楊逍 黃文濤 李家祺 譚洪宇 張文 張宇思 汪濤

關(guān)鍵詞：國產(chǎn)計算；數(shù)值分析；工程應(yīng)用；課程設(shè)計；教學(xué)實踐

能源電力、交通運輸、國防建設(shè)等基礎(chǔ)行業(yè)關(guān)系著國計民生，這些行業(yè)常須依賴計算平臺與專業(yè)仿真工具，來監(jiān)督評估日常系統(tǒng)狀態(tài)、設(shè)計經(jīng)濟可靠的運維方案。而現(xiàn)有仿真工具主要是由歐美發(fā)達國家開發(fā)的商業(yè)閉源軟件，且近年來國際形勢復(fù)雜多變，我國也時刻面臨斷供、禁售核心軟硬件與技術(shù)的風(fēng)險。為此，響應(yīng)國家發(fā)展戰(zhàn)略，聚焦基礎(chǔ)行業(yè)仿真需求及安全考量，借助國產(chǎn)計算開放環(huán)境，從數(shù)值計算等核心仿真技術(shù)人手，本文設(shè)計在線課程與實踐任務(wù)，發(fā)掘吸引更多潛在用戶，培養(yǎng)面向國產(chǎn)計算的人才隊伍，加強國產(chǎn)計算生態(tài)建設(shè)。

1國產(chǎn)計算發(fā)展現(xiàn)狀與特點

1.1基礎(chǔ)行業(yè)發(fā)展需求

能源電力、交通運輸、國防建設(shè)等基礎(chǔ)行業(yè)時刻影響著居民生活、經(jīng)濟生產(chǎn)、社會穩(wěn)定等，是關(guān)系到國計民生的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)和公用事業(yè)，而這些行業(yè)須依賴相關(guān)計算平臺和專業(yè)仿真工具完成日常系統(tǒng)分析與控制決策。以電力行業(yè)為例，電力安全、穩(wěn)定和充足供應(yīng)是國民經(jīng)濟全面協(xié)調(diào)且可持續(xù)發(fā)展的重要保障，事關(guān)經(jīng)濟發(fā)展和國家安全。在安全可靠的計算平臺上，結(jié)合前沿、高效的仿真技術(shù)，有效地開展電力系統(tǒng)仿真分析、及時掌握系統(tǒng)狀態(tài)、設(shè)計優(yōu)化系統(tǒng)控制與調(diào)度策略等，是保障電力系統(tǒng)經(jīng)濟安全運行的重要途徑之一[1]。目前，主流電力系統(tǒng)仿真工具主要有美國EPRI開發(fā)的PSAPAC，加拿大曼尼托巴水電局開發(fā)的PSCAD/EMTDC，美國PTI推出的PSS/E，主要面向研究者的Matpower和PSAT等MATLAB工具包，以及國產(chǎn)仿真軟件PSASP，PSModel、仿真裝置ADPSS等。上述多是由國外開發(fā)的商業(yè)閉源軟件，而且它們主要適用于“Windows+lntel”和“Linux+x86”等傳統(tǒng)組合的國外商用計算平臺。這些計算平臺的核心部件與仿真技術(shù)面臨斷供和禁售的風(fēng)險，因此，我們迫切需要發(fā)展自主可控的國產(chǎn)化計算平臺與仿真工具。

1.2國產(chǎn)計算生態(tài)贏弱

現(xiàn)階段，國產(chǎn)計算平臺主要由鯤鵬、飛騰等系列國產(chǎn)處理器以及麒麟、openEuler等國產(chǎn)操作系統(tǒng)搭建。一般而言，計算平臺生態(tài)成熟和健全的主要標(biāo)志是在該平臺上有豐富的開發(fā)及應(yīng)用軟件。不過，目前國產(chǎn)計算平臺軟件種類與數(shù)量有限，而且如上文所述，關(guān)鍵基礎(chǔ)行業(yè)所需的仿真工具普遍不能直接在國產(chǎn)計算平臺上高效運行。為此，亟須面向國產(chǎn)計算針對關(guān)鍵基礎(chǔ)行業(yè)研發(fā)相關(guān)工具。值得注意的是，為達成以上目標(biāo)，其重要環(huán)節(jié)之一在于培養(yǎng)面向國產(chǎn)計算及相關(guān)基礎(chǔ)行業(yè)仿真技術(shù)與工具的開發(fā)者以及使用者群體，尤其是掌握數(shù)值計算專業(yè)知識以及具備仿真核心算法庫設(shè)計能力的研究人員。但目前該群體及相關(guān)人才隊伍尚未形成規(guī)模，這將阻礙國產(chǎn)計算和自主可控工業(yè)仿真等領(lǐng)域的長足健康發(fā)展。所以，在研發(fā)國產(chǎn)仿真工具的過程中，除關(guān)注軟件開發(fā)本身之外，也亟須培養(yǎng)并壯大面向國產(chǎn)計算及基礎(chǔ)行業(yè)仿真需求的人才隊伍?？紤]到目前國產(chǎn)計算缺乏系統(tǒng)性的培訓(xùn)資料、課程、實踐機會等，本文結(jié)合數(shù)值計算及工程應(yīng)用來設(shè)置在線課程與實踐方案。

2課程教學(xué)總體設(shè)計

2.1教學(xué)目的與課程設(shè)計思路

本課程的主要目的是引導(dǎo)國產(chǎn)計算平臺的潛在開發(fā)者和應(yīng)用者，讓他們熟悉并使用國產(chǎn)計算平臺，提升嘗試國產(chǎn)計算平臺的興趣，進而在國產(chǎn)計算平臺上開展相應(yīng)開發(fā)與研究工作。具體而言，本課程以擁有基礎(chǔ)程序設(shè)計經(jīng)驗的學(xué)員為目標(biāo)群體，讓他們了解國產(chǎn)計算平臺與傳統(tǒng)“Windows+lntel”和“Linux+x86”等組合的國外商用計算平臺之間的差異，熟悉國產(chǎn)計算平臺資源的獲取途徑與步驟，掌握在國產(chǎn)計算平臺上搭建與配置開發(fā)環(huán)境的方法，利用國產(chǎn)計算平臺開展數(shù)值計算．工程應(yīng)用等實戰(zhàn)項目，且對國產(chǎn)計算平臺與傳統(tǒng)計算平臺的優(yōu)劣表現(xiàn)有基本認(rèn)識。為實現(xiàn)這些目的，首先，該課程通過網(wǎng)絡(luò)公開課、線上直播等方式，介紹我國國產(chǎn)計算平臺軟硬件發(fā)展現(xiàn)狀和基礎(chǔ)知識。通過可操作的具體步驟，介紹獲取國產(chǎn)計算資源的途徑，在國產(chǎn)計算平臺上搭建與配置開發(fā)環(huán)境，完成機器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)分析、科學(xué)計算（電力仿真）等實戰(zhàn)任務(wù)。其次，該課程也提供面向公眾開放的國產(chǎn)計算資源和豐富的學(xué)習(xí)資料，在掌握理論知識的基礎(chǔ)上，學(xué)員可以根據(jù)指導(dǎo)手冊在國產(chǎn)計算平臺上進行項目實踐。通過實踐環(huán)節(jié)，學(xué)員可以動手嘗試國產(chǎn)計算平臺和獨立開發(fā)，比較且反饋國產(chǎn)計算平臺與常見商用平臺的使用體驗，強化對國產(chǎn)計算的認(rèn)識和理解。課程設(shè)計與實踐的組織結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2課程教學(xué)的主要內(nèi)容

課程教學(xué)內(nèi)容主要包括四部分：一是現(xiàn)狀簡介，包括介紹我國國產(chǎn)計算生態(tài)發(fā)展現(xiàn)狀和基礎(chǔ)知識、面向公眾開放的國產(chǎn)計算資源信息、以及國產(chǎn)計算資源的詳細申請步驟；二是Octave適配及應(yīng)用案例展示，包括介紹Octave計算環(huán)境及其在國產(chǎn)計算平臺上的適配過程，以及機器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)分析等相關(guān)工具包的移植方案，進而在國產(chǎn)計算平臺上展示服務(wù)器異常檢測、垃圾郵件分類、手寫數(shù)字識別等應(yīng)用案例的實現(xiàn)過程和效果：三是Python適配及深度學(xué)習(xí)案例展示，包括介紹Python計算環(huán)境及其在國產(chǎn)計算平臺上的適配過程，介紹深度學(xué)習(xí)常用工具PyTorch等的移植方案，進而在國產(chǎn)計算平臺上構(gòu)建和訓(xùn)練深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)、展示手寫數(shù)字識別以及動物圖像識別等應(yīng)用案例的實現(xiàn)過程與效果；四是電力系統(tǒng)仿真計算，包括介紹在國產(chǎn)計算平臺上實現(xiàn)潮流計算、靜態(tài)電壓穩(wěn)定、最優(yōu)潮流、暫態(tài)穩(wěn)定等電力系統(tǒng)仿真基本任務(wù)所須的計算方法，對標(biāo)MATLAB等常用計算環(huán)境，詳述開源且易學(xué)易用的“Octave+Matpower”“Python+PyPower”等組合的仿真環(huán)境搭建方案，高效完成上至數(shù)萬節(jié)點的大規(guī)模系統(tǒng)仿真分析任務(wù)。課程安排細節(jié)如圖2所示。

3課程教學(xué)實踐設(shè)計

3.1教學(xué)實踐的意義

教學(xué)實踐是本課程設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，首先，根據(jù)以往教學(xué)經(jīng)驗，如果僅是講述理論知識或由教師進行實踐示范，學(xué)員很難牢固掌握且融會貫通教學(xué)內(nèi)容，也難以充分調(diào)動學(xué)員的學(xué)習(xí)熱情，這與真正掌握、熟練使用國產(chǎn)計算平臺的培養(yǎng)目標(biāo)尚有距離[2]；其次，國產(chǎn)計算平臺不同于生態(tài)成熟且豐富的傳統(tǒng)計算平臺，現(xiàn)階段學(xué)員對國產(chǎn)計算平臺的具體適用場景了解有限，需要通過實踐環(huán)節(jié)引導(dǎo)學(xué)員加深對國產(chǎn)計算的認(rèn)識。

3.2課程實踐配套方案

盡管學(xué)員通過學(xué)習(xí)在線課程對國產(chǎn)計算已有基本了解，但是在短暫的課程教學(xué)期間內(nèi)，通常難以培養(yǎng)學(xué)員對國產(chǎn)計算的使用意愿以及在國產(chǎn)計算平臺上開展基礎(chǔ)行業(yè)仿真技術(shù)與工具研發(fā)的興趣。因此，需要設(shè)計貼合學(xué)員共性需求的實踐方案，幫助學(xué)員快速上手國產(chǎn)計算平臺。為此，課程將國產(chǎn)計算培訓(xùn)內(nèi)容作為思政元素，與“數(shù)值計算方法”“數(shù)值分析”等本科生專業(yè)必修課的線下課堂教學(xué)進行深度融合，要求學(xué)員在系統(tǒng)地學(xué)習(xí)相關(guān)教學(xué)內(nèi)容后，在國產(chǎn)計算平臺上搭建計算環(huán)境、完成課程大作業(yè)等項目實踐任務(wù)，整理實踐報告且提供反饋建議，從而達到強化學(xué)員實踐能力、提高學(xué)員對國產(chǎn)計算平臺認(rèn)識的目標(biāo)。線上教學(xué)資源如圖3所示。學(xué)生作業(yè)展示及意見反饋如圖4所示。

3.2.1課程實踐配套方案

目前，國產(chǎn)計算平臺還未在公眾中普及使用，學(xué)員也難自費獲取符合要求的國產(chǎn)計算軟硬件資源。為此，本課程與深圳鵬城實驗室合作，向公眾免費提供云計算資源：同日寸，本文詳細介紹了在鵬城生態(tài)門戶一開發(fā)者云申請計算資源的流程：在該云平臺申請計算資源且經(jīng)審核通過后，即可在云主機列表界面查看獲批的計算資源信息，通過遠程終端訪問計算資源。根據(jù)課程指引，學(xué)員自行在云平臺申請計算資源且為后續(xù)實踐環(huán)節(jié)做好準(zhǔn)備。

3.2.2數(shù)值計算實踐環(huán)節(jié)設(shè)計

為使國產(chǎn)計算相關(guān)培訓(xùn)更加貼近學(xué)員日常關(guān)注內(nèi)容，幫助學(xué)員增強實踐能力，了解分析國產(chǎn)計算平臺與常見商用計算平臺（如蘋果、戴爾、惠普、聯(lián)想等個人電腦品牌）之間的優(yōu)劣，本課程與“數(shù)值計算方法”“數(shù)值分析”等專業(yè)必修課的課堂教學(xué)活動融合，設(shè)計課程大作業(yè)等任務(wù)，要求學(xué)員在國產(chǎn)平臺與商用平臺上分別完成插值逼近、數(shù)值積分、線性方程求解等專題的數(shù)值分析實踐任務(wù)。具體而言，要求學(xué)員在國產(chǎn)與商用平臺上分別編程，實現(xiàn)樣條插值、高斯積分、牛頓迭代等數(shù)值計算方法，在不同平臺上統(tǒng)計結(jié)果精度、計算耗時等評價指標(biāo)的表現(xiàn)，分析相同算法在不同計算平臺上的性能差異與原因，完成課程報告，并且針對國產(chǎn)計算平臺提供使用感受與反饋建議。此環(huán)節(jié)也是后續(xù)相關(guān)基礎(chǔ)行業(yè)仿真技術(shù)與工具（特別是涉及仿真核心算法庫）分析及研發(fā)的基礎(chǔ)。

3.2.3工程應(yīng)用實踐環(huán)節(jié)設(shè)計

為方便展示國產(chǎn)計算平臺的適用場景且強化學(xué)員實際操作能力，已面向國產(chǎn)計算設(shè)計以下實踐環(huán)節(jié)，從而幫助學(xué)員加深對國產(chǎn)計算的認(rèn)識與理解，培養(yǎng)學(xué)員實際操作能力和在國產(chǎn)計算平臺上從事相關(guān)基礎(chǔ)行業(yè)仿真技術(shù)及工具研發(fā)的興趣。

（1） Octave與SK-learn機器學(xué)習(xí)實踐環(huán)節(jié)：指導(dǎo)學(xué)員遠程訪問所申請的國產(chǎn)計算資源，安裝Octave計算環(huán)境和SK-learn工具包等，且使用Octave完成房價預(yù)測、芯片適應(yīng)性檢測、檢測過載服務(wù)器、手寫數(shù)字識別等有監(jiān)督學(xué)習(xí)、無監(jiān)督學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多項實踐任務(wù)；使用SK-learn工具包完成文本文檔分類、人臉數(shù)據(jù)集分解等機器學(xué)習(xí)實踐任務(wù)。

（2） Python深度學(xué)習(xí)實踐環(huán)節(jié)：指導(dǎo)學(xué)員訪問上述國產(chǎn)計算資源，安裝Pytorch工具包且進行Minist手寫數(shù)字識別、貓狗圖像識別等任務(wù)實踐：利用Matplotlib工具包實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化。

（3） Matpower電力系統(tǒng)仿真實踐環(huán)節(jié)：指導(dǎo)學(xué)員訪問國產(chǎn)計算資源；安裝Matpower工具包且利用它完成求解潮流問題、連續(xù)潮流計算、最優(yōu)潮流等電力系統(tǒng)仿真任務(wù)。

（4） Pypower電力系統(tǒng)仿真實踐環(huán)節(jié)：指導(dǎo)學(xué)員在國產(chǎn)計算平臺上安裝PyPower工具包，完成暫態(tài)穩(wěn)定評估等仿真實踐任務(wù)并繪制仿真結(jié)果。

4結(jié)束語

國內(nèi)外形勢正經(jīng)歷巨大變化，我國迫切需要發(fā)展自主可控的國產(chǎn)計算生態(tài)、培育并壯大開發(fā)者與應(yīng)用者群體。如今，相關(guān)課程內(nèi)容已通過“超算習(xí)堂”等在線學(xué)習(xí)平臺[3]免費向公眾開放，大大降低了學(xué)員獲取國產(chǎn)計算相關(guān)知識與技能的門檻，并開展多種線上線下培訓(xùn)活動，完成超8000人次的培訓(xùn)記錄；本課程也已在嗶哩嗶哩（Bilibili）等在線分享平臺公開相關(guān)教學(xué)視頻，播放量超24000人次。此外，經(jīng)過兩年多與線下課堂教學(xué)融合的實踐活動，已收集課程項目總結(jié)和反饋建議報告超160余頁。下一步，根據(jù)國產(chǎn)計算發(fā)展需求，課程內(nèi)容及推廣活動將不斷迭代優(yōu)化、抱薪拾柴，為持續(xù)建設(shè)國產(chǎn)計算生態(tài)貢獻一份力量。