第一章  緒論

在石油勘探領(lǐng)域中，隨著勘探設(shè)備領(lǐng)域的不斷進(jìn)步，陸地到海洋的勘探力度都在逐步的增強(qiáng)，地震數(shù)據(jù)的獲取也走上了高效率、高精度和數(shù)據(jù)量巨大的道路[1]，高密度數(shù)據(jù)采集方向的發(fā)展，導(dǎo)致地震資料處理的數(shù)據(jù)量日益增大，高效的地震數(shù)據(jù)處理逐漸成為地震資料處理的核心問(wèn)題。而隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的不斷升級(jí)，基于高性能計(jì)算集群的分布式并行計(jì)算，成為解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)。軟件開(kāi)發(fā)人員通過(guò)研究包括海量數(shù)據(jù)的分割或分組方式、分布存儲(chǔ)調(diào)度、分布訪問(wèn)調(diào)度以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)塊接口和進(jìn)程間通信等算法[2][3]來(lái)提升地震資料處理系統(tǒng)中對(duì)數(shù)據(jù)的處理速度。由于地震資料處理系統(tǒng)中大量分布式、并行計(jì)算的引入，加上模塊算法、工作流程的多樣性，導(dǎo)致了開(kāi)發(fā)程序類(lèi)型多樣，行為錯(cuò)綜復(fù)雜，多進(jìn)程、線程等控制流程容易出錯(cuò)，甚至影響整個(gè)程序開(kāi)發(fā)的效率。因此，從軟件開(kāi)發(fā)人員的角度出發(fā)，對(duì)地震資料處理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，方便的描述分布式并行計(jì)算的控制流程，并且可對(duì)整個(gè)流程的代碼進(jìn)行自動(dòng)生成的算法的研究很有必要。 

1.1  研究背景及意義
近年來(lái)，在油氣勘探領(lǐng)域中，隨著地震資料采集技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)地震數(shù)據(jù)的精確性、分辨率等質(zhì)量的要求也在逐步增強(qiáng)，地震儀的使用規(guī)模由從前的千道提升至現(xiàn)在的萬(wàn)道，并開(kāi)始向百萬(wàn)道的規(guī)模前進(jìn)，在這同時(shí)為了進(jìn)一步提高采集到的地震資料的分辨率和精度，勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中逐漸采用單點(diǎn)采集技術(shù)，該技術(shù)使得采集到的地震資料數(shù)據(jù)量快速增長(zhǎng)[4][5]。地震資料采集設(shè)備的逐步發(fā)展和采集技術(shù)的不斷成熟，使以后在地震勘探中獲取到的數(shù)據(jù)量將不斷變大甚至按照指數(shù)增加，然而，海量地震資料的處理和分析，為了保證處理的速度和精準(zhǔn)性，將極大限度的依賴于高性能硬件計(jì)算設(shè)備和相應(yīng)的高效的應(yīng)用軟件發(fā)展，地震數(shù)據(jù)量的巨大使得地震數(shù)據(jù)處理平臺(tái)中的大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、訪問(wèn)及高性能計(jì)算面臨著巨大的考驗(yàn)[6][7]。 為了保證軟件的處理和分析效率能夠滿足數(shù)據(jù)發(fā)展的要求，基于大型高性能計(jì)算集群[8]的高效的分布式、并行計(jì)算成為軟件開(kāi)發(fā)者關(guān)注的關(guān)鍵。隨之而來(lái)的是大量的分布式、并行計(jì)算被引入到地震資料處理系統(tǒng)中。在密集型計(jì)算的需求下，分布式并行計(jì)算必將成為計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。在各種體系結(jié)構(gòu)中，集群更是以其廉價(jià)、可擴(kuò)展性而被廣泛使用。在復(fù)雜地理計(jì)算支撐平臺(tái)與開(kāi)發(fā)工具方面，要充分發(fā)揮多核處理器與并行集群的性能，將分布式和并行計(jì)算任務(wù)、計(jì)算模型、計(jì)算數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)地劃分到不同的處理器與集群節(jié)點(diǎn)，同時(shí)對(duì)并行的需求也越來(lái)越高，復(fù)雜的并行需求導(dǎo)致控制流程的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程變得繁瑣，大大地降低了軟件開(kāi)發(fā)階段的效率，大量進(jìn)程間的消息傳遞也導(dǎo)致了通信的復(fù)雜和錯(cuò)誤率的提高。針對(duì)地震資料處理系統(tǒng)分布式并行流程開(kāi)發(fā)過(guò)程中，所遇到的分布式并行應(yīng)用問(wèn)題，從軟件開(kāi)發(fā)的角度設(shè)計(jì)地震資料處理系統(tǒng)控制流程模型，并基于設(shè)計(jì)的控制模型，構(gòu)建可視化的描述方法，根據(jù)可視化描述方法構(gòu)建的流程圖，自動(dòng)生成可執(zhí)行的動(dòng)態(tài)代碼，本應(yīng)用具體的意義表現(xiàn)在：實(shí)現(xiàn)地震資料處理系統(tǒng)并行處理流程的可定制性：地震資料并行處理時(shí)的分布式并行設(shè)計(jì)具有多樣性，對(duì)于不同的任務(wù)需不同的控制流程。通過(guò)地震資料處理系統(tǒng)流程模型和可視化描述語(yǔ)言的建立，實(shí)現(xiàn)處理流程的可定制性，使設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單靈活、可擴(kuò)展。
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1.2  研究現(xiàn)狀概述
地震資料是指在油氣的勘探過(guò)程中，首先由人工來(lái)激發(fā)地震（放炮），然后利用設(shè)備檢測(cè)、記錄地震波信號(hào)的傳播時(shí)間、振幅、波形以及在此過(guò)程中所涉及的設(shè)備數(shù)據(jù)等資料[9]。經(jīng)過(guò)上述過(guò)程收集的記錄在磁帶上進(jìn)行存儲(chǔ)形成最原始的地震數(shù)據(jù)。通過(guò)地震資料處理系統(tǒng)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理可以獲得對(duì)應(yīng)的地震構(gòu)造圖形，數(shù)據(jù)處理人員通過(guò)對(duì)地震數(shù)據(jù)進(jìn)行分析解釋可以得出油氣儲(chǔ)層的信息[10][11]。 地震資料處理和解釋系統(tǒng)一直被很多大公司和研究機(jī)構(gòu)作為研究熱點(diǎn)。目前，已經(jīng)有很多種并行處理與解釋系統(tǒng)走向?qū)嶋H應(yīng)用[12]，如 geocluster，WeVista，OpenSpirit等。OpenSpirit 由 Shell、Chevron 和 Schlum-berger 三家公司聯(lián)合研發(fā)的，OpenSpirit 為能源工業(yè)提供了一個(gè)應(yīng)用集成框架，使對(duì)能源工業(yè)的處理可以獨(dú)立于廠商和平臺(tái)，由一系列的如坐標(biāo)變換等基本 E&P 組件和一些針對(duì)地下地質(zhì)解釋的組件可以自由的進(jìn)行對(duì)應(yīng)流程的處理。WebVista 則是基于 web 技術(shù)的地震處理系統(tǒng)，其應(yīng)用具有多種優(yōu)點(diǎn)的瀏覽器／服務(wù)器(B／S)模式。國(guó)產(chǎn)的地震資料處理軟件主要有東方地球物理公司物探技術(shù)研究中心研發(fā)的 GRISYS 及中國(guó)海洋石油海量數(shù)據(jù)并行處理軟件 MPS[13][14][15]。
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第二章  地震資料處理系統(tǒng)控制流程動(dòng)態(tài)代碼自動(dòng)生成總體架構(gòu)

本章通過(guò)對(duì) SPS 中分布式并行計(jì)算涉及的控制流程進(jìn)行分析，抽象出其中存在的控制流程類(lèi)型，并研究了不同的控制流程在軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中存在的復(fù)雜性和困難性，從解決復(fù)雜的控制流程代碼開(kāi)發(fā)問(wèn)題的角度出發(fā)，提出基于 SPS 控制流程的動(dòng)態(tài)代碼自動(dòng)生成技術(shù)的總體框架，并通過(guò)對(duì)框架的介紹，引出本課題的主要研究?jī)?nèi)容。

2.1  地震資料處理系統(tǒng)控制流程的研究
目前，為了提升海量地震數(shù)據(jù)處理的效率，分布式并行計(jì)算被大量的引入進(jìn)地震資料處理系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)中。從整個(gè)軟件的平臺(tái)架構(gòu)到內(nèi)部算法模塊的調(diào)度甚至于算法模塊的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，都貫穿著分布式和并行的相關(guān)處理�；诙嗪硕嗵幚砥骷旱亩喙�(jié)點(diǎn)[31]、多進(jìn)程[19]、多線程[32]的 SPS 的設(shè)計(jì)已經(jīng)成為了海量高精度地震數(shù)據(jù)快速處理的發(fā)展趨勢(shì)。如圖 2.1 是一個(gè)基于高性能計(jì)算集群 SPS 分布式并行計(jì)算框架。在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上，根據(jù)地震 SPS 數(shù)據(jù)處理的流程功能，將整個(gè)流程分為輸入、運(yùn)算和輸出三個(gè)子進(jìn)程進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，最大限度的提升數(shù)據(jù)流運(yùn)算速度。各進(jìn)程之間在數(shù)據(jù)傳遞上采用了基于共享內(nèi)存的數(shù)據(jù)共享，在執(zhí)行順序上依靠進(jìn)程間的事件通知保證各子進(jìn)程的運(yùn)算流程的同步。 數(shù)據(jù)文件并行讀寫(xiě)：統(tǒng)一任務(wù)下不同節(jié)點(diǎn)的輸入和輸出進(jìn)程，同時(shí)對(duì)遠(yuǎn)程磁盤(pán)上相同的輸入和輸出文件進(jìn)行操作。為了保證數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的合理利用和文件讀寫(xiě)的正確性，利用統(tǒng)一的讀寫(xiě)管理進(jìn)程，通過(guò)跨節(jié)點(diǎn)的事件通知對(duì)各節(jié)點(diǎn)的讀寫(xiě)進(jìn)行統(tǒng)一管理。 節(jié)點(diǎn)內(nèi)計(jì)算模塊調(diào)度：在具體的數(shù)據(jù)運(yùn)算中，為了有效的利用節(jié)點(diǎn)上的計(jì)算資源，在運(yùn)算進(jìn)程中，將每個(gè)運(yùn)算模塊以線程池的形式進(jìn)行啟動(dòng)，并通過(guò)不同模塊占用計(jì)算資源的多少進(jìn)行其模塊數(shù)量的動(dòng)態(tài)分配，在各線程之間以數(shù)據(jù)池的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞。為了保證獲取數(shù)據(jù)的同步，各線程間采用事件通知和數(shù)據(jù)共享的形式實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)任務(wù)的同步執(zhí)行和模塊間運(yùn)算流程的異步執(zhí)行。 
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2.2  基于地震資料處理系統(tǒng)控制流程的動(dòng)態(tài)代碼自動(dòng)生成架構(gòu)

本節(jié)將針對(duì)2.1節(jié)中提出的在SPS中分布式并行計(jì)算流程開(kāi)發(fā)過(guò)程中軟件開(kāi)發(fā)者遇到的問(wèn)題，結(jié)合動(dòng)態(tài)代碼自動(dòng)生成技術(shù)，設(shè)計(jì)適用于 SPS 控制流程開(kāi)發(fā)的動(dòng)態(tài)代碼自動(dòng)生成技術(shù)，并對(duì)其實(shí)現(xiàn)的總體架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)�；� SPS 控制流程的動(dòng)態(tài)代碼自動(dòng)生成的架構(gòu)如圖 2.2 所示： 圖 2.2 所示，在地震資料處理系統(tǒng)（Seismic Data Processing System，SPS）基礎(chǔ)上，抽象出地震資料處理系統(tǒng)控制流程模型（Seismic Data Processing System Control Process Model，SPCM）。然后基于 SPCM，構(gòu)建可描述其控制流程的可視化建模的地震資料處理系統(tǒng)控制流程建模語(yǔ)言（Seismic Data Processing System Control Process Modeling Language，SPCML）和表示其代碼構(gòu)成的動(dòng)態(tài)代碼生成模型（Dynamic Code Generation Model，DCGM）�；� XMI 的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)與 SPCML 對(duì)應(yīng)的控制模型元數(shù)據(jù)標(biāo)記語(yǔ)言（Seismic  Data  Processing  System  Control  Process  Matedata  Mark  Language，SPCMML），用來(lái)描述 SPCML 可視化建模的信息，使其具有可獲取和解析性。最后設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)代碼的轉(zhuǎn)換算法，通過(guò) SPCMML的使用，生成描述 SPS 控制流程邏輯關(guān)系的解析語(yǔ)義樹(shù)（Parsing Semantic Tree，PST），基于 PST 的解析，完成由 SPCML 建模到代碼實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)換，最終生成可編譯執(zhí)行的動(dòng)態(tài)代碼。 

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第三章  SPCML 的設(shè)計(jì) ............ 14 
3.1 SPCM 的設(shè)計(jì) ........... 14 
3.1.1  基礎(chǔ)功能元素的定義 ...... 15 
3.1.2  邏輯關(guān)系元素的定義 ...... 16 
3.2 SPCML 的設(shè)計(jì) ......... 17 
3.2.1  圖形庫(kù)的設(shè)計(jì) ......... 18 
3.2.2  語(yǔ)義庫(kù)的設(shè)計(jì) ......... 19 
3.2.3 SPCML 的構(gòu)建 ....... 20 
3.3 SPCMML 的設(shè)計(jì) ..... 21 
3.4  本章小結(jié) .......... 22 
第四章  地震資料處理系統(tǒng)控制流程的動(dòng)態(tài)代碼自動(dòng)生成模型....... 23 
4.1  動(dòng)態(tài)代碼生成模型的設(shè)計(jì) ......... 23
4.2  地震資料處理系統(tǒng)控制流程解析語(yǔ)義樹(shù)的設(shè)計(jì) ......... 33 
4.3  動(dòng)態(tài)代碼自動(dòng)生成算法 .... 37 
4.4  本章小結(jié) .......... 39 
第五章  地震資料處理系統(tǒng)控制流程動(dòng)態(tài)代碼自動(dòng)生成的實(shí)現(xiàn) ............ 40 
5.1  動(dòng)態(tài)代碼自動(dòng)生成運(yùn)行環(huán)境和功能介紹 ............ 40
5.1.1  動(dòng)態(tài)代碼自動(dòng)生成工具運(yùn)行環(huán)境 .... 40 
5.1.2  動(dòng)態(tài)代碼自動(dòng)生成的功能介紹 ........ 40 
5.2  動(dòng)態(tài)代碼自動(dòng)生成的實(shí)現(xiàn) ......... 40
5.3  動(dòng)態(tài)代碼自動(dòng)生成的測(cè)試 ......... 43
5.4  本章小結(jié) .......... 49 

第五章  地震資料處理系統(tǒng)控制流程動(dòng)態(tài)代碼自動(dòng)生成的實(shí)現(xiàn)

本章在前幾章控制流程模型和動(dòng)態(tài)代碼自動(dòng)生成模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)基于地震資料處理系統(tǒng)控制流程的動(dòng)態(tài)代碼自動(dòng)生成工具。應(yīng)用面向?qū)ο蟮乃枷�，�?duì)上述提到的模型中的各種算法，進(jìn)行有效的抽象，實(shí)現(xiàn)高效的，規(guī)范的功能接口。對(duì)實(shí)現(xiàn)后的工具進(jìn)行使用和測(cè)試，保證其與對(duì)應(yīng)模型的一致性和使用的正確性。

5.1  動(dòng)態(tài)代碼自動(dòng)生成運(yùn)行環(huán)境和功能介紹
在本節(jié)中主要介紹 SPS 控制流程動(dòng)態(tài)代碼自動(dòng)生成工具的運(yùn)行環(huán)境和功能，分別對(duì)地震資料處理系統(tǒng)控制流程動(dòng)態(tài)代碼自動(dòng)生成工具的軟硬件環(huán)境、開(kāi)發(fā)工具以及所需實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行了介紹。 軟件開(kāi)發(fā)人員根據(jù)實(shí)際處理需求，建立 SPS 控制流程的設(shè)計(jì)，并使用 Microsoft office  visio  2007 繪圖工具建立基于控制流模型的可視化描述，并通過(guò)在繪圖工具中建立的宏模型導(dǎo)出對(duì)應(yīng)的 SPCMML 文件，，再將 SPCMML 文件轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的解析語(yǔ)義樹(shù)，結(jié)合代碼存儲(chǔ)模型和底層支撐庫(kù)生成可編譯調(diào)試的動(dòng)態(tài)代碼。 動(dòng)態(tài)代碼自動(dòng)生成工具的實(shí)現(xiàn)是基于 SPS 控制流程模型和動(dòng)態(tài)代碼自動(dòng)生成模型的，因此動(dòng)態(tài)代碼自動(dòng)生成工具的實(shí)現(xiàn)分為兩個(gè)部分：SPS 控制流程模型的建立和與控制流程模型對(duì)應(yīng)代碼的自動(dòng)生成。 
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結(jié)    論

本論文通過(guò)研究國(guó)內(nèi)外 SPS 的發(fā)展趨勢(shì)，得到了分布式并行計(jì)算正在 SPS 的開(kāi)發(fā)中被廣泛應(yīng)用的結(jié)論，并在分析 SPS 分布式并行計(jì)算中涉及的控制流程過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)由于 SPS 中控制流程的復(fù)雜性，在分布式并行計(jì)算的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，軟件開(kāi)發(fā)人員遇到了一系列的問(wèn)題，影響了軟件開(kāi)發(fā)的效率和正確性。 本文的設(shè)計(jì)從軟件開(kāi)發(fā)人員在 SPS 分布式并行計(jì)算開(kāi)發(fā)過(guò)程中遇到的問(wèn)題出發(fā)，通過(guò)對(duì)代碼自動(dòng)生成技術(shù)的相關(guān)研究，結(jié)合 SPS 自身的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了滿足 SPS 分布式并行計(jì)算控制流程開(kāi)發(fā)需求的動(dòng)態(tài)代碼自動(dòng)生成流程，來(lái)減少軟件開(kāi)發(fā)人員在功能設(shè)計(jì)和代碼實(shí)現(xiàn)過(guò)程中大量復(fù)雜的工作，并通過(guò)具體實(shí)例的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，證明本課題研究的正確性和可應(yīng)用性。本文著重對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)： 
1． 設(shè)計(jì)了地震資料處理系統(tǒng)控制流程建模語(yǔ)言 通過(guò)對(duì) SPS 中涉及的與控制流程相關(guān)的對(duì)象的抽象和符號(hào)定義形成控制流程模型SPCM，結(jié)合對(duì) UML 順序圖的構(gòu)件的重定義和語(yǔ)義擴(kuò)展，形成了 SPS 的控制流程建模語(yǔ)言 SPCML。通過(guò)對(duì) SPCML 的應(yīng)用，解決了在控制流程方案設(shè)計(jì)過(guò)程中，無(wú)法進(jìn)行風(fēng)格統(tǒng)一的設(shè)計(jì)，影響軟件開(kāi)發(fā)人員對(duì)控制流程理解的問(wèn)題。 
2． 動(dòng)態(tài)代碼生成模型的設(shè)計(jì) 在 SPCM 的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì) SPS 中應(yīng)用接口、存儲(chǔ)格式的分析，設(shè)計(jì)了 SPCM 中元素對(duì)應(yīng)的接口設(shè)計(jì)規(guī)則和存儲(chǔ)格式規(guī)則。并在接口設(shè)計(jì)規(guī)則的基礎(chǔ)上，對(duì) SPCM 中具體元素對(duì)應(yīng)的代碼段的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，形成了代碼實(shí)現(xiàn)規(guī)則，同時(shí)通過(guò) SPCM 與SPCML 的關(guān)聯(lián)，將代碼實(shí)現(xiàn)規(guī)則與 SPCML 具體的圖形和語(yǔ)義進(jìn)行映射，形成了動(dòng)態(tài)代碼生成模型 DCGM。DCGM 的應(yīng)用解決了大量復(fù)用底層功能接口重復(fù)開(kāi)發(fā)的問(wèn)題。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：48985