超級計算機在城市規劃管理中的應用

邢漢發，李長輝，林 鴻，譚喜成，宋 楊

（1.廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東 廣州510060；2.武漢大學 國際軟件學院，湖北 武漢430079）

城市規劃管理中的地理空間數據分析與處理面臨著數據量高速膨脹、應用模型復雜化的雙重挑戰［1-2］。而超級計算是解決國家經濟建設、社會發展、科學進步、國家安全和國防建設等領域一系列重大挑戰性問題的重要手段，已經成為世界各國特別是大國爭奪的戰略制高點［3-4］。然而當前其巨大的存儲和計算潛力始終未被充分利用，如何應用超級計算機來為工業和科研等領域服務已經成為當前研究的重要課題［5］。為滿足城市規劃和地理信息應用領域對海量地理空間數據存儲、高性能計算和高效可視化的需求，有必要對超級計算機在規劃管理中的應用做系統研究，并提出解決方案。

1 超級計算機簡介

超級計算機是指“當前時代運算速度最快的大容量大型計算機，是計算機領域的珠穆朗瑪峰”［5］。類似稱謂還有高性能計算機、高效能計算機等，是指由成百上千的處理器組成的、能計算普通PC機和服務器不能完成的大型復雜課題的計算機，是運算速度最快、存儲容量最大的計算機，可以廣泛應用于國家高科技領域和尖端技術研究，是國家科技發展水平和綜合國力的重要標志。超級計算機首先是由希穆爾·克雷于20世紀60年代設計并制造，之后超級計算機飛速發展，到今天世界上運行最快的我國自制研發的天河二號，峰值運算達33千萬億次／s，相當于800萬臺普通筆記本電腦同時運算的能力。

目前超級計算機在軍事、高科技領域以及國民經濟建設中發揮著愈來愈大的作用，已廣泛地應用于核武器研究和核材料儲存仿真，應用于如氣象氣候、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、材料設計和模擬、系統科學、人工智能、醫學等基礎科學研究領域，這些領域的研究成果許多將為工業化、產業化提供直接的科技支撐［6-7］。將來隨著超級計算機的發展，其應用會不斷拓展到商業、服務業、政府決策等領域。超級計算機還是云計算主要的支撐平臺之一，伴隨云計算服務的進一步普及，超級計算機將有著更為廣泛的應用。

2 城市規劃管理面臨的新挑戰

經過多年的建設與積累，城市規劃系統所處理的測繪地理信息數據量呈一種加速增長的趨勢，TB乃至PB的數據作為重要的資源已經出現。但由于當前數據高效存儲、查找、共享能力有限，缺乏高效計算模型，難以滿足規劃計算中數據量膨脹、模型復雜化、實時計算需求，導致這些數據基本上都閑置在磁盤等存儲設備中，無法體現它們的價值，使城市規劃系統面臨著挑戰。

2.1 地理信息數據量膨脹

隨著對地觀測技術的發展，人們獲得測繪地理信息的能力大大增強。如圖1所示，城市規劃中的地理信息數據種類和數量急劇增長，這給計算機的存儲和計算都帶來了很大的壓力，當數據超過一定的限制時，普通計算機是無法處理的，這主要是由于單處理器運行時對大數據進行磁盤分頁和內存映射的額外耗費造成的。單機處理是有數據量限制的，對于更大規模的數據，單機無法處理。

圖1 城市規劃中的多尺度數據資源

2.2 應用模型復雜化

大部分的GIS模型都具有內在復雜性，大多空間優化問題都是具有NP復雜度的問題，同時，模型和算法都是高計算復雜度和海量數據計算兼備的問題［8］。而對某些復雜問題的求解，即使是精妙地改進算法仍然是無能為力的。因此，在GIS模型分析計算領域對計算能力提出了迫切的需求［9］。

2.3 實時計算的需求

由于實際應用的需要，如天氣預報、突發事件（火災、地震）的快速反應等，要求GIS系統具備在指定的時間內能夠完成定量數據的處理，達到實時或近實時的處理能力，這對于實際應用有重大的意義。這方面比較典型的例子是城市應急響應系統、災害監測系統、軍隊指揮控制系統及公眾地圖服務中對出圖效率和響應時間的要求。對GIS實時計算能力要求是在考慮了數據的增長和模型復雜化的前提下的不斷提高，因此是一個很有挑戰性的問題。

3 智能城市規劃管理平臺設計

3.1 平臺方案設計

本文充分發揮超級計算機海量數據管理和高性能計算的能力，以滿足規劃管理應用中的GIS數據量膨脹、應用模型復雜化、實時計算等需求。信息處理流程見圖2，平臺設計思路見圖3。針對當前規劃數據海量增長、復雜模型計算效率低下的問題，將集群中的文件切分成塊，并創建多份數據塊的復制，利用多節點文件索引系統進行管理；針對復雜模型計算效率低下的問題，應用MPI并行計算技術，在計算機集群上面根據需求運行多個程序實例來處理各個子任務，然后再對結果進行歸并，實現了海量空間數據的并行地理分析。對城市規劃中涉及到的地形地貌、淹沒、日照、視場分析等數據運算密集型應用進行并行化處理。

圖2 城市規劃中的GIS信息處理流程

圖3 規劃管理應用平臺設計思路

3.2 平臺功能和技術指標

規劃管理應用平臺能夠實現基于語義的高效檢索和基于MPI的高性能計算方法，提高基于多源遙感、三維GIS等空間數據資源的利用效率，從而實現高效、合理、智能的城市規劃管理和分析功能。

平臺實現的主要技術指標包括：①該平臺能夠對20種以上的城市多源異構遙感、GIS數據進行一體化描述和語義標注；②提供海量多源異構城市規劃遙感、GIS數據的描述、檢索、空間分析、規劃分析等5種以上服務；③城市規劃海量空間數據的檢索的查全率達到98%以上，查準率達到99%；④實現基于MPI的大規模城市規劃分析功能，如坡度分析、通視分析、日照分析等功能，對整個城市范圍的大比例尺數據的規劃分析性能提高5倍以上。

4 規劃管理平臺在廣州超級計算中心的實現

廣州超級計算中心是廣州市的科技一號工程，是助推戰略性新興產業發展、支撐國家創新型城市和智慧廣州建設的重大戰略性基礎設施，為廣州、廣東乃至華南地區的經濟社會發展提供強大引擎，為物聯網、動漫渲染、工業設計、城市規劃、電子商務、電子政務等眾多領域的個人、研究機構、企業和政府提供優質的高性能計算服務。有利于提升廣東、廣州的科技教育實力、產業競爭力、文化創新力和國際影響力，推動戰略性新興產業發展，提升社會服務管理水平。同時，也為規劃系統海量數據的共享和計算提供了一條可行途徑［5］。

廣州超算中心超級計算機系統從組成結構上看，包括計算處理分系統、服務處理分系統、互連通信分系統、全局存儲分系統、監控診斷分系統和基礎架構分系統（見圖4）。

圖4 超級計算中心系統組成結構

為了驗證規劃管理平臺設計的可行性，本項目組依據平臺的性能需求，在廣州超算中心申請了9個計算節點（見圖5）。其中，1個主節點部署系統的應用層，負責系統的用戶界面顯示和規劃應用功能展示；1個子節點部署任務調度層，負責并行處理的作業調度，調用并行運算功能；并行處理層運行在7個子節點上，將計算完成的結果返回給主節點歸并。圖5是“廣州市三維規劃管理系統”在廣州超算中心先導系統上的系統實現界面，其是對廣州全市DEM數據的并行坡度分析結果圖，總共運行時間約7s，比串行坡度分析效率提高近5倍。

圖5 平臺在廣州超級計算中心實現效果圖

5 結束語

本文針對城市規劃中地理信息數據量膨脹、模型復雜化、實時計算的迫切需求，依托超級計算機海量數據管理和處理能力，突破海量GIS數據高效存儲、復雜三維空間數據并行計算等技術難題，構建城市規劃管理與應用智能平臺，為建設“智慧城市”、實現“三規合一”統一提供信息技術支撐，以提高測繪地理信息服務政府、服務社會的保障能力，最終推動地理信息戰略型新興產業持續、健康、快速發展。

隨著大規模科學計算成為繼實驗和理論分析之后第三種科學研究手段后，高性能計算技術已經成為國內各個地區經濟轉型期新的經濟增長點和技術服務支撐，國家級和省級的超算中心雨后春筍般競相成立。廣州市正處于經濟發展的轉型期，要充分利用廣州超算中心在高性能計算方面獨特的優勢，為以生物、地球科學、物聯網等為代表的各類新興產業提供優質的高性能計算技術服務。

［1］冉磊，高磊，張宇琳，等.三維數字城市技術在城市規劃中的應用［J］.城市勘測，2010（2）：99-101.

［2］劉勤，馬建林，趙江波.GIS在城市規劃管理信息系統中的應用［J］.城市勘測，2010（3）：20-22.

［3］王握文，陳明.“天河一號”超級計算機系統研制［J］.國防科技，2009（6）：4.

［4］張丹丹，郭培卿.第39屆全球超級計算機TOP500排行榜［J］.高性能計算發展與應用，2012，39（2）：06-08.

［5］張軍華，臧勝濤，單聯瑜，等.高性能計算的發展現狀及趨勢［J］.石油地球物理勘探，2010，45（6）：918-925.

［6］劉航冶，李二森，張振華.基于集群的影像并行OPTA算法研究［J］.測繪工程，2011，20（2）：35-38.

［7］王結臣，王豹，胡瑋，等.并行空間分析算法研究進展及評述［J］.地理與地理信息科學.2011，27（6）：1-5.

［8］張劍清，柯濤，孫明偉，等.并行計算在航空攝影測量中的應用與實現［J］.測繪通報，2008（12）：11-14.

［9］吳佳妮，劉露，陳犖，等.高性能計算環境下地理計算服務流程并行處理方法［J］.計算機科學，2012，39（11）：111-115.

［10］姚燕華，孫翔，王朝暉，等.廣州市控制性規劃導則實施評價研究［J］.城市規劃，2008（2）：38-44.

［11］周浩，鐘波，羅志才，等.OpenMP并行算法在衛星重力場模型反演中的應用［J］.大地測量與地球動力學，2011，31（5）：123-127.