邢漢發(fā)，李長(zhǎng)輝，林 鴻，譚喜成，宋 楊

（1.廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州510060；2.武漢大學(xué) 國(guó)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(jí)計(jì)算是解決國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)發(fā)展、科學(xué)進(jìn)步、國(guó)家安全和國(guó)防建設(shè)等領(lǐng)域一系列重大挑戰(zhàn)性問(wèn)題的重要手段，已經(jīng)成為世界各國(guó)特別是大國(guó)爭(zhēng)奪的戰(zhàn)略制高點(diǎn)［3-4］。然而當(dāng)前其巨大的存儲(chǔ)和計(jì)算潛力始終未被充分利用，如何應(yīng)用超級(jí)計(jì)算機(jī)來(lái)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(chǔ)、高性能計(jì)算和高效可視化的需求，有必要對(duì)超級(jí)計(jì)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(jí)計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)介

超級(jí)計(jì)算機(jī)是指“當(dāng)前時(shí)代運(yùn)算速度最快的大容量大型計(jì)算機(jī)，是計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的珠穆朗瑪峰”［5］。類似稱謂還有高性能計(jì)算機(jī)、高效能計(jì)算機(jī)等，是指由成百上千的處理器組成的、能計(jì)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(jì)算機(jī)，是運(yùn)算速度最快、存儲(chǔ)容量最大的計(jì)算機(jī)，可以廣泛應(yīng)用于國(guó)家高科技領(lǐng)域和尖端技術(shù)研究，是國(guó)家科技發(fā)展水平和綜合國(guó)力的重要標(biāo)志。超級(jí)計(jì)算機(jī)首先是由希穆?tīng)枴た死子?0世紀(jì)60年代設(shè)計(jì)并制造，之后超級(jí)計(jì)算機(jī)飛速發(fā)展，到今天世界上運(yùn)行最快的我國(guó)自制研發(fā)的天河二號(hào)，峰值運(yùn)算達(dá)33千萬(wàn)億次／s，相當(dāng)于800萬(wàn)臺(tái)普通筆記本電腦同時(shí)運(yùn)算的能力。

目前超級(jí)計(jì)算機(jī)在軍事、高科技領(lǐng)域以及國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著愈來(lái)愈大的作用，已廣泛地應(yīng)用于核武器研究和核材料儲(chǔ)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(jì)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(lái)隨著超級(jí)計(jì)算機(jī)的發(fā)展，其應(yīng)用會(huì)不斷拓展到商業(yè)、服務(wù)業(yè)、政府決策等領(lǐng)域。超級(jí)計(jì)算機(jī)還是云計(jì)算主要的支撐平臺(tái)之一，伴隨云計(jì)算服務(wù)的進(jìn)一步普及，超級(jí)計(jì)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(guò)多年的建設(shè)與積累，城市規(guī)劃系統(tǒng)所處理的測(cè)繪地理信息數(shù)據(jù)量呈一種加速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，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(chǔ)、查找、共享能力有限，缺乏高效計(jì)算模型，難以滿足規(guī)劃計(jì)算中數(shù)據(jù)量膨脹、模型復(fù)雜化、實(shí)時(shí)計(jì)算需求，導(dǎo)致這些數(shù)據(jù)基本上都閑置在磁盤等存儲(chǔ)設(shè)備中，無(wú)法體現(xiàn)它們的價(jià)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(duì)地觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，人們獲得測(cè)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(zhǎng)，這給計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)和計(jì)算都帶來(lái)了很大的壓力，當(dāng)數(shù)據(jù)超過(guò)一定的限制時(shí)，普通計(jì)算機(jī)是無(wú)法處理的，這主要是由于單處理器運(yùn)行時(shí)對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行磁盤分頁(yè)和內(nèi)存映射的額外耗費(fèi)造成的。單機(jī)處理是有數(shù)據(jù)量限制的，對(duì)于更大規(guī)模的數(shù)據(jù)，單機(jī)無(wú)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(wèn)題都是具有NP復(fù)雜度的問(wèn)題，同時(shí)，模型和算法都是高計(jì)算復(fù)雜度和海量數(shù)據(jù)計(jì)算兼?zhèn)涞膯?wèn)題［8］。而對(duì)某些復(fù)雜問(wèn)題的求解，即使是精妙地改進(jìn)算法仍然是無(wú)能為力的。因此，在GIS模型分析計(jì)算領(lǐng)域?qū)τ?jì)算能力提出了迫切的需求［9］。

2.3 實(shí)時(shí)計(jì)算的需求

由于實(shí)際應(yīng)用的需要，如天氣預(yù)報(bào)、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(shí)間內(nèi)能夠完成定量數(shù)據(jù)的處理，達(dá)到實(shí)時(shí)或近實(shí)時(shí)的處理能力，這對(duì)于實(shí)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(cè)系統(tǒng)、軍隊(duì)指揮控制系統(tǒng)及公眾地圖服務(wù)中對(duì)出圖效率和響應(yīng)時(shí)間的要求。對(duì)GIS實(shí)時(shí)計(jì)算能力要求是在考慮了數(shù)據(jù)的增長(zhǎng)和模型復(fù)雜化的前提下的不斷提高，因此是一個(gè)很有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。

3 智能城市規(guī)劃管理平臺(tái)設(shè)計(jì)

3.1 平臺(tái)方案設(shè)計(jì)

本文充分發(fā)揮超級(jí)計(jì)算機(jī)海量數(shù)據(jù)管理和高性能計(jì)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(shí)時(shí)計(jì)算等需求。信息處理流程見(jiàn)圖2，平臺(tái)設(shè)計(jì)思路見(jiàn)圖3。針對(duì)當(dāng)前規(guī)劃數(shù)據(jù)海量增長(zhǎng)、復(fù)雜模型計(jì)算效率低下的問(wèn)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(diǎn)文件索引系統(tǒng)進(jìn)行管理；針對(duì)復(fù)雜模型計(jì)算效率低下的問(wèn)題，應(yīng)用MPI并行計(jì)算技術(shù)，在計(jì)算機(jī)集群上面根據(jù)需求運(yùn)行多個(gè)程序?qū)嵗齺?lái)處理各個(gè)子任務(wù)，然后再對(duì)結(jié)果進(jìn)行歸并，實(shí)現(xiàn)了海量空間數(shù)據(jù)的并行地理分析。對(duì)城市規(guī)劃中涉及到的地形地貌、淹沒(méi)、日照、視場(chǎng)分析等數(shù)據(jù)運(yùn)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(tái)設(shè)計(jì)思路

3.2 平臺(tái)功能和技術(shù)指標(biāo)

規(guī)劃管理應(yīng)用平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)基于語(yǔ)義的高效檢索和基于MPI的高性能計(jì)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(shí)現(xiàn)高效、合理、智能的城市規(guī)劃管理和分析功能。

平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的主要技術(shù)指標(biāo)包括：①該平臺(tái)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(yǔ)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(shí)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(duì)整個(gè)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(tái)在廣州超級(jí)計(jì)算中心的實(shí)現(xiàn)

廣州超級(jí)計(jì)算中心是廣州市的科技一號(hào)工程，是助推戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展、支撐國(guó)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(huì)發(fā)展提供強(qiáng)大引擎，為物聯(lián)網(wǎng)、動(dòng)漫渲染、工業(yè)設(shè)計(jì)、城市規(guī)劃、電子商務(wù)、電子政務(wù)等眾多領(lǐng)域的個(gè)人、研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)和政府提供優(yōu)質(zhì)的高性能計(jì)算服務(wù)。有利于提升廣東、廣州的科技教育實(shí)力、產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力、文化創(chuàng)新力和國(guó)際影響力，推動(dòng)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展，提升社會(huì)服務(wù)管理水平。同時(shí)，也為規(guī)劃系統(tǒng)海量數(shù)據(jù)的共享和計(jì)算提供了一條可行途徑［5］。

廣州超算中心超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)從組成結(jié)構(gòu)上看，包括計(jì)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(chǔ)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(jiàn)圖4）。

圖4 超級(jí)計(jì)算中心系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

為了驗(yàn)證規(guī)劃管理平臺(tái)設(shè)計(jì)的可行性，本項(xiàng)目組依據(jù)平臺(tái)的性能需求，在廣州超算中心申請(qǐng)了9個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)（見(jiàn)圖5）。其中，1個(gè)主節(jié)點(diǎn)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(gè)子節(jié)點(diǎn)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(yùn)算功能；并行處理層運(yùn)行在7個(gè)子節(jié)點(diǎn)上，將計(jì)算完成的結(jié)果返回給主節(jié)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)界面，其是對(duì)廣州全市DEM數(shù)據(jù)的并行坡度分析結(jié)果圖，總共運(yùn)行時(shí)間約7s，比串行坡度分析效率提高近5倍。

圖5 平臺(tái)在廣州超級(jí)計(jì)算中心實(shí)現(xiàn)效果圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)城市規(guī)劃中地理信息數(shù)據(jù)量膨脹、模型復(fù)雜化、實(shí)時(shí)計(jì)算的迫切需求，依托超級(jí)計(jì)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(chǔ)、復(fù)雜三維空間數(shù)據(jù)并行計(jì)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(tái)，為建設(shè)“智慧城市”、實(shí)現(xiàn)“三規(guī)合一”統(tǒng)一提供信息技術(shù)支撐，以提高測(cè)繪地理信息服務(wù)政府、服務(wù)社會(huì)的保障能力，最終推動(dòng)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(jì)算成為繼實(shí)驗(yàn)和理論分析之后第三種科學(xué)研究手段后，高性能計(jì)算技術(shù)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)各個(gè)地區(qū)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型期新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)和技術(shù)服務(wù)支撐，國(guó)家級(jí)和省級(jí)的超算中心雨后春筍般競(jìng)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(jì)算方面獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，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(jì)算技術(shù)服務(wù)。

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