高性能計算在石油工程領域的應用

吉小霞

[摘 要]石油行業(yè)的發(fā)展使得石油勘探開發(fā)的數(shù)據(jù)處理越來越復雜，對高性能計算機的依賴程度越來越深、應用范圍越來越廣。本文首先分析了高性能計算的發(fā)展趨勢，然后討論了其在石油勘探領域的應用，然后提出了目前高性能計算所面臨的問題，最后得出把云計算運用在高性能計算中來解決目前所面臨的問題的前景。

[關鍵詞]高性能計算；數(shù)據(jù)處理能力；石油勘探；云計算技術

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1 高性能計算在石油勘探開發(fā)方面的發(fā)展趨勢

11 國外的發(fā)展趨勢

目前，高性能計算機的性能的速度每年都在快速增長，使其不斷向前發(fā)展，其應用由主攻科學計算和工程計算領域，延伸到網(wǎng)絡信息服務和商業(yè)自動化領域。

為了提高性能，降低系統(tǒng)功耗，減少占地空間和解決編程和管理較麻煩等問題，高性能計算機技術在發(fā)展的同時不斷融入許多新的內(nèi)容。例如，美國，日本和其他國家試圖運用科學和計算機體系結構的發(fā)展結合在一起提供一種新的方法，以此開出一條高性能計算機發(fā)展的可持續(xù)發(fā)展道路。同時，基于網(wǎng)格技術和以商業(yè)節(jié)點為基礎的高性能計算系統(tǒng)發(fā)展非常迅速，其系統(tǒng)的性價比高，研制速度快，美國和歐洲的許多國家紛紛在這類高性能計算機系統(tǒng)研發(fā)上投巨資。為了進一步提高高性能計算機的綜合能力，美國正在研究采用包括超導、光互聯(lián)和超大規(guī)模集成電路等多項先進的技術和工藝。此外，基于量子運算的超高性能計算機的研究，目前正處于理論階段。

12 國內(nèi)的發(fā)展趨勢

（1）標準化和集成化的需求：將集群技術標準化，促進了高性能計算機生產(chǎn)的快速發(fā)展，同時集成化的集群技術，又拓寬了高性能計算機的應用范圍。堅持標準化與集成化特性和不斷創(chuàng)新技術，高性能計算機的應用前景會越來越繁榮。

（2）集群式高性能計算機的發(fā)展：集群體系結構的高性能計算機，指用標準化的互聯(lián)網(wǎng)絡將高性能部件連接起來而形成的?？茖W計算、事務處理和信息服務應用等工作都可以在這個系統(tǒng)平臺上進行。其優(yōu)勢在于它性價比很高并且具有較高的可靠性和可擴展性，低成本和易維護等。隨著計算機性能的迅速提升和價格的進一步下降，集群式高性能計算機的應用呈現(xiàn)出了蓬勃景象。

（3）網(wǎng)格計算技術的應用：伴隨著高性能計算機和互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，網(wǎng)格計算技術應運而生，是針對復雜的科學計算的一種全新的計算模式。它主要是通過互聯(lián)網(wǎng)把許多分散在不同地理位置的計算機連接起來，形成巨大的高性能計算機。該技術，在石油勘探開發(fā)領域發(fā)揮了很大作用，成效令人矚目。網(wǎng)格計算技術的推廣和應用，定會使石油工業(yè)的未來更加繁榮。

2 高性能計算在石油勘探開發(fā)領域中的應用

在石油工程中，數(shù)據(jù)的處理不容忽視，一點誤差就會帶來很大的損失，這就要求計算機系統(tǒng)有非常高的計算能力，尤其在石油勘探中。石油勘探開發(fā)是石油工程的重要組成部分，將在石油的勘探開發(fā)中采收集的大量數(shù)據(jù)進行分析，從而判斷油儲的分布情況。一般是先根據(jù)這些數(shù)據(jù)畫出數(shù)據(jù)場的等值線，再交由專業(yè)人員分析油的分布，有多少油，可想而知這樣的處理方式必會受到限制。另外等值線是二維的，不能形成三維立體的畫面，結果浪費大量的信息的同時又沒有得到我們所期望的結果。如果利用計算機技術和可視化技術，就可以從這些龐大的地震勘探數(shù)據(jù)中構造出三維實體，顯示參數(shù)，直觀地再現(xiàn)油藏的地質(zhì)構造以及油藏參數(shù)在石油開發(fā)過程中的變化，給專業(yè)人員準確分析和解釋原始數(shù)據(jù)提供了巨大幫助。這樣的分析將更加準確，定位更加科學，降低石油勘探開發(fā)的成本。因此，為了取得勘探的最佳效益，使用高性能計算處理這些海量數(shù)據(jù)成為必然，這也成為高性能計算在石油勘探領域高需求的主因。

目前，在石油勘探中從采集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、油氣藏描述到開發(fā)、鉆井乃至管理整個油田生命周期和對生命周期的經(jīng)濟評價，全都靠計算機完成。高性能計算機技術的應用非常廣泛，隨著科技的發(fā)展，不僅應用在石油化工領域，在氣象預報、核能模擬和生物工程等領域都得到應用，取得了顯著的成績。尤其在石油勘探開發(fā)領域，高性能計算機的應用占據(jù)了不可或缺的地位，在許多方面象征著高性能計算機技術的發(fā)展水平。

3 高性能計算面臨的問題

面對石油勘探行業(yè)的特殊性和復雜性，高性能計算如何滿足越來越高要求的數(shù)據(jù)處理能力成為首要任務。但是目前在計算性能、系統(tǒng)建設與運行成本等方面使得高性能HPC集群計算機系統(tǒng)已經(jīng)面臨著許多問題，主要表現(xiàn)在三大方面：

一是CPU處理器性能無法滿足對計算能力的需求；

二是石油勘探高速增長的數(shù)據(jù)和存儲擴容越來越不匹配；

三是能耗制約越來越嚴重，高性能計算機體積大、耗電多以及對計算機房空間、空調(diào)、電量需求大。

總的說來，就是傳統(tǒng)的高性能計算方法已無法滿足目前石油勘探行業(yè)對計算能力越來越高的要求和對數(shù)據(jù)處理的大需求，更無法滿足石油勘探發(fā)展與應用的需要，這必然導致其會成為制約石油勘探發(fā)展的因素。面對這些嚴峻迫切的問題，如何盡快找到滿足高性能計算需求的方法成為石油勘探行業(yè)關注的熱點。

4 云計算破局石油勘探高性能計算需求

從目前的形式來看，實現(xiàn)靈活的可伸縮性成為解決石油勘探行業(yè)面臨的三大困境的唯一解決之道。也就是要構建滿足石油勘探高性能需求系統(tǒng)的幾大重要點：一是使高性能計算機具有可拓展可伸縮性的計算能力；二是能夠?qū)崿F(xiàn)對相當大的存儲容量的負載和存儲容量的可伸縮性；三是能夠?qū)τ嬎隳芰唾Y源進行更好的管理。因此，許多業(yè)內(nèi)人士將打破石油勘探高性能計算需求局面的希望投向了云計算。

其實，對高性能計算而言，云計算這個概念并不陌生。例如存在一種早期的云計算模式，它把昂貴的計算資源集中部署和集群應用，這就是已經(jīng)發(fā)展近30年的超級計算中心。但這種高計算服務不同于當前所談論的云計算。目前的云計算是傳統(tǒng)計算機技術和網(wǎng)絡技術發(fā)展融合的產(chǎn)物，這些技術包括分布式計算、并行計算、網(wǎng)格計算、效用計算、網(wǎng)絡存儲、虛擬化、負載均衡等。其目的是運用網(wǎng)絡把一些較低成本的計算實體整合起來，打造一個具有強大計算能力的系統(tǒng)。如果有效的管理和調(diào)度這些用網(wǎng)絡連接的計算資源，建立一個計算資源池以服務用戶，成為云計算的核心思想。

因此，云計算對于高性能計算不僅意味著一次模式轉(zhuǎn)變，而且作為解決目前困境的方法會使其具有革命性意義。

總的來說，從目前的石油行業(yè)現(xiàn)狀來看，要解決現(xiàn)在行業(yè)所面臨的問題，還需要我們不斷的努力。近幾年來，云計算技術發(fā)展越來越快，技術愈加成熟。石油行業(yè)的前景廣闊，將云計算運用到石油領域，解決石油行業(yè)對高性能計算能力需求的問題，成為未來石油行業(yè)的必然選擇。（上接P52）相關過程，初期充分考慮機械生命周期全過程的各項因素（如用戶需求、質(zhì)量、成本、進度、拆卸與回收的設計體系等），使食品機械實施最優(yōu)化設計。

43 并行式綠色設計理念下設計的一般過程

綠色設計是一種基于生態(tài)學的設計，為設計人員的素質(zhì)和設計方法、設計手段提出了更高要求。食品機械數(shù)據(jù)管理技術是并行式綠色設計技術的關鍵技術之一，是對食品機械生命周期全過程個各環(huán)節(jié)中所需要的、或生成的大量數(shù)據(jù)和信息的管理技術，可按照要求將數(shù)據(jù)或信息及時傳遞到制定的位置或相應的人員。

機械設計的過程不再是一種串行設計模式，而是一種在設計過程中逐級反饋的設計模式。將概念設計做大最全面、最優(yōu)化。從概念上影響整個設計過程和設計環(huán)節(jié)。

44 新設計理念下食品機械設計的實施要點

設計理念的更新：可持續(xù)發(fā)展理念、食品安全理念、并行式綠色設計理念。

食品機械設備的材料設計：直接接觸食品加工過程的設備材料要求（如抗菌、容易清洗），非直接接觸食品的設備材料要求（如節(jié)能、環(huán)保、對操作人員無害等），直接接觸食品成品或半成品的包裝設備的材料要求（無害、抗菌、不能對食品造成附著添加等）。

食品機械產(chǎn)品結構的設計：產(chǎn)品整體結構要易于制造和裝配，具有良好的可拆卸性，動力和液壓系統(tǒng)要考慮到綠色設計。對于目前發(fā)展勢頭迅猛的中小型家用食品機械要在使用中易于或加入清洗系統(tǒng)的設計，能夠一機多用，環(huán)保節(jié)水等。

食品機械生產(chǎn)線設備的設計：對于目前的大型標準化生產(chǎn)設備，要采用GMP（Good Manufacturing Practice，良好生產(chǎn)規(guī)范）的標準化生產(chǎn)為指導，同時還要用先進的科學預防性食品安全保證體系HACCP（Hazard Analysis Critical Point，危害分析與關鍵控制點）來規(guī)范生產(chǎn)線設備的設計研發(fā)。

在食品機械概念設計階段，全盤考慮?；谑称钒踩途G色生產(chǎn)，對食品機械設備進行全程的監(jiān)控。如設置設備的使用監(jiān)控和警報系統(tǒng)等。

參考文獻：

[1]付國壯，食品機械技術發(fā)展研究[J].科技論壇，2013（8）.

[2]馬海樂食品機械與設備[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2004