水利工程智能一體化仿真云應(yīng)用平臺(tái)建設(shè)與應(yīng)用

張 婷，李端陽，孫華文，李健增

(1.國家超級計(jì)算天津中心，天津 300457；2.中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222)

在設(shè)計(jì)工程仿真領(lǐng)域，目前高端裝備產(chǎn)品設(shè)計(jì)復(fù)雜度、相關(guān)性、制造精度大大提高，國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)制度越來越完善，為縮短工程設(shè)計(jì)周期、提高工程運(yùn)行安全性、降低企業(yè)仿真計(jì)算軟硬件成本、提高行業(yè)內(nèi)信息共享水平，越來越迫切地需要高性能仿真云平臺(tái)的支撐，本平臺(tái)基于”天河一號“系統(tǒng)，將高性能計(jì)算機(jī)與水利工程設(shè)計(jì)、工程仿真結(jié)合應(yīng)用，對水利工程、水利裝備的設(shè)計(jì)、建造技術(shù)水平帶來了顯著提升。

不比不知道，一比嚇一跳。在茄子移栽后34天，洋豐百倍邦套餐肥展現(xiàn)了強(qiáng)勁效果。觀摩會(huì)當(dāng)天，眾人冒著高溫，在新洋豐工作人員帶領(lǐng)下來到茄子示范田。剛進(jìn)入茄子地，眾人就被左右兩塊茄子地長勢差距震驚了，示范田茄子植株明顯比對照田要高出一大截。在眾人驚奇之余，盧瓊珍高興地為觀摩人員介紹示范田和對照田的施肥方案。他一共租80畝地，其中一半轉(zhuǎn)租出去。因盧瓊珍是新洋豐肥料零售商，剩余40畝地在新洋豐技術(shù)員指導(dǎo)下，施用了百倍邦套餐肥。

為踐行“水利工程補(bǔ)短板，水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管”水利改革發(fā)展總基調(diào)和“安全、實(shí)用”水利網(wǎng)信總要求，落實(shí)水利部大力推進(jìn)智慧水利，針對水利工程仿真云技術(shù)從總體架構(gòu)、物理架構(gòu)、功能架構(gòu)、應(yīng)用架構(gòu)、應(yīng)用場景等5個(gè)維度進(jìn)行深入梳理，并在國家超級計(jì)算天津中心“天河工程仿真云平臺(tái)”的基礎(chǔ)上搭建了“水利工程智能一體化仿真云應(yīng)用平臺(tái)”，提升了水利行業(yè)工程仿真的云計(jì)算、云應(yīng)用、云共享水平。

本平臺(tái)由中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司(原水利部天津院)與國家超級計(jì)算天津中心合作研發(fā)。

1 解決方案概述

1.1 方案概述

本項(xiàng)目是在天河工程仿真云平臺(tái)[1]的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)測采集數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，集成應(yīng)用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)與人工智能等信息技術(shù)，進(jìn)一步面向水利行業(yè)的典型應(yīng)用場景進(jìn)行定制化開發(fā)，構(gòu)建水利工程智能一體化仿真云應(yīng)用平臺(tái)，面向水利行業(yè)提供便捷化、智能化的水利工程仿真應(yīng)用服務(wù)。平臺(tái)包含1個(gè)模塊。

緩存服務(wù)器主要用于對用戶當(dāng)前計(jì)算任務(wù)信息進(jìn)行緩存，以提升數(shù)據(jù)訪問效率。

(1)通過集成已有的水利工程仿真專業(yè)軟件，針對水利工程仿真應(yīng)用的典型性、復(fù)雜性應(yīng)用場景進(jìn)行定制化、流程化封裝[2]，形成面向水利工程領(lǐng)域的通用性仿真云平臺(tái)，可開展固體結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力分析、復(fù)雜流動(dòng)數(shù)值模擬、流固耦合問題分析等的高性能并行計(jì)算，極大地降低仿真應(yīng)用門檻，依托云化的服務(wù)模式，極大地降低企業(yè)仿真應(yīng)用的軟硬件成本。

(2)結(jié)合實(shí)測采集數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過大數(shù)據(jù)與人工智能等分析手段，建立全國水利工程數(shù)字孿生云服務(wù)計(jì)算模型，開展實(shí)時(shí)洪水演進(jìn)數(shù)值模擬[3]，集成于全國洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐，開展水利工程設(shè)施運(yùn)行階段的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、可靠性等力學(xué)分析，為水利基礎(chǔ)設(shè)施安全監(jiān)測提供數(shù)據(jù)支撐。

雖然中國哲學(xué)并沒有明確指出主體性的含義，但是中國哲學(xué)中卻滲透著這種思想：格物、致知、誠意、正心、修身、齊家、治國平天下。想要達(dá)到完美的境界必須從外界現(xiàn)實(shí)中思考然后內(nèi)化為自己內(nèi)心的修養(yǎng)繼而將內(nèi)化的修養(yǎng)發(fā)散出去。這樣一種中國哲學(xué)的描述實(shí)際上就是對主體性最好的詮釋：自覺考察，自主選擇，自覺涵養(yǎng)，自覺踐履。

用戶交互層重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)基于瀏覽器的平臺(tái)交互前端，使終端用戶不安裝任何軟件及插件即可訪問水利工程智能一體化仿真平臺(tái)，同時(shí)對不同類型訪問終端進(jìn)行適配，滿足不同類型用戶及移動(dòng)辦公的需求。

(4)結(jié)合5G技術(shù)構(gòu)建水利工程仿真云應(yīng)用APP[7]，為水利行業(yè)仿真用戶提供無服務(wù)器計(jì)算體驗(yàn)。

1.2 解決的技術(shù)難題

(1)解決平臺(tái)應(yīng)用過程中面臨的千萬級復(fù)雜工況仿真優(yōu)化、千萬級特征數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等數(shù)據(jù)規(guī)模龐大、數(shù)據(jù)格式復(fù)雜多樣、數(shù)據(jù)量動(dòng)態(tài)增加、數(shù)據(jù)可靠備份等挑戰(zhàn)，研究實(shí)現(xiàn)融合備份的層次式動(dòng)態(tài)可擴(kuò)展存儲(chǔ)系統(tǒng)。

病蟲防控在獼猴桃生產(chǎn)中的作用和地位，絕大多數(shù)種植者都有認(rèn)識(shí)，而且非常重視，舍得投入，但長期以來依賴化學(xué)手段進(jìn)行的藥劑防治，已經(jīng)到了藥盡其力而不見其效，越防越多、難以控制的惡性地步。國內(nèi)外大量植保成功經(jīng)驗(yàn)證明，利用化學(xué)手段或單純依靠化學(xué)手段進(jìn)行病蟲防治已成為傳統(tǒng)的、落后的，無法達(dá)到有效控制目的的短視行為。無論從消費(fèi)者食品安全角度，還是現(xiàn)有生產(chǎn)種植現(xiàn)實(shí)看，全面推進(jìn)綜合防治措施，大力提高農(nóng)藝管理水平，增強(qiáng)果樹抗性，加大生物、物理防控力度，實(shí)施生態(tài)綠色種植，才是獼猴桃植保工作的出路，也是質(zhì)量安全的源頭保證。

(2)為滿足水利工程領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)傳輸效率和服務(wù)安全、穩(wěn)定性要求，解決多行業(yè)應(yīng)用數(shù)據(jù)安全防護(hù)問題，研發(fā)實(shí)現(xiàn)了重安全、強(qiáng)均衡的多層級網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)與交換系統(tǒng)。

(2)研發(fā)了基于統(tǒng)一視圖的高彈性高可用PAAS云平臺(tái)，解決了跨平臺(tái)的融合設(shè)施集成管理、行業(yè)研發(fā)工具的多樣性需求等技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)了在統(tǒng)一系統(tǒng)平臺(tái)下服務(wù)水利工程多領(lǐng)域多場景仿真。

1.3 創(chuàng)新點(diǎn)

1.3.1業(yè)務(wù)創(chuàng)新

(1)平臺(tái)面向水利工程領(lǐng)域提供通用性仿真資源服務(wù)，具有云化使用模式與流程化操作，在線付費(fèi)與按需分配等靈活的資源配置，以及高性能的硬件資源與豐富的軟件資源池，改變以往使用本地服務(wù)器的方式，用戶無需事先固定投資，無需投入大量軟硬件資源與運(yùn)維人員、無需投入專業(yè)性很強(qiáng)的技術(shù)人員即可快速完成計(jì)算任務(wù)。

(2)平臺(tái)具有集成開放性以及功能適應(yīng)性，結(jié)合行業(yè)特點(diǎn)，可為水利工程各個(gè)專業(yè)領(lǐng)域建立適用性更強(qiáng)的行業(yè)專屬云平臺(tái)，提供專業(yè)仿真云服務(wù)；集成于全國洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)開展實(shí)時(shí)洪水演進(jìn)數(shù)值模擬，為洪水預(yù)報(bào)提供數(shù)據(jù)支撐；集成于水利基礎(chǔ)設(shè)施安全監(jiān)測系統(tǒng)開展水利工程設(shè)施運(yùn)行階段的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、可靠性等力學(xué)分析，為水利基礎(chǔ)設(shè)施安全監(jiān)測提供及時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)支撐。

1.3.2流程創(chuàng)新

(1)通過云端封裝與可視化發(fā)布，解決以往應(yīng)用超級計(jì)算機(jī)流程繁瑣、技術(shù)門檻較高的問題，用戶無需輸入linux命令、無需編輯腳本即可提交作業(yè)，資源使用、任務(wù)提交情況一目了然，余額、余時(shí)實(shí)時(shí)查詢。

(2)通過集成一體化分析系統(tǒng)、GPU虛擬化加速處理系統(tǒng)、云平臺(tái)門戶系統(tǒng)，構(gòu)建可視化模型處理、界面化高性能計(jì)算等集仿真前端設(shè)計(jì)、計(jì)算、后端處理為一體的全流程仿真，極大地增加平臺(tái)的使用體驗(yàn)。

歷史統(tǒng)計(jì)資料顯示,在中國占主導(dǎo)地位的階段,中國甘薯出口的單價(jià)與世界甘薯出口交易的平均水平基本相當(dāng)．但2004年以后中國甘薯貿(mào)易的單價(jià)逐漸低于世界平均水平,且2010年以前這一差距不斷拉大．不過,隨后幾年我國甘薯貿(mào)易均價(jià)與國際平均水平之間的差異正在逐漸縮小,2016年以來已經(jīng)連續(xù)兩年超過世界平均水平．2017年中國甘薯出口平均單價(jià)達(dá)1 257美元/t,是世界平均水平的1.5倍，如圖4所示．

(3)通過針對特定水利工程場景進(jìn)行抽象云化，形成自動(dòng)化計(jì)算處理流程，降低仿真工具的應(yīng)用門檻，同時(shí)提供仿真模型的推薦配置參數(shù)及固化配置參數(shù)，使水利工程專業(yè)人員更多的關(guān)注于水利工程問題本身，而不用過多考慮仿真計(jì)算工具的使用方式及計(jì)算模型本身的參數(shù)配置。

1.3.3技術(shù)創(chuàng)新

(1)構(gòu)建了高性能計(jì)算、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能融合支撐環(huán)境，解決了水利工程仿真計(jì)算性能要求高、數(shù)據(jù)規(guī)模大、數(shù)據(jù)共享困難[6]、安全管理難度大的問題，實(shí)現(xiàn)了對敏捷研發(fā)多元信息化需求的基礎(chǔ)支撐。

(3)為解決大規(guī)模多樣性計(jì)算任務(wù)對底層資源使用需求動(dòng)態(tài)變化，導(dǎo)致的資源層大規(guī)模計(jì)算系統(tǒng)能耗和成本管理問題，研發(fā)多層級高效資源柔性配置技術(shù)。

(3)研發(fā)構(gòu)建了水利工程典型仿真場景的流程化應(yīng)用環(huán)境，降低平臺(tái)以及水利工程軟件的使用門檻。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 總體架構(gòu)

總體分為8層，包括用戶交互層、任務(wù)管理層、參數(shù)配置及數(shù)據(jù)顯示層、數(shù)據(jù)采集與軟件部署層、計(jì)算應(yīng)用層、運(yùn)行環(huán)境層、資源調(diào)度層、及基礎(chǔ)環(huán)境層。平臺(tái)總體架構(gòu)如圖1所示。

文書的背面文字為：“中統(tǒng)鈔當(dāng)月支工錢肆……”。[注]前引李逸友編著《黑城出土文書(漢文文書卷)》，第189頁；杜建錄《中國藏黑水城漢文文獻(xiàn)整理研究》，第69～70頁。

(3)建立水利工程仿真軟件的研發(fā)平臺(tái)，提供開放、規(guī)范的接口服務(wù)，上層可快速集成SAAS應(yīng)用[4]，支持軟件部署、測試以及快速云化應(yīng)用，推動(dòng)自主水利工程模擬軟件的研發(fā)進(jìn)程與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

大伙兒閑談，自然就談到了梨友。那鐵匠說：“我是大義府人。我記得清清楚楚，臘月三十那天，大義府被梨友破了。大義府在北疆，臘月已特別冷了，在外頭感覺耳朵癢，不能搓，一搓，耳朵就掉了。

任務(wù)管理層主要對基于超級計(jì)算機(jī)的水利工程仿真任務(wù)管理進(jìn)行封裝，開發(fā)對應(yīng)任務(wù)管理接口提供給平臺(tái)前端調(diào)用，以此實(shí)現(xiàn)基于平臺(tái)的水利工程仿真計(jì)算任務(wù)配置、提交、查看以及取消。

算例配置及數(shù)據(jù)顯示層重點(diǎn)對用戶從前端提交的水利工程仿真算例配置及數(shù)據(jù)顯示配置進(jìn)行解析，通過參數(shù)轉(zhuǎn)換服務(wù)將配置轉(zhuǎn)換成所需的文件格式供水利工程仿真應(yīng)用及數(shù)據(jù)可視化應(yīng)用讀取，利用數(shù)據(jù)可視化服務(wù)響應(yīng)用戶數(shù)據(jù)結(jié)果圖形交互操作發(fā)送指令至數(shù)據(jù)可視化應(yīng)用實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)格模型及計(jì)算結(jié)果的可視化操作。

數(shù)據(jù)采集與軟件部署層，數(shù)據(jù)采集主要對應(yīng)洪水演進(jìn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及水利基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行階段的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并將數(shù)據(jù)輸入到水利工程一體化仿真云平臺(tái)中，開展洪水演進(jìn)實(shí)時(shí)數(shù)值模擬以及水利工程實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)安全監(jiān)測；軟件部署主要針對用戶開發(fā)的軟件，支持在線的部署，并發(fā)布到水利工程一體化仿真云平臺(tái)上，滿足用戶個(gè)性需求以及軟件的開發(fā)測試。

聯(lián)盟共舉辦兩屆“基于HIM的廣義BIM矩陣(GIM)論壇”、兩屆“中國BIM經(jīng)理高峰論壇”，第一屆全國建筑業(yè)“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)展示會(huì)，2016建筑施工BIM應(yīng)用項(xiàng)目觀摩會(huì)，參展“第十三屆國際綠色建筑與建筑節(jié)能大會(huì)暨新技術(shù)與產(chǎn)品博覽會(huì)”，協(xié)辦“buildingSMART 2017年香港國際BIM大賽暨高峰論壇”，協(xié)辦第四屆BIM國際技術(shù)交流會(huì)等，通過論壇展覽展示活動(dòng)不斷擴(kuò)大聯(lián)盟影響力。

計(jì)算應(yīng)用層由通用水利仿真計(jì)算應(yīng)用、洪水演進(jìn)模擬應(yīng)用、數(shù)據(jù)可視化應(yīng)用組成，通用水利仿真計(jì)算應(yīng)用可部署商業(yè)有限元軟件ABAQUS、ANSYS、LS-DYNA，商業(yè)計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT，CFX和STAR-CCM+，開源程序有TRUBAL、DDA2D、NMM2D、Y2D/3D、SPHYSICS、openLBMflow、Palabos、OpenFVM、OpenFOAM、MFIX等；洪水演進(jìn)模擬應(yīng)用部署自主二維水流模型TWOM；數(shù)據(jù)可視化應(yīng)用主要采用基于天河可視化平臺(tái)的后端數(shù)據(jù)可視化服務(wù)。

“我們喝的，是黃粱酒，還是黃梁酒？我們來到的這個(gè)小山村，是黃梁村，還是黃粱村？好妮妮你快給我講講！”上官星雨的聲音好聽，脆生生的，勝業(yè)坊里富人家小姐們的腔調(diào)，就像二月渭河柳樹下正在消融的春冰。她長得也好看，將臉上的灰泥洗去，還算是一個(gè)嬌俏伶俐的丫頭。

運(yùn)行環(huán)境層根據(jù)不同類型的水利工程仿真應(yīng)用需求實(shí)現(xiàn)自定義的動(dòng)態(tài)運(yùn)行環(huán)境配置，包括操作系統(tǒng)類型、程序編譯環(huán)境、應(yīng)用并行計(jì)算環(huán)境等，從而解決應(yīng)用間的運(yùn)行環(huán)境沖突問題。

資源調(diào)度層通過對計(jì)算及存儲(chǔ)資源的動(dòng)態(tài)調(diào)度來實(shí)現(xiàn)異構(gòu)計(jì)算資源的管理，包括CPU計(jì)算節(jié)點(diǎn)、GPU計(jì)算節(jié)點(diǎn)、存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)及云計(jì)算節(jié)點(diǎn)等資源，以滿足水利工程仿真計(jì)算任務(wù)需求。

基礎(chǔ)環(huán)境層由“天河融合環(huán)境”的超級計(jì)算與云計(jì)算、大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)所構(gòu)成的基礎(chǔ)設(shè)施組成，平臺(tái)層面的基礎(chǔ)服務(wù)通過“天河”PAAS平臺(tái)進(jìn)行定制化開發(fā)。

2.2 物理架構(gòu)

基于“天河融合環(huán)境”所提供超級計(jì)算機(jī)與云平臺(tái)、大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)互聯(lián)環(huán)境構(gòu)建，主要由負(fù)載均衡服務(wù)器、WEB服務(wù)器、認(rèn)證服務(wù)器、渲染服務(wù)器、消息隊(duì)列服務(wù)器、緩存服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、文件服務(wù)器、Samba服務(wù)器及超級計(jì)算機(jī)(包括登錄節(jié)點(diǎn)、計(jì)算節(jié)點(diǎn)、存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)和高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)等)組成。平臺(tái)物理架構(gòu)如圖2所示。

圖2 平臺(tái)物理架構(gòu)

水利工程一體化仿真計(jì)算平臺(tái)應(yīng)用架構(gòu)如圖4所示。

WEB服務(wù)器根據(jù)作用不同分為前端服務(wù)器和后端服務(wù)器，其中前端服務(wù)器主要用于部署水利工程仿真計(jì)算平臺(tái)用戶交互前端頁面服務(wù)；后端服務(wù)器主要用于部署水利工程仿真計(jì)算平臺(tái)任務(wù)管理接口服務(wù)以及配置參數(shù)轉(zhuǎn)換和計(jì)算數(shù)據(jù)可視化服務(wù)。

認(rèn)證服務(wù)器主要用于對平臺(tái)訪問用戶的身份及權(quán)限進(jìn)行驗(yàn)證。

渲染服務(wù)器主要用于部署渲染應(yīng)用服務(wù)，通過接收計(jì)算數(shù)據(jù)可視化服務(wù)發(fā)送的指令執(zhí)行渲染操作。

消息隊(duì)列服務(wù)器主要建立WEB后端服務(wù)器與超級計(jì)算機(jī)登錄節(jié)點(diǎn)間的消息通信及遠(yuǎn)程對象調(diào)用機(jī)制，實(shí)現(xiàn)WEB服務(wù)對超級計(jì)算機(jī)計(jì)算作業(yè)的管理。

通過固定架,將焊接的電路板與8 cm扁錐腔體相連,組裝成實(shí)驗(yàn)測試裝置,且保證實(shí)驗(yàn)裝置的腔內(nèi)氣體與外界氣體無交換。首先對CO2氣體傳感器的測試裝置進(jìn)行標(biāo)定。

(4)企業(yè)規(guī)模。企業(yè)規(guī)模對于重污染企業(yè)環(huán)境行為的影響也可以分為內(nèi)外兩點(diǎn)。從企業(yè)內(nèi)部來看，大規(guī)模重污染企業(yè)相較于小規(guī)模企業(yè)更為注重品牌效應(yīng)，大規(guī)模重污染企業(yè)往往期望營造出良好的品牌形象，以品牌贏得公眾消費(fèi)者的青睞，這也就是大型重污染企業(yè)對于良好的環(huán)境行為更加重視的原因。

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器為水利工程仿真計(jì)算平臺(tái)提供數(shù)據(jù)庫服務(wù)，主要用于存儲(chǔ)用戶信息、計(jì)算任務(wù)信息以及計(jì)算應(yīng)用相關(guān)的集成信息等持久化信息。

文件服務(wù)器用于存儲(chǔ)平臺(tái)上非水利工程仿真應(yīng)用計(jì)算所需的文件，如用戶頭像、身份證等。

Samba服務(wù)器主要用于實(shí)現(xiàn)WEB服務(wù)器對超級計(jì)算機(jī)Luster存儲(chǔ)的訪問管理，用戶通過平臺(tái)配置的算例參數(shù)轉(zhuǎn)化成的應(yīng)用輸入文件以及計(jì)算的結(jié)果文件都將存儲(chǔ)在超級計(jì)算機(jī)的Luster存儲(chǔ)上，采用Samba服務(wù)可以有效保證WEB后端服務(wù)器對這些數(shù)據(jù)的訪問。

2.3 功能架構(gòu)

水利工程一體化仿真計(jì)算平臺(tái)功能架構(gòu)如圖3所示，主要由用戶交互前端、應(yīng)用集成后臺(tái)和數(shù)據(jù)管理后臺(tái)組成。

圖3 平臺(tái)功能架構(gòu)

以嵌入工作開展監(jiān)督。工作初期，參加各單位相關(guān)會(huì)議，盡管做了準(zhǔn)備，但業(yè)務(wù)和人員情況掌握仍然不夠深入，不充分掌握情況，監(jiān)督工作就浮在面上，精準(zhǔn)監(jiān)督就是一句空話。之后我們加強(qiáng)各單位業(yè)務(wù)工作研究學(xué)習(xí)，利用與各單位工作互動(dòng)，掌握工作實(shí)際運(yùn)行情況，增進(jìn)人員情況了解，逐步發(fā)揮駐的優(yōu)勢，做監(jiān)督單位的“知情人”“有心人”，以嵌入“風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)”、嵌入“關(guān)鍵點(diǎn)”開展工作。

應(yīng)用集成后臺(tái)主要提供給平臺(tái)水利工程仿真應(yīng)用研發(fā)及管理人員使用，通過可視化配置的方式將水利工程仿真應(yīng)用集成至平臺(tái)后端的”天河融合環(huán)境“上，主要包括應(yīng)用輸入配置參數(shù)的集成、數(shù)值計(jì)算應(yīng)用的集成、應(yīng)用運(yùn)行環(huán)境的集成以及計(jì)算資源調(diào)度的集成。

用戶交互前端針對水利工程仿真計(jì)算需求提供給用戶可視化的計(jì)算任務(wù)管理模塊實(shí)現(xiàn)任務(wù)狀態(tài)的查看；計(jì)算應(yīng)用管理模塊對可使用的計(jì)算應(yīng)用進(jìn)行管理、算例配置管理模塊進(jìn)行算例設(shè)置以及計(jì)算結(jié)果管理模塊瀏覽及可視化結(jié)果文件；數(shù)據(jù)采集管理模塊主要用于數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集；軟件部署模塊用于用戶軟件的自定義安裝與發(fā)布。

從造紙術(shù)發(fā)明到無紙化時(shí)代，科技正在深入醫(yī)院的每一個(gè)褶皺。新上系統(tǒng) 10多個(gè)，系統(tǒng)改造 100多項(xiàng)，流程再造 20 多個(gè)。他們敲響“紙的盛世”喪鐘！

數(shù)據(jù)管理后臺(tái)重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)及文件數(shù)據(jù)的在線管理，平臺(tái)管理員可通過登錄數(shù)據(jù)管理后臺(tái)對平臺(tái)用戶數(shù)據(jù)、應(yīng)用數(shù)據(jù)、任務(wù)數(shù)據(jù)及結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)與管理。

2.4 應(yīng)用架構(gòu)

負(fù)載均衡服務(wù)器主要用于將用戶訪問請求均衡地分布到各個(gè)WEB服務(wù)器上，來減輕單個(gè)WEB服務(wù)器上的負(fù)擔(dān)，從而消除WEB服務(wù)器之間的負(fù)載不平衡，提高整個(gè)平臺(tái)的響應(yīng)速度與總體性能。

圖4 平臺(tái)應(yīng)用架構(gòu)

管理員用戶通過登錄應(yīng)用集成后臺(tái)對水利工程仿真計(jì)算應(yīng)用的參數(shù)配置、計(jì)算應(yīng)用、運(yùn)行環(huán)境以及資源調(diào)度需求進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)水利工程仿真計(jì)算應(yīng)用的平臺(tái)集成。

結(jié)腸癌SW620細(xì)胞株購自American Type Culture Collection公司（編號：CLL-227），凍存于成都中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院中心實(shí)驗(yàn)室。細(xì)胞以37℃溫水復(fù)蘇后，用含有10%胎牛血清、1%青-鏈霉素的DMEM培養(yǎng)基在37℃、5%CO2培養(yǎng)箱中長期培養(yǎng)。

普通用戶登錄用戶交互前端平臺(tái)進(jìn)行算例配置，通過互聯(lián)網(wǎng)將配置參數(shù)提交至平臺(tái)后端服務(wù)驅(qū)動(dòng)“自動(dòng)化業(yè)務(wù)流”的執(zhí)行，最終實(shí)現(xiàn)水利工程仿真算例提交計(jì)算。這樣通過利用平臺(tái)后端對超級計(jì)算機(jī)的使用過程進(jìn)行封裝，實(shí)現(xiàn)終端用戶對超級計(jì)算機(jī)的無感知使用，用戶只需了解平臺(tái)的使用方法及水利工程仿真計(jì)算配置即可實(shí)現(xiàn)超級計(jì)算環(huán)境下水利工程仿真計(jì)算及應(yīng)用，可使非計(jì)算機(jī)專業(yè)的工程人員充分利用超級計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)水利工程仿真的計(jì)算并行和任務(wù)并行，極大提升水利工程仿真應(yīng)用效率。

在此基礎(chǔ)上，通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)狀態(tài)的仿真模擬，針對洪水演進(jìn)、水利工程運(yùn)行階段安全監(jiān)測兩種典型應(yīng)用場景開展應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)水利工程的數(shù)字孿生[5]；通過用戶研發(fā)軟件的部署發(fā)布，實(shí)現(xiàn)用戶軟件的在線測試與研發(fā)，助力自主水利工程仿真軟件的發(fā)展。

2.5 應(yīng)用場景

包括三種應(yīng)用場景，通用水利工程仿真計(jì)算、水利工程數(shù)字孿生平臺(tái)應(yīng)用、水利工程仿真軟件開發(fā)(基于BIM+GIS平臺(tái))。應(yīng)用場景如圖5所示。

圖5 平臺(tái)應(yīng)用場景圖

通用水利工程仿真計(jì)算可開展固體結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力分析、復(fù)雜流動(dòng)數(shù)值模擬、流固耦合問題分析：水工結(jié)構(gòu)地震動(dòng)力響應(yīng)分析、高邊坡穩(wěn)定計(jì)算、灌區(qū)渠道凍脹破壞分析、土與結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用分析、移動(dòng)荷載作用下結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)、飽和與非飽和地基動(dòng)力響應(yīng)分析、潰壩、洪水演進(jìn)、通風(fēng)與對流換熱、多相流、壩與庫水動(dòng)力相互作用以及大型渡槽流固耦合振動(dòng)問題、水利工程機(jī)械性能優(yōu)化設(shè)計(jì)、施工過程仿真等；水利工程數(shù)字孿生平臺(tái)基于實(shí)測數(shù)據(jù)，可開展實(shí)時(shí)洪水演進(jìn)數(shù)值模擬，重大工程運(yùn)行階段的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、疲勞等分析；水利工程仿真軟件研發(fā)平臺(tái)可快速部署、發(fā)布、測試水工結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體力學(xué)、多物理場巖土力學(xué)等領(lǐng)域的模擬軟件。

3 關(guān)鍵技術(shù)的來源、原理、特點(diǎn)

(1)依托已經(jīng)具備的云平臺(tái)、超級計(jì)算平臺(tái)和海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的基礎(chǔ)，構(gòu)建了具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的超級計(jì)算、云計(jì)算與大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)相融合的支撐服務(wù)環(huán)境，利用超級計(jì)算資源提供計(jì)算服務(wù)，云計(jì)算資源提供WEB應(yīng)用部署及應(yīng)用程序服務(wù)，大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)提供多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)服務(wù)。如圖6所示。

圖6 融合平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭D

(2)構(gòu)建基于統(tǒng)一視圖的高彈性高可用PAAS平臺(tái)，通過服務(wù)支撐和服務(wù)接口API等方式提供信息化基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)和開放PAAS服務(wù)，涵蓋高性能計(jì)算、云主機(jī)、大數(shù)據(jù)分析等基礎(chǔ)服務(wù)，統(tǒng)一認(rèn)證、資源調(diào)用、計(jì)費(fèi)支付等開發(fā)支持服務(wù)。如圖7所示。

圖7 天河PAAS平臺(tái)功能組成

(3)構(gòu)建水利工程典型應(yīng)用場景的仿真流程化應(yīng)用環(huán)境，將不同類型的應(yīng)用服務(wù)分別部署到對應(yīng)的資源池，使用戶業(yè)務(wù)根據(jù)需要分配在不同的環(huán)境資源上，通過統(tǒng)一任務(wù)管理實(shí)現(xiàn)服務(wù)的調(diào)度。利用超級計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)水利工程仿真計(jì)算，通過云計(jì)算實(shí)現(xiàn)水利工程仿真算例配置與結(jié)果查看的前端服務(wù)，超級計(jì)算機(jī)連接全局文件存儲(chǔ)系統(tǒng)、云計(jì)算連接云存儲(chǔ)。

4 應(yīng)用項(xiàng)目名稱及應(yīng)用情況

天津市天發(fā)重型水電設(shè)備制造有限公司：基于水利工程一體化仿真平臺(tái)構(gòu)建水輪發(fā)電機(jī)葉輪優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)，覆蓋水輪機(jī)葉片制造企業(yè)的設(shè)計(jì)過程，大幅度提高水輪機(jī)葉片制造業(yè)的設(shè)計(jì)服務(wù)能力。應(yīng)用于涔天河電站水輪機(jī)三維CFD計(jì)算，整個(gè)機(jī)組的水力性能完全能夠滿足業(yè)主的要求，采用云的方式使設(shè)計(jì)周期縮短了30%，相關(guān)水輪機(jī)項(xiàng)目收入6900萬元，利潤率10.62%。2019年，合作完成了巴基斯坦數(shù)個(gè)不同規(guī)模水電站項(xiàng)目水輪發(fā)電機(jī)組的有限元設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)安全性復(fù)核。

5 結(jié)語

“水利工程智能一體化仿真云應(yīng)用平臺(tái)”提升了水利工程仿真計(jì)算水平、降低了企業(yè)仿真計(jì)算軟硬件成本、提高了企業(yè)效益，構(gòu)建了超級計(jì)算、云計(jì)算與大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)相融合的支撐服務(wù)環(huán)境，提供了WEB應(yīng)用部署及應(yīng)用程序服務(wù)、大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)提供多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)服務(wù)，構(gòu)建了基于統(tǒng)一視圖的高彈性高可用PAAS平臺(tái)和水利工程典型應(yīng)用場景的仿真流程化應(yīng)用環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了基于超級計(jì)算機(jī)和云計(jì)算的水利工程仿真算例配置與結(jié)果查看的前端服務(wù)，創(chuàng)建了3種應(yīng)用場景包括通用水利工程仿真計(jì)算、水利工程數(shù)字孿生平臺(tái)應(yīng)用、水利工程仿真軟件開發(fā)(基于BIM+GIS平臺(tái))。

隨著水利工程仿真模型、水利工程數(shù)字孿生模型體系的不斷完善和水利工程仿真軟件的深入應(yīng)用，“水利工程智能一體化仿真云應(yīng)用平臺(tái)”在水旱災(zāi)害防御、水資源管理、河湖管理、工程管理、水土保持等水利業(yè)務(wù)應(yīng)用中，結(jié)合實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)，依托超算中心強(qiáng)大的計(jì)算資源，為水環(huán)境、水生態(tài)、水安全、水工程提供更有效、更及時(shí)甚至實(shí)時(shí)的仿真模擬分析結(jié)果，為水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管提供分析、預(yù)警、決策的可靠科學(xué)依據(jù)。