一個(gè)共享的軟件服務(wù)系統(tǒng)
——水利云計(jì)算平臺(tái)

徐文杰，王忠靜

(清華大學(xué) 水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

1 研究背景

水利、巖土及工程地質(zhì)等行業(yè)中面臨著大量的計(jì)算分析與評(píng)價(jià)工作，需要眾多的軟件,如:在工程地質(zhì)野外工作中需要進(jìn)行大量的巖體結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)分析[1]；在巖土工程中大量試驗(yàn)以及現(xiàn)場勘測(cè)數(shù)據(jù)，需要對(duì)其進(jìn)行處理，根據(jù)規(guī)范中算法進(jìn)行計(jì)算分析[2]；在水利工程中，通常要進(jìn)行洪水演進(jìn)計(jì)算分析[3]等。不同的工程設(shè)計(jì)、科研人員及單位，通常根據(jù)需求開發(fā)相關(guān)軟件或購置商業(yè)軟件平臺(tái)，使得行業(yè)內(nèi)各種計(jì)算分析平臺(tái)千差萬別，并造成大量的資源浪費(fèi)，也難以實(shí)現(xiàn)行業(yè)內(nèi)的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化管理。有些單位仍然使用一些早期開發(fā)的Dos程序、Excel表格計(jì)算，甚至還有依然停留在用計(jì)算器處理…此外，現(xiàn)有商用軟件大都基于桌面系統(tǒng)開發(fā)、采用獨(dú)立部署的模式，計(jì)算成果分散、共享性差，難以實(shí)現(xiàn)協(xié)同分析(圖1)；而且多以國外商用軟件為主，嚴(yán)重制約我國自主軟件的發(fā)展。

圖1 水利、土木行業(yè)現(xiàn)有計(jì)算平臺(tái)的不足Fig.1 Deficiencies of current software in hydraulic and civil engineering

隨著互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)的飛速發(fā)展，移動(dòng)辦公、團(tuán)隊(duì)協(xié)作及行業(yè)協(xié)同分析等成為現(xiàn)代行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，平臺(tái)化服務(wù)越來越多地出現(xiàn)在各個(gè)領(lǐng)域，尤其是基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的云計(jì)算技術(shù)自2006年Google首次提出以來給各行各業(yè)帶來了巨大的變革[4-5]。云計(jì)算技術(shù)充分利用互聯(lián)網(wǎng)以服務(wù)形式，提供動(dòng)態(tài)、虛擬化、可擴(kuò)展、按需部署的高靈活性和高性價(jià)比的計(jì)算服務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)了資源分享、整合及高效利用目的，提高了軟件開發(fā)和計(jì)算效率。

在水利、巖土、工程地質(zhì)等土木行業(yè)領(lǐng)域中，云技術(shù)在水利領(lǐng)域應(yīng)用相對(duì)較早。尹煒靖等[6]針對(duì)水利云數(shù)據(jù)語意集與虛擬化技術(shù)、彈性負(fù)載均衡技術(shù)、基于蟻群優(yōu)化的任務(wù)調(diào)度、流媒體傳輸與會(huì)商技術(shù)等，研發(fā)了水利云平臺(tái)；Arango等[7]通過云平臺(tái)提高搜索效率，來實(shí)現(xiàn)水資源分配體系的分析和決策；Wan等[8]構(gòu)建了一個(gè)全球洪澇災(zāi)害基礎(chǔ)信息云平臺(tái)；周力峰等[9]基于云計(jì)平臺(tái)開展的管理信息化、科研信息化和智慧流域前期研究的技術(shù)路線、方法與手段。在地質(zhì)領(lǐng)域，中國地質(zhì)調(diào)查局開發(fā)的“地質(zhì)云”將覆蓋了全國所屬單位的基礎(chǔ)地質(zhì)、區(qū)域地質(zhì)等地質(zhì)信息產(chǎn)品，形成云上數(shù)據(jù)資源的共享。云計(jì)算作為一種新型的計(jì)算服務(wù)方式，為了基于云計(jì)算平臺(tái)為用戶提供高效的數(shù)值計(jì)算服務(wù)與計(jì)算軟件平臺(tái)的共享，許多研究者及團(tuán)隊(duì)逐漸開始相關(guān)研究與開發(fā)。Ari等[10]設(shè)計(jì)了有限元模擬計(jì)算的云服務(wù)框架并實(shí)現(xiàn)其中的部分模塊；劉榮華等[11]構(gòu)建了基于云計(jì)算的水動(dòng)力學(xué)模擬服務(wù)平臺(tái)HydroMP, 實(shí)現(xiàn)了云計(jì)算模式下水動(dòng)力模型在廣域互聯(lián)網(wǎng)上的多客戶端、多用戶、多方案的并發(fā)計(jì)算；朱勇等[12]分析了云計(jì)算在水利數(shù)值模擬領(lǐng)域的實(shí)用性；華北油田開發(fā)了虛擬地質(zhì)云桌面系統(tǒng)GeoEast, 實(shí)現(xiàn)勘探開發(fā)專業(yè)應(yīng)用軟件共享、數(shù)據(jù)共享的計(jì)算平臺(tái)[13]；中國水科院主導(dǎo)的“水利水電工程設(shè)計(jì)云計(jì)算軟件服務(wù)平臺(tái)”，利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)Excel計(jì)算表和VBA程序的上傳和下載，為用戶提供統(tǒng)一的計(jì)算工具?？v觀類似的相關(guān)平臺(tái)，仍然主要集中在利用云計(jì)算提高行業(yè)信息數(shù)據(jù)共享性，在基于云計(jì)算的軟件分析平臺(tái)方面雖然有一定的發(fā)展，但是目前在基于Web的前端可視化、用戶交互、跨平臺(tái)等功能方面有明顯的不足，難以充分發(fā)揮云計(jì)算的優(yōu)勢(shì)。

本文基于先進(jìn)的互聯(lián)網(wǎng)+可視化技術(shù)，以工程地質(zhì)、巖土工程、水利工程等常用的軟件需求為背景，研發(fā)面向Web應(yīng)用為基本形式、跨平臺(tái)(跨操作系統(tǒng)、跨移動(dòng)終端)的計(jì)算云平臺(tái)——水利云計(jì)算平臺(tái)(Tsinghua Hydraulic Cloud,THC)，形成行業(yè)內(nèi)首個(gè)交互良好的云計(jì)算平臺(tái)。THC為廣大的水利、土木及地質(zhì)行業(yè)從業(yè)者和科研人員提供便捷的計(jì)算分析平臺(tái)，同時(shí)也希望推動(dòng)行業(yè)計(jì)算資料的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化及信息化管理。

2 THC基本構(gòu)架與主要功能

2.1 基本框架

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的革新，網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)在線、跨平臺(tái)運(yùn)行和遠(yuǎn)程操作的優(yōu)勢(shì)越來越明顯。服務(wù)器處理能力的飛速提升為平臺(tái)化服務(wù)在各個(gè)領(lǐng)域中提供了支撐，Web應(yīng)用也隨著網(wǎng)絡(luò)速度和前端處理能力的不斷增強(qiáng)而蓬勃發(fā)展起來。THC將基于新一代Web技術(shù)開發(fā)形成具有強(qiáng)大的可視化和交互性能的云端服務(wù)平臺(tái)(圖2)。用戶通過瀏覽器登錄THC前端平臺(tái)，并通過云計(jì)算平臺(tái)的資源池提交計(jì)算需求，資源池將計(jì)算結(jié)果發(fā)送給瀏覽器前端，從而形成完整的“云端應(yīng)用”。 平臺(tái)以瀏覽器作為依托，實(shí)現(xiàn)輸入輸出接口與計(jì)算存儲(chǔ)過程的分離，從而實(shí)現(xiàn)云計(jì)算、云存儲(chǔ)、跨平臺(tái)、移動(dòng)辦公、規(guī)范報(bào)表、大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、不依賴本地計(jì)算能力的等特性。同時(shí)，采用多線程處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)多用戶的并發(fā)提交與計(jì)算。

圖2 THC構(gòu)架Fig.2 Platform structure of THC

良好的用戶交互與可視化功能是云計(jì)算平臺(tái)更好為用戶提供服務(wù)的重要保障。而且工程地質(zhì)、巖土工程、水利工程等行業(yè)計(jì)算分析中，將涉及大量的二維、三維可視化交互與分析功能。鑒于HTML5更加強(qiáng)大的JavaScript引擎使得前端操作變得更加多樣化，同時(shí)，對(duì)于畫布(canvas)的支持以及對(duì)SVG性能的增強(qiáng)對(duì)網(wǎng)頁前端可視化是本質(zhì)性的變革，SVG的二維渲染和canvas的三維渲染都能夠接近PC端的本地渲染性能；同時(shí)，利用Cache的本地緩存機(jī)制也讓網(wǎng)頁端的運(yùn)行更加流暢；此外，對(duì)于移動(dòng)端的性能優(yōu)化促進(jìn)了網(wǎng)頁在不同平臺(tái)上的運(yùn)行效果，降低了跨終端開發(fā)的難度。為了使得平臺(tái)前端不局限于簡單的計(jì)算和上傳下載服務(wù)，THC前端應(yīng)用基于HTML5標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)架，實(shí)現(xiàn)良好的用戶交互。在二維可視化方面，采用具有數(shù)值導(dǎo)向(Data-Driven Documents)特性的JavaScript庫- D3.js進(jìn)行構(gòu)架；在三維可視化方面，則采用基于三維可視化庫Three.js進(jìn)行構(gòu)架。

為用戶提供專業(yè)的數(shù)值計(jì)算與分析軟件服務(wù)是THC的主要功能，同時(shí)考慮到計(jì)算程序與前端良好的兼容性，以目前現(xiàn)行規(guī)范及行業(yè)成熟算法為基礎(chǔ)(詳細(xì)理論算法可參見THC主頁“原理手冊(cè)”)，以Python和C++計(jì)算機(jī)語言為工具，自主開發(fā)高效的軟件算法。對(duì)于有大規(guī)模數(shù)值計(jì)算需求的模塊(如洪水演進(jìn)、地質(zhì)災(zāi)害模擬)，為提高計(jì)算效率及滿足多用戶并發(fā)計(jì)算的需求，將計(jì)算資源布置在超算平臺(tái)上。

2.2 主要功能

用戶可直接通過瀏覽器登錄THC的平臺(tái)主頁(http:∥www.meggs.hydr.tsinghua.edu.cn/thc/index.html)進(jìn)行訪問(圖3)，然后點(diǎn)擊所需要的計(jì)算功能模塊，即可進(jìn)入相應(yīng)的計(jì)算平臺(tái)(圖4)。用戶可以通過打開(本地、或服務(wù)器)或直接輸入的方式建立分析模型，然后通過平臺(tái)提供的友好界面進(jìn)行計(jì)算、分析及設(shè)置；并將結(jié)果輸出、存儲(chǔ)(本地或服務(wù)器)、共享等。

圖3 THC主頁Fig.3 Homepage of THC

圖4 THC功能主界面示例—洪水演進(jìn)模塊Fig.4 Demonstration of a main interface of THC—flood routing module

THC立足于土木水利、工程地質(zhì)與巖土工程行業(yè)計(jì)算分析，目前主要功能包括巖體結(jié)構(gòu)分析、土工試驗(yàn)、邊坡穩(wěn)定分析及洪水演進(jìn)四大計(jì)算功能模塊，后續(xù)將繼續(xù)豐富功能模塊，建成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、快速、便捷的面向Web的可視化云計(jì)算平臺(tái)，為工程設(shè)計(jì)與技術(shù)分析提供規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化及信息化管理。

3 THC應(yīng)用案例

本節(jié)將以巖體結(jié)構(gòu)分析、土工試驗(yàn)、邊坡穩(wěn)定及洪水演進(jìn)4個(gè)模塊的主要功能及案例應(yīng)用進(jìn)行闡述。

3.1 巖體結(jié)構(gòu)分析

巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀，決定甚至控制了巖體的工程地質(zhì)力學(xué)性質(zhì)，因此巖體的結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)分析一直以來是巖體工程地質(zhì)工作的重點(diǎn)內(nèi)容之一。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的出現(xiàn)與發(fā)展，用計(jì)算機(jī)模擬巖體結(jié)構(gòu)面可以使我們定量定性地了解結(jié)構(gòu)面的特征，從而對(duì)其特性加以分析計(jì)算。為了實(shí)現(xiàn)巖體結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)的云平臺(tái)分析，THC的巖體結(jié)構(gòu)分析主要包括：赤平投影分析、結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)分析(節(jié)理極點(diǎn)圖、極點(diǎn)等密度圖、結(jié)構(gòu)面分組統(tǒng)計(jì)、走向玫瑰花圖及巖體邊坡失穩(wěn)模式判斷等)及Hoek-Brown參數(shù)計(jì)算[14-15]等功能。

失穩(wěn)模式是巖質(zhì)邊坡工程地質(zhì)分析中常用的邊坡穩(wěn)定分析方法之一。THC的結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)分析中的巖體邊坡失穩(wěn)模式判斷，為香港土木工程署編制的《巖土工程手冊(cè)》(1981年)提出的通過邊坡失穩(wěn)條件在赤平投影圖上繪出可能發(fā)生滑動(dòng)和傾倒的破壞區(qū)，然后根據(jù)結(jié)構(gòu)面之間相互關(guān)系的交線極點(diǎn)位置來判斷邊坡為滑動(dòng)破壞(平面滑動(dòng)和楔體破壞)還是傾倒破壞。其中：滑動(dòng)破壞的條件為滑動(dòng)面的走向與坡面平行或接近平行；βp≥β≥φ，其中β為結(jié)構(gòu)面在坡面傾向上的視傾角，βp為邊坡角的傾角，φ為結(jié)構(gòu)面的摩擦角；滑動(dòng)體具有很小阻力的節(jié)理面且存在相對(duì)滑動(dòng)，規(guī)定了滑動(dòng)面的側(cè)面邊界。由上述原則可以得到，由βp≥β≥φ所包圍的月牙形區(qū)域構(gòu)成了赤平投影平面上的滑動(dòng)部分；傾倒破壞的條件為[16]，邊坡面的傾角大于或等于30°；邊坡面的傾向和結(jié)構(gòu)面的傾向趨勢(shì)相反，夾角α≥120°，并與結(jié)構(gòu)面的傾向在±10°之間；傾倒區(qū)的范圍一般為(120°-坡面傾角)～90°的傾角范圍。圖5顯示結(jié)構(gòu)面摩擦角為35°，坡面傾向?yàn)?40°，傾角為60°的一巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)模式特征。

圖5 巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)模式Fig.5 Modes of rock slope instability

本節(jié)以某電站進(jìn)水口左側(cè)引水渠邊坡為例對(duì)該方法進(jìn)行闡述。邊坡高度大約96 m，坡面傾向SE141°，坡角57°，在1 310 m高程有8 m寬的上壩公路通過，結(jié)構(gòu)面摩擦角為30°。出露巖層按高程從低到高分別為：T3m2-1粉砂質(zhì)板巖、板巖夾變質(zhì)長石石英粉、細(xì)砂巖；T3m2-2粉砂質(zhì)板巖、板巖；T3m3-1變質(zhì)長石石英細(xì)砂巖，上伏1～2 m厚崩塌堆積體。邊坡內(nèi)發(fā)育的3組節(jié)理中，第3組節(jié)理優(yōu)勢(shì)產(chǎn)狀為127°∠66°，傾向坡外，傾角與邊坡坡角相近，對(duì)邊坡穩(wěn)定有一定影響。

圖6顯示了THC生成的邊坡模式圖，從中可以看出結(jié)構(gòu)面(3)的傾向雖和邊坡面一致，但傾角較陡，不存在直接位于滑動(dòng)區(qū)和傾倒區(qū)的結(jié)構(gòu)面，其中1、2兩組結(jié)構(gòu)面交線產(chǎn)狀為332°∠13°；1、3兩組結(jié)構(gòu)面交線產(chǎn)狀為207°∠22°；3、2兩組結(jié)構(gòu)面交線產(chǎn)狀為94°∠62°。三組結(jié)構(gòu)面交線與坡面傾向相反或大角度相交，形成楔形體破壞的可能性也不大。

圖6 某電站引水渠邊坡失穩(wěn)模式分析Fig.6 Analysis of the instability modes of channel slope of a hydroelectric station

3.2 土工試驗(yàn)

土工試驗(yàn)是巖土工程中常用的試驗(yàn)方法，在土木水利、地礦等相關(guān)企事業(yè)單位、研究機(jī)構(gòu)及高校中有著廣泛的應(yīng)用。THC-土工試驗(yàn)?zāi)K在設(shè)計(jì)過程中以行業(yè)應(yīng)用需求為目標(biāo)，突破現(xiàn)有行業(yè)應(yīng)用瓶頸，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了固結(jié)壓縮試驗(yàn)、粒度分析試驗(yàn)、滲透試驗(yàn)及直剪試驗(yàn)等常規(guī)土工試驗(yàn)的云分析處理。

以云構(gòu)架為基礎(chǔ)，THC-土工試驗(yàn)?zāi)K除了具有與其他模塊相似的功能外，還具有針對(duì)土工試驗(yàn)的一些特有功能(圖7)：

圖7 THC土工試驗(yàn)?zāi)K構(gòu)架Fig.7 Platform of geotechnical tests module of THC

(1)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。由于土工試驗(yàn)涉及一些試驗(yàn)過程的記錄數(shù)據(jù)，為了便于用戶使用，用戶可根據(jù)模板文件將試驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為Excel文件，然后上傳至云平臺(tái)，進(jìn)行分析。

(2)自動(dòng)生成試驗(yàn)報(bào)告。根據(jù)不同的土工試驗(yàn)方法及用途，系統(tǒng)可以自動(dòng)生成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，便于用戶使用及規(guī)范化管理。

(3)試驗(yàn)報(bào)告云審批。通常實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員的試驗(yàn)報(bào)告，需要有專門的審批人員進(jìn)行審批后方可正式提交。試驗(yàn)人員可以將生成的試驗(yàn)報(bào)告，在云平臺(tái)上直接推送給相應(yīng)的審批人員；實(shí)驗(yàn)審批人員將接受到審批信息，并在云平臺(tái)上進(jìn)行審批；審批完成后，試驗(yàn)人員方可打印輸出報(bào)表。該功能也可以用于教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生可以通過云推送至負(fù)責(zé)老師，老師直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)成果審批。從而大大提高工作效率。

(4)云存儲(chǔ)。用戶可以將試驗(yàn)數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)到云平臺(tái)，供后續(xù)使用。

(5)云分享。用戶可以將試驗(yàn)成果直接推送給指定的其他用戶，以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的共享使用，大大提高試驗(yàn)成果的使用效率。

3.3 巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析

根據(jù)工程中巖質(zhì)邊坡的失穩(wěn)破壞模式，其常見穩(wěn)定分析方法有楔形體穩(wěn)定性分析[14-16]、Sarma邊坡穩(wěn)定分析法[17]及傾倒變形穩(wěn)定分析[18-20]等。為了更好地為行業(yè)用戶提供云計(jì)算平臺(tái)服務(wù)支持，針對(duì)上述3種巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析方法，THC分別開發(fā)相應(yīng)的計(jì)算模塊(圖3)。

本節(jié)將選取Hoek和 Bray(1977)的一個(gè)典型算例，對(duì)THC在巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析計(jì)算方面的可靠性進(jìn)行論證。坡高為30.48 m (100英尺)，拉裂縫沿著結(jié)構(gòu)面1跡線至坡頂線的距離為12.2 m(40英尺)，巖體密度為2 562 kg/m3(160鎊/英尺3)，邊坡不倒懸。邊坡其他的幾何特性及結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)見表1。

表1 邊坡的幾何特性及結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)Table 1 Geometric characteristics of slope and strength parameters of structural planes

表2顯示了3種工況下THC與Hoek & Brown[21]的計(jì)算結(jié)果對(duì)比，圖8顯示了工況三的THC計(jì)算分析成果。從中可以看出，THC在楔形體穩(wěn)定性計(jì)算分析方面具有較好的可靠性，而且三維可視化效果較好。

表2 不同工況下Hoek與THC計(jì)算結(jié)果對(duì)比Table 2 Comparison of analysis result between Hoek and THC under different working conditions

圖8 楔形體穩(wěn)定性計(jì)算示例Fig.8 Example of wedge stability analysis

3.4 洪水演進(jìn)分析

洪水是一種常見的自然災(zāi)害問題，也是水文學(xué)、水力學(xué)領(lǐng)域研究的問題之一。隨著數(shù)值計(jì)算的發(fā)展，為洪水演進(jìn)計(jì)算分析及三維可視化提供了支撐，并在實(shí)際工程、研究中得的了廣泛的應(yīng)用。為了給為行業(yè)提供一個(gè)良好的數(shù)值計(jì)算及三維可視化分析平臺(tái)，THC中的洪水演進(jìn)模塊基于二維淺水方程理論為基礎(chǔ)，以潛水方程為控制方程，并采用有限體積法進(jìn)行方程求解，從而實(shí)現(xiàn)洪水演進(jìn)二維計(jì)算模擬及三維可視化展示。洪水演進(jìn)分析算法，采用Python語言開發(fā)，基于多進(jìn)程(MPI)并行技術(shù)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模高效并行計(jì)算分析。與此同時(shí)，為了滿足同一用戶及不同用戶的并發(fā)計(jì)算需求，洪水演進(jìn)后臺(tái)計(jì)算放置于超算平臺(tái)，并通過超算與THC服務(wù)器間的數(shù)據(jù)交互與傳遞實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地傳回至THC服務(wù)器端，供用戶進(jìn)行查看和可視化分析。

為驗(yàn)證THC中洪水演進(jìn)分析的可靠性，選取典引水渠(圖9)，斷面為梯形，渠道岸坡坡比m=1.5，底寬b=34 m，底坡i=1/6 500，渠底至堤頂高差為4.0 m。正常生產(chǎn)條件下，按渠道設(shè)計(jì)斷面使用，渠道設(shè)計(jì)水深為2.7 m，引水渠形成均勻穩(wěn)定流動(dòng)，渠道曼寧糙率n=0.03，截取其中100 m為研究對(duì)象(圖1)，求解此時(shí)渠道的設(shè)計(jì)流量。

圖9 引水渠幾何模型Fig.9 Geometric model of water diversion channel

在計(jì)算中，根據(jù)引水渠結(jié)構(gòu)建立*.asc格式的柵格地形高程文件，然后通過平臺(tái)，點(diǎn)擊主界面右側(cè) “asc地形文件導(dǎo)入”，點(diǎn)擊“添加地形”按鈕，選擇生成的地形文件導(dǎo)入；此時(shí)，主界面顯示導(dǎo)入地形高程云圖(圖10)。

圖10 引水渠數(shù)值計(jì)算模型Fig.10 Numerical model of water diversion channel

模型導(dǎo)入后，通過平臺(tái)分別進(jìn)行“網(wǎng)格參數(shù)”“水位”“邊界條件”“計(jì)算參數(shù)”等設(shè)置，并進(jìn)行提交計(jì)算分析。

3.4.1 流 速

圖11顯示了平臺(tái)計(jì)算得到的水流流速分布云圖。數(shù)值模擬x方向流速分布為渠道中間流速最大，靠近岸邊流速逐漸減小，中間最大速度在0.74 m/s。理論計(jì)算得到引水渠達(dá)到穩(wěn)定均勻流動(dòng)時(shí)的流速為0.73 m/s。由于理論計(jì)算得到的為渠道斷面的平均流速，因此數(shù)值計(jì)算得到的與其有一定的差別。

圖11 渠道水流流速分布云圖(t=400 s)Fig.11 Contours of flow velocity of the channel

3.4.2 水 深

圖12顯示了平臺(tái)計(jì)算得到穩(wěn)定是渠道的水深云圖。從圖中可以看出，最大水深為2.7 m與理論計(jì)算值2.7 m一致。

圖12 渠道水深云圖(t=400 s)Fig.12 Contours of water depth of the channel

3.4.3 流 量

圖13顯示了距離上游入口10 m、50 m、90 m 3個(gè)斷面處THC計(jì)算得到的流量特征及與理論計(jì)算結(jié)果的對(duì)比。從圖中可以看出，在200 s左右時(shí)各斷面處的流量達(dá)到穩(wěn)定與理論值75.0 m3/s一致。

圖13 不同斷面處的流量隨時(shí)間變化Fig.13 Variation of flow rate with time at different sections

從上述計(jì)算結(jié)果與理論結(jié)果的對(duì)比分析來看，THC洪水演進(jìn)模塊算法可靠與理論結(jié)果一致。

4 討 論

THC基于互聯(lián)網(wǎng)+云計(jì)算技術(shù)為土木、水利及工程地質(zhì)等領(lǐng)域公有云軟件平臺(tái)，尤其從算法、二維與三維可視化、界面交互等技術(shù)層面進(jìn)行了精細(xì)的探索，確保后續(xù)持續(xù)開發(fā)的可行性、可靠性。為進(jìn)一步推動(dòng)我國自主軟件的發(fā)展，為行業(yè)提供可靠的共享軟件計(jì)算分析平臺(tái)，THC的計(jì)算功能軟件將繼續(xù)開發(fā)和完善，最終不斷融合土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析、野外勘查監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集與分析、地質(zhì)災(zāi)害(鏈)仿真、巖土體穩(wěn)定計(jì)算與分析、水工與水力學(xué)計(jì)算分析等功能于一體的云計(jì)算軟件服務(wù)平臺(tái)(圖14)，形成“勘察-設(shè)計(jì)-BIM-施工”信息一體化管理與運(yùn)維，服務(wù)于工程的全生命周期運(yùn)行與管理。

圖14 THC未來規(guī)劃與展望Fig.14 Future planning and outlook of THC

由于THC是完全基于云計(jì)算的軟件服務(wù)平臺(tái)，又具有強(qiáng)大的信息管理功能，后續(xù)將與GIS進(jìn)行融合，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的空間融合與管理。一方面，可為管理部門形成項(xiàng)目可視化查詢分析數(shù)據(jù)庫；另一方面，集合大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，為實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的跨單位、跨行業(yè)共享、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和和規(guī)范管理奠定基礎(chǔ)，從而減少社會(huì)資源浪費(fèi)。以北京城區(qū)巖土體的物理力學(xué)參數(shù)為例，不同的單位、不同的行業(yè)進(jìn)行了大量的土工試驗(yàn)分析，然而目前單位之間、行業(yè)之間的信息數(shù)據(jù)存在嚴(yán)重的壁壘，造成大量的重復(fù)性試驗(yàn)、數(shù)據(jù)資源的浪費(fèi)。這些資源，一旦實(shí)現(xiàn)共享將對(duì)于建立更加精準(zhǔn)的地層地質(zhì)信息、巖土體物理力學(xué)參數(shù)空間信息、促進(jìn)學(xué)科發(fā)展等具有重要的意義。

THC是基于教學(xué)及工程設(shè)計(jì)規(guī)范中常用的計(jì)算分析方法的基礎(chǔ)上開發(fā)的，為課程教學(xué)、學(xué)生實(shí)踐使用提供良好的計(jì)算分析工具平臺(tái)，為學(xué)生步入工程設(shè)計(jì)奠定良好的基礎(chǔ)，推動(dòng)新工科教育改革和探索。同時(shí)，后續(xù)將不斷納入一些先進(jìn)的計(jì)算方法及在線可編程開發(fā)功能，為學(xué)生及其它用戶提供可開發(fā)功能，提高學(xué)生的科研創(chuàng)新能力。

5 結(jié) 論

水利、土木等行業(yè)領(lǐng)域勘查、設(shè)計(jì)及施工中涉及大量的計(jì)算、數(shù)據(jù)采集與分析工作，現(xiàn)有行業(yè)軟件大都基于桌面軟件開發(fā)，難以實(shí)現(xiàn)行業(yè)的計(jì)算分析的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化管理，同時(shí)團(tuán)隊(duì)合作性能查，造成資源浪費(fèi)。云計(jì)算的飛速發(fā)展，以提供動(dòng)態(tài)、虛擬化、可擴(kuò)展、按需部署的高靈活性和高性價(jià)比的計(jì)算服務(wù)等優(yōu)勢(shì)，給各行業(yè)帶來了巨大的變革。然而對(duì)于水利、土木行業(yè)而言，目前云計(jì)算主要集中在提高行業(yè)信息數(shù)據(jù)共享性方面的應(yīng)用。

本文基于云計(jì)算技術(shù)，以行業(yè)軟件需求為背景，研發(fā)了清華水利云(THC)，形成行業(yè)內(nèi)首個(gè)交互良好的云計(jì)算平臺(tái)，為廣大的水利、土木及地質(zhì)行業(yè)從業(yè)者和科研人員提供便捷的計(jì)算分析平臺(tái)。平臺(tái)以瀏覽器作為依托，實(shí)現(xiàn)輸入輸出接口與計(jì)算存儲(chǔ)過程的分離，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算分析的云計(jì)算、云存儲(chǔ)、跨平臺(tái)、移動(dòng)辦公、規(guī)范報(bào)表、大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、不依賴本地計(jì)算能力的等特性。

THC平臺(tái)目前實(shí)現(xiàn)了巖體結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)分析、土工試驗(yàn)、邊坡穩(wěn)定分析、洪水演進(jìn)四大功能模塊，從算法、二維與三維可視化、界面交互等技術(shù)層面進(jìn)行了精細(xì)的探索，通過實(shí)際應(yīng)用案例表明為用戶提供了可靠、便捷的服務(wù)支持平臺(tái)。同時(shí)，在平臺(tái)構(gòu)架技術(shù)方面也確保后續(xù)持續(xù)開發(fā)的可行性、可靠性。

THC平臺(tái)的不斷發(fā)展可為教師教學(xué)、學(xué)生、企業(yè)及有關(guān)科研人員提供一個(gè)良好的計(jì)算分析服務(wù)，對(duì)于推動(dòng)行業(yè)計(jì)算資料的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化及信息化管理具有重要意義。