CN105243107B - Calpuff大气模型多线程计算系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种CALPUFF大气模型多线程计算系统，所述系统包括预处理单元用于获取所述计算系统所需的原始数据文件，判断所述原始数据文件是否符合预设数据格式，当所述原始数据文件不符合预设数据格式时，将所述原始数据文件转换成预设数据格式，形成标准数据文件；并行转换单元，用于按照预设的并行转换规则，将预处理单元形成的标准参数文件转换为并行模式文件；以及并行计算单元，用于获取并计算所述并行转换单元形成的并行模式文件，并将计算结果反馈给用户。通过本发明的方案，提高了大气模型计算系统的数据兼容性及数据完整性，同时也提高了数据处理的效率及用户操作的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及气象信息处理技术，特别涉及一种CALPUFF大气模型多线程计算系统。
背景技术
大气环境影响评价是环境影响评价的重要组成部分，而大气环境影响预测是大气环境影响评价的重要工作环节之一。由于对污染物浓度进行准确的动态分时空监测并不十分可行，因此大气污染物扩散模型被广泛地用来模拟预测污染物的扩散分布情况，评估大气环境质量，而大气环境质量的分布对了解和监测国家污染状况是至关重要的。
大气模型的运算量较大，运行计算需耗费大量的时间，效率较低，不足以支撑对大气模型运算的需求。因此，需要对提高大气计算效率的可行方法进行研究，以得到可以提升大气模型计算效率和能力的解决方案。同时，由于大气模型所需的输入数据格式复杂，要求极其严格，不同来源的原始数据格式差别较大，一般难以符合模型输入需求，需要对原始数据进行预处理工作，由于数据量大，阅读编辑困难，研究人员手工操作繁琐，容易出现失误，故需要对大气模型运算的输入数据进行标准格式化，提高大气模型输入数据的可用率，进而提高大气模型计算效率。
针对以上问题，亟需一种能够结合实际情况，对于气象信息能够进行标准化、高效处理的系统。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种CALPUFF大气模型多线程计算系统，该系统能够对多种数据格式的气象数据进行兼容，具有高效、安全、方便等多种技术功效，技术方案如下：
一种CALPUFF大气模型多线程计算系统，所述系统包括：
预处理单元，所述预处理单元用于获取所述计算系统所需的原始数据文件，判断所述原始数据文件是否符合预设数据格式，当所述原始数据文件不符合预设数据格式时，将所述原始数据文件转换成预设数据格式，形成标准数据文件；
并行转换单元，所述并行转换单元按照预设的并行转换规则，将预处理单元形成的标准参数文件转换为并行模式文件；以及
并行计算单元，所述并行计算单元获取并计算所述并行转换单元形成的并行模式文件，并将计算结果反馈给用户。
可选的，所述预处理单元具体包括：
数据输入模块，所述数据输入模块用于获取原始数据文件；
数据存储模块，所述数据存储模块用于实现原始数据文件的数据存储和管理；
标注化处理模块，所述标准化处理模块用于将原始数据文件转化成预设格式的标准数据文件；以及
数据导出模块，所述数据导出模块用于将用户选择范围内的相关数据进行网格化划分，并将网格化后的数据导出。
可选的，所述并行转换单元具体包括：
污染源切分模块，所述污染源切分模块用于分析大气模型参数，统计能够独立计算的污染源的，将污染源拆分为独立的计算单元；
并行指令形成模块，所述并行指令形成模块用于形成运行命令行，以便于在多核Linux服务器或Linux集群服务器中同时运行多个独立污染源的大气模型，实现多线程并行计算，提高CPU资源利用率及节省计算时间。
可选的，所述并行转换单元还包括：
界面生成模块，所述界面生成模块分析梳理大气模型的输入文件格式及其参数形式，根据模型参数及其他运行参数设计开发CALMET模型的参数设置界面。
可选的，所述并行转换单元还包括：
模型参数设置单元，用户可通过所述参数设置界面设置各个模型参数和运行参数，系统将自动生成相应的大气模型输入文件及运行命令行。
可选的，所述并行计算单元包括：
计算执行模块，所述计算执行模块通过命令行远程控制集群服务器进行并行计算；
计算监控模块，所述计算监控模块用于在并行计算过程中，实时监测计算的进程，并计算全部完成后，自动给用户发送通知。
可选的，所述系统还包括：
用户身份验证单元，所述身份验证单元用于验证当前用户身份的合法性，通过身份验证的用户才可以对所述系统进行操作。
可选的，所述身份验证单元用于验证当前用户身份的合法性，具体包括：
验证当前用户的付费信息，若当前用户没有进行预付费，则认为当前用户身份非法。
可选的，当验证用户身份非法时，提供支付接口，在用户通过支付接口完成预付费之后，再次检验用户身份的合法性。
可选的，所述身份验证单元用于验证当前用户身份的合法性，具体包括：
验证用户输入的用户PIN码是否正确；
若正确，则进一步提示用户插入所述PIN码对应的USB加密设备；
当在预设时间段监测到用户插入的合法的USB加密设备后，向验证服务器发送验证请求，并接收验证发送的随机数；
将所述随机数与所述USB加密设备中的存储的密钥进行哈希运算，并将运算结果发送给验证服务器；
接收验证服务器发送的验证结果，基于所述验证结果判断当前用户的合法性。
通过上述方案，本申请的达到了如下的有益效果：能够兼容较多的气象数据，且能够对数据进行预处理；自动对获取的气象数据进行处理，提高了自动化程度；基于用户的参数设置，能够自动设置相应的数据模式，提高了系统的易用性；通过并行计算方式，提高了系统计算的速度，提高了计算效率；通过多种方式的安全验证，提供了系统的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种CALPUFF大气模型多线程计算系统的结构图；
图2为本发明实施例提供的一种CALPUFF大气模型多线程计算系统的任务图；
图3为本发明实施例提供的一种并行计算规则图；
图4为本发明实施例提供的另一种CALPUFF大气模型多线程计算系统的结构图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
图1为本发明实施例提供的一种CALPUFF大气模型多线程计算系统的结构图，如图1所示，该CALPUFF大气模型多线程计算系统10包括：预处理单元101、并行转换单元102、以及并行计算单元103。
预处理单元101用于获取所述计算系统所需的原始数据文件，判断所述原始数据文件是否符合预设数据格式，当所述原始数据文件不符合预设数据格式时，将所述原始数据文件转换成预设数据格式，形成标准数据文件。
并行转换单元102按照预设的并行转换规则，将预处理单元形成的标准参数文件转换为并行模式文件。
并行计算单元103获取并计算所述并行转换单元形成的并行模式文件，并将计算结果反馈给用户。
作为一种选择，上述的大气模型为CALPUFF模型。
作为另外一个实施方式，设计标准的高空气象数据结构，并使用Microsoft SQLServer作为数据库引擎，构建高空气象数据库，实现对高空气象数据的存储和系统管理，能够通过系统对高空气象数据管理进行存储，为数据标准化格式导出提供支撑。
作为另外一个实施方式，系统集成CALWRF v2.0.1版本工具，对高空气象数据进行3D.DAT标准格式化。CALWRF v2.0.1版本功能特性包括支持多种WRF文件、数据错误修正、3D.DAT文件头修正等，并升级了Linux和Windows的编译指令，可读取V2或V3的NCAR的WRF-ARW模型输出(netCDF格式)，并创建适合于CALMET模型运算使用的3D.DAT格式文件。
作为另外一个实施例，系统通过构建3D.DAT高空气象数据业务系统，实现高空气象数据的存储、管理、标准化格式转化与导出。根据高空气象数据库构建数据管理功能模块，集成CALWRF v2.0.1工具实现标准化格式转化，通过地图网格化选取区域实现3D.DAT格式数据导出。数据的标准化和导出过程依托高性能云计算服务来实现大批量数据的并行快速生成和输出。
实现地图网格化，按固定网格点位将我国范围内区域进行网格化划分，并实现网格选择和所选网格内数据的输出。用户在导出数据时，关注所选网格是否正确、完整，一次操作即可导出左右网格内的高空气象数据的3D.DAT格式文件，供CALMET和CALPUFF模型运算使用，同时也预留相应的数据接口供其他系统平台调用。
系统主要研究任务有模型参数分析、并行规则研究、安全机制设计、Calpuff并行计算系统开发，见图2。
作为另外一种实施方式，系统分析梳理CALPUFF模型的输入文件格式及其参数形式，根据模型参数及其他运行参数设计开发CALMET模型的参数设置界面。用户可通过参数设置界面直观方便的设置各个模型参数和运行参数，系统将自动生成相应的CALPUFF模型输入文件及运行命令行。
CALPUFF模型的运算量一般较大，需要耗费大量的时间，为充分利用服务器的CPU资源，研究设计CALPUFF模型并行计算的规则和方案。初步分析CALPUFF模型参数，发现可计算的各个污染源(包括点源、线源和面源)具有计算的独立性，可将其拆分为独立的计算单元，并可同时进行计算。
根据用户设置的运行参数，系统能够自动生成并行计算组，通过运行命令行在多核Linux服务器或Linux集群服务器中同时运行多个独立污染源的CALPUFF模型，实现多线程并行计算，提高CPU资源利用率和节省计算时间，并行规则如图3所示。
作为另外一个实施方式，基于模型参数分析、并行规则研究、安全机制设计和云平台调研的成果，开发基于命令行的CALPUFF并行计算系统。系统包括输入文件参数识别功能、并行计算组文件生成、并行计算命令发送执行与控制、计算进度监控(如短信消息提醒等方式)等功能。要求系统形成更加人性化易于使用的管理操作界面，以解决CALPUFF模型参数编辑困难和Linux系统的操作复杂，管理繁琐的缺点，系统开发方案如图4所示。
用户上传CALPUFF的INP总输入文件后，并行计算系统自动识别出INP文件中的各个参数，根据污染源数量批量生成相应的只含单个污染源的INP文件，并与计算数据源及CALPUFF模式程序组成并行计算模块组发送至天河一号Linux集群中。用户只需操作界面化的CALPUFF并行计算系统，系统就可通过命令行远程控制天河一号Linux集群实现并行计算。计算过程中，系统会实时监测计算的进程，计算全部完成后，自动给用户发送短信、邮件通知。
作为另外一个实施方式，CALPUFF并行计算系统的操作权限关系到输入数据和输出数据的安全，因此系统各个功能的使用权限需要有加密锁和用户账号密码两重安全保护机制。登录用户必须先输入自己的USER PIN进行验证后才有权限完成计算，USER PIN有最大重试次数限制，连续输入错误会锁死。从而防止硬件丢失后，被不合法的用户反复重试。存储在USB加密设备多功能锁中的密钥不能被任何人获取。
用户登录时必须具备硬件和保护硬件的USER PIN双重因子时才能登录。有硬件，不知道USER PIN或者知道USER PIN，没有硬件，都是没有办法登录的。比传统的用户名和密码方式大大增加的登录用户的安全性。
在整个认证过程中，USB加密设备采用冲击响应的认证方式。当需要在网络上验证用户身份时，先由客户端向服务器发出一个验证请求。服务器接到此请求后生成一个随机数并通过网络传输给客户端。客户端将收到的随机数提供给USB加密设备，由USB加密设备使用该随机数与存储在USB加密设备中的密钥进行HMAC-MD5运算并得到一个结果作为认证证据传给服务器(此为响应)。与此同时，服务器也使用该随机数与存储在服务器数据库中的该客户密钥进行HMAC-MD5运算，如果服务器的运算结果与客户端传回的响应结果相同，则认为客户端是一个合法用户。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本领域普通技术人员可以理解实现上述方法实施方式中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，这里所称得的存储介质，如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种CALPUFF大气模型多线程计算系统，其特征在于，所述系统包括：
预处理单元，所述预处理单元用于获取所述计算系统所需的原始数据文件，判断所述原始数据文件是否符合预设数据格式，当所述原始数据文件不符合预设数据格式时，将所述原始数据文件转换成预设数据格式，形成标准数据文件；
并行转换单元，所述并行转换单元按照预设的并行转换规则，将预处理单元形成的标准参数文件转换为并行模式文件；以及
并行计算单元，所述并行计算单元获取并计算所述并行转换单元形成的并行模式文件，并将计算结果反馈给用户；
其中，所述预处理单元具体包括：
数据输入模块，所述数据输入模块用于获取原始数据文件；
数据存储模块，所述数据存储模块用于实现原始数据文件的数据存储和管理；
标注化处理模块，所述标准化处理模块用于将原始数据文件转化成预设格式的标准数据文件；以及
数据导出模块，所述数据导出模块用于将用户选择范围内的相关数据进行网格化划分，并将网格化后的数据导出。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述并行转换单元具体包括：
污染源切分模块，所述污染源切分模块用于分析大气模型参数，统计能够独立计算的污染源的，将污染源拆分为独立的计算单元；
并行指令形成模块，所述并行指令形成模块用于形成运行命令行，以便于在多核Linux服务器或Linux集群服务器中同时运行多个独立污染源的大气模型，实现多线程并行计算，提高CPU资源利用率及节省计算时间。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述并行转换单元还包括：
界面生成模块，所述界面生成模块分析梳理大气模型的输入文件格式及其参数形式，根据模型参数及其他运行参数设计开发CALMET模型的参数设置界面。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述并行转换单元还包括：
模型参数设置单元，用户可通过所述参数设置界面设置各个模型参数和运行参数，系统将自动生成相应的大气模型输入文件及运行命令行。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述并行计算单元包括：
计算执行模块，所述计算执行模块通过命令行远程控制集群服务器进行并行计算；
计算监控模块，所述计算监控模块用于在并行计算过程中，实时监测计算的进程，并计算全部完成后，自动给用户发送通知。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
用户身份验证单元，所述身份验证单元用于验证当前用户身份的合法性，通过身份验证的用户才可以对所述系统进行操作。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述身份验证单元用于验证当前用户身份的合法性，具体包括：
验证当前用户的付费信息，若当前用户没有进行预付费，则认为当前用户身份非法。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，
当验证用户身份非法时，提供支付接口，在用户通过支付接口完成预付费之后，再次检验用户身份的合法性。
9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述身份验证单元用于验证当前用户身份的合法性，具体包括：
验证用户输入的用户PIN码是否正确；
若正确，则进一步提示用户插入所述PIN码对应的USB加密设备；
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20180720 |