体包括：步骤2
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1，创建数组NodesV[N]，N代表N个网格单元；NodesV[1]，NodesV[2]，
……
，NodesV[N] 表示存储各网格单元上的计算权重；其中对应编号的网格单元为四面体单元，则设定NodesV[:] = a，若对应编号的网格单元为六面体单元，则设定NodesV[:] = b；步骤2
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2，创建数组VertexesV[N][B], B代表与第N个网格单元有联系的网格单元个数；VertexesV[1][:]表示与第1个网格单元有联系的网格单元所对应编号；VertexesV[1][:]包括VertexesV[1][1]，VertexesV[1][2]，
……
，VertexesV[1][B]；步骤2
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3：创建数组EdgesV[N][B]；EdgesV[1][:]代表与第1个网格单元相连接的网格单元之间边上的权重值；EdgesV[1][:]表示EdgesV[1][1]，EdgesV[1][2]，
……
，EdgesV[1][B]；若第N个网格单元及与其相连接的第B个网格单元皆为四面体，则令EdgesV[N][B]= 2a；如第N个网格单元及与其相连接的第B个网格单元皆为六面体，则令EdgesV[N][B]= 2b；如第N个网格单元为四面体，与其相连接的第B个网格单元为六面体，则令EdgesV[N][B]= a + b；步骤2
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4：若引入局部时间步进技术，则按照不同时间步将整个计算空间划分为两个区域，确定四面体、六面体单元上的权重及相邻单元之间的权重关系；步骤2
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5：将以上图表文件数据依次输出至N+1行的纯文本文件。
[0008]进一步地，所述步骤2
‑
4中确定四面体、六面体单元上的权重及相邻单元之间的权重关系具体包括：步骤2
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1：按照不同时间步将整个计算空间划分为两个区域，两个区域的分别为小时间步和大时间步，且它们之间满足的关系，为任意正整数；则设定处于小时间步区域的四面体、六面体单元上的计算权重分别为NodesV[四面体] = n*a、NodesV[六面体] = n*b，设定处于大时间步区域的四面体、六面体单元上的计算权重分别为NodesV[四面体] = a、NodesV[六面体] = b；步骤2
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2：判断各单元所处时间步；若第N个网格单元为四面体，且处于小时间步，与其相连接的第B个网格单元为六面体，其处于大时间步，则设置EdgesV[N][B]=n*a + b；若第N个网格单元为四面体，其处于大时间步，与其相连接的第B个网格单元为六面体，其处于小时间步，则设置EdgesV[N][B]=a + n*b；若第N个网格单元为四面体，与其相连接的第B个网格单元为六面体，都处于小时间步，则设置EdgesV[N][B]=n*a + n*b。
[0009]进一步地，所述步骤2
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5中纯文本文件的第一行为标题行，标题行包含三个参数，前两个参数分别为网格单元个数和边的个数，第三个参数则代表该图表文件是否包含顶点权重和边权重的信息；从第二行开始，第i行代表与第i
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1个网格单元连接的单元编号，并紧跟着边的权重。
[0010]进一步地，所述METIS通过gpmetis自动分区后输出每个网格单元所属的分区的数据。
[0011]进一步地，所述根据多尺度目标的几何尺寸和结构参数建模，并在ANSYS中采用四/六面体混合建模技术进行离散具体包括：根据多尺度复杂目标结构尺寸，利用四/六面
体混合建模技术，对基于阈值设定的精细、不规则以及高介电特性的区域采用四面体离散，在设定的电性粗糙和简单规则区域采用六面体单元粗剖，采用时域不连续伽辽金有限元方法建立微分方程组，即将选定的基函数对未知的电场、磁场变量近似展开，施加信号源，引入局部时间步进技术，将整个求解区域根据时间步的大小划分。
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种时空混合离散DGTD的负载均衡并行方法，其特征在于，包括步骤：根据多尺度目标的几何尺寸和结构参数建模，并在ANSYS中采用四/六面体混合建模技术进行离散；考虑局部时间步进技术，将各离散单元上的权重及相邻单元之间的权重关系转换为图表文件作为METIS的输入文件，METIS自动分区后输出每个网格单元所属的分区的数据；METIS根据分区数量将离散单元均衡分配至各进程计算，使各进程的计算负载相对平衡及进程间的通信最小化，进程间通信的信息只在相邻分界面处进行。2.根据权利要求1所述的时空混合离散DGTD的负载均衡并行方法，其特征在于，考虑局部时间步进技术，将各离散单元上的权重及相邻单元之间的权重关系转换为图表文件作为METIS的输入文件，具体包括：步骤2
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1，创建数组NodesV[N]，N代表N个网格单元；NodesV[1]，NodesV[2]，
……
，NodesV[N] 表示存储各网格单元上的计算权重；其中对应编号的网格单元为四面体单元，则设定NodesV[:] = a，若对应编号的网格单元为六面体单元，则设定NodesV[:] = b；步骤2
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2，创建数组VertexesV[N][B], B代表与第N个网格单元有联系的网格单元个数；VertexesV[1][:]表示与第1个网格单元有联系的网格单元所对应编号；VertexesV[1][:]包括VertexesV[1][1]，VertexesV[1][2]，
……
，VertexesV[1][B]；步骤2
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3：创建数组EdgesV[N][B]；EdgesV[1][:]代表与第1个网格单元相连接的网格单元之间边上的权重值；EdgesV[1][:]表示EdgesV[1][1]，EdgesV[1][2]，
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，EdgesV[1][B]；若第N个网格单元及与其相连接的第B个网格单元皆为四面体，则令EdgesV[N][B] = 2a；如第N个网格单元及与其相连接的第B个网格单元皆为六面体，则令EdgesV[N][B] = 2b；如第N个网格单元为四面体，与其相连接的第B个网格单元为六面体，则令EdgesV[N][B] = a + b；步骤2
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4：若引入局部时间步进技术，则按照不同时间步将整个计算空间划分为两个区域，确定四面体、六面体单元上的权重及相邻单元之间的权重关系；步骤2
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5：将以上图表文件数据依次输出至N+1行的纯文本文件。3.根据权利要求2所述的时空混合离散DGTD的负载均衡并行方法，其特征在于，所述步骤2
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4中确定四面体、六面体单元上的权重及相邻单元之间的权重...

【专利技术属性】
技术研发人员：包华广，丁大志，张天成，樊振宏，付万冉，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：