面向石油勘探研究的遠(yuǎn)程三維可視化技術(shù)研究及應(yīng)用

黃華曄 于會(huì)松 傅文君 龍燕

[摘 要] 云計(jì)算技術(shù)作為新興的信息技術(shù)，非常符合石油勘探研究大協(xié)同的需求，而在面向石油勘探研究的云計(jì)算平臺(tái)建設(shè)過程中，遠(yuǎn)程三維可視化技術(shù)的應(yīng)用至關(guān)重要。根據(jù)石油勘探研究的實(shí)際技術(shù)要求，經(jīng)過長期的研究和測試，對(duì)比多款主流遠(yuǎn)程三維可視化技術(shù)，最終選擇以XenApp和DCV兩種技術(shù)為核心構(gòu)建勘探研究云計(jì)算平臺(tái)，為勘探研究提供專業(yè)軟件的遠(yuǎn)程可視化服務(wù)，建立了遠(yuǎn)程協(xié)同工作的新模式，滿足了在不同地點(diǎn)開展勘探研究的需求，提高了工作效率和成果質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞] 石油勘探；協(xié)同；云計(jì)算；平臺(tái)；遠(yuǎn)程；三維；可視化

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2014 . 17. 025

[中圖分類號(hào)] TP315 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1673 - 0194（2014）17- 0041- 03

1 前 言

新疆油田作為中國西部第一個(gè)千萬噸級(jí)大油田，經(jīng)歷了50多年的勘探開發(fā)，地表地理環(huán)境和地下地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，勘探開發(fā)的難度越來越大，因此必須大力推進(jìn)信息技術(shù)的應(yīng)用，以信息化、智能化來提升油氣勘探開發(fā)的水平和效益。

在此形勢下，新疆油田公司勘探開發(fā)研究院于2005年建成了勘探協(xié)同環(huán)境，利用“網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)+服務(wù)器+胖客戶端”的解釋軟件運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)了多學(xué)科、多專業(yè)的協(xié)同工作，極大地提高了勘探科研人員的工作效率。然而隨著技術(shù)的進(jìn)步和勘探研究大協(xié)同需求的出現(xiàn)，利用云計(jì)算技術(shù)對(duì)原有協(xié)同環(huán)境進(jìn)行升級(jí)已經(jīng)迫在眉睫。其中，石油勘探研究中所使用的主流專業(yè)軟件（如OpenWorks、Geoeast等），都在向著體解釋的方向發(fā)展，三維顯示處于越來越重要的位置，如何實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程三維可視化，將是協(xié)同環(huán)境升級(jí)為云計(jì)算平臺(tái)至關(guān)重要的一步。

2 技術(shù)要求

在云計(jì)算平臺(tái)的建設(shè)規(guī)劃中，為了滿足大協(xié)同的需求，將所有計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)資源統(tǒng)一整合到數(shù)據(jù)中心，利用數(shù)據(jù)中心的資源開展勘探研究工作，通過網(wǎng)絡(luò)把結(jié)果傳輸?shù)娇蛻舳?，科研人員直接面對(duì)的客戶端將不再承擔(dān)計(jì)算任務(wù)。而將后端的硬件資源與前端的客戶端有效連接起來的正是云計(jì)算平臺(tái)。云計(jì)算平臺(tái)在整個(gè)系統(tǒng)中所處的位置如圖1所示。

而在云計(jì)算平臺(tái)的眾多功能中，遠(yuǎn)程圖形可視化是硬件設(shè)備與用戶溝通的橋梁，是與用戶體驗(yàn)直接相關(guān)的部分，其功能的完善與否將直接影響科研人員對(duì)云計(jì)算平臺(tái)的評(píng)價(jià)，是極其重要的部分。其中二維圖形的遠(yuǎn)程可視化技術(shù)已經(jīng)非常成熟，諸如Xmanager之類的遠(yuǎn)程桌面軟件已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。而三維圖形的遠(yuǎn)程可視化技術(shù)也在近年來取得突破。遠(yuǎn)程三維可視化技術(shù)可以將應(yīng)用軟件服務(wù)器渲染好的圖像（包括二維和三維）經(jīng)過壓縮后，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給客戶端，客戶端只需將圖像解壓后顯示。但是要將遠(yuǎn)程三維可視化技術(shù)應(yīng)用到勘探云計(jì)算平臺(tái)中，就必須滿足油田勘探研究的需求：

首先，科研人員在使用油田勘探研究專業(yè)軟件時(shí)，對(duì)顯示的色彩和形狀的準(zhǔn)確度和清晰度要求非常高，這就要求遠(yuǎn)程三維可視化技術(shù)需要能夠提供無失真的高清晰度畫面。

其次，由于客戶端通常位于科研人員的辦公室，甚至有可能位于公網(wǎng)上，在圖像傳輸時(shí)不能占用太大的網(wǎng)絡(luò)帶寬，因此要求遠(yuǎn)程三維可視化技術(shù)在保證圖形不失真的前提下有優(yōu)秀的圖形壓縮率，保證科研人員在低帶寬網(wǎng)絡(luò)中也能流暢使用。

再次，由于油田勘探研究專業(yè)軟件種類較多，而且橫跨Windows平臺(tái)和Linux平臺(tái)，需要遠(yuǎn)程三維可視化技術(shù)有足夠出色的兼容性，保證勘探研究中所使用的專業(yè)軟件都能通過其發(fā)布。

最后，原有協(xié)同環(huán)境已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了科研數(shù)據(jù)的共享，在此基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步加強(qiáng)不同地區(qū)科研人員之間的交流和協(xié)作，需要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程協(xié)同工作，即多名用戶能同時(shí)登錄到同一畫面，其中任何一名用戶的操作對(duì)其他用戶均可見。

3 遠(yuǎn)程三維可視化技術(shù)在油田勘探研究中應(yīng)用的實(shí)踐

3.1 實(shí)踐準(zhǔn)備

目前主流的遠(yuǎn)程三維可視化技術(shù)有Citrix公司的XenApp，NICE公司的DCV，Halliburton公司的vSite-3D，HP公司的RGS和Schlumberger公司的LiveQuest。只有對(duì)這些技術(shù)進(jìn)行充分的研究和測試，深入了解其功能和性能，才能篩選出適合石油勘探研究的遠(yuǎn)程三維可視化技術(shù)。

經(jīng)過長時(shí)間的研究和測試，根據(jù)研究和測試的結(jié)果，經(jīng)過綜合考慮，勘探云計(jì)算平臺(tái)決定使用XenApp來承擔(dān)Windows平臺(tái)軟件的遠(yuǎn)程三維可視化工作，而由DCV來承擔(dān)Linux平臺(tái)軟件的遠(yuǎn)程三維可視化工作。兩者能夠?qū)崿F(xiàn)的功能如表1所示。

可以看到，在值得關(guān)心的技術(shù)指標(biāo)上，這兩種技術(shù)都能滿足要求：

（1）能準(zhǔn)確地顯示三維圖形的顏色和形狀。

（2）在帶寬占用方面，公司內(nèi)部的千兆網(wǎng)都能較輕松地承擔(dān)傳輸任務(wù)，而在公網(wǎng)上，可以通過調(diào)低畫面質(zhì)量來實(shí)現(xiàn)流暢運(yùn)行（兩種技術(shù)均采用差分算法，調(diào)低畫面質(zhì)量只對(duì)運(yùn)動(dòng)畫面有影響，靜止畫面質(zhì)量不變）。

（3）在兼容性方面，XenApp不支持Linux平臺(tái)軟件，DCV雖然支持兩種平臺(tái)，但Windows服務(wù)器必須架設(shè)在KVM虛擬機(jī)上，不僅性能損失較大，而且硬件資源部署的靈活度也較低。使用XenApp發(fā)布Windows平臺(tái)軟件，使用DCV發(fā)布Linux平臺(tái)軟件可以發(fā)揮它們各自的優(yōu)勢，同時(shí)互相彌補(bǔ)各自的不足。

（4）在協(xié)作模式上，XenApp只支持管理員與客戶端的協(xié)作模式，不過Windows平臺(tái)的遠(yuǎn)程協(xié)作方式很多，可以一定程度地彌補(bǔ)這一不足。而DCV支持各種協(xié)作模式。

（5）在定制研發(fā)方面，兩者都能提供定制研發(fā)服務(wù)。

（6）顯卡復(fù)用是指一塊顯卡能支持多用戶同時(shí)使用需三維渲染的軟件，這項(xiàng)功能能夠提高硬件資源的利用率和部署的靈活度。兩者都支持此項(xiàng)功能。

（7）在服務(wù)方式方面，XenApp提供的是SaaS服務(wù)，DCV提供的是PaaS服務(wù)。相比之下，SaaS服務(wù)在系統(tǒng)安全性、使用便利性和用戶接受度上較PaaS服務(wù)更有優(yōu)勢。不過值得注意的是，科研人員在使用Linux平臺(tái)的專業(yè)軟件時(shí)經(jīng)常需要打開Terminal來組織數(shù)據(jù)，此時(shí)PaaS服務(wù)反而具有一定的便利性。

3.2 實(shí)際部署

在實(shí)際部署中，由于XenApp已經(jīng)集成了一整套云計(jì)算系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)云計(jì)算系統(tǒng)所需的全部功能，而DCV則僅有遠(yuǎn)程三維可視化功能，其他功能均需要自主研發(fā)組件來實(shí)現(xiàn)，其中包括用戶管理系統(tǒng)、性能監(jiān)控系統(tǒng)、負(fù)載均衡系統(tǒng)和用戶訪問門戶。在研發(fā)這些組件時(shí)，考慮到研究人員使用的便利性，將XenApp和DCV兩者整合為一個(gè)整體，這其中涉及跨平臺(tái)的用戶管理和同步、跨平臺(tái)的軟件授權(quán)管理、負(fù)載均衡算法的設(shè)計(jì)、軟件單點(diǎn)登錄的實(shí)現(xiàn)等一系列問題。在攻克了這些問題后，勘探云平臺(tái)得以成功發(fā)布，其門戶界面如圖2所示。

可以看到Windows平臺(tái)的Discovery、GeoMap與Linux平臺(tái)的OpenWorks等軟件在統(tǒng)一的門戶向用戶發(fā)布。用戶點(diǎn)擊軟件圖標(biāo)后，會(huì)根據(jù)其所屬平臺(tái)自動(dòng)使用XenApp或DCV來向用戶提供遠(yuǎn)程可視化服務(wù)，為云計(jì)算平臺(tái)的建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。目前該平臺(tái)已經(jīng)成功上線運(yùn)行，效果良好。用戶通過遠(yuǎn)程三維可視化技術(shù)使用勘探研究專業(yè)軟件如圖3所示。

3.3 實(shí)踐中的一些問題

在現(xiàn)階段，石油勘探研究用的專業(yè)軟件并不是所有模塊都需要三維顯示，這部分工作并不需要顯卡參與。那么最經(jīng)濟(jì)的做法應(yīng)該是將軟件在無顯卡的服務(wù)器群和有顯卡的服務(wù)器群各安裝一份，并分別作為二維應(yīng)用和三維應(yīng)用發(fā)布，用戶根據(jù)自己當(dāng)前工作的需求在其中進(jìn)行選擇。但在實(shí)際測試時(shí)，用戶無論其實(shí)際需求如何，大部分情況下都傾向于選擇三維應(yīng)用，造成三維應(yīng)用服務(wù)器繁忙而二維應(yīng)用服務(wù)器空閑的現(xiàn)象，并不符合提高硬件資源利用率的初衷。另外給用戶額外的選項(xiàng)也會(huì)增加用戶的困擾，使整個(gè)云計(jì)算平臺(tái)的接受度降低。新疆油田勘探公司云計(jì)算平臺(tái)為了提供更好的用戶體驗(yàn)，將應(yīng)用全部部署于有顯卡的服務(wù)器群，但這就對(duì)負(fù)載均衡提出了更高的要求。

理想狀況是，能將CPU計(jì)算資源與顯卡計(jì)算資源隔離開，形成各自的資源池，當(dāng)軟件僅使用二維顯示時(shí)，由CPU資源池獨(dú)立完成用戶請(qǐng)求；而當(dāng)軟件需要三維顯示時(shí)，會(huì)調(diào)用OpenGL庫，此時(shí)將這部分請(qǐng)求轉(zhuǎn)移到顯卡資源池，兩個(gè)資源池合作為用戶提供完整的圖像。這與DCV的工作原理是相似的，其工作原理如圖4所示。

DCV就是將圖形中的二維和三維部分分離，分別交給CPU和顯卡處理，然后在客戶端將兩者融合顯示，而且DCV也提出了遠(yuǎn)程渲染服務(wù)器的概念，圖形中的三維部分將通過“網(wǎng)絡(luò)”傳輸給遠(yuǎn)程渲染服務(wù)器處理，可以說是云計(jì)算的理想架構(gòu)。但是在實(shí)際的DCV產(chǎn)品中，這里的“網(wǎng)絡(luò)”只能是KVM虛擬機(jī)及其宿主機(jī)之間的虛擬網(wǎng)絡(luò)，不同的物理服務(wù)器之間是無法進(jìn)行這樣的協(xié)作的。而且目前顯卡普遍使用的PCI-e 3.0接口的雙向帶寬高達(dá)32GB/s，現(xiàn)有服務(wù)器支持的網(wǎng)絡(luò)無法承載如此高速的數(shù)據(jù)傳輸，這種架構(gòu)必然將造成性能下降。

3.4 展望

隨著技術(shù)的進(jìn)步，特別是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，400G以太網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)將使CPU資源池和顯卡資源池的分離成為可能。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和遠(yuǎn)程三維可視化技術(shù)都支持這樣的分離時(shí)，勘探云計(jì)算平臺(tái)的架構(gòu)應(yīng)盡可能地向這一方向轉(zhuǎn)變。

同時(shí)服務(wù)器虛擬化技術(shù)也在不斷發(fā)展，逐漸有虛擬機(jī)軟件支持顯卡，而底層硬件虛擬化的好處是顯而易見的，雖然現(xiàn)在勘探云計(jì)算平臺(tái)底層硬件均未使用虛擬機(jī)，但從維護(hù)工作量和故障轉(zhuǎn)移等方面考慮，當(dāng)支持顯卡的服務(wù)器虛擬化技術(shù)[1]成熟后，應(yīng)將其與遠(yuǎn)程三維可視化技術(shù)結(jié)合，更好地為研究人員提供服務(wù)。而且Nvidia的VGX顯卡虛擬化技術(shù)的出現(xiàn)也預(yù)示著顯卡虛擬化時(shí)代的到來，雖然石油勘探專業(yè)軟件更期望多塊顯卡的整合而非目前的將一塊顯卡拆分，但是顯卡虛擬化技術(shù)也為遠(yuǎn)程三維可視化技術(shù)提供了新的可能。

4 結(jié)束語

隨著信息技術(shù)的進(jìn)步和勘探研究大協(xié)同需求的出現(xiàn)，云計(jì)算技術(shù)已經(jīng)成為油田信息化智能化進(jìn)一步發(fā)展的不二之選，而遠(yuǎn)程三維可視化技術(shù)在其中扮演著至關(guān)重要的角色。在建設(shè)勘探云計(jì)算平臺(tái)的過程中，以大量的研究和測試工作為基礎(chǔ)，在現(xiàn)有的主流遠(yuǎn)程三維可視化技術(shù)中選擇了XenApp技術(shù)和DCV技術(shù)作為云計(jì)算平臺(tái)的核心，收到了良好的效果。但技術(shù)進(jìn)步的腳步不會(huì)停歇，遠(yuǎn)程三維可視化技術(shù)將與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬化技術(shù)進(jìn)一步結(jié)合[2]，使勘探云計(jì)算平臺(tái)不斷完善和發(fā)展。

主要參考文獻(xiàn)

[1][美]Nelson Ruest，Danielle Ruest.虛擬化技術(shù)指南[M].陳奮，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011：110.

[2] 張為民.云計(jì)算深刻改變未來[M].北京：科學(xué)出版社，2009：73.