面向智慧水利的一二维耦合水动力模型求解控制方法和系统与流程

本发明涉及水利信息化与计算水动力学，尤其是一种面向智慧水利的一二维耦合水动力模型求解控制方法和系统。

背景技术：

1、水利信息化与数字孪生流域建设的推进，使水动力数值模型由离线分析工具逐步转变为支撑在线调度与实时预报的计算内核。在防洪调度、城市内涝模拟与水库群联合调度等业务中，模型须在严格的作业时限内对江河洪水演进过程与区域淹没过程给出可信结果。由此，智慧水利对一二维耦合水动力模型提出三项须同时满足的要求：算得快、算得准和算得稳。算得快指在受限作业时限内完成求解；算得准指被采纳的水动力状态如实反映水动力控制方程，不携带未经识别的物理保真度损失；算得稳指计算在不利工况下持续推进，且物理保真度损失不无界累积。

2、一二维耦合水动力模型是上述业务的核心计算载体。其中，一维河网水动力模型求解一维圣维南方程组，刻画河道与河网的纵向水流演进；二维洪泛水动力模型求解二维浅水方程组，刻画洪泛区、城区与漫滩的平面淹没过程；二者经侧向漫溢交换与河口正向交换相耦合，构成完整的一二维耦合水动力模型。受库朗稳定条件约束，二维模型在精细网格上须采用很小的时间步长推进，单次模拟的计算代价高昂；在洪水预报的滚动更新与多方案集合模拟场景下，同一物理过程须被反复求解，计算代价进一步放大。因此，如何在图形处理器并行环境下兼顾求解速度、结果精度与计算稳定，成为该类模型工程化应用的关键难题。

3、为在干湿动边界、陡峭水跃锋面与病态耦合界面等不利工况下维持计算持续推进，现有求解器普遍在数值求解过程中施加保护性的数值修正。这些修正主要包括：对越界体积分数或负水深施加限幅，使单元水深恢复非负；对濒临干涸或退化的单元施加状态保持，避免其在更新中失稳；对局部惯性主导的河段施加降阶，以低阶近似替代完整动量平衡；对不可行的负向链路施加抑制，避免出现非物理的倒灌通量；对病态耦合界面施加零交换保持，暂停一二维之间的质量与动量交换。上述修正能够维持计算不中断，却以降低水动力方程的物理精确性为代价，其实质是以牺牲物理保真度换取数值推进，本技术将其统称为降精度修正。

4、现有技术在处理降精度修正时存在如下不足：

5、其一，降精度修正在求解过程中被静默施加且不被记录。一个在数值上成功推进的计算步，可能已牺牲物理保真度，使用者无从区分该步结果究竟来自如实求解，抑或来自保护性修正，所采纳的水动力状态因而携带不可见的物理保真度损失，与算得准的要求相悖。

6、其二，业界为约束保真度损失而引入的若干记账与门控机制，往往令同一个账本既承担计量职能又承担裁决职能。该账本既统计降精度修正的发生次数，又据其计数直接拒绝候选发布或中止整轮运行。这种把计量与控制合并于一处的设计，使得账本一旦发生计量遗漏、计数溢出或自身异常，便可能误拒一个本应发布的候选，甚至错误中止一个本可持续推进的求解，记账机制的可靠性反而成为求解持续性的隐患，与算得稳的要求相悖。

7、其三，将记账置于裁决回路之中，使其须返回阻断性状态码，并须在发布路径上被同步读取。在图形处理器大规模并行环境下，这类同步读取与全局状态访问会在并发计算线程之间引入隐式串行化，显著削弱并行效率，与算得快的要求相悖。

8、其四，一维求解、二维求解与耦合交换三个模块各自维护互不一致的降精度修正判断逻辑，对同一类不利工况作出不同处置，并在耦合界面对同一次零交换保持产生重复记账，导致跨模块行为不一致且保真度损失归因失真。综合而言，现有技术缺乏在统一机制下同时约束三项要求的手段，算得快、算得准和算得稳难以在同一框架内协调统一。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是提供一种能够在求解过程中将降精度修正的计量与候选发布的裁决相互分离，同时满足求解的计算速度、结果准确性与计算稳定性要求的面向智慧水利的一二维耦合水动力模型求解控制方法和系统。

2、技术方案：本发明所述的面向智慧水利的一二维耦合水动力模型求解控制方法，用于在图形处理器并行环境下，控制一维河网求解器、二维洪泛求解器及其耦合交换对正式状态数组的候选发布，包括：

3、设置物理控制平面和退化记账平面，二者之间仅设一条自物理控制平面指向退化记账平面的单向通路；

4、在当前时间步内执行候选试算，候选试算过程中物理求解每触发一次降精度修正，通过该单向通路向退化记账平面内的候选计数写入一笔计量；

5、候选试算完成后，依据本次试算的物理报告中是否含降精度修正对候选进行预筛选；

6、将含降精度修正的候选由物理控制平面按该候选未通过预筛选的情形进行如下处理：缩小时间步长后在当前时间步内重新进行候选试算，或者转为保持并以可表示的严格增量推进时间使浮点时间严格单调增大，或者终止运行；

7、仅将不含降精度修正的候选写入正式状态数组，并在写入完成后将候选计数并入总账和步账，并同时将候选计数清零；

8、由物理控制平面判定是否达到求解终止条件，未达到则进入下一时间步，重复执行候选试算至候选计数并入总账的过程；

9、其中，物理控制平面独立判定求解是否持续推进以及何时终止，退化记账平面仅接收来自物理控制平面的单向信息。

10、从结构上将求解系统划分为物理控制平面与退化记账平面两个平面，并以一条自物理控制平面指向退化记账平面的单向通路连接二者，由此从信息流向上避免了退化记账平面反向干预物理求解。在结果准确性方面，预筛选在候选写入正式状态数组之前执行，其判定依据是候选自身物理报告中是否含降精度修正，而非候选计数。即使候选试算在数值上收敛、稳定且满足物理可容许判定，只要该候选的物理报告中含降精度修正，即不写入正式状态数组。由此，正式状态数组中能够写入的候选，均为物理报告中不含降精度修正的候选，被采纳的正式状态不携带未经识别的降精度修正，结果精度得到保证。在计算稳定性方面，预筛选的判定不依赖候选计数的完整性，候选计数是否遗漏或溢出均不改变预筛选的判定结果；退化记账平面仅接收单向信息，其计量操作不会阻断求解推进；求解是否持续推进以及何时终止由物理控制平面独立判定。由此，记账机制的错误不会干扰求解的进行，确保了求解的稳定性。在计算速度方面，由于退化记账平面仅接收单向信息，物理控制平面在执行候选试算、预筛选和终止判定时不需要同步读取记账状态，不引入因账本访问而产生的同步等待；该架构允许后续实施中将退化记账全部部署在主机侧，使图形处理器设备侧的并行数值计算不被记账操作打断，从而确保计算能高效进行。综上，本方法通过双平面分离和单向通路，实现了算得准、算得稳和算得快。

11、作为优选，当一维河网求解器和二维洪泛求解器进行耦合求解时，使用同一个候选会话，由耦合驱动开启该候选会话，且该开启具有幂等性，候选会话已开启时为空操作并保留既有候选计数；候选会话开启后一维求解器和二维求解器各自仅向该候选会话内的候选计数追加计量；在一维求解域和二维求解域将不含降精度修正的候选写入正式状态数组之前，对全部可失败条件进行预校验，使写入操作仅包含已通过校验的操作；经过预校验后，若一维求解域的提交后不变量被破坏，则判为不可恢复并终止运行；一维求解域和二维求解域均完成写入操作后，由耦合驱动执行一次候选计数并入总账和清空候选会话，耦合被接受步数恒等于一维求解域和二维求解域共同提交的步数。

12、通过使用同一候选会话并赋予开启操作幂等性，一维侧和二维侧在同一耦合步内追加计量时互不覆盖，二维侧的开启不会清除一维侧已写入的计量，从而避免了同一耦合步内计量丢失或归因错位的问题。写入操作前的预校验使两域写入操作仅包含已通过校验的操作，写入完成后由耦合驱动统一执行候选计数并入总账和清空候选会话，使每步的候选计数计算和会话清空仅发生一次，避免了重复并入或遗漏并入。由此，耦合被接受步数恒等于两域共同提交的步数，计量账目与耦合物理进展之间保持严格对应，为耦合场景下的事后审计和精度追溯提供了可靠基础。

13、作为优选，判断候选是否含降精度修正的判定依据按求解路径分源确定：对于二维求解，以候选试算的物理报告中的实际物理变更判定为依据；对于一维求解，以该候选是否触发了预设的禁用算子类别为依据；对于耦合交换，以该候选是否涉及预先确定的零交换保持操作为依据；向候选计数写入计量与依据物理报告进行预筛选各自独立执行。

14、将是否含降精度修正按求解路径落实为三种具体判定依据，使一维求解、二维求解和耦合交换各自采用与其数值特性相符的识别方式，解决了跨模块判定逻辑不一致的问题。同时，向候选计数写入计量与预筛选各自独立执行，意味着计量通路的完整性不构成预筛选正确性的前提条件，某一求解路径的计量遗漏不会通过预筛选环节反向影响候选的发布裁决，确保了求解过程的稳定性。

15、作为优选，物理控制平面中还设置有与退化记账平面中的计数相互隔离的用于触发终止运行的运行身份租约，运行身份租约包括占用者标识和运行纪元，在跨不同求解类型派发时，若占用者标识或运行纪元不匹配，由物理控制平面终止该运行。

16、通过将运行身份租约设置在物理控制平面内，使身份校验职能归属于物理控制平面，而不是由退化记账平面承担。运行身份租约以占用者标识和运行纪元两个参数共同表征一个活跃运行的完整身份，跨不同求解类型派发时，物理控制平面通过比对待校验身份与当前活跃身份的占用者标识和运行纪元，能够准确识别当前调用是否仍属于启动时的同一运行。一旦出现占用者标识或运行纪元不匹配，即表明有另一并发运行试图在当前正式状态数组上执行操作，此时由物理控制平面终止该运行，从而保护正式状态数组仅被对应的活跃运行写入，防止两个并发运行相互串用而污染正式状态数组。由于该租约与退化记账平面中的计数相互隔离，身份校验过程既不读取退化记账平面中的任何计数，也不受该平面计量结果的影响；相应地，退化记账平面中的计量操作也不触碰运行身份租约，进一步确保物理控制平面与退化记账平面相互独立，互不干扰，确保计算的稳定性。

17、作为优选，求解过程的有限性由物理控制平面独立保障：每个被接受的时间步以及每次转为保持之后所存储的浮点时间严格单调增大；时间步长设有正的下限，时间步长缩减至下限时转为保持或者终止运行；重试、子步和迭代分别设有独立的硬性上限，且其次数计数不溢出；输出与追赶环节以常数代价向前推进，游标随处理进度持续前进。

18、浮点时间严格单调增大和保持机制保证了时间推进不会停滞；重试、子步和迭代的硬性上限杜绝了无界重试；游标随处理进度持续前进杜绝了反复重放。三者共同保证了在退化记账完全不参与控制的情况下，求解也能在有限步内完成推进、保持或终止，占用内存有界；从时间推进、重试次数和输出追赶三个维度保障求解过程的有限性，且这三个维度的保障均部署在物理控制平面内，与退化记账平面无关，能确保求解稳定进行。

19、作为优选，在图形处理器设备侧的逐单元和逐边核函数内，仅执行数值计算以及不可恢复错误的登记信号和降级登记信号的置位，设备侧仅以该两类信号回传主机；退化记账和预筛选判定均置于主机侧执行；单向通路仅在主机侧执行。

20、将退化记账和预筛选判定全部部署在主机侧，设备侧核函数内仅保留数值计算。这样的部署使设备侧并行线程不承担记账和裁决任务，避免了在大规模并行线程中引入账本访问所带来的访存竞争和隐式串行化。设备侧仅以两类信号回传主机，将降精度修正的计量从设备侧数值热循环中剥离出来，使图形处理器的并行计算资源可以集中用于数值求解，有利于提高求解的计算速度。

21、作为优选，退化记账平面在遇到非法类别、接口类别错配、非法权重、计量接口身份不匹配、写入溢出或审计证据写入失败时，仅以单一汇总计数累计证据损失，并据以将该运行标记为证据不完整；被标记为证据不完整的运行，其物理推进和终止判定仍仅由物理控制平面独立作出。

22、当计量过程中出现非法类别、接口类别错配、身份不匹配或写入溢出等情形时，不中断处理，而是将各类证据损失统一汇入单一汇总计数，并以该计数是否为零派生审计完整性判断。由此，记账异常被如实地体现在审计结论中，而不会转化为求解路径上的中断信号。物理推进和终止判定仍由物理控制平面独立作出，进一步确认了记账异常与物理求解之间的隔离关系。

23、作为优选，退化记账平面在求解推进中仅承担计量职能；物理控制平面产生的推进结果具有最终效力；系统状态转换由物理控制平面独立决策；预筛选的判定仅依据候选自身的物理报告。

24、由此，退化记账平面在求解推进中不具备任何控制权能，物理推进结果的最终效力与系统状态转换均归属物理控制平面，记账的完整与否不改变任何发布裁决。

25、作为优选，退化记账平面承载于单一进程级实例，其状态包括运行模式镜像、候选会话开启标志、候选计数向量、总账计数向量、步账计数向量和证据损失汇总计数；各计数的加法采用饱和加运算，当超过所用整型的最大可表示值时以饱和取值记录并通过汇总计数累计证据损失。

26、单一进程级实例使一维求解、二维求解和耦合交换共享同一套计数状态，从源头上避免了多实例之间计数不一致的问题。饱和加运算使计数在累加过程中始终保持在整型可表示范围内，不会因溢出而抛出异常或产生未定义行为，溢出部分通过汇总计数累计证据损失的方式保留审计痕迹。由此，退化记账平面在实现层面的稳定性得到保证，且该保证不以中断物理推进为代价。

27、本发明所述的面向智慧水利的一二维耦合水动力模型求解控制系统，用于在图形处理器并行环境下，控制一维河网求解器、二维洪泛求解器及其耦合交换对正式状态数组的候选发布，包括：

28、物理控制平面模块，用于在当前时间步内执行候选试算；在候选试算完成后依据本次试算的物理报告中是否含降精度修正对候选进行预筛选；在候选含降精度修正时将该候选由物理控制平面模块按该候选未通过预筛选的情形进行如下处理：缩小时间步长并在当前时间步内重新进行候选试算，或者转为保持并以可表示的严格增量推进时间使浮点时间严格单调增大，或者终止运行；仅在候选不含降精度修正时将候选写入正式状态数组，并在写入完成后将候选计数并入总账和步账并将候选计数清零；以及判定是否达到求解终止条件，在未达到时进入下一时间步并重复上述过程；

29、退化记账平面模块，通过一条自物理控制平面模块指向退化记账平面模块的单向通路接收来自物理控制平面模块的单向信息，并在候选试算过程中物理求解每触发一次降精度修正时，通过该单向通路向退化记账平面模块内的候选计数写入一笔计量；

30、其中，物理控制平面模块独立判定求解是否持续推进以及何时终止，退化记账平面模块仅接收来自物理控制平面模块的单向信息。

31、有益效果：通过将求解系统划分为物理控制平面与退化记账平面，并以一条单向通路连接二者，使预筛选的判定权完整保留在物理控制平面，使退化记账平面仅承担计量职能。预筛选独立于计量完整性而保障算得准，求解有限性由物理控制平面独立保障而实现算得稳，记账与预筛选不进入设备核函数而保证算得快。