（流体力学专业论文）广州市汽车尾气扩散的数值模拟.pdf

摘要 随着城市的不断发展，机动车保有量的不断增加，汽车排放的以h c 、c o 、n o x 为主要 成分的尾气对城市的环境和人体的健康构成了严重的威胁，如何减少和控制机动车尾气所带 来的危害已经成为城市可持续发展过程中一个必须解决的问题。对汽车尾气污染物在城市地 形、建筑物、气象等诸多因素影响下的扩散分布状况的研究是对城市大气环境质量进行分析 和预测的一个重要课题。目前，国内外的研究主要集中在对开阔高速公路和小范阐的城市街 区的研究，对具有复杂路网的大范围局域进行数值模拟还比较少见。 本文以流体力学的对流一扩散方程为基础，利用有限差分法( f d m ) 数值求解三维的 对流一扩散方程，在数值求解过程中采用3 0 m 3 0 m 1 2 m 的高分辨率网格，从而建立一个 城市汽车尾气扩散的高分辨率数值模拟仿真系统。本文利用该数值模拟仿真系统对具有复杂 路网结构的整个广州市区进行尾气扩散的数值模拟。在模拟过程中，综合考虑了广州市的路 网结构、交通流分布、各种车型污染物的排放率和气象条件等因素。模拟结果比较好的反映 了汽车尾气的扩散情况。 在进行数值求解的过群中，本文引入并行计算的思想。针对所采片j 的差分格式和求解域 的特点，本文设计了一种基于求解域分裂的并行算法，使对流一扩散方程的求解过程变成可 以多c p u 同时求解的并行计算过程。本文利用四台p c 机通过m p i 并行计算平台进行实际 并行模拟计算，取得比较高的并行加速比，大大缩短模拟计算时间。 关键词：汽车尾气污染扩散m p i 并行计算数值模拟 a b s t r a c t a 1 0 n gw i l ht h ed e v e l o p m e n to ft h ec 咄t h ea f n o u n to f t h ev e 川e si n c r 鼯s e sq u i c l ( 1 * t 1 1 e v e h i c l ee m i s s i o n ，w 1 1 i c hi sn 诅i | 1 1 yc o m p o s e do f h c ，c o 锄dn o x ，h a sc a 峙e ds e r i o 懈 m p 酬l m e l l t t op e o p i e sh e a l t ha n dt h ec i t ye n v i r o n m e n t h o wt or e d u c ea n dc o n t m l t h eh a r mb r o u g h tb yt h e v e h i c i ee m i s s i o nh 船b e e nap r e - r e q u i s t ep r o b i e mo ft h e c i t y sc o n t i n u a b l ed e v e l 叩m e n 1 t h e s t u d yo f t h ev e h i c l ee m i s s i o n sd i 行缸i o ni n a u e n c e d b yt h et o p o 可a p h y b u 1 d i n ga n dw e a t h e li sa n i m p o n a n tp r o b i e mt oa n a l y z ea n df b r e c 鹊tt h eq u a l i t yo fm ec i t ya t m 0 s p h e r e n o w m o s to ft h e s t u d i e sa r ea i m e da tt h e 仔e e w a y0 rt h ec i t yb 1 0 c k i ti ss e l d o mt h a t 璐i n gt h en u m e r i c a ic o m p u t e m e t h o dt os i m u l a t et h ev e h i c l ee m i s s i o nd i h h s i o no ft h eb i gc i t i 部，w h i c hi l a v ec o m p l e xt m f f i c n e h o r k t 蜘sa n i c l eb u 订d sah 培hd e f i n i t i o nn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns y s t e mo f t h ev e h i c l ee m i s s i o n s d i f r 吲o no nt h eb a s eo ft h et h r c e - d i m e n s i o nc o n v e c t i o n d i m 戚o ne q h o n 1 kf i n t ed i 彘r e l l c e m e t h o d ( f d m ) a n dl h eh i g hd e n n i t i o n 封i do f3 0 m 3 0 m 1 2 mw e r eu s e di nt i l ec o u r s eo f t h e n u m e r i 1s o l u t i o no ft h et h r e e _ d i m e n s i o nc o n v e c t i o l 卜d i f f 惜i o ne q u a t i 册1 nt h i s 8 r t i c l e ，t h e e m u i a t i o ns y s t e mw a s 璐e dt os i m u l a 把t h ev e h - c i ee m i s s i o nd i f h j s i o ft h ew h o l eg 岫n 擎h o u u r b a n d j s t r i c t ，w h i c h h a sa c o m p i e xt r a m c 嘣w 叫k1 1 1 es i r e c td i s t r i bu i 0 1 1 s ，打a 壤cn u x d i s t r b u t i o n ，e m i s s i o nr a t e so fd i f f b r e n tt y p eo fa m o m o b i l e 粕dm e t e o r o l o g i c a lc o n d i t i o n sa r e t a l ( e ni t i t oa c c o u n ti nt h i ss i m u i a t i o n t h er e s u l t sa r e 、v e l la c c 叫d a 兀tw h ht h em e 嚣u r e m e n t s i nm ec o u r s eo f t h en u m 盯i c a l l ys i m u l a t i o n ，t h ep a r a i l e lc o m p u t i n gw a si m r o d u c e d a i m e da t t h ed i h 奄r e l l c es c h e m e 柚dt h ec h 啪c t e r s t i c so f t h es o l u t i o n6 e id ，ap 甜谢1 e la 1 9 0 f i t h mb a s e do n t h es o lu t i o nn e l dsp l i t t i n g 、v a sd e s i g n e d i tm a k e st h en u m e d c a ls o l u t i o no fc o n v e c t i o n d i h 协i o n e q u a t i o nc a nb ee x e c u t e ds ”c n o 懈l yo nap cc i l l s t e nt 1 1 es o l m i o ni se x e c u t e do nap cc l u s t e r w i t h4p c st | l r o u g ht h em p ll tg e t sah i g hp a r a l l e lc o m p 埘n ge 伟c i e n c y 绷dt h ec o m p u t i n gt i m e i sf e a t l yr c d u c e d k e y w o r d s ： v e h i c l ee m i s s i o n ； p o n u t i o nd i f h i s i o n ；m p i ；p a r a l l e lc o i n p u t i n g ； m m 谢c a ls 证m l a t i o n ： 第1 章课题的选择 随着我国经济的不断发展，城市运输车辆大幅增加，造成城市空气污染不断 加剧，空气污染问题已经成为我国经济实现可持续发展过程中一个不可忽视的问 题。世界银行1 9 9 7 年发表的结果( w b r l db a l l k ，1 9 9 7 a ) ，指出中国空气污染超 标所造成的损失，按人力资源的算法估计占g d p 的2 9 ，而按支付意愿法计算 则为g d p 的6 4 ( 基准年为1 9 9 5 ) 。 1 1 广州市的空气质量状况综述 广州作为我国最大的城市之一，随着工商业的不断发展和汽车保有量的不断 增加，其环境问题也变得越来越严峻。在广州主要的污染物包括s 0 。、n 0 。、c o 和悬浮颗粒物。图卜l 是广州市市区三种气体污染物1 0 年来平均值的变化图， 图中的数据是广州市六个环境检测站的年平均数据平均得到的市区平均值数据。 o ，2 o ，锺 + l 嬲0i 锄jl 躺曩l g 瓤嘲bl 蝴 l 髑ll 螂l 蝴1 9 9 s 1 9 9 7l 蝴 图卜l广州市空气质量年平均值变化 由图上可以看出，广州市区的s 0 2 浓度在1 9 8 6 年到1 9 9 0 年间上下波动，从 1 9 9 0 年开始呈明显的下降趋势，从1 9 9 0 年的8 3pg m 3 下降到1 9 9 5 年的5 lu # 地；叫 3 2 睁 +翟爹_。霉卷 g m 3 ，而后在1 9 9 7 、1 9 9 8 年略有回升。广州市区的n o 。总体呈上升趋势，但期 间波动性较大，1 9 8 7 、1 9 8 8 两年n o 。出现较高峰值，1 9 8 9 年的n o ，浓度较低， 进入九十年代后n o 。浓度出现较明显的上升趋势。c o 在八十年代末浓度较高， 然后有所下降，在1 9 8 8 和1 9 9 5 年间一直保持在2 5 m m 3 的浓度左右，在1 9 9 6 和1 9 9 7 两年又有较大的回升。 根据对各行业主要大气环境污染物排放统计调查，可以把广州市的污染源分 为4 类：工业源、交通源、第三产业源和民用源。 表1 1城区中心内4 类源对大气污染物的排放分担率( 1 9 9 5 年度) n 染物 s o ：排放分担率n o i 排放分担率 c o 排放分担颗粒物排放 污染源 ( )( ) 率( )分担率( ) 工业源8 4 95 6 63 59 2 6 交通源 3 23 8 9 9 4 81 7 民用源 4 11 81 5 0 6 第三产业源 7 82 7o 25 1 合计 1 0 01 0 01 0 0 1 0 0 从表l 一1 可以看出，工业源是广州市二氧化硫和颗粒物的主要排放源，市区 氮氧化物的主要来源是工业源和交通源。 1 2 机动车对市区大气污染物浓度的影响 汽车所排放出的尾气中包含有一氧化碳( c o ) 、碳氢化合物( h c ) 、氮氧化 物( n 0 。) 、二氧化硫( s 0 2 ) 、颗粒物质( 铅化合物、碳烟、油雾) 等大气污染 物，其中尤以前三者为主。 广州是我国机动车尾气污染最严重的城市之一，n 0 。污染位居全国之首。据 统计，在1 9 9 5 年，广州市机动车n o 。的年排放量为3 8 9 1 0 3 吨，占污染比重 为4 2 3 ：c 0 的年排放量为4 0 3 1 0 3 吨，占污染比重的8 4 8 。造成广州市机 动车尾气污染严重的原因主要有三个： 1 ) 机动车保有量的快速增长。 2 表1 2 广州市区、四县级市及全市机动车数量情况 【资料来源：广州市交通指挥中心，广州市统计年鉴，( 1 9 9 1 9 9 8 ) 】 年度全市机动车数量市八区机动车数量四县市机动车数量 1 9 9 03 2 9 9 5 62 5 l6 0 97 81 5 0 1 9 9 13 9 51 5 33 0 16 2 89 49 9 7 1 9 9 24 5 3 6 1 93 2 97 8 41 2 38 3 5 1 9 9 35 7 9 2 5 23 7 29 4 82 0 6 1 7 3 1 9 9 46 9 l3 7 24 1 95 8 42 7 17 8 8 1 9 9 58 6 83 0 35 6 39 7 l3 0 43 3 2 1 9 9 69 1 5 2 3 65 8 39 9 03 3 l2 4 6 1 9 9 7l0 1 7 4 9 86 2 34 5 83 9 40 4 0 1 9 9 8l1 0 75 9 4 6 2 08 4 44 8 67 5 0 l j _ 2 霉 ，量 糕 鬟# ，l 錾 囊 0 。0 ol o2 0： 0 4 黏s 9螨07 0 帆渤擎缳餐麓( 万辆) 图卜2n 0 ；浓度与机动车保有量关系 用n o 。浓度对机动车保有量作图，并计算相关性和截距，分析表明广州市 区的n o 。浓度与机动车保有量之间有非常明显的线性相关性。据调查研究，环 境空气中n o 。浓度的7 8 3 来自占排放量3 8 9 的交通源，这主要是由于工业 3 源属高空排放源，排放的n o 。易于长距离扩散输送，而交通源近地面排放，又 受道路两旁建筑物的阻挡，排放的污染物不易扩散，因而其对n o 。的排放分担 率虽低于工业源，但对市区n 0 。的浓度贡献率最大。 氇2 卷 雾 0 。i 图卜3广州市东风路秋季污染物浓度及机动车数量日变化 2 ) 道路较狭窄，堵车现象严重，车辆的行驶速度低 机动车所排放的污染物跟机动车的行驶速度有着密切的关系，具体是，一氧 化碳和碳氢化合物是随着车速的提高而有明显的降低，氮氧化物则随着车速的提 高而略有升高。如果把车速从1 3 7 k i l l h 提高到3 2 1 8 k m ，l l 可使碳氢化合物和一氧 化碳的排放分别降低4 4 和4 8 ，同时，氮氧化物会略有升高。 表1 3 广州行驶工况 最大车速 平均车速 怠速加速减速自由行驶 行驶，l ：况 ( k m 1 1 )( k f n m ) ( )( ) ( ) ( ) ，1 + 州市区 5 0 41 4 1 1 7 82 9 12 7 ，22 6 o 广州高速公路 1 0 2 o7 0 11 22 7 12 2 94 8 8 北京市区 6 5 32 0 o1 6 52 5 33 0 92 7 3 欧盟 5 0 o1 8 73 0 82 1 51 8 52 9 2 e c e l 5 - 0 4 从表1 3 可以看出，广州的平均车速只有1 4 1 k l l l h ，而欧洲的e c e l 5 0 4 平 4 均车速为1 8 7k 耐h ；广州的怠速与减速状况分别占1 7 8 与2 7 2 ，而欧洲的则 分别为3 0 8 和1 8 5 。所有这些参数均表明广卅i 的交通堵塞与污染更严重。 3 ) 汽车工业落后，汽车的疲气排放率高 我国的汽车工业起步较晚，汽车制造技术较欧美等发达国家落后，是造成我 国汽车的的废气排放率较发达国家高的主要原因。另外由于法律法规和监督制度 的不完善，使得我国很多已经过了报废期的汽车和一些废气排放率严重超标的汽 车仍然在道路上行驶，这也是造成我国汽车的的废气排放率较发达国家高的一个 原因。 1 3 研究工作简介 针对汽车尾气对城市环境所造成的污染，欧美等先进工业国家自6 0 年代初 就采取了措旌，一方面改善交通道路，另方面相继对汽车排放污染进行研究， 制订严格的汽车排气限制标准，以控制大气质量。我国近十年来，随着汽车保有 量的不断增加，汽车尾气污染的不断加剧，我国许多专家学者也开始了对汽车尾 气污染的研究，对汽车尾气的扩散过程进行数值模拟。目前国内的研究一般是在 国外一些比较成熟的模式的基础上，对我国城市街区或高速公路进行小范围的模 拟，而利用数值方法对具有复杂路网结构的大范围城市区域中由汽车尾气排放所 造成的污染分布状况进行模拟及预报的研究尚不多见。 本论文是研究如何利用流体力学的数值计算方法模拟和预报整个广州市市 区的汽车尾气在不同气候条件下的污染扩散分布状况。整个汽车尾气模拟预报系 统是非常复杂的一个系统，它需要不断的完善，模拟预报由好几个模块组成，其 基本框架图如图卜4 所示： s 鲠西- 1 ，、。j _ 。+ ll 鬯震囊计算卜呻 一l 模块i 鼍! ! 罗一 亏染物扩散的并行 模拟计算模块 图卜4基本框架图 上图是一个非常复杂的模拟计算系统，本论文只实现了以上模式的部分功 能，具体研究工作主要包括如下几个方面： 1 ) 收集相关的数据和资料。并利用v b n e t 编写前处理程序，实现路网 数据和交通流数据的前处理的自动化，自动生成路网和污染源强数组。 2 ) 建立一个高精度的汽车尾气数值模拟预报模式，并利用该模式对具有 复杂路网结构的整个广州市区进行2 4 小时的数值模拟计算。 3 ) 利用m p i 并行计算平台，实现计算模拟过程的并行化，缩短计算时间， 实现对大范围的数值模拟计算。 6 第2 章汽车尾气污染扩散模式研究现状 汽车尾气污染扩散所研究的是汽车尾气在大气输送过程中浓度衰减的变化 关系。国外的欧美日本等发达国家自2 0 世纪6 0 年代开始就对机动车排气污染扩 散模式进行了研究，给出了很多模式。这些模式根据来源的不同主要分为经验模 式、高斯模式、k 模式和箱模式等几种，而按照求解方法的差异又可分为解析方 法和数值求解两种：此外，实用中还常根据道路地形又分为开阔路、街道峡谷和 高架路等三种。例如美国较早的s t r e e t 模式和1 9 8 6 年开发的峡谷烟羽箱模式 c p b m 等。是目前国际上较常用的街道峡谷汽车污染扩散模式；h i w y ，c a l i n e 系列和g m 等，则是比较成熟的是高速公路扩散模式。 国内近十年来也开展了很多汽车尾气污染扩散的研究，主要是在国外的一些 比较成功的模式的基础上，结合本国汽车尾气污染的的特点，对我国汽车尾气污 染的情况进行模拟。模拟的范围主要是集中在简单线源模式的建立和发展上，大 都仅限于对单条公路或一个小街区进行污染模拟；有关机动车污染物的排放因子 研究，很多都是借鉴国外的排放模式( 如美国环保局开发的m o b i l 模式) 作为基 础，根据国内的特定情况而开展的。 本章将会对国内外一些常用的比较成熟的汽车尾气扩散的数值模拟模式进 行介绍。 2 1 高斯模式： 在众多的汽车尾气扩散模式中，其中最常用的是高斯( g 肌s s ) 正态扩散模式， 在对平直公路和低矮街道的污染物扩散进行模拟和预测上，绝大多数的模型利用 了高斯线源模式，经过和实际监测数据的比较，验证了此模式的可靠性和准确性。 高斯模式是在大量实测资料分析的基础上，应用湍流扩散的统计理论得到的 正态分布假设下的扩散模式。采用正态扩散模式时假定污染物在空间的概率分稚 是正态分布，概率密度的标准差即扩散参数由“统计理论”方法或其他经验方法 确定。正态扩散模式有一下优点：1 ) 物理上比较直观，其最基本的数学表达式可 7 以从常用的数学手册中查到；2 ) 模式直接以初等数学的形式表达，便于分析各物 理量间的关系和数学推演，易于计算与掌握；3 ) 对于平原地区、下风距离在l o k m 以内的低架点源，预测结果与实际较为接近；4 ) 对于其他复杂问题，经对模式的 适当修改，仍可以应用。 高斯模式根据污染源的不同，可以分为点源扩散模式、线源扩散模式和面源 扩散模式，他们都可以从最基本的瞬时单个烟团正态扩散模式推导出来。机动车 行驶时尾气扩散的现象，严格地说是随机流动点源，但是在研究公路两侧空删污 染物分布时，通常将车辆排放源当作车道上的连续线源来处理。在较长街道或公 路上行驶的车辆密度，足以在道路两侧形成连续稳定浓度场的线源，称为无限长 线源；在街道上行驶的车辆只能在街道两侧形成断续稳定浓度的线源，称为有限 长线源。 在高斯模式中，对于连续排放的无限长线源，当风向与线源垂直的时，下风 向地面浓度计算公式为： c y ，o ) = ( 争e x p ( 等) ( 2 _ 1 ) 托 祉o 三o ： 式中骁为线源强度，m g ( m s ) ；五为平均风速，耐s ：皿为线源的有效高度， m ；盯，为z 方向上的扩散参数，m 。 对于有限长线源扩散的地面浓度计算，需要考虑线源端点所引起的“边缘效 应”。规定x 轴为通过预测点的平均风向，有限长线源的范围规定为由y l 延伸到 y 2 ，且y l s e t t i n g s 25 图4 3 此p r o j e c ts e 劬唱s 选单中s e t t i n g sf o r ：请选择a l lc o n f i d u r a t i o n s ，在l i n k 参数设定中，0 b j e c “l i b r a r ym o d u i e s 增加m j ) i c h d 1 i b 和在a d d “i 0 舱l l i b r a r yp a t h 填入c ：、p 鲫nf i k s 、m p j c h s d k l i b 。这个路径是m p ll i 町放置处，若你的 m p i c 玎q t 是安装到别的目录，请填入正确位置。 图4 4 将选单切换至f o n r a n ，c a t e g o r y ：p r e p f o c e s s o r ，在i n c l u d ea n d 26 u s ep a t l l s ：中填入c ：p r o 酎a r i lf i l e s m p i c m s m i n c l u d e 。这个目录存放着 一些m p i 的i n c l u d e 文档。 图4 5 按照以上步骤配置好编译环境后，就可以按照f 常程序来编写和编译m p i 并行程序。如果你不想设定这些你可以将m p i f h ( 以f o r t r a i l 为例) 和i n p i c h d 1 i b 复制到你的程序目录下，让编译程序系统可以找到这些档案。 3 ) 配置和测试m p i 并行计算平台 先选好一台节点机作为并行计算的主机。在第一次运行m p i 的图形界面 m p i r l u l 之前，要先进行配置，m p i c h l 2 5 自带了一个图形界面的配置程序，开 始一 程序 m p i c h - m p d m p l c hc 叩f i g i l 限t i o nt 0 0 l ，界面如下： 27 图4 6 m p i c hc o n f i g u r a t i o nt 0 0 1 界面 在m p i c hc o n f i g u m t i o nt o o l 选择和添加要进行并行计算的节点机。按a p p l y 按钮完成配置，配置信息将会写到系统的注册表里。这是最基本的配置，更高级 的配置请参考m p i c h 的u 辩rg u 试e 。 配置好以后就可以尝试运行m p l 的并行程序来测试并行平台是否正常工作。 在m p i 应用程序的安装目录c ：p r o g r a mf i k s m p i c 硪s d k e x 跚1 p l e 如t 下可以找 到一个并行程序的实例，这是一个计算运周率p i 的并行程序，它有多个版本，可 以用v j s u a ls t u d i o6 x ，v j s 雠lf o r t r 柚6 ，如g c ca n d9 7 7 来进行编译。这里以v i s u a if o n r a n 6 5 作为实例进行介绍，州v i s 吼lf o r t r a n6 5 打开只录c ：p r o 弘m f l l e 州p l c h s d k 惦x a m p l e 如怔i a s i c 下的昂i d s p ，然后按照上面所说的配置好v i s u a l f o r t r a n6 5 并行编译环境并进行编译。把编译好的可执行文件币i e x e 拷贝到每一 台节点机的同一个共享目录下。 接着，运行m p i r u ng u i 介面，开始 程序一 m p i c h 一 m p d - m p l r u n ，界面如 28 图4 7 ： 图4 7 i p i r u n 界面 在m p i r u n 中打开所要运行的并行程序，在n u m b e ro f 中填入要进行并行计 算的处理器的数量，在程序的右边选择你打算用来进行并行计算的节点机。 ( 注意：m p i r u n 可以在一个处理器上模拟多个处理器进行并行计算，这在只有一 台机的情况下测试并行程序的可执行性十分有用，但在真正进行并行计算时，要 根据你所选择的节点机的数量来填入相应的处理器数量) 最后按下按钮r u n ，此时会让你输入用户名和密码，输入预先设定好的供并 行计算用的用户名和密码。m p i 就会自动分配计算任务给各节点机，并行地进行 p i 值的求解计算。 到此，整个m p i 并行编程和计算系统已构造完毕，下面将介绍如何利用m p i 的并行函数库进行并行编程。 4 3 3m p i 并行编程技术介绍 m p i 提供蕊个并行函数库，分别提供给f o r t r a n 和c 语言调用，两个函数库所 2 9 提供的函数的数量和功能基本上一样的，只是在调用上有些不同。由于本论文的 程序是用f o r t r a n 进行编写的，在这里就只介绍供f o r t r a n 调用的并行函数库的使 用。 m p i 为消息传递和相关操作提供了功能强大而又丰富的库函数，其内有两百 多个函数调用接口。但是从理论上说，m p i 所有的通信功能可以用它的6 个基本的 调用来实现，掌握了这6 个调用就可以实现所有的消息传递并行程序的功能。只 要掌握了这6 个基本的调用就可以进行简单仲i 并行编程了，下面我们就来介绍由 这六个函数接口构成的m p i 子集。 1 ) m p i 初始化 m p l i n i t ( ) i n tm p i j n i “i n t + a r g c ，c h a r ”+ a r g v ) m p i j n i t ( i e r r o r ) i n t e g e ri e r r o r m p i _ i n i t 是m p i 程序的第一个调用，它完成忡i 程序所有的初始化工作，所有 m p i 程序的第一条可执行语句都是这条语句。 2 ) m p i 结束 m p if i n a l i z e ( ) i n tm p i f i n a li z e ( v o i d ) m p i f i n a l i z e ( i e r r o r ) i n t e g e ri e r r o r m p i f i n a l i z e 是仲i 程序的最后一个调用，它结束m p i 程序的运行，它是肝i 程序的最后一条可执行语句，否则程序的运行结果是不可预知的。 3 ) 当前进程标识 m p i c o 一r a n k ( c o i i l i n ，r a n k ) i nc o 姗该进程所在的通信域句柄 o u tr a n k 调用进程在c o 唧中的标识号 i n tm p i o 硼r a n k ( m p i - c o 岫c o 哪， i n t 木r a n k ) m p i c o m m _ i l a n k ( c o m m ，r a n k i e r r o r ) 30 n 寸t e g e rc o m m ，r a n k ，i e r r o r ( 注：i n 表示输入参数，o u t 表示输出参数) 这一调用返回调用进程在给定的通信域中的进程标识号，有了这一标识号， 不同的进程就可以将自身和其它的进程区别开来，实现各进程的并行和协作。 4 ) 通信域包含的进程数 m p i - c o m m _ s l z e ( c o m m ，s i z e ) i nc o m m 通信域旬柄 o u ts i z e 通信域c o m m 内包括的进程数整数 n tm p l _ c o m h l _ s i z m p i _ c 0 m mc o m m ，i n t + s i z e ) m p i c o m m - s l z e ( c o m m ，s l z e ，i e r r o r ) n q t e g e rc o m m ，s i z e ，i e r r o r 这一调用返回给定的通信域中所包括的进程的个数，不同的进程通过这一调 用得知在给定的通信域中一共有多少个进程在并行执行。 5 ) 消息发送 m p i - s e n d ( b u f ，c o u n t ，d a t a t y p e ，d 髓t ，t a 岛c o m m ) i nb u f 发送缓冲区的起始地址( 可选类型) i nc o u n t 将发送的数据的个数( 非负整数) i nd a t a t y p e 发送数据的数据类型( 句柄) i nd e s t 目的进程标识号( 熬型) l nt a g 消息标志( 整型) i nc o m m 通信域( 旬柄) i n tm p i _ s e | i d ( v o 淤b 此n tc o u n t ，m p l _ d a t a t y p ed a t a t y p e ，d e s t ，i n tt a g ， m p i c o m m c o m m ) m p l s e n d ( b u f ，c o u n t ，d a t a t y p e ，d e s t ，t a g ，c o m m ，i e r r o r ) t y p pb u f ( + ) i n t e g e rc o u n t ，d a t a t y p e ，d e s t ，t a g ，c o m m ，i e r r o r m p i j e n d 将发送缓冲区中的c o u n t 个d a t a t y p e 数据类型的数据发送到目的进 程，目的进程在通信域中的标识号是d e s t ，本次发送的消息标志是t a g ，使用这 3l 一标志，就可以把本次发送的消息和本进程向同一目的进程发送的其它消息区别 开来。 m p i _ s e n d 操作指定的发送缓冲区是由c o u n t 个类型为d a t a t y p e 的连续数据空 间组成。起始地址为b u f 。注意这罩不是以字节计数，而是以数据类型为单位指 定消息的长度，这样就独立于具体的实现，并且更接近于用户的观点。 其中d a t a t y p e 数据类型可以是m p i 的预定义类型，也可以是用户自定义的类 型，通过使用不同的数据类型调用m p i s e n d ，可以发送不同类型的数据。 6 ) 消息接收 m p i l e c v ( b u e c o u n t ，d a t a 嘲坞s o u r t a g c o m m ，s t a t u s ) o u tb u f 接收缓冲区的起始地址( 可选数据类型) 附c o u m 最多可接收的数据的个数( 整型) i nd a t a t y i ) c 接收数据的数据类型( 旬柄) i ns o u r c e 接收数据的来源即发送数据的进程的进程标识号( 整型) i nt a g 消息标识与相应的发送操作的表示相匹配相同( 整型) i nc 啪m 本进程和发送进程所在的通信域( 句柄) o u t s t a t t l s 返回状态( 状态类型) i n tm p l r e c v ( v o i 扩b u i n tc n t ，m p l d a t g 哪p ed a t a t y p e ，i n ts o u r c e ，i n t t a g ，m p l o f n mc o m 眠m p l s 扭t u s + 咖t u s ) m p l r e c v ( b u f ，c o i j l q ld a t a t y p e ，s o u r c e ，t a g ，c o m m ， s t a t u s ，l e r r o r ) b u f ( + ) r n t e g e rc o u n t ，d a t a t y p e ，s o u r c e ，t a g ，c o m m ， s t a t u s ( m p l s t a t u s _ s i z e ) i e r r o r m p i _ r e c v 从指定的进程s o u r c e 接收消息，并且该消息的数据类型和消息标识 和本接收进程指定的d a t a t y p e 和t a g 相一致，接收到的消息所包含的数据元素的 个数最多不能超过c o u n t 。 接收缓冲区是由c o u n t 个类型为d a t a t y p e 的连续元素空间组成，由d a t a t y p e 指定其类型起始地址为b u f 。接收到消息的长度必须小于或等于接收缓冲区的长 度，这是因为如果接收到的数据过大，m p i 没有截断，接收缓冲区会发生溢出错 32 误，因此编程者要保证接收缓冲区的长度不小于发送数据的长度。如果一个短于 接收缓冲区的消息到达那么只有相应于这个消息的那些地址被修改。c o u n t 可以 是零这种情况下消息的数据部分是空的。 其中d a t a t y p e 数据类型可以是m p i 的预定义类型，也可以是用户自定义的类 型。通过指定不同的数据类型调用m p i r e c v ，可以接收不同类型的数据。 图4 8 是利用m p i 进行并行程序设计的流程图： 图4 8m p i 并行程序设计流程图 4 4 数值求解的并行化处理 要利用m p i 实现数值计算的并行化，关键的问题是如何把一个数值计算任 务分割成多个可并行处理的数值计算任务，同时，在并行计算过程中，通过m p i 33 的消息传递通讯，保证各并行数值计算任务的协调进行和最后计算结果的准确 性。一般可以分为以下几个步骤： 1 ) 将给定的一个数值计算问题划分成一些可同时执行的小任务，划分方 法可以使用域分解法或功能分解法； 2 ) 在进行任务划分的同时，分析诸任务之间的通信需求，通信可以是局 部的或全局的，静态的或动态的，同步的或异步的，在尽可能保持商 的并行化率和灵活性的同时。减少通信和开发成本： 3 ) 以最小总执行时间为目标将诸任务分配到各处理器作为进程同时执 行，使用负载平衡和任务调度技术有助于减少总执行时间； 4 ) 利用m p i 消息传递库中消息传递函数，保证各节点机中的并行任务执 行的同步和协调： 5 ) 各个小任务完成后的装配集成，得到最终计算结果。 在本论文中，采用的是一种基于求解域分解的方法来实现数值计算任务的分 割。本论文中的求解域是一个连续的空间域，而采用的差分格式是半隐式。在半 隐式的三维偏微分方程的数值求解过程中，分析其差分方程的求解过程，在选择 的隐式方向上，即本论文计算中的z 方向，数据要全域联合求解。而在显式的方 向，如y 方向上，由于采用显式二阶偏导差分格式，数据信息只受局部数据的影 响。因此，沿着y = 常数( y = c ) 的面把计算域切割成四个子计算域，并让相邻 的两个子计算域重叠一层网格c c + i 、c 。一l ( 图4 9 ) ，使子计算域成为一个封闭的 求解体系。然后将各子计算域分别分配到并行计算环境中的四台节点机中去，这 样在并行计算求解差分方程的过程中，每台节点机只需在自己所分配到的那块子 计算区域上进行计算，不需与其它处理器交换任何数据信息。当一个时间步长计 算完成后，再把生成的新时间层上各重叠切面的数据信息cl + 1 相互交换，使整 个计算联立同步，然后再进一步求更高时间层的物理量。 3 4 图4 9计算域划分图( 灰色的为重叠部分) 4 5 并行计算的性能评测 并行计算性能评价中广泛采用的一个性能特征就是加速比( s p e e d u p ) ，定义 为一个程序串行执行花费的时间和并行执行所用时间的比值，用于衡量一个并行 执行的程序效能。并行处理的目的就是为了提高速度，加速比的动机就是度量多 结点并行处理相对于单结点处理的加速倍数，以表征并行处理的优势。 设：t s 为串行执行时间， t p 为并行执行时间， 则加速比 s p = t s t p ( 4 1 ) 除了加速比，并行计算性能评价中的另一个重要参数是并行效率e ，定义为： e ：l 1 0 0 ：堡勋1 0 0 ( 4 2 ) nn 其中，n 为节点机的数量( 在本论文中取4 ) 要提高并行计算的性能，可以从两方面进行，一是采用更好的硬件设备，例 如延迟更低的通讯网络，体系结构更好的并行计算系统；二是采用采用更好的并 行算法。从本质上说，不同的并行算法是根据问题类别的不同和并行机体系结构 35 的特点而设计的，一个好的并行算法既要很好地匹配并行计算机硬件体系结构的 特点，又要反映问题内在的并行性。要设计一个好的并行算法，主要可以从三方 面入手： 1 ) 提高并行程序的并行化率。程序的并行化率的定义是程序中可并行部分 的串行执行时间与整个程序的串行执行时间的比。一般情况下，并行程 序的并行化率越高，并行算法的并行效率就越高。在本论文的并行算法 设计中，除了基本的数据输入和输出必须串行执行以外，其他的整个模 拟计算部分都是可并行执行的，因此并行算法具有很高的并行化率。 2 ) 提高并行程序的负载平衡度，根据不同的节点机的计算能力，合理的分 配计算量，充分地利用每一台节点机进行并行就算。在本论文中，由于 四台节点机地配置都是相同地，所以把计算模拟区域平均地划分成四个 子计算区域，分别交给四台节点机进行模拟计算就可以达到很好的负载 平衡。 3 ) 减少程序的通讯量。虽然计算机网络的通讯速度有了很大的提商，在本 论文中也采用了1 0 0 m ，s 的交换以太网作为节点机的互联网络，但相对 于节点机的内部通讯来说，节点机之间的网络外部通讯仍然是一个非常 耗时的工作。因此，尽量地降低并行程序的通讯量对提高并行程序的并 行效率有很大的意义。在本论文中，四台节点机只需在自己分割的那块 子计算区域上进行模拟计算，不需与其它节点机交换任何数据信息。每 当一个时间步长计算完成后，只把生成的新时间层上各重叠切面的数据 信息c l + 1 相互交换，具有比较低通讯量。 表4 1 并行计算的性能分析 i 模拟时间串行计算时间并行计算时间并行加速比并行效率i i( 分钟)t s ( 秒)t p ( 秒)s p e i2 8 8 02 1 5 6 66 2 4 03 4 68 6 4 6 l l 从上表可以看出，本论文中所设计的的并行算法，在4 台电脑并行计算的情 况下，并行加速比达到了3 4 6 ，并行效率达到8 6 4 6 ，具有比较高并行加速比 和并行效率，有较高的实际应用价值。在本论文中，并行计算系统目前所采用的 36 互联网络是1 0 0 m b 的交换式以太网，相对于节点机的计算速度，节点机通过 1 0 0 m b 的交换式以太网进行消息传递时的网络延迟比较大，在整个并行运算时 间中用于通讯和同步的并行开销也就比较大，如果能够采用更高性能的互联网 络，本论文的并行算法将可以达到更高的并行效率。同时，增大互联网络带宽后， 就可以允许更多的节点机同时进行并行计算，提供更高的并行计算能力，为以后 进行范围更广、精度更高、计算模型更复杂的模拟计算开辟一条高效实用的途径。 37 第5 章计算模拟数据的前处理 从汽车尾气模拟预报系统的基本框架图( 图1 3 ) 可以看出，除了核心的污 染物扩散的并行模拟计算模块以外，尾气模拟预报系统还需要道路污染源强、风 场等数据才能进行实际的计算模拟。道路污染源强、风场等数据需要预先处理好， 作为已知的数据输入到并行模拟计算模块中，在这一章中将会详细地介绍本论文 对计算模拟数据的前处理过程。 5 1 路网数据的预处理 要利用已建立的数值计算模型对整个广州市市区的交通干道的交通污染进 行数值模拟，必须要根据数值计算模块的要求把广州市区的主要交通干道数值 化。对具有复杂路网结构的整个广州市区的路网数值化是一件非常繁琐的工作， 在本论文中，路网的数值化是通过编写一个前处理程序调用广州市的电子地图数 据库自动完成的。路网的数值化是计算模拟的一个十分重要的数据前期处理工 作，它主要包括三方面的内容：一是选取要进行模拟的主要道路，并对这些道路 进行等级划分：二是通过调用广州市交通路网电子数据库，显示计算域内的的路 网图；三是根据计算的要求，把路网图转化为并行模拟计算模块所能识别的数值 矩阵形式。第二、第三项工作主要是通过用s i l a lb a s i c n e t 编写的一个前期处 理程序来实现。 5 1 1 路网的选取和道路的分类； 在论文中，我们所进行的计算模拟具体范围是：经度：1 1 3 。1 1 4 3 1 1 3 。 2 4 1 2 ，纬度：2 3 。3 0 4 9 2 3 。1 0 4 l 。内的一个近似矩形的大小约为2 1 6 k m 1 3 6 k m 的区域。大概包括广州市的天河区、海珠区、芳村区、越秀区、荔湾区、 东山区的全部和白云区、黄埔区的一部分