超級計算機(jī)在城市規(guī)劃管理中的應(yīng)用

邢漢發(fā)，李長輝，林 鴻，譚喜成，宋 楊

（1.廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，廣東 廣州510060；2.武漢大學(xué) 國際軟件學(xué)院，湖北 武漢430079）

城市規(guī)劃管理中的地理空間數(shù)據(jù)分析與處理面臨著數(shù)據(jù)量高速膨脹、應(yīng)用模型復(fù)雜化的雙重挑戰(zhàn)［1-2］。而超級計算是解決國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會發(fā)展、科學(xué)進(jìn)步、國家安全和國防建設(shè)等領(lǐng)域一系列重大挑戰(zhàn)性問題的重要手段，已經(jīng)成為世界各國特別是大國爭奪的戰(zhàn)略制高點［3-4］。然而當(dāng)前其巨大的存儲和計算潛力始終未被充分利用，如何應(yīng)用超級計算機(jī)來為工業(yè)和科研等領(lǐng)域服務(wù)已經(jīng)成為當(dāng)前研究的重要課題［5］。為滿足城市規(guī)劃和地理信息應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ａ康乩砜臻g數(shù)據(jù)存儲、高性能計算和高效可視化的需求，有必要對超級計算機(jī)在規(guī)劃管理中的應(yīng)用做系統(tǒng)研究，并提出解決方案。

1 超級計算機(jī)簡介

超級計算機(jī)是指“當(dāng)前時代運算速度最快的大容量大型計算機(jī)，是計算機(jī)領(lǐng)域的珠穆朗瑪峰”［5］。類似稱謂還有高性能計算機(jī)、高效能計算機(jī)等，是指由成百上千的處理器組成的、能計算普通PC機(jī)和服務(wù)器不能完成的大型復(fù)雜課題的計算機(jī)，是運算速度最快、存儲容量最大的計算機(jī)，可以廣泛應(yīng)用于國家高科技領(lǐng)域和尖端技術(shù)研究，是國家科技發(fā)展水平和綜合國力的重要標(biāo)志。超級計算機(jī)首先是由希穆爾·克雷于20世紀(jì)60年代設(shè)計并制造，之后超級計算機(jī)飛速發(fā)展，到今天世界上運行最快的我國自制研發(fā)的天河二號，峰值運算達(dá)33千萬億次／s，相當(dāng)于800萬臺普通筆記本電腦同時運算的能力。

目前超級計算機(jī)在軍事、高科技領(lǐng)域以及國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著愈來愈大的作用，已廣泛地應(yīng)用于核武器研究和核材料儲存仿真，應(yīng)用于如氣象氣候、地球物理、空間物理、天文物理、高能物理、加速器物理、生命科學(xué)、材料設(shè)計和模擬、系統(tǒng)科學(xué)、人工智能、醫(yī)學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)研究領(lǐng)域，這些領(lǐng)域的研究成果許多將為工業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化提供直接的科技支撐［6-7］。將來隨著超級計算機(jī)的發(fā)展，其應(yīng)用會不斷拓展到商業(yè)、服務(wù)業(yè)、政府決策等領(lǐng)域。超級計算機(jī)還是云計算主要的支撐平臺之一，伴隨云計算服務(wù)的進(jìn)一步普及，超級計算機(jī)將有著更為廣泛的應(yīng)用。

2 城市規(guī)劃管理面臨的新挑戰(zhàn)

經(jīng)過多年的建設(shè)與積累，城市規(guī)劃系統(tǒng)所處理的測繪地理信息數(shù)據(jù)量呈一種加速增長的趨勢，TB乃至PB的數(shù)據(jù)作為重要的資源已經(jīng)出現(xiàn)。但由于當(dāng)前數(shù)據(jù)高效存儲、查找、共享能力有限，缺乏高效計算模型，難以滿足規(guī)劃計算中數(shù)據(jù)量膨脹、模型復(fù)雜化、實時計算需求，導(dǎo)致這些數(shù)據(jù)基本上都閑置在磁盤等存儲設(shè)備中，無法體現(xiàn)它們的價值，使城市規(guī)劃系統(tǒng)面臨著挑戰(zhàn)。

2.1 地理信息數(shù)據(jù)量膨脹

隨著對地觀測技術(shù)的發(fā)展，人們獲得測繪地理信息的能力大大增強(qiáng)。如圖1所示，城市規(guī)劃中的地理信息數(shù)據(jù)種類和數(shù)量急劇增長，這給計算機(jī)的存儲和計算都帶來了很大的壓力，當(dāng)數(shù)據(jù)超過一定的限制時，普通計算機(jī)是無法處理的，這主要是由于單處理器運行時對大數(shù)據(jù)進(jìn)行磁盤分頁和內(nèi)存映射的額外耗費造成的。單機(jī)處理是有數(shù)據(jù)量限制的，對于更大規(guī)模的數(shù)據(jù)，單機(jī)無法處理。

圖1 城市規(guī)劃中的多尺度數(shù)據(jù)資源

2.2 應(yīng)用模型復(fù)雜化

大部分的GIS模型都具有內(nèi)在復(fù)雜性，大多空間優(yōu)化問題都是具有NP復(fù)雜度的問題，同時，模型和算法都是高計算復(fù)雜度和海量數(shù)據(jù)計算兼?zhèn)涞膯栴}［8］。而對某些復(fù)雜問題的求解，即使是精妙地改進(jìn)算法仍然是無能為力的。因此，在GIS模型分析計算領(lǐng)域?qū)τ嬎隳芰μ岢隽似惹械男枨螅?］。

2.3 實時計算的需求

由于實際應(yīng)用的需要，如天氣預(yù)報、突發(fā)事件（火災(zāi)、地震）的快速反應(yīng)等，要求GIS系統(tǒng)具備在指定的時間內(nèi)能夠完成定量數(shù)據(jù)的處理，達(dá)到實時或近實時的處理能力，這對于實際應(yīng)用有重大的意義。這方面比較典型的例子是城市應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)、災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)、軍隊指揮控制系統(tǒng)及公眾地圖服務(wù)中對出圖效率和響應(yīng)時間的要求。對GIS實時計算能力要求是在考慮了數(shù)據(jù)的增長和模型復(fù)雜化的前提下的不斷提高，因此是一個很有挑戰(zhàn)性的問題。

3 智能城市規(guī)劃管理平臺設(shè)計

3.1 平臺方案設(shè)計

本文充分發(fā)揮超級計算機(jī)海量數(shù)據(jù)管理和高性能計算的能力，以滿足規(guī)劃管理應(yīng)用中的GIS數(shù)據(jù)量膨脹、應(yīng)用模型復(fù)雜化、實時計算等需求。信息處理流程見圖2，平臺設(shè)計思路見圖3。針對當(dāng)前規(guī)劃數(shù)據(jù)海量增長、復(fù)雜模型計算效率低下的問題，將集群中的文件切分成塊，并創(chuàng)建多份數(shù)據(jù)塊的復(fù)制，利用多節(jié)點文件索引系統(tǒng)進(jìn)行管理；針對復(fù)雜模型計算效率低下的問題，應(yīng)用MPI并行計算技術(shù)，在計算機(jī)集群上面根據(jù)需求運行多個程序?qū)嵗齺硖幚砀鱾€子任務(wù)，然后再對結(jié)果進(jìn)行歸并，實現(xiàn)了海量空間數(shù)據(jù)的并行地理分析。對城市規(guī)劃中涉及到的地形地貌、淹沒、日照、視場分析等數(shù)據(jù)運算密集型應(yīng)用進(jìn)行并行化處理。

圖2 城市規(guī)劃中的GIS信息處理流程

圖3 規(guī)劃管理應(yīng)用平臺設(shè)計思路

3.2 平臺功能和技術(shù)指標(biāo)

規(guī)劃管理應(yīng)用平臺能夠?qū)崿F(xiàn)基于語義的高效檢索和基于MPI的高性能計算方法，提高基于多源遙感、三維GIS等空間數(shù)據(jù)資源的利用效率，從而實現(xiàn)高效、合理、智能的城市規(guī)劃管理和分析功能。

平臺實現(xiàn)的主要技術(shù)指標(biāo)包括：①該平臺能夠?qū)?0種以上的城市多源異構(gòu)遙感、GIS數(shù)據(jù)進(jìn)行一體化描述和語義標(biāo)注；②提供海量多源異構(gòu)城市規(guī)劃遙感、GIS數(shù)據(jù)的描述、檢索、空間分析、規(guī)劃分析等5種以上服務(wù)；③城市規(guī)劃海量空間數(shù)據(jù)的檢索的查全率達(dá)到98%以上，查準(zhǔn)率達(dá)到99%；④實現(xiàn)基于MPI的大規(guī)模城市規(guī)劃分析功能，如坡度分析、通視分析、日照分析等功能，對整個城市范圍的大比例尺數(shù)據(jù)的規(guī)劃分析性能提高5倍以上。

4 規(guī)劃管理平臺在廣州超級計算中心的實現(xiàn)

廣州超級計算中心是廣州市的科技一號工程，是助推戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展、支撐國家創(chuàng)新型城市和智慧廣州建設(shè)的重大戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施，為廣州、廣東乃至華南地區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展提供強(qiáng)大引擎，為物聯(lián)網(wǎng)、動漫渲染、工業(yè)設(shè)計、城市規(guī)劃、電子商務(wù)、電子政務(wù)等眾多領(lǐng)域的個人、研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)和政府提供優(yōu)質(zhì)的高性能計算服務(wù)。有利于提升廣東、廣州的科技教育實力、產(chǎn)業(yè)競爭力、文化創(chuàng)新力和國際影響力，推動戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展，提升社會服務(wù)管理水平。同時，也為規(guī)劃系統(tǒng)海量數(shù)據(jù)的共享和計算提供了一條可行途徑［5］。

廣州超算中心超級計算機(jī)系統(tǒng)從組成結(jié)構(gòu)上看，包括計算處理分系統(tǒng)、服務(wù)處理分系統(tǒng)、互連通信分系統(tǒng)、全局存儲分系統(tǒng)、監(jiān)控診斷分系統(tǒng)和基礎(chǔ)架構(gòu)分系統(tǒng)（見圖4）。

圖4 超級計算中心系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

為了驗證規(guī)劃管理平臺設(shè)計的可行性，本項目組依據(jù)平臺的性能需求，在廣州超算中心申請了9個計算節(jié)點（見圖5）。其中，1個主節(jié)點部署系統(tǒng)的應(yīng)用層，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的用戶界面顯示和規(guī)劃應(yīng)用功能展示；1個子節(jié)點部署任務(wù)調(diào)度層，負(fù)責(zé)并行處理的作業(yè)調(diào)度，調(diào)用并行運算功能；并行處理層運行在7個子節(jié)點上，將計算完成的結(jié)果返回給主節(jié)點歸并。圖5是“廣州市三維規(guī)劃管理系統(tǒng)”在廣州超算中心先導(dǎo)系統(tǒng)上的系統(tǒng)實現(xiàn)界面，其是對廣州全市DEM數(shù)據(jù)的并行坡度分析結(jié)果圖，總共運行時間約7s，比串行坡度分析效率提高近5倍。

圖5 平臺在廣州超級計算中心實現(xiàn)效果圖

5 結(jié)束語

本文針對城市規(guī)劃中地理信息數(shù)據(jù)量膨脹、模型復(fù)雜化、實時計算的迫切需求，依托超級計算機(jī)海量數(shù)據(jù)管理和處理能力，突破海量GIS數(shù)據(jù)高效存儲、復(fù)雜三維空間數(shù)據(jù)并行計算等技術(shù)難題，構(gòu)建城市規(guī)劃管理與應(yīng)用智能平臺，為建設(shè)“智慧城市”、實現(xiàn)“三規(guī)合一”統(tǒng)一提供信息技術(shù)支撐，以提高測繪地理信息服務(wù)政府、服務(wù)社會的保障能力，最終推動地理信息戰(zhàn)略型新興產(chǎn)業(yè)持續(xù)、健康、快速發(fā)展。

隨著大規(guī)?？茖W(xué)計算成為繼實驗和理論分析之后第三種科學(xué)研究手段后，高性能計算技術(shù)已經(jīng)成為國內(nèi)各個地區(qū)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型期新的經(jīng)濟(jì)增長點和技術(shù)服務(wù)支撐，國家級和省級的超算中心雨后春筍般競相成立。廣州市正處于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的轉(zhuǎn)型期，要充分利用廣州超算中心在高性能計算方面獨特的優(yōu)勢，為以生物、地球科學(xué)、物聯(lián)網(wǎng)等為代表的各類新興產(chǎn)業(yè)提供優(yōu)質(zhì)的高性能計算技術(shù)服務(wù)。

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