Information Technology Letter May 2012 百亿亿级计算机遇与挑战1
翻译:田荣黎雷生王迎瑞任江勇王朝尉伍泽东靳庆贺
主题摘要
本调查报告是美国先进计算咨询委员会(ASCAC:Advanced Scientific Computing Advisory Committee)E2级计算专委会在研讨会报告和专家讨论的基础上形成的。报告认为:E级计算在建模、模拟、预测和控制方面的能力可为美国能源、国家安全、环境、经济和基础科学问题提供变革性进步的愿景;虽然在通往E级的道路上必然涉及诸多挑战,但是未来获益几乎一定将远远超过投入。
调查结论:走向E级是义不容辞的使命和科学进步的良机
有越来越多的科学问题不可能进行物理实验或者实验极其危险、昂贵。极大规模(extremes-scale)计算使我们能够实现很多具有更准确预测模型的解决方案和分析大量数据,将推动能源部(DOE)和科学办公室下属的相关科学和技术领域产生巨大的跃变。例如,E级计算可以推动以下领域的发展:
应对区域气候变化,如,海平面上升、干旱与洪水以及极端天气;
减少交通运输部门的碳排放;
提高核能部门的能效和安全性;
促进低成本的可再生能源资源,如电池、催化剂和生物燃料的创新设计;
推动美国核武库寿命延长计划和定向储备的验证;
进行先进实验设施,如加速器、磁性和惯性约束聚变的设计;
深入理解核裂变和核聚变反应性质的第一原理;
开展人类大脑的逆向工程;
实现先进材料的设计、控制和制造。
模拟仿真能力所具有的前所未有的速度和保真度(fedility),将使公司加快新产品的研发,推动创造力的发展,从而使美国的经济竞争力得到显著增强。一个重要的效果是继续保持美国在基础信息技术产业所有层次(从笔记本电脑到E级系统)的国际领导地位。
调查结论:走向E级将遇到诸多不可避免的科技挑战
计算架构的每一次重大变化都会导致剧烈的、出人意料的变革。迁移到E级也不会例外。对于硬件,至少在未来的十年,硅的特征尺寸几乎肯定会继续以摩尔定律的速度减小。为在高端计算系统和消费电子领域保持性能有效,计算机芯片必须以激进的方式进行改变,例如需要含有比当前数量多100倍的处理单元。三个需要应对的挑战是:
降低功耗需求。基于目前的技术,今天的系统扩展到E级规模消耗功率将超过千
1译自https://www.wendangku.net/doc/9a7300263.html,/~/media/ascr/ascac/pdf/reports/Exascale_subcommittee_report.pdf
2 Exascale, 1018(百万万亿)
兆瓦(gigawatt),相当于胡佛水坝的发电总量。未来硬件和软件技术的一个挑战是
将功耗需求至少降低到目前的1/100。
应对运行时错误。今天的系统大约有50万个处理单元。到2020年,由于受设计和功耗的制约,时钟频率不太可能改变。这意味着一个E级性能的系统将由约10亿
个处理单元组成。这样导致的直接结果便是错误频率增加(可能是1000倍的增加)。
及时识别和改正错误变得更加困难。
利用大规模并行。为了有效发挥前所未有的并发水平,数学模型、数值方法和软件实现,无论概念还是编程都需要全新的模式。
调查结论:E级计算的收益远超投入
由于计算机应用(程序)重新设计的必要性,伴随而来的机会便是在应用程序中包含新的预言能力(predictive)和分析能力。(在数值模拟中)考虑这些能力将是促进所有数学模型发展的理想驱动力。以下两种数值模拟能力事关根本性的进步,值得重点关注:(1)每个应用程序内嵌复杂的不确定性量化(Uncertainty Quantification,UQ),为计算预报和预言的总体精度提供评价;(2)应用程序框架设计一开始就针对“多尺度”,如从分子级到星球级。同时考虑(1)和(2)两个跨领域技术将代表数值模拟内在特性的长期梦寐以求但从为实现过的重大进步。
E级计算对美国工业的竞争力将有广泛和积极的影响。如前所述,由于各种规模的计算都面临性能和编程的问题,因此,E级技术的突破将会影响从笔记本电脑级到E级系统的领导地位。根据过去高性能计算的经验,高科技行业如交通运输、航空航天、核能和石油,特别是那些可以通过多尺度精确表述的应用和技术,会迅速获得E级的应用和技术。对于可再生能源和材料设计(material by design)等新行业,E级的科学突破也可能带来指数级的增长。
调查结论:E级计算系列研讨报告为实施E级计划提供了综合对策
E级计划高层实施战略将几个应用中心集中起来,通过应用数学和计算机科学两方面的共同努力,架起应用需求和系统设计之间的桥梁,集中开发某个特定任务或科学应用领域的新能力。同时,与国家实验室—工业界的协作团体一道,开发所有E级系统的通用配套技术,来共同完成必需的研究、开发、交付和运营。
最后,报告建议实施“协同设计(co-design)”的创新战略。在过去,最适合计算任务、代表技术进步的机器是采购的3。然而,在未来十年,随着应用程序的重新设计和重新搭建,编程语言和编程工具将发生巨大变化,计算机系统结构本身也因此将随之发生变革(transformed)。在许多情况下,E级计算的有效实现将更加依赖于应用、软件和硬件之间的协同设计。
建议:能源部尽早实施E级计划,继续引领极大规模计算应用,满足国家的重要需求
ASCAC E级计算小组委员会郑重建议能源部迅速着手实施E级计划。E级计算在引导国家经济、安全和整个社会的变革性进步等方面,起着独一无二的作用。如不正确、及时应对,美国就有失去在信息技术、工业基础和前沿科学方面的竞争力的危险。
1前言
3译者注:意为过去机器的研制是通用的、与应用独立的
Information Technology Letter May 2012
ASCAC(美国先进计算咨询委员会)E级计算专委会的报告旨在涵盖“走向E级”所涉及的主要问题,指导和说明进行或停止高性能计算的这一方向所伴随的风险。“走向E级”意味着计算架构的彻底改变(简单地讲,就是将并行性大幅提高到数以百万个处理器的水平)这将驱使几方面发生根本性的变化:硬件设计(最起码要受到能耗预算方面的限制)、科学问题解决的方式(如应用程序代码)、以及应用程序代码和底层硬件的结合(如编译器、读写(I/O)、中间件以及相关的软件工具)。要理解走向E级能获得的收益,要评估走这条道路所涉及的风险,我们需要总结过去从M(megaflop)4级时代迁移到现在的P5级时代的经验,并评估可以发挥E级计算优势的高级应用的成熟状况。本报告以某种比也是由能源部资助的、学科导向的、非常详尽的“大挑战”报告更概括的方式讨论了以上问题,该报告也是我们讨论的基础。
正如本报告下面详细描述的,“走向E级”是具有挑战的探索。但也就如我们要解释的,这一步正是保持美国在全球范围内高科技领导者地位的关键。切实推动E级计算实现的努力面临的巨大的内在挑战,需要大力投入。因此,我们必须要确保这些投资的回报是与投入相称的。本报告的结构和内容紧紧围绕E级计算的风险和收益进行论述。报告的核心内容由四部分组成,分别回答E级计算的4个核心疑问:
为什么走向E级计算?E级计算的核心原则将在第2章详细说明,即展现模拟仿真在科学和工程中角色变革的前景,使计算成为真正的“基于科学的预言(science-
based predictive)”学科。我们论述E级计算在阐明一个复杂系统是如何工作时可
以发挥的作用,对于人工复杂系统则是如何优化以改进其性能。E级计算对于推动
模拟仿真向“基于科学的预言科学(science-based predictive science)”转变的影响
是变革模拟仿真这一学科、变革模拟仿真与工业界/生产实践之间关系的关键因素。
历史教给我们什么?第3章着重于考察过去模拟仿真对于特定的科学和工程学科的影响。在模拟仿真从20世纪70年代末的M级计算时代开始发展,演进到当今
的P级计算,人们的一个期盼是在硬件和软件的持续投资应当通过应用领域的进步
得到回报;我们将选择一些作为美国高科技健康晴雨表的学科,分别予以讨论。
哪些重要的应用可以发生变革?第4章讨论E级计算对选定的一组关键的科学与工程学科可能产生的影响。我们并不是穷尽所有学科,而是集中关注E级计算会
用什么方法变革这些应用领域的学科发展,然后瞄准那些历来被视为美国高科技行
业代表的学科。正是这些科学和工程领域的变革,将成为E级计算投资的最重要
回报。这个变革就是使“基于科学的预言性模拟仿真(science-based predictive modeling and simulation )”成为这些领域研究和工程的基本模式。
必须克服的计算/技术挑战是什么?第5章详细讨论E级计算实际面临的各种挑战。
这些挑战既来自硬件,也来自软件,这些挑战将可能促使我们在研制和使用高性能
计算机方式上的革命性变化。挑战十分复杂、相互关联。需要新的方法论促进不同
学科(从计算机工程到应用数学和计算机科学,以及最终的应用)在保持它们各自
的研究进度的同时又相互交叉协作。我们强调我们将需要开发和部署“协同设计
(co-design)”的方法论,以“耦合”和“迭代”的方式设计硬件、算法、编程模
型和软件工具。
2为什么走向E级?
4每秒钟百万次(106)浮点运算
5每秒钟千万亿(1015)次运算
最明显的问题,也是真正关键的问题:为什么走向E级?这个问题绝不是简单地为发展前沿计算机技术的投资提供一个理由,而是基于下面的深刻事实:从目前的P级计算过度到E级涉及的全线投资(从硬件到基本算法、编程模型、编译器和应用程序代码)大大超过了以往伴随计算机体系结构演化所需的投资水平。也就是说,我们认识到:国家从这种计算模式的变化中所获取的价值,必须要能够与发展这种计算模式的投入相平衡。报告将论证这一点。论述分两步,首先是对目前计算技术前沿的一般性论述(与专业领域无关),然后集中用几个学科为例深入说明。
2.1是技术变革而不是技术演化
为下一代计算技术进行大量投资是否值得?首先,我们要给出判断这一点的论据。一般情况下,可以把最前沿的计算问题分为三大类:
增量式进步的计算6(incrementally advanced computing)。传统科学计算中,很多计算问题的特点是计算能力的进步和这种进步带来的收益之间是温和关联(benign
connection)的:通俗地讲,这种问题的特点是,计算改进一点,结果也相应更好
一点。有时,这种进步很重要,如它使计算的可预见性更加稳健,但这种进步很少
变革一个学科。
“无底洞式”的计算7(V oracious computing)。在某些计算科学领域,目前还没有经验能证明计算能力的增加一定会带来认知的增长(即使是以渐进的方式)。典型
的例子是均匀各向同性不可压缩湍流:即使可以达到粘稠子区间(viscous subrange)的分辨率,目前还无法证明更大的计算域(意为更高的空间和时间分辨率)会让我
们更好地理解湍流的基本物理原理。因此,这些问题是无底洞式的(voracious),
即对于任何给定的计算,我们无法凭借经验或理论确定它所需要的计算资源上限。
变革性的计算(Transformational computing)。在某些情况下,计算问题具有如下特点:充分大的计算可以完全解决计算问题,其中“充分大”的确切含义必须是可以
提前定量的。有限域(如茶杯或喷气发动机的燃烧室)内的湍流就是这一类问题:
“充分大”的计算能够完全解决问题。如果计算符合这样的条件:较小的计算能力
不能解决根本问题,但足够大的计算能力可以彻底解决问题,那么这种计算就定义
为变革性的计算。
这种论证的本质是:只有证明了重要的学科领域为“E级计算可变革的”,才能证明相应的E级计算的投入是合理的。下面我们说明E级计算可以让这种变革成为可能,而且这种变革触及多个学科领域。
2.2复杂性挑战
计算物理和工程的最前沿在于高保真模拟真实世界系统所带来的挑战,即真正地把“计算科学(computational science)”转变成完全的“预言科学(predictive science)”。真实世界系统通常由多个相互作用的物理过程组成(“多物理”)。这种相互作用发生在范围广泛的时间和空间尺度上。在P级时代,我们刚刚开始进行这种(多物理的)全耦合计算(例如,耦合辐射和物质流)但这些往往受限于问题本身的空间和时间的动态范围。“直接数值模拟(direct numerical simulation,DNS)”尤其如此,所谓直接数值模拟就是在模拟过程不对任何物理过程进行参数化。
我们不仅可以期待E级计算的复杂性(或物理保真度)大大超出目前的可计算范围,6译者注:基于唯象模型的计算机数值模拟属于这一类
7译者注:这一类计算的根本特点是基本的物理还不清楚
Information Technology Letter May 2012 而且E计算可能会影响向“预言(predictive)科学和工程计算”的转变。这便是利用现代不确定性量化(UQ)方法来量化E级计算的适用范围。不确定性量化方法在过去十几年中一直在发展,但应用相对较少。其原因就在于不确定性量化所需的计算资源大大超过了现有计算机的能力(因此,对于今天那些勉强可进行的(确定性)计算而言,可靠的不确定性量化分析是完全不可能实现的)。
最后,有人也许会问,在从二十世纪八十年代的M级时代迁移到当前的P级时代的时候,是否有过具体的例子发生过上面提及的这种变革。本章节暂不做深入讨论(更详细的内容可以在下面第3章和第4章中找到)。然而作为学科导向讨论的一部分,下面会针对几个不同的学科领域,略举一些已经发生过的这种变革的例子。
2.2.1航空航天、飞机机身和喷气涡轮机
波音、通用电气和普惠等公司历来紧随计算技术的发展趋势,使用降阶计算工程设计工具实现高保真数值模拟。其结果是,我们今天看到了诸如“数值风洞”的计算手段,并削减了大多数旨在进行全规模或半规模模型探索的低马赫数风洞的使用。虽然风洞实验,特别是大马赫数风洞实验仍旧在进行,以用于程序代码开发、模型开发和验证,但航空工业界已经看到减少对这类物理实验依赖带来的成本节约。如果结合现代的不确定性量化(UQ)方法,我们可以期待更进一步的成本节约(实验价格昂贵,但需求越来越低)和设计周期改进(由于模拟比实验进行得更迅速)。航空工业过去二十年的历史数据是这种进展的极好证明:伴随着硬件从串行M级机器到今天的大规模并行P级系统的演变,飞机制造公司如波音的高保真和降阶工程程序代码均同时得到改进。(更详细内容请参阅后面关于工业界高性能计算的讨论。)
2.2.2天体物理学
计算天体物理学至少有三个不同领域的变革计算正在酝酿之中:早期宇宙结构形成的N 体(N-body)/流体动力学/辐射传输耦合程序代码、Ia型(热核)和II型(坍缩)超新星建模、磁发电机理论。根据我们在P级机器上的计算经验,我们有相当的信心在所有这三个领域中做出预言性的数值模拟,直接与观测数据相比对,从而明确地确认(或推翻)现存的理论模型。事实上,在过去十年中的N体计算领域,我们直接见证了数值模拟的变革力量:通过对N体模拟结果与遥远星系、类星体的大规模天文调查结果的直接比对,完成对所有种类宇宙模型的筛查检验。
2.2.3生物和医药系统
在生物学上,从原子、基因和细胞到生态系统的多尺度建模的挑战已经超越了目前的P 级计算系统的能力。例如,系统生物学,一种理解细胞系统及其相关基因和生化途径的计算方法,就是旨在通过对细胞生长、代谢、运动和传感过程的准确描述,将细胞作为空间上延展的力学和化学系统进行数值模拟。这种模拟仿真只是提供每个过程的局部观测,并未考虑形态间和尺度间的相互作用。因此,需要E级计算和新的模拟管理工具来表征多种不同宏观子系统以及推动生物建模的多尺度方法的使用。
2.2.4气候和天气
气候变化研究的核心是尽可能准确地将地球系统的观察与理论相结合进行建模。在过去的三十多年中,这些模型在关键过程的理解和时空分辨率上取得了相当大的进步。受益于计算机科学和气候科学的最新进展,科学界目前正在开发地球系统模型(ESM),它可以模拟气候系统中物理、化学和生物地球化学的协同演化。这些模型能够预测人为污染物和地表改
变是如何与天然的化学生态过程相互作用的。地球系统模型考虑物理的气候变化、化学的氧化剂循环和生物地球化学的碳循环带来的主要影响。一个重要的科学挑战是陆地和海洋生态系统与其余的地球系统模型的整合。
根据政府间气候变化委员会(IPCC)在1990年和2007年发表的第一次和第四次评估报告,气候和数值天气预报(NWP)模型的空间分辨率已经提升了4到5倍。一些研究小组在0.1度的“涡流分辨率”尺度上运行海洋模拟,这种分辨率足以刻画上层海水、邻近大陆和大气天气系统(如飓风)之间的相互作用。全耦合模型能够在25公里的尺度上模拟气候——这一分辨率相当于美国一个县的平均大小。
2.2.5燃烧学
从往复式发动机到涡轮机,燃烧过程的实验和模拟的紧密结合已经对燃烧发动机的效率产生了重大影响。通过高保真的直接数值模拟或降阶工程计算,在飞机机身和喷气涡轮机方面可以减少对昂贵实验测试的依赖,而更多地依赖于燃烧流体力学和结构力学的全耦合模拟。同样地,基于最近的进展可以推断,该领域迁移到E级计算有望节约大量的时间和成本。
2.2.6材料科学
材料科学的巨大挑战之一是填补原子、分子、介观和宏观层次的描述之间的鸿沟。这是计算科学长期以来的“巨大挑战”,进步一直非常缓慢。最近,关于反流液态金属和异构熔体凝固的开尔文-亥姆霍兹(Kelvin-Helmholtz)不稳定性随原子描述而改变的现象的P级计算开始明确地显示了“充分大”的模拟可以获得确定的结果——这意味着,对于指定熔体凝固过程的求解域尺寸,我们现在可以明确确定所需计算规模。因此,这种计算不再被视为固有的“无底洞式(voracious)”的需求。
2.2.7核聚变能
20世纪全球能源消费增长了20倍。目前这一增长速度没有明显下降的趋势。目前的15TW8的能源负载,80%~90%是来自化石燃料。但随着石油产量峰值的即将来临和气候变化的加速,改变能源生产机制是十分必要的。核聚变是太阳和其他恒星的能量来源,其原理是原子氢的某些同位素在非常高温(100万摄氏度)的等离子体中聚变成氦。核聚变能不仅是持久的、有前景的核能形式,它还可以对气候变化产生重大影响,如减少一个量级的二氧化碳排放量。该领域目前进展显著(在1秒的时间里维持10兆瓦功率,增益为1左右),并诞生出国际热核实验堆(ITER)项目。该项目总部位于法国的卡德拉什(Cadarache),是一个投资200亿美元的国际等离子体燃烧实验。共有7个国家(包括美国)参与,代表了世界人口的一半。国际热核实验堆ITER的设计是要从聚变反应中产生500兆瓦的热功率,并持续400秒,增益超过10,从而证明磁约束聚变能源的科学技术的可行性。虽然国际热核实验堆ITER所使用的许多技术和一个实际的示范性电站(DEMO)的要求相同,后者还进一步要在同样规模和场强的设备上得到25倍的增益,实现连续2500兆瓦的输出,因此,需要加强研发,汲取ITER的科学知识,加以进一步利用。先进的计算与实验的结合对完成这一任务至关重要。相应的研究需要加快发展计算工具和技术,以帮助获取发展预言模型所需要的科学认识,将会证明预言模型优于对实验结果的外推。而要达此目的,足以支撑对越来越复杂的现象进行保真度越来越高的数值模拟的,世界领先的计算资源是必不可少的。核聚变设施的关键等离子体物理和材料科学的E级计算,将有助于昂贵的大规模实验的设计和
8 Tera,1015,万亿
Information Technology Letter May 2012 运行,并加强对实验(如ITER和DEMO)结果的理解,可望显著加速核聚变电厂的实现。
2.2.8国家安全
在国家安全领域,几乎从核武器发展和设计的一开始,就是以最先进的数值模拟为核心。计算科学的一些领域,如粒子输运,其知识积累大多来自于早期在中子输运(或者叫“neutronics”)方面的工作;而且许多现代计算算法,特别是可压缩流体动力学领域,是由武器研究发展起来的。在过去15年左右的时间里,因为全面禁止核试验的条约,模拟仿真更加成为武器工作的核心:例如,数值模拟在美国核武库的性能和可靠性方面发挥了越来越重要的作用。随着大规模并行成为今天的主导计算模式,武器计划中数值模拟的角色发生了根本转变,而且自然而然地影响到计算本身的变革。俄罗斯和美国越来越不可能进行真实的核试验,他们正在努力逼近“零试验”的目标,在这种背景下,确保现有(规模较小的)核武库的可靠性变得越来越重要,模拟仿真在核武库验证以及相应的寿命延长计划中将扮演更为重要的角色。因此,武器程序代码“基于科学的预言能力”的需求将变得更加紧迫,这将推动多物理场模拟能力的进步,对多空间、多时间尺度的计算能力提出越来越多的要求。
2.2.9核电工程
在美国,商用核电厂生产的电力超过20%。历史上,模拟仿真一直是核电工程分析、安全性和设计的组成部分。模拟仿真计算已经用于定量预测结构的老化、堆芯的能量分布和突发安全行为等。
从模拟仿真的角度看,核电并不具有和其他领域(如国家安全、气候变化、或航空工业等)一样大的推动力。除非模拟仿真是受行业和监管机构制定的要求驱动的,否则“更好”将受到“已经足够好”的反对的思维方式会占上风并分散目标。这一领域的验证和确认将至关重要。相关部门有:(1)核电公司,处于被监管的地位、资本密集、承受大量的公共安全、对风险持保守态度、并且只使用常规成熟技术;(2)提供服务的核电技术供应商,主要依赖专有数据和商业工具,对高性能计算并不买账;(3)核管理委员会(NRC),保守、反应迟缓;(4)能源部(DOE),现在比前些时候更专注于核能;(5)专业协会。
用于材料性质测定、废弃燃料再处理、燃料性能、反应堆安全和设计、以及核废料的形式和储存的现有(传统)工具,都是基于一个很大的实验数据库,对于继续向前发展是不够的。此外,实验测试极其昂贵、费时,并且有时还不可行。再者,现有的实验数据库缺乏有效的管理,往往没有足够的精度以支持现代确认过程。高保真计算机模拟可以补充或取代物理试验,从而使数据的获取变得容易,再结合可靠的实验确认,最终可用来理解影响核电设施效率、安全和成本的基本过程。
2.3与工业界的联系
这里一个显而易见的问题是:工业界需要什么,或者工业界想要什么?我们关注的特定领域是利用“预言性计算”作为工业设计工具。但重要的是要认识到,在工业界,总的来说,无论是产品开发还是过程工程(如生产线、生产设施的模拟仿真等),一般来讲并不依赖最前沿的计算技术。工业设计主要依赖降阶描述(即高度参数化的工程软件)和中等规模的计算(如笔记本电脑或工作站)。它也需要连续的运行,通过对设计空间进行枚举,找到提高效率和降低成本(以及在某些情况下提高性能和安全性)的方案。当然,其中参数的选取往往要依靠实验和高保真(即无参数)的直接数字模拟,但这些并不经常使用。首要原因是实验非常昂贵,其次是目前的直接数字模拟工具能力有限、软件开发费用也相对昂贵(包括在必要的计算机硬件上的部署)。因此目前的计算设计工具无法进行真正的预言性模拟,降阶
描述中内在参数的有效性范围限制了可预言的区间,这意味着现有的设计软件很难获得在这些已有设计之外(但可能更好)的设计。
不过,我们也要注意到,在某些行业(飞机机身和喷气涡轮行业,以及重型设备制造商可能最为显著)模拟程序代码演变的历史很悠久:随着前沿高保真计算能力变得越来越强,这些大型程序代码被用作降阶模拟代码的校准工具,从而相应提高了降阶工程程序代码的模拟能力。随着E级计算的实现,工业界这种用大型计算校准,进而提高降阶工程代码预测的保真度这一齐头并进的模式会持续下去——从而使得当高保真程序代码迁移到E级平台时,降阶工程程序代码也有望迁移到G级,T级,和P级平台。
工业界也面临着政府赋予的新的要求,例如至2020年减少25%的石油使用、至2050年温室气体排放量减少80%。为了达到这样的能源使用和碳排放目标,工业界需要大幅更换我们国家的能源使用设备。例如,汽车和卡车公司需要显著地缩短产品研发周期,研究更清洁更高效的发动机技术—光是交通运输部门就占了国家石油使用量的三分之二和温室气体排放量的四分之一。除了这些挑战,燃料也将不断发展,从而增加了新的复杂性,进一步凸显了高效的产品开发周期的必要性。然而,按照目前的“爱迪生式的实验—调整—实验(Edisonian cut-and-try)方法”,新发动机技术的设计周期和市场进入时间太长。这些挑战正好提供了独特的机会,通过与重要的工业界伙伴紧密合作,保持美国在超级计算方面的领先地位,开发高保真的预言性科学和工程模拟工具。
2.4为什么是现在?
在任何可能需要大量投入的情况下,都会出现一个典型的问题:“为什么是现在?”也就是说,是否存在着实现E级计算的迫切需要?如果我们不这么做会面临什么风险?事实上,迈向E级的重要性怎么强调都不过分。美国在E级计算上的领导角色将带来多个行业的集体创新和领导地位,包括航空航天、汽车、能源、医疗保健、信息技术、制造业等,伴随着这样的领导地位,还会创造大量就业机会。由于航空航天工业长期以来一直是最先采用高性能计算技术来模拟飞机机身和喷气涡轮机的(见下面3.1节),美国的E级计算能力将使美国航空航天公司(如波音)获得对外国航空航天公司的竞争优势。相比之下,汽车行业最近才采用高性能计算;但由于燃油效率的竞争挑战,内燃机引擎模拟的E级能力(见3.4节)将可能成为美国汽车公司关键的技术优势。这些公司正抓紧用先进的计算流体动力学大大缩短设计周期,以满足联邦政府规定的至2050年温室气体排放量减少80%和至2020年石油使用减少25%的要求。由于世界能源的85%以上是通过燃烧化石燃料产生的,燃烧模拟的E级计算,理所当然地对能源产业将产生更大的影响;再进一步,E级能力也将有助于增加零碳排放的核电的比例(见3.6节)。对于医疗保健,E级计算不仅可以帮助在预防和治疗癌症及其它极具挑战性的疾病上推进必要的科学研究,而且可以降低成本、提高医疗服务的有效性,例如通过使用压缩传感技术来实现较低的辐射剂量。E级计算可以促进美国新材料的开发,用到这些材料的高价值制造工艺基础设施也将随之发展,就如过去在半导体和聚合材料发生的那样(4.6节)。对于信息技术产业,E级计算在软硬件创新方面的领导地位会伴随着计算的全面领导地位,从嵌入式计算机和手持移动设备到笔记本电脑和台式服务器再到部门级服务器,所有这些都使用高层次的芯片内多线程并行。这里的关键是找到硬件和软件全方位的协同设计解决方案(如移动设备的能耗挑战和E级系统节点的能耗挑战有很大的相似性),无论哪个国家在E级计算占据了领导地位就会在通用IT领域也享有技术领导地位。最后,E级计算的领导地位对国家安全也至关重要,一方面是由于全面禁止核试验的条约,需要进行模拟来替代核武器试验,另一方面是因为情报界需要对大数据集进行挖掘(2.2.8节和4.8节)。
Information Technology Letter May 2012
如果美国选择做E 级计算的追随者而不是领导者,我们就必须愿意放弃上面列出的所
有行业的领导地位。此外,由于科学进步受E 级计算能力的制约,我们的科学研究经费(包括天体物理学、气候建模、核聚变能源、计算生物学、材料科学和核科学)的相当一部分将要用于获取世界领先E 级系统的使用权上,这样我们的经费实际上会补贴成为第一个(无论是哪个国家)实现E 级计算机的国家的部分研发费用(目前最接近的竞争者是中国)。这种(使用别国E 级系统的)做法对任何密级的程序代码都是行不通的。即使是非密级代码,运行在国外的计算机上,也会带来知识产权的风险。
3 历史能教给我们什么?
就像第2部分讨论的,为了论证走向E 级是否明智,有必要回顾计算能力发生巨大转
变的历史经验,必须考虑在过去40年内我们从M 级计算发展到P 级计算所带来的变化。这一章简明扼要地讨论这些历史经验,旨在描绘从70年代的M 级年代到现在P 级,计算时代变迁所带来的广泛的改变。
3.1 航空航天、飞机机身和喷射涡轮机
航空航天工业是将计算流体动力学(CFD)应用于设计过程的早期开拓者之一。主要目的
一直是为了减少昂贵的物理实验(如风洞实验)的次数和设计周期中建造的原型的数量。在70年代早期,跨音速机翼的计算(使用线性非粘性近似流体方程)令人信服地显示了计算流体力学可以带来成本节约,揭示了地面实验设施(如风洞墙)所具有的潜在限制。从非线性无粘性近似到二十世纪90年代的雷诺平均状态方程(RANS ),精度不断改进的基本控制方程应用于复杂的飞机三维模拟。随着模型近似的每一次进步,模拟就能揭示一类新的物理原理。然而,精细近似只有在计算能力可以满足时才能付诸实践。
机翼试验次数
图1. 波音飞机研发的时间线
表明十年来每次设计中机翼的实验次数固定在11这个数,这说明现在的雷诺平均方法
(RANS )在预测性能方面已趋于稳定。大涡模拟方法提供了第一原理模拟的新途径,在E 级平台上与强大的优化策略相结合,有望进一步降低所需机翼原型测试的数量,并提供更高保真度的数据(如气动噪声源),产生更可靠的设计。
如图1所示,设计周期中的主流计算流体力学的预言能力似乎已经饱和。由于计算流体
力学的使用,波音喷气客机研发进行的风洞实验已经从80年代(B757 和 B767)的70~80次锐减至90年代(B777)的11次。尽管事实上同期可用的计算能力增加了4个量级,风洞减少的趋势在研发最新的波音型号(B787)时没有持续下去 — 研制B787同样进行了11次实验(波音原来预测为5次)。这说明,虽然设计周期时间(航空航天非常重要的因素)已经明显降低,计算并没有达到减少风洞实验次数所需要的预测能力和精度。
雷诺平均状态方程9方法仍然是航空航天计算流体力学的工业标准。这个方法先求解平均流动量,来得到工程上重要的变量,如升力和阻力。虽然控制方程,即纳维-斯托克斯方程,是从第一原理推导出来的,但用来解释湍流的非闭合项是唯象学模型,没有基于第一原理。使用实验和直接数值模拟的数据来校准工程应用中的雷诺平均状态模型在湍流研究中有着长期丰富的历史,但是对于校准数据区域以外的情况,尚且无法证明模型是足够普适和可预言的。
2007年的尖端技术
Code1
Code3
Code2
空气甲烷混合流同轴燃烧的原理图(上)和
在斯坦福大学进行的、研究燃烧室湍流燃烧
的第一次大涡模拟的结果(下)。模拟使用
了火焰面模型和进程变量(Flamelet and
Progress-Variable)方法和超过两百万的自由
度,在美国桑迪亚国家实验室的ASCI Red
超级计算机上完成。值得注意的是,1997年
的保真度最高的反应流模拟也仅限于简单的
几何形状和单一的气相物理现象。
完整的喷气引擎流的综合模拟。在国家核安
全局的ASCI计划的资助下由斯坦福和普惠
实现,压缩机(code 1)和涡轮(code 3)使
用雷诺平均方法状态方程来计算,而燃烧
(code 2)使用大涡模拟。耦合界面的数据交
互通过一个多程序多物理场耦合的集成计算
平台完成。图中给出了压缩机和涡轮部分的
熵等值面,燃烧机内的火焰通过真实的
PW6000发动机的中剖面上的温度等值面进
行可视化。
图2.范例:第一原理计算能力的演变
雷诺平均方法在湍流闭合模型的泛函形式下具有固有的(认知的)不确定性,至少对于当前工程实践中的模型,还不能通过实验或者直接数据模拟数据的校准使其更加精确。雷诺平均状态方法的另一个重要局限是增加计算能力也无法达到更高精度。也就是说,雷诺平均状态方法的预测精度并不一定随着计算网格的时、空间分辨率的提高而提高。它受限于来自湍流闭合模型中(固有)的精度问题。
大涡模拟10技术作为另一种具有变革意义的湍流计算方法,近来在航空航天工业界受到关注。这种方法通过求解低通过滤(low-pass filtered)的纳维-斯托克斯方程和质量守恒方程来直接计算大尺度域,对于大尺度域的、网格无法表征的小尺度效应,则通过唯象学模型来考虑。与雷诺平均状态方法不同,在大涡模拟中,计算能力的提高可以明确带来预言能力的提高。随着计算技术的进步和可计算的时间和空间分辨率的提高,以及子网格尺度上唯象学模型影响的逐渐消失,大涡模拟方程可以逐渐逼近由第一原理直接导出的真正的流体方程。但是,大涡模拟方法在应用上有一个重要难题,特别是对于外流空气动力学:光滑内壁(如飞机机翼)附近的湍流由小涡组成,这些小涡对全域上的流体动力学很重要,与粘性阻力有很大关系。大涡模拟方法要达到这些小涡结构的分辨率所需的网格尺寸,即几乎达到直
9 Reynolds-averaged Navier–Stokes(RANS)equation,雷诺平均NS方程
10 Large eddy simulation,LES
Information Technology Letter May 2012 接数值模拟的网格尺寸是不现实的。由于这一限制,外流空气动力学中目前正在考虑使用混合雷诺平均-大涡模拟(RANS-LES)方法。
普惠发动机公司(Pratt&Whitney)使用这种改进型的计算流体力学算法,直接将昂贵的喷气发动机高压实验次数削减了50%,同一时期,波音因使用计算流体力学计算导致风洞实验次数减少。然而,与波音不同,普惠在最近十几年内发动机实验次数仅有10%的减少。用于飞机推进的燃气涡轮发动机的流体力学问题本身比外流空气动力学更复杂。而且发动机模型也更复杂:是由上千个贯穿整个涡轮机部件的活动零件、燃烧室的多相反应流以及涡轮叶片内错综复杂的冷却通道组成的。
燃气涡轮机工业界也使用雷诺平均方法来计算涡轮机通道流。但是,为了模拟燃烧室内复杂的湍流混合和多物理现象(液体燃料分解、高温气体混合和化学反应),需要高保真的大涡模拟方法。对于燃烧器内大规模的反应物湍流混合,大涡模拟特别适合,而雷诺平均方法不适合。因此,人们做了大量工作来发展复杂环境下燃烧模拟的大涡模拟方法。图2显示了在十年多的时间内,大涡模拟在湍流燃烧过程模拟中取得的进展。由于当时计算资源有限,湍流燃烧的第一次大涡模拟仅限于对一个简化的同轴腔燃烧室内的气相燃烧的研究。而到本世纪零零年代末期,人们模拟了一个真实的燃烧室(PW6000发动机),并与涡轮机组的雷诺平均模拟相集成(耦合)。该模型包括注入的液体燃料如何分解成液滴,以及液滴的拉格朗日跟踪、蒸发和燃烧。
每一代计算机的出现都让我们离“第一原理”的、基于计算机模拟的设计更近一步。航空航天器和喷气式发动机引擎的性能要求和可操作性要求越来越高,目前的工业模拟工具应对关键技术挑战的能力已经达到饱和。要变革航空和喷气发动机行业,一套新的基于第一原理、基于计算机模拟的工程设计工具,如大涡模拟和混合雷诺平均-大涡模拟,必须成为发动机设计周期中的标准工具。模拟保真度水平的提高有可能扩充当前的设计范围,避免工业停滞,通过基于第一原理、基于计算机模拟的工程科学工具提高人类的创造力。历史经验告诉我们,随着新一代计算能力的普及,这些新技术的有效利用将成为现实。
3.2天体物理学
3.2.1热核超新星
Ia型超新星(SNe Ia)来源于双星系统中大量碳氧白矮星的热核爆炸。它们产生了宇宙中大量的重元素和大部分的铁。它们在宇宙学中也具有非常重要的地位:通过将SNE Ia 超新星作为“标准烛光”进行观测,揭示了宇宙的膨胀速率正在增加,并且它还导致了暗能量的发现。理解暗能量是所有物理科学中最令人注目的问题。
目前,将SNe Ia 超新星校准为标准烛光完全靠经验:利用SNe Ia超新星的峰值亮度和褪色率间的关系。为了定量研究暗能量的行为与红移(即宇宙的年龄)的关系,甄别之前提出的各种解释,这种校准精度必须从当前的大约15%优化到小于1%。提供一个更好的校准SNe Ia超新星标准烛光的手段是SNe Ia超新星三维模拟的主要目标。一个独立的、可靠的校准SNe Ia超新星的方法应确保随着红移的任何演化,它们作为标准烛光来确定暗能量属性的精确性不受干扰。
计算机模拟和观测进行对比所得出的结论是,SNe Ia超新星的爆炸最可能涉及两个阶段:浮力驱动的湍流核燃烧阶段,这一阶段引起白矮星扩展;接着是导致白矮星燃烧并爆炸的引爆阶段。但是,科学家还没有完全明白爆炸的机理。这是由于许多认识上的差异所致,如核火焰、爆炸波的宽度、星球大小、浮力驱动的湍流核燃烧的复杂性、以及爆炸触发的不
确定性等。
近年来越来越多的计算资源使得天体物理学家对浮力驱动的湍流核燃烧有了更深的理解。计算资源的增长也使多物理三维爆炸模拟成为可能。这些模拟使我们发现了全新的爆炸机理,证明了这种模拟对于以足够高的保真度捕捉内在物理过程是必要的。
3.2.2内核坍缩超新星
内核坍缩超新星是宇宙中发生的最暴力的事件。它们标志着大恒星(即尺寸比太阳大10倍以上)的死亡,以及中子星和恒星质量黑洞的诞生。核坍缩超新星既合成新元素,同时也分散大恒星在生命周期中合成的元素。最终它们成为了氧和铁元素的主要来源。它们是现代宇宙中中微子与物质相互作用,产生宏观的、动态后果的唯一的地方。所有这些事实使得内核坍缩超新星成了核物理和中微子物理的良好的宇宙实验室。
内核坍缩超新星爆炸机理的研究是计算科学历史上第一批应用之一。构建超新星理论的最初尝试催生了通过计算机模拟这些事件的最早的方法。这些早期尝试之后不久就是第一代真正的多物理场模拟。然而,由于问题的复杂,在近半个世纪以来,超新星建模人员一直在努力确定爆炸机理的精确本质,并用它对爆炸的后果进行量化预测。
在过去的几年中,计算能力的进步使新一级的模拟成为可能,科学家开始剔除对内核坍缩超新星的理解中的不确定。各种核合成计算表明内部富镍抛出物的组成和分布对爆炸机理的细节十分敏感。模拟表明中微子驱动型机理对球对称并不适合,对于休克复苏的延迟机制的研究,考虑多个维度的影响更具优势。再加上“休克不稳定性(SASI)”的计算发现,所有这些结果都支持一个共同的结论:要达到必要的物理高保真度,多物理场模拟必须在三维空间中进行。
3.3气候模拟
在过去的十年中,相关研究越来越清晰地表明,云对地球热收支(heat budget)有着重要的作用,并且云的变化与全球变暖的温度改变相关。这种现象称为云反馈(cloud feedback)。在过去几乎二十年的时间里,云反馈成为气候敏感性研究中最大的不确定性因素。低云层(low clouds)的变化也许是最大的不确定性来源,不过高云层(high clouds)的反馈也是不确定性的重要来源。所有的理论假设都认为高云层的活动变化与深对流的活动变化之间有关系。所以讨论高云层反馈的关键是理解积云对流。气候学界很早就已经认识到积云对流的不确定性。但当前用于气候模拟的全球气候模型(GCM)的空间分辨率是在50到100km这个量级,这对解决积云对流问题来说是不够的。因此,全球气候模型模型中包含了云和对流过程的参数化描述,这种参数化在全球气候模型不确定性的系统分析中起着重要作用。
这些分析凸显出了气候模型变革的需要,需要在实际尺度上模拟云和海洋漩涡,即需要1到几公里的整体分辨率。
使用当前这代模型进行气候变化的全球模拟,在地球上的大部分地区,列积(column-integrated)云量的预测扰动值在不同的多模式集合预报中是不一致的。全球平均云辐射效应(global mean cloud radiative effect)变化的量级和符号正负,各个模型都不一致,并且云辐射效应相对于今天的值的变化通常小于10%;这和大气层顶部行星能量收支的各种强迫性和不确定性水平差不多。因此这些模型推算表明全球云辐射效应改变的观察校准将是巨大的挑战。低云层和深对流系统的辐射反馈的符号在不同的政府间气候变化委员会多模式集合预报中也不一致。热带云、混合态云和云相态、以及风暴路径径向移动的模型间差异是造成云响应不统一的因素。
Information Technology Letter May 2012 当前的参数化包含了大量的气象环境控制相关的微、宏观物理学云属性的自由参数。众所周知,气候辐射反馈和气候反应的模拟结果对这些自由参数是非常敏感的。这些参数设置会产生大量的正向云反馈,并带来对温室气体浓度变化的气候敏感性,排除这些参数被证明是非常困难的。很多参数只是受观察和面向过程建模的松散约束,并且和根据尺度参数进行的物理云形成有关系。
3.4燃烧
燃烧化石燃料产生了全世界85%以上的能量。所以,为了减少污染、提高效率和阻止进一步的气候变化,必须要理解和控制燃烧。虽然大家公认必须要开发多样化的能源,优化燃烧在今天仍然是用来控制全球变暖的一件意义重大的事情,并且燃烧仍然是接下来的至少50年内主要的能源来源。燃烧设计工程师必须更精确地理解,在用于动力和发电的发动机和燃气涡轮机内,燃烧是如何进行的。高性能数值模拟是目前研究这些现象的最有效的方式。这些问题的复杂性在于,直到最近,在复杂几何形状的燃烧室内的燃烧模拟依然是不可实现、不可预言的。P级计算首先证明了,数值模拟结果可以直接用于建造或者改进燃气涡轮发动机以阻止燃烧不稳定现象的发生。高性能计算正在工业设计过程中产生直接影响,并且帮助我们更加全面地理解内燃机内部的混合和燃烧。例如,最近康明斯公司(Cummins)使用工程计算工具,用最少的实验次数将一款柴油发动机推向市场,研发时间和成本节约了10~15%。这些增量式的计算工具是基于雷诺平均工程方法的。未来汽车和燃油行业将从更先进的大涡模拟中获得巨大好处。航空航天和飞机发动机制造商将更广泛地发展和采用大涡模拟的方法,以理解如“声学不稳定(acoustic instability)”现象中的声音、热释放速率和发动机几何形状之间的耦合(3.1节)。汽车工业也可以复制这种进步,优化设计新型发动机,更有效地使用替代燃料—如碳中和的可再生生物燃料。
图3.直升机燃烧室喷油嘴周围圆柱可视面上的瞬时温度分布左图:红色区域对应热气体,蓝色区域为空气压缩机的冷空气11
右图:同一可视面上的瞬时压力分布
例如,科学家们首次通过P级计算机(阿贡国家实验室的BlueGene/P)模拟了完整的燃气涡轮机燃烧室,包括对发动机内的不稳定湍流运动和声波传播的清晰描述(图3)。该
11本刊限于印刷条件,无法提供彩图。有需要的读者可访问篇首的链接
模拟使用大涡模拟方法,重现了在真实发动机(直升机燃烧室)中已经观察到的“燃烧不稳定”现象。燃烧不稳定现象不仅存在于直升机发动机,而且也是工业锅炉、火箭、飞机或者工业汽轮机等面临的难题:它使得低排放水平下发动机无法运转,并导致灾难性的引擎故障和事故,在P 级计算出现之前这种预言性计算是不可能的。有了在P 级计算机上用大涡模拟方法模拟这种不稳定性的能力后,工程师们就可以设计控制方法来防止这种不稳定的发生。
大涡模拟和其他工程燃烧模拟需要子网格模型来描述燃烧和湍流输运过程。在微观尺度
上,直接数值模拟是大涡模拟方法的补充,石化燃油和可再生燃料燃烧的化学动力过程,与湍流之间存在相互作用,直接数值模拟就是研究它们的相互作用的第一原理方法。由此产生的基准数据不仅使我们深入理解问题本质,而且为发展理论模型提供了独一无二的有效数据 ——许多情况下,由于恶劣的燃烧环境,这些数据是通过实验也难以获得的。
随着P 级计算能力的出现,通过三维直接数值模拟,使我们有可能在实验室规模的湍流
火焰的数值模拟中,观察分析细粒度的“气动热化学”相互作用的基本物理过程。瞬时控制方程的求解中没有引入平均或过滤;精确数值方法通过精细的网格描述了所有的连续介质尺度,不使用湍流或燃烧封闭模型。这种模拟是昂贵的,在P 级计算机上,需要几千万个CPU 小时、几十亿个网格点并且生成100T 的原始数据。P 级或者后P 级超级计算机正在打开通向直接数值模拟的窗口,从而在多尺度(4(10)O )上,对实际所需的种类日益增加的代表性碳氢燃料的输运进行直接数值模拟。
例如,最近在橡树岭国家实验室的
Cary XT5 Jaguar 上,科学家们完成了加
热到极高温度的协流中,乙烯喷射火焰
湍流的三维空间形成过程的近场的直接
数值模拟,使用一种简化机制输运22个
种类(燃料),来研究稳定机理,这一稳
定机理或许与柴油发动机的起升稳定性
(lifted stabilization )有共同的特点。模
拟的喷射雷诺数为10000,用了超过12.9
亿个网格点。图4显示了直接数值模拟
获得几个标量场的瞬时图像—耗散率(即本地流场混合率(local mixing rate ))、混合分数(mixture fraction )、以及羟基、甲基和羟基的中间体。模拟结
图4. 在一个热伴流中的雷诺数为10000的提升乙烯/空气射流火焰中的标量耗散率χ、混合分数ξ、水、甲基和OH 自由基的瞬时量 果表明,火焰根部上方的稀混合燃料的自动点火是起升喷射火焰稳定性的主要原因。
这一点经过对起升喷射火焰直接数值模拟结果进行的若干诊断分析得到了验证,包括开
发和使用一个化学爆炸模式(Chemical Explosive Mode ,CEM )分析,一个由该化学爆炸模式、本地标量耗散率、以及在稳定点关键标量和速度的拉格朗日跟踪的统计共同定义的丹姆克尔(Damk?hler )数。这些诊断大多只有通过像此处介绍的这样详细的模拟才得以成为可能,即使是最先进的光学激光诊断也只能做较低维度、少数品种的量测。因此,在更全面地理解燃烧过程、为发展理论模型提供必需的确认数据方面,直接数值模拟与物理实验相辅相成。
3.5 核聚变能
Information Technology Letter May 2012
核聚变研究在历史上一直是高性能计算的典型应用领域。由于强大的P 级超级计算资源
和巨大空间、时间尺度范围内物理学现象的简约描述方法方面的革新性进步,使细粒度湍流和磁约束等离子体大规模动力学的粒子和流体模拟方面得以取得显著进步。特别是,核聚变科技界在发展高级模拟程序方面取得了极好的进展。在大规模并行计算机上,计算时间和问题规模随着处理器核数的增加能够很好地扩展。一个好的例子是,有效使用数T 级到P 级全系统的能力,完成了一个三维、一般几何形状、非线性的粒子模拟。这一模拟加速了对核聚变级高温等离子体内等离子体湍流的本质的理解。这些计算一般需要几十亿粒子、上千时间步,如果没有强大的现代超级计算机和先进的诊断和可视化能力(来辅助解释结果)是不可能实现的。这是有深刻意义的:因为在建立可用的核聚变发电站的道路上,核心的等离子物理学问题之一便是理解、预测和控制由不可避免的等离子体非均匀性引起的不稳定性。其后果之一是发生湍流脉动(“微湍流”)。湍流脉动会显著增加穿过约束磁场的热、粒子、动量的输运速率,其总体效应严重限制给定机器规模的能量约束时间,因此影响托克马克装置的性能和经济性。加速在这一关键问题上的进展对于国际热核实验堆ITER 项目尤其重要,因为核聚变反应堆的规模和成本,对于实际核聚变反应而言,是由这样的过程损失和自热率之间的平衡决定的。由于必须考虑大范围的时间和空间尺度,P 级计算建模与模拟在应对这些挑战上是不可替代的。现有的格点质子法(PIC )技术已被清楚地证明了在当前T 级超级计算机上有极佳的可扩展性。比如GTC 程序(Gyrokinetic Toroidal Code ,一个成熟的格点质子法程序代码),使用MPI 和OpenMP 12,在几乎当前所有的世界顶级机器上都表现了极佳的可扩展性。
1285122048819232768131072使用的处理器核数目107
10810910在Intrepit (IBM BG/P) 上进行的GTCP 粒子+网格
规模伸缩的研究,在1秒内粒子移动的步数通常,可靠的湍流输运预言性计算只能通过实验确认的数值模拟来完成,因为数值模拟填补了经验观测(昂贵且难以取得)和理论(难以处理在实际实验条件下
问题的非线性)之间的距离。世界上大多数研究人员使用回旋动力学(Gyrokinetic )(从头计算 — ab initio )方法进行数值模
拟。如格点质子法代码求解回旋动力学理论的非线性方程,已经被证明在超过10万核上有非常好的可扩展性能。但是,为了
及时迈向尽可能高的物理保真度的模拟水
平,将需要E 级计算。相关软件/算法的进
步要跟上不断发展的硬件,所以需要通过真正意义的“协同设计(co-design )”模式
来发展。通过P 级到E 级高性能平台的使
图5. GTC-P 代码在IBM BlueGene/P 上的测试
结果(S.Ethier 提供) 用,这种在多维相空间上前所未有的分辨率的先进动力学模拟的能力,预计将对现有实验装置以及国际热核实验堆ITER 产生直接相关影响。这些程序代码带来的令人印象深刻的进步,为我们展现了通往E 级计算之路这一大挑战可能带来的巨大科学前景。
3.6 核电工程
运营超原设计期限的核电站、建造新的核电厂、开发和部署新的核能系统以满足对无碳
能源日益增长的需求,这些人们越来越关注的问题为P 级和E 级计算的应用带来了重要机会。核工业目前面临的挑战包括:更高温度、更高功率(“uprates ”)、更高燃耗、和更高效
12
MPI :Message Passing Interface, 一种基于消息传递的并行程序设计标准;OpenMP :一个共享存储器计算机系统上的并行程序工业标准
率的电站的运营,电站规模的多样性,负担得起的高温过程热量和产品开发时间的减少。计算的重点包括材料的属性、核循环的设计和优化、反应堆性能(宏观、微观的燃料性能)、放射化学分离和废料固化物行为。
(与核能有关的)材料的原子核(中子和伽玛反应)、热物理(如导热系数,相图)、机械(如拉伸性,断裂韧性)和化学(如腐蚀速率)方面的基本特性,必须在静态和动态条件下决定。从高保真第一原理原子和介观模型模拟获得的知识将使得对这些材料属性的估计更加准确可靠,具有为燃料工艺选择等方面的投资带来丰厚回报的潜力。再处理(reprocessing)在20世纪70年代被抛弃,仅作为当前核燃料循环利用的备选方案,因此发展先进过程/工艺有着极大的机会。当前的再处理模型只能定性描述过程行为。主要组成成分的化学特性的经验模型,用于提供各种再处理策略的总体描述。燃料开发和性能评价是需要花费几十年时间的经验过程。新燃料必须先制作,然后在测试反应堆内放置上几个循环,经过多个意外事故场景的测试、放射后检查,最终再置于正式反应堆内几个循环后才能接受。燃料性能模拟工具,通过帮助降低新燃料合格检查所需的时间(目标是将目前10至15年的合格检查时间减少1/3)帮助加快当前快速热中子反应堆燃料的合格检查过程。这些工具必须适用于正常运营(准稳态)和瞬态条件下的所有相关的燃料类型。因为当前模型是在常规核反应堆环境下,基于燃料行为的经验曲线的拟合。而超出狭窄的校准范围,它们通常无法用来预测燃料的行为。反应堆安全和设计模拟工具需要热工水力学模型、中子模型和结构力学模型。这样的“反应堆堆芯程序代码”已经存在了几十年,但需要改进物理、数值和几何保真度。当时开发的代码主要使用约减参数模型来预测中子的、热工水力学的、结构力学的物理量。这些简单的代码经过非常大的实验数据库的校准,针对特定的项目,经集成数据的校准发展了许多年。中子模型传统上使用随机(蒙特卡罗)模拟和确定性输运扩散理论方法。蒙特卡罗技术将随机粒子追踪水平的基本物理,与控制粒子轨迹历史的几何截面和材料截面联系起来。在计算模型、物理几何模型和截面能源依赖模型之间,需要保持紧密的、准确的对应关系,蒙特卡洛方法在这方面具有很强的优势。当然对于有些问题,蒙特卡洛方法在计算上是不现实的。现有的反应堆堆芯程序代码,通常采用传统的单一通道或者子通道的方法,来模拟反应堆堆芯在流动的冷却液中的热传输。传统上,设计和安全性计算采用另外的热工水力学程序代码。在过去的30年中,汽车、航空航天、国防、民用基础设施、以及20世纪70和80年代的核反应堆技术等,都是结构力学软件发展的应用驱动力。这些发展成就了一批有限元程序,它们有相对成熟的单元技术和方程求解算法。
下面是一个说明核能领域模拟与仿真在P级时代如何进步的例子。我们考虑用于整个核反应堆堆芯的中子谱和分布的、可靠评估的波尔兹曼输运模型的七维相空间解(位置、速度[能量+角度]和时间)。问题规模非常大:空间维度上有5个数量级差,中子能量有10个数量级差。就目前的离散模型而言,一个包含所有这些尺度的完全离散,一个时间步的输运求解需要1017~21个自由度,这甚至超出了E级计算的能力。这样的问题规模就(暂时)排除了单一的“完全从头计算(ab initio)”的计算方法。这样,我们将不得不继续采用目前的“多层次技术”,对其进行修改并使求解过程更加一致。目前,在模拟原子反应堆堆芯的中子输运时,反应堆输运方法采用不一致的“三层”均质化方法,这导致在不同层次中常常使用完全不同的模拟程序代码。这种分为三步的空间和能量求解域通常采用如下三层:(1)第一层,将反应堆堆芯一个小子集(pincell)近似为一维圆柱后,用能量谱第一原理离散得到的精细网格;(2)第二层,堆芯的一个较大子集(lattice)上的二维输运求解的粗网格,要用到第一层求得的能量谱的组合表征;(3)第三层,反应堆堆芯完全基于均质化假设的、中子扩散输运的三维求解的非常粗的网格,要用到第二层得到的能量谱的非常粗糙的表征。前两步需要107~8个自由度,进行102~3次独立计算,每次独立计算运行在一个处理器上。最近P级计
Information Technology Letter May 2012 算已经表明,这个三层方法至少可以缩减为“非一致两层”算法,其中:步骤(A )在步骤
(2)的空间域上用步骤(1)的能量保真度进行计算;步骤(B )在步骤(3)的空间域上用步骤(2)的能量保真度进行计算。这种方法现在可以在P 级机器上实现,对于步骤(A )的高阶计算,每一个时间步需要1011~13个自由度,有102次独立计算。
4 E 级计算将改变哪些应用?
如前所述,走向E 级计算要解决的关键问题是E 级计算关键应用的成熟度,以及E 级
计算变革这些应用领域的可能性。这个问题将在本节中予以说明,这里同样选择一些不同学科,来展示为实现变革做好了准备的应用的广泛度。
4.1 航空航天、飞机机身和喷射涡轮机 E S 103KILO 106MEGA 109GIGA 1012TERA 1015PETA 1018EXA 1021ZETTA 运算速度(FLOPs)Wall-modeled LES
103
106
10
910121015内存容量(以字长为单位) 航空航天业对美国经济的影响显著,在2005年有估计
1700亿美元的销售额,并雇用了约625000人。然而,航空航天工业面临若干挑战,比如国家空中交通系统,以其目前的形
式,无法应对未来预期需求的增加,还有航空航天劳动力老龄化、更高的监管要求和竞争日益激烈的全球市场。在这方面,航空航天系统设计、建造的变革性改变是美国继续保持健康的航空航天事业的关键。E 级计算将在几个关键应用上对航空航天工业有着革命性的影响。正如3.1节中所言,从雷诺平均-大涡模拟到大涡模拟行业标准的转变,以及其在整个设计中的使用,代表了航空航天工业模式的转变。此外,行业中若干突出的
图6. 翼型、机翼、整机在三个不同的逼近阶段中的分析与设计中的计算机速度和内存需求 进入E 级计算时代后,地面模拟的大涡模拟和混合雷诺平均-大涡模拟方法为下一代飞机的第一原理设计提供了清晰的途径。将这项技术转换到未来的E 级平台上将对基于模拟的工程设计有着革命性的影响,从而使车辆空气动力学优化设计变为可能,推进系统的综合效应、结构、以及主动控制等,这些都是空气动力学设计的“大挑战”。科学问题,可以通过极大规模计算来理解,并有可能加以控制。 正如3.1节所述,在飞机机身行业工程中,雷诺平均法定量预测的精度已经遇到了瓶颈,
其原因主要来自于湍流模型中固有的认知的不确定性。因此,飞机和推进系统的设计依赖于反复的试验过程,其中包括若干昂贵的原型构建和风洞测试。由第一原理出发的混合雷诺平均-大涡模拟方法,可以克服雷诺平均法的局限性并提高计算流体力学的预言能力,超越目前似乎处于停滞状态的试凑设计方法。此外,建立完整的飞行包络特性(考虑固有的不确定性,例如攻角、飞行条件和几何形状)只有通过E 级或以上的计算才能实现。对于下一代飞机和推进系统设计和建造,这样的飞行器和空气动力学系统优化设计框架是非常重要的资源。在应对航空航天系统的若干大挑战时,要达到设计目标,所需的计算要求如图6所示。
飞机制造业面临的主要问题之一,是由发动机排气喷嘴和机体产生的气动噪声,特别是
在起飞和着陆阶段。噪音问题是高速商用飞机(例如,协和号,以及美国遗弃的超音速运输
计划)和近来的军用飞机(对机场和军事基地周边的影响,对航母甲板上船员的影响)面临的主要问题。2009年,退伍军人管理局为听力损失补偿花费了近10亿美元。湍流是飞机噪音的主要因素。不幸的是,通过现代光学诊断技术,还无法测量时空数据来揭示气动噪声的机理;只有高保真的模拟技术,如大涡模拟,能够预测远场噪声以及噪音的产生过程中湍流涡旋的具体细节。
E 级计算对发现噪声产生的机理会有变革性的影响,并会在消减噪音的方案设计上起到
重要作用。图7显示了来自于超音速排气的射流湍流,这个突破是在2010年的大涡模拟计算中取得的。在这个首次“了不起”的计算中,喷嘴内流动还没有实现高分辨表达,模拟结果与实测噪声数据只是基本吻合,原因可能是网格分辨率不足。随着E 级计算工具的出现,高可信工具不仅会用于了解和预测流动所产生的噪音,还能用于如何控制它。科学家已经证明最优控制理论工具和高可信计算流体力学软件可以耦合起来实现对流动的控制。这种演示性计算已经相当费力,并且仅限于非常简单的流动。E 级计算将是复杂流控制和形状优化(例如,飞机的机翼和喷嘴出口)的使能技术,可能对航空航天工业产生重大变革性的影响。
燃气轮机行业突出的技术问题之一,是热流体团从燃烧室到涡轮的迁移。热气团迁移是
涡轮机设计过程中的限制因素,基于平均流动温度设计的涡轮叶片在遇到迁移中的热点时会形成严重损害。由于多物理现象的存在,高保真喷气发动机的燃烧室内部流动的模拟是目前艰巨的任务。即使现代大涡模拟计算中使用千万亿次计算机(见图6),燃烧室的模拟仍然采用降阶模型来描述如注入液体燃料颗粒雾化成微米大小的水滴,以及液滴的蒸发和化学机制过程这些关键现象。喷气发动机燃烧室模拟的基于第一原理的E 级计算是使能技术,将有望帮助发现抑制热气团迁移的新的策略,以及对现代燃烧室和飞机排放系统的集成进行系统级设计优化。高性能计算技术在政府、学术界和工业界的扩张和广泛采用,为基于第一原理的设计和发现提供了条件。这些新工具在航空和喷气发动机行业大有用武之地,可以用来解算湍流混合、化学反应、振动、多相喷雾动力学、以及发动机和飞机操作整合下的(燃料)组分对流的高保真详细行为。这些基本物理认识的进步,加之更加精细的几何和物理保真度,也能有利于系统参数化研究和降阶模型的发展和采用。我们要合理采用满足保真度要求的
“基于物理的模型”,并对虚拟实验(即
模拟)中的不确定性进行准确的预测和
量化,在这些需求的牵引下,基于上述
技术,现代航空航天系统的“流线型”
优化将成为可能。这样的设计工具在这
些行业产生的变革性影响,将是极大规
模计算投资的直接结果。
随着复杂的工程系统的能力发挥到极致,工业界需要更准确的计算分析工具以降低设计、运营和维护过程中的成本和时间。在基于物理的设计工具,与工程类设计优化的降阶模型有条件实用化时就应当尽快采用。极大规模计算架构的发展和部署,将促进全耦合、全系
图7. 超音速喷气发动机喷嘴(M =1.7) 喷气迅速将高压气体推入大气中。复杂的冲击列在产生大尺度涡和下游的精细尺度湍流的射流羽内形成,所有这些都有助于使辐射噪声向喷嘴下游传播。本图片来源于美国斯坦福大学的湍流研究中心。 统级的优化和工程设计,增强产业竞争力。
4.2 天体物理学
Information Technology Letter May 2012 过去四十多年中,天体物理学的进步来源于在模拟仿真能力上的巨大进步 — 恐怕其他物理学科都并非如此。作为一门几乎完全依赖于远程观察的科学,模拟仿真已成必不可少的工具,用于消化现代天文观测的巨大而复杂的数据集,模拟观察,以及将模拟作为虚拟实验理解天体物理过程。这些进步已经深刻触及天体物理学的各个方面,从太阳和恒星的天体物理学,到星系天文学、河外星系天文学和宇宙学。例如,在宇宙学方面,新的观测工具和技术,与基于多体(N-body)和流体动力学的强大的模拟工具结合在一起,成就了今天精密宇宙学的时代。计算已经对天体物理学产生显著的变革性影响,简洁的太空决定了我们仅仅需要集中在天体物理学的一个领域,一个计算可以带来进步的领域,一个没有高性能计算进步就不会发生的领域 — 这便是恒星爆炸,它是恒星演化最引人注目的终结方式之一。
4.2.1热核超新星
热核超新星(通常称为Ia型超新星,或SNe Ia)爆炸涉及数百种原子核和数千种核反应。这些爆炸还包含退化物质和强引力场的复杂流体力学现象(模拟等于提供了所需条件有限的地面实验)。在爆燃阶段,浮力驱动型湍流核燃烧为爆炸早期阶段的主要形式,驱动恒星的扩大和脉动。“爆燃向爆炸转变(deflagration-to-detonation transition, DDT)和爆轰波穿越恒星传播”假设被提出来解释所观测到的核合成及其在空间和速度上的分布。在另一种取而代之的“引力约束爆炸(gravitationally confined detonation, GCD)”模型中,流体流动触发爆炸,从而席卷恒星,形成我们所观测到的元素的丰度、空间分布以及速度。所有这一切都发生在大约3秒钟内,然后恒星以10000 ~ 25000公里/秒的速度迅速自由扩张。这些现象涉及的空间尺度从10-3厘米到109厘米,时间尺度从10-10秒到10秒,使模拟Ia超新星成为毫无疑问的E级规模的计算问题。问题求解速度和计算机能处理的尺度(物理尺寸)都需要不断进步。
SNe Ia超新星几个关键物理过程尚没有充分认识,爆炸机制的理解还不确定。物理过程包括闷燃阶段,它处在爆炸之前并被认为决定着火点的数量和位置。浮力驱动湍流核燃烧阶段,或爆燃阶段,释放了大量的核能,并驱动恒星扩张。对其研究是学科前沿,我们对强引力条件下反应湍流的理解仍不完整。最后,引发燃烧恒星并导致其爆炸的爆轰波原点仍不能确定。SNe Ia超新星的爆燃阶段是否达到爆燃向爆炸转变发生的物理条件也不能确定。爆燃阶段流体流动触发爆炸这一新的假设尚没有完全弄清楚。
E级计算,连同E级内存,将改变科学家模拟SNe Ia超新星的能力,对这些物理过程的理解将产生突破。它将在根本上提高科学家对闷燃阶段的认识,从而减少对模拟爆炸阶段初始条件认识的不确定性。它使得对浮力驱动的湍流核燃烧的研究变成了可能,使得模拟的长度达到比最大物理尺度仅低三、四个量级,并在需要的时候使用自相似的子网格模型捕捉这一物理过程,从而能验证当前的猜测。如果这些研究没能验证猜测,E级计算将确定实际过程将更为复杂,并为构建适当子网格模型提供需要的数据。最后,E级计算也将使我们得以研究白矮星中浮力驱动的湍流核燃烧是否产生爆燃向爆炸转变所需物理条件。
SNe Ia超新星模拟在未来十年中的进展,将最有可能来自于对前面描述的关键物理过程的高分辨率模拟和对SNe Ia的全星模拟的结合。P级计算使得浮力驱动湍流核燃烧的验证变为可能,从而将大大提高对这一关键物理过程的理解,使在大范围尺度下浮力驱动的湍流核燃烧的全星模拟成为可能,为湍流核燃烧产生的能级和不稳定性提供新的理解。有了E级计算,科学家们可以尝试从点火到爆燃阶段(即浮力驱动的湍流核燃烧阶段)的第一原理模拟,目前这是个难题。
无论是P级模拟还是E级模拟,关键是要使用大量全星模拟对模型进行整体确认
(validation)。大样本模拟意味着完成合理分辨率的数值模拟的平均时间将不得不保持合理、允许若干相同模拟在给定时间内完成。这样需要少量高保真模拟和大量低低保真模拟的仔细组合。即便如此,E级计算平台也将是必要的。
实现E级 SNe Ia超新星模拟存在几个挑战:
z SNe Ia超新星模拟程序代码需要具有较好的可扩展能力,并能有效地在数百万核的平台(带或未带加速器部件)上运行。由于计算需求随分辨率的四次幂增长,弱可
扩展性将是不够的。
z SNe Ia超新星模拟,与核心坍缩超新星和恒星演化模拟一样,每个计算单元上有很多物理变量(如流体变量、火焰变量、核组分变量、和辐射输运变量)。这样,在
未来E级平台上,由于单核内存减少的特点,需要发展新的算法来实现有效的区
域分解和负载平衡。
z需要发展新的并行读写(I/O)算法。包括能处理TB及以上规模的文件,和容纳EB级数据的海量存储。爆燃阶段的湍流性质要求保留的数据集要有高的时间分辨
率。这导致大量数据的产生(很容易达到PB字节、甚至是EB字节)。
z需要开发科学数据分析的新算法,包括处理PB和EB级数据的可视化,以及能够支持EB级的大数据间比较分析的数据归档技术。
E级Ia超新星模拟预期的主要科学结果是:(1)确定爆炸的机制,(2)校准SNe Ia超新星作为标准烛光的精度,使其足以定量研究暗能量的红移(即宇宙的年龄)行为,(3)理解SNe Ia超新星对核合成的贡献。
爆炸机制的理解也将对反应流和湍流如何相互作用产生影响。爆燃最终是燃烧过程中一个普遍的问题,它仅仅强调一些最基本的因素(如极强的引力、巨大的雷诺数、和显著的刚度反应动力学),而没有地面燃烧的诸多复杂因素(如设备几何形状、未混合的燃料、煤烟的产生等)。因此,SNe Ia超新星模拟成为了探索反应湍流的独一无二的数字实验室。实现真实的SNe Ia超新星模拟首先需要在反应湍流这个基础领域的进步。
对爆炸机制的理解将使我们有可能通过模拟预测SNe Ia超新星观测属性之间的相关性。这将更好地将SNe Ia校准为标准烛光,用于定量研究暗能量的红移行为,从而对暗能量的科学理解产生重要影响。
SNe Ia超新星模拟还可以预测各种元素和同位素的核合成产量,这些产量可以通过观测进行测试。这些产量与爆炸阶段的物理过程紧密相关。因此,比较核合成预测与观测结果,可以为这些物理过程(从而也为爆炸机理)提供间接信息。
先是碳和氧燃烧,然后是硅燃烧和在内部深处的长时间的核统计平衡,SNe Ia超新星模拟需要大量的核数据,包括结合能、配分函数、和强作用、电磁作用、弱相互作用反应速率。目前的工作就是更好地量测诸如碳燃烧产生氧[12C(α,γ)16O]等重要反应的反应速率。尤其重要的是铁峰元素的同位素的弱相互作用率,它决定了喷出物的中子富度。这些核数据的持续改善有助于提高SNe Ia超新星模拟对核合成的预测精度,从而加强喷出物、太阳元素丰度的观测结果对核数据的约束。
4.2.2内核坍缩超新星
铁-内核坍缩和反弹由广义相对论万有引力和在极端中子富度、密度(如大于1014 g/cm3)条件下弱、强核相互作用之间相互影响来控制。随后的演化包括中微子辐射流体力学和核反应动力学以及其他物理过程。非零中微子质量的实验事实意味着科学家们必须最终用量子力
计算机信息管理学院本科学年论文 云计算为中小企业带来的机遇和挑战 作者单娜 学院计算机信息管理学院 专业电子商务 年级 11级 学号 112102332 指导教师李翠梅 导师职称副教授
内容提要 云计算是指基于互联网的超级计算模式,它为中小企业的发展注入了新鲜的血液。云计算对我国中小企业的意义是深远的。在中小企业处境危机之时,国内掀起了云计算应用热浪。“云端”的世界,不一样的世界。本文在阐述云计算给中小企业带来的机遇和挑战的基础上,预测了云计算在中小企业的应用前景。 关键词:云计算技术云安全云计算市场 Abstract Cloud computing is Internet based super computing model, which gave fresh blood to the development of smes. Cloud computing on the significance of Chinese small and medium enterprises is profound. When the crisis situation of small and medium enterprises, domestic heat set off a cloud application. "Cloud" of the world, not the same world. Paper explaining cloud computing poses opportunities and challenges for smes on the basis of predicted cloud prospects of application in small and medium enterprises. Keywords: cloud computing technology cloud security cloud computing market
智能制造的现状与未来 杜超 (南京航空航天大学机电学院航空宇航制造工程系,南京,210000) 摘要:科学技术不断发展,推动我国各领域进步,由先进制造技术、信息技术、人工智能技术集于一身的智能制造技术已出现。智能制造以一种高度柔性与高度集成的方式,通过计算机来模拟人类专家实现生产制造过程。综述国内外智能制造发展现状,结合德国提出的“工业”和我国提出的“中国制造2025”战略论述智能制造的未来发展。 关键词:智能制造;工业;中国制造2025;未来发展 The present situation and future of intelligent manufacturing Chao Du (Aerospace Manufacturing Engineering, Nanjing University of Aeronautics & Astronautics,Nanjing 210000) Abstract:The continuous development of science and technology promote the progress of various fields in our country. Intelligent manufacturing technology has emerged with advanced manufacturing technology, information technology and artificial intelligence technology. Intelligent manufacturing is a highly flexible and highly integrated way, through the computer to simulate human experts to achieve manufacturing process. The development status of intelligent manufacturing at home and abroad is reviewed, and the future development of intelligent manufacturing is discussed in combination with the "industrial " submitted by German and the "China made 2025" submitted by China. Key words:intelligent manufacturing; industrial ; China made 2025; future development 引言 近年来,在工业领域与信息技术领域,都发生了深刻的变革。在工业领域主要包括工业机器人、3D打印等,而在信息技术领域主要包括大数据、云计算、社交网络、移动互联、人工智能等。这些变革带来了制造业的新一轮革命,特别是作为信息化与工业化高度融合产物的智能制造得到了长足发展。与以往发生的工业革命相同,西方发达国家在新的一轮制造业革命中依然扮演着重要的角色。具有代表性的是美国创新战略、先进制造业国家战略计划;日本的新产业创造战略;欧盟的智能制造系统(IMS2O20)路线图计划、德国的“工业”计划;韩国的高级先进制造技术计划(G-7)等[1]。中国也提出了“中国制造2025”,加快从制造大国转向制造强国。 1 智能制造的概念 智能制造技术[2]是指在制造工业的各个环节,以一种高度柔性与高度集成的方式,通过计算机来模拟人类专家制造的智能活动,对制造问题进行分析、判断、推理、构思和决策,旨在取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动;并对人类专家的制造过程进行收集、存贮、完善、共享、继承和发展。智能制造技术是制造技术、自动化技术、系统工程、人工智能等学科相互渗透和融合的一种综合技术。智能制造技术的研究对象是世界范围内的整个制造环境的集成化与自组织能力,包括智能制造处理技术、自组织加工单元、自组织机器人、智能
云计算为中小企业带来的机遇和挑战
计算机信息管理学院本科学年论文 云计算为中小企业带来的机遇和挑战 作者单娜 学院计算机信息管理学院 专业电子商务 年级 11级 学号 112102332 指导教师李翠梅 导师职称副教授
内容提要 云计算是指基于互联网的超级计算模式,它为中小企业的发展注入了新鲜的血液。云计算对我国中小企业的意义是深远的。在中小企业处境危机之时,国内掀起了云计算应用热浪。“云端”的世界,不一样的世界。本文在阐述云计算给中小企业带来的机遇和挑战的基础上,预测了云计算在中小企业的应用前景。 关键词:云计算技术云安全云计算市场 Abstract Cloud computing is Internet based super computing model, which gave fresh blood to the development of smes. Cloud computing on the significance of Chinese small and medium enterprises is profound. When the crisis situation of small and medium enterprises, domestic heat set off a cloud application. "Cloud" of the world, not the same world. Paper explaining cloud computing poses opportunities and challenges for smes on the basis of predicted cloud prospects of application in small and medium enterprises. Keywords: cloud computing technology cloud security cloud computing market
全球智能制造装备行业发展现状及前景分析 智能制造产业链涵盖智能装备(机器人、数控机床、服务机器人、其他自动化装备),工业互联网(机器视觉、传感器、RFID、工业以太网)、工业软件(ERP/MES/DCS 等)、3D打印以及将上述环节有机结合的自动化系统集成及生产线集成等。全球范围来看,除了美国、德国和日本走在全球智能制造前茅,其余国家也在积极布局智能制造发展。(一)全球智能制造行业发展现状及前景分析 1、全球智能制造行业发展概况 智能制造产业链涵盖智能装备(机器人、数控机床、服务机器人、其他自动化装备),工业互联网(机器视觉、传感器、RFID、工业以太网)、工业软件(ERP/MES/DCS等)、3D 打印以及将上述环节有机结合的自动化系统集成及生产线集成等。全球范围来看,除了美国、德国和日本走在全球智能制造,其余国家也在积极布局智能制造发展。 2、全球智能制造行业规模分析 智能制造装备是智能制造的主要体现载体智能制造装备涉及的工业机器人、3D打印设备、数控机床、智能控制系统、传感器等主要行业,产业规模实现快速增长。根据工信部的统计,2010年以来我国制造业产值规模占全球的比重在19%-21%之间。2016年,我国智能制造行业产值规模达12233亿元。据此测算,2016年,全球智能制造产值规模在8687亿美元左右。 1、全球工业机器人市场现状及前景分析 (1)全球工业机器人行业发展概况 工业机器人是智能制造业最具代表性的装备。日本、美国、德国和韩国是工业机器人强国。日本号称“机器人王国”,在工业机器人的生产、出口和使用方面都居世界榜首;日本工业机器人的装备量约占世界工业机器人装备量的60%。 (2)全球工业机器人市场规模分析 据国际机器人协会统计,1998年以来全球新装工业机器人年均增速达9%。金融危机影响后,全球机器人行业市场规模不断扩大,2015年全球工业机器人销量超过25.4万台。
中国发展智能电网优势很多2009/12/31/09:19 “智能电网”——美国、欧盟等发达国家的国策。全球金融危机催生了“智能电网”,未发生金融危机时,虚拟经济的“繁荣”模糊了实体经济与能源资源和生态环境间存在的一系列尖锐矛盾,电力的变革显得既不重要,又不紧迫,也不可能。“智能电网”对发达国家经济复苏、重塑竞争力将起重要作用,但其意义绝非仅仅是应对当前全球金融危机的权宜之计。 国际智能电网背景 在世界“绿色产业革命”的大环境下,二十多年来,世界发达国家在政府主导下,提出了一系列有关电力发展的战略规划。先期重点在发电方面并取得了很多积极成果,如美国先后提出了CCT《清洁煤发展计划》、CCPI《清洁煤创新发展计划》、FUTUREGEN重大示范项目计划等等。2003年美国政府在《电网—2030》规划中首先较完整提出了智能电网的战略构思,“智能”是手段为其战略构思宗旨、目的服务,其后进行了大量的技术研究、工业示范、社会试点直至局部商业化运营,现己成为美国政府的重要国策。2005年欧盟将智能电网上升到国家战略地位开展研究。美国能源部关于智能电网定义表述为:智能电网是采用先进的传感技术、通信技术和控制技术来保证更为高效、经济和安全地发电、输电和供电的现代电网,它集成了从发电、输电和配电以及用电设备领域的大量有益于社会的创新技术和手段,以满足不断变化的未来社会需求。 智能电网战略宗旨、核心、技术管理措施的提出和实施标志着世界电力发展进入了一个新的历史阶段。美国的“统一智能电网”、欧盟的“超级智
能电网”都是一种形象性称呼,之所以得到世界认可,并不是因为它的称呼,而是因为它的战略构思内容符合当今能源变革的宗旨、目的并已局部证实能起到实效。 因国情和电力发展阶段不同,各国智能电网定义、内含、重点会有所区别,但其“安全、经济、高效、清洁、低碳”的变革宗旨、核心应是相同的,采用先进传感、通信、控制技术,数字化管理、智能化决策、互动化交易等技术管理措施特点是相同的,可以认为当今智能电网战略宗旨、核心、技术管理措施的提出和实施标志着世界电力发展进入了一个新的历史阶段。“智能电网”与传统电网都必须遵循电力的基本规律,都含有不受时间限制的相同基本理念,它们的核心、基本形态、关键技术有相同、更有不同之处。 欧美发达国家提出的智能电网战略重点在供用电侧,包括接纳可再生能源、需求侧的智能管理、双向互动等,和更大范围的高压联网,它符合欧美发达国家实际国情、电力发展阶段以及基础现状。 从中国具体国情看,在中国称为“智能电力系统”战略更为确切,只有发、输、供、用全方位的变革、创新、发展才能真正达到电力变革的宗旨、目的,这四方面变革、创新、发展是互相关联、互相促进,需要协调有序的推进,任何方面过度超前或滞后,都会严重影响中国电力发展进程。从广义电网概念,以高效、低碳为核心的电力变革、创新以及国际上容易认知角度看,可以称为智能电网战略,与以往称为电力发展规划相比,也更具有时代特征。 中国智能电网战略研究应包括发、输、供、用四个方面变革、创新、发展。与发达国家不同的国情和电力发展阶段要考虑在其中,如中国未来二、
云计算技术下机遇与挑战论文 云计算技术下的机遇与挑战的论文 近年来,云计算(CloudComputing)技术得到了迅速发展,受到越来越多企业的青睐,并且已经在许多国际知名IT公司进行了初步的推广和应用,如谷歌、微软、IBM、思科等。我国阿里巴巴集团于XX年成立了旗下云计算品牌阿里云,目前,阿里云已经成为全球领先的云计算技术和服务提供商。作为IT领域的最新发展,云计算伴随着新一轮的技术变革,为企业管理方式的变革注入了新的活力。云计算所掀起的新一轮技术变革,使得物流管理面临着前所未有的机遇和挑战。越来越多的企业开始重视基于信息技术的物流管理,认为基于信息技术的物流管理是形成企业竞争力、增强创新力、提高市场份额的重要推动力。云计算具有大规模、集中化、按需服务、极其廉价等特点,为企业进行物流管理带来了效率提高、成本节约、摆脱资金和规模的限制等机遇。同时,也带来了诸多挑战,如要求提高人才队伍的素质、组织结构转型以及不容忽视的信息云风险等。现有文献多以研究云计算的概念和特征、云计算的安全及风险问题、云计算背景下物流信息平台的构建等为重点,对上述问题尚未给出明确答复。本文首先阐述了云计算的概念及特征,然后指出云计算背景下物流管理面临的机遇和挑战,最后结合实际给出相应的对策和建议。 1、云计算简介? 1.1、云计算的概念? 云计算是继1980年大型计算机到客户端-服务器大转变之后的IT 历史上的又一巨变。目前,学术界对于云计算的讨论和研究颇多,但对云计算的定义尚无定论。现阶段较为推崇的是NIST
(NationalInstituteofStandardsandTecasaService,平台即服务)、SaaS(SoftwareasaService,软件即服务)三种服务形式。IaaS 为消费者提供常见的基础设施资源和服务,消费者无需购买、维护硬件和软件,可直接从完善的计算机基础设施获得服务。PaaS是指将软件开发平台作为一种服务提供给用户。 SaaS是指服务供应商负责管理和维护硬件设施,并通过网络向用户提供定制化服务,用户无需购买,可根据自身需求选择购买或者租赁软件,它是应用最广泛的云计算服务。 1.2、云计算的特征? 1.2.1、按需服务? 云是一个庞大的资源池,能够提供用户所需要的资源和服务,用户若想使用这些资源和服务,只需在平台上挑选自己中意的云服务商,根据自身需求选择服务,按使用量付费。 1.2.2、价格低廉? 云的自动化集中式管理,使企业免于支付日益高昂的数据中心管理成本,云中资源的利用率较之传统系统得到大幅提升,充分体现出云的低成本优势。企业从云中可以获取各种各样廉价质优的资源和服务,只需根据需求进行购买或租赁,不需对基础设施建设和软件的开发、维护、更新进行投资。 1.2.3、灵活性? 云计算通过网络实现资源共享,没有固定实体。用户可以不受时间和地点限制,在任意位置、使用各种终端获取云端资源和服务,方便快捷而灵活,用户无需专业的网络和计算机知识就可以获取应用服务。
全球智能制造发展现状 智能制造产业链涵盖智能装备(机器人、数控机床、服务机器人、其他自动化装备),工业互联网(机器视觉、传感器、、工业以太网)、工业软件 (ERP/MES/DCS等)、3D打印以及将上述环节有机结合的自动化系统集成及生产线集成等。 全球范围来看,除了美国、德国和日本走在全球智能制造前端,其余国家也在积极布局智能制造发展。例如,欧盟将发展先进制造业作为重要的战略,在2010年制定了第七框架计划(FP7)的制造云项目,并在2014年实施欧盟“2020地平线”计划,将智能型先进制造系统作为创新研发的优先项目。加拿大制定的1994-年发展战略计划,将具体研究项目选择为智能计算机、人机界面、机械传感器、机器人控制、新装置、动态环境下系统集成。 根据工信部的统计,2010年以来我国制造业产值规模占全球的比重在 19%-21%之间。2016年,我国智能制造行业产值规模达12233亿元。据此测算,2016年,全球智能制造产值规模在8687亿美元左右。2017年,全球智能制造持续高速增长的态势,预计2017年全年产值规模将达到1万亿美元左右。 ◆全球工业机器人行业发展现状 工业机器人是智能制造业最具代表性的装备。根据IFR(国际机器人联合会)发布的最新报告,2016年全球工业机器人销量继续保持高速增长。2016年全球工业机器人销量约29.0万台,同比增长14%。其中,中国工业机器人销量9万台,同比增长31%。IFR预测,未来十年,全球工业机器人销量年平均增长率将保持在12%左右。预计2017全年,全球工业机器人销量在33万台左右。 全球智能制造发展发展前景及趋势 2017年,具有连接和感知能力的机器人继续引领智能制造发展,随着AI 技术的进步,工业机器人也变得更加智能,并能够感知,学习和自己做决策。前瞻产业研究院结合当前全球智能制造的发展现状和发展趋势,保守估计未来几年全球智能制造行业将保持15%左右的年均复合增速,预计到2023年全球智能制造的产值将达到23108亿美元左右。 (三)面对智能制造发展的迫切需求及市场空间,国内各领域企业纷纷进军系统解决方案领域 国内智能制造改造需求迫切,系统解决方案市场需求广阔。一是随着国内劳动力人口逐渐减少以及劳动力成本的逐渐上升,企业迫切需要实施机器换人战略,就工业机器人来看,2014年国内工业机器人销售同比增长了56%。二是互联网时代,用户需求日趋多样化、定制化,企业订单呈现出小型化、碎片化的发展趋势,
黄晓庆:中国“云计算”机遇与挑战 --2009中国首届云计算论坛 我简单讲一下信息运营商对云计算的需求。 中国移动是一个很大潜力需求云计算的企业。我们每年的数据有大量的客户数据和为客户所准备的服务数据,它需要的运算是大量的。同时希望对这些用户进行深度挖掘,深度营销,需要大量的运算。这种运算如果用云计算来实现,可以大大提高速度。运营商本身就是一个很巨大的信息制造者和信息处理者。 由于我们网络带宽的提高,使云计算成为一种公共服务变为可能。运营商在这个方面就有一个非常独特的商业机会和机制,中国移动提出了从通信专家向信息专家转变,我们要对消费者级进行服务,逐渐到产业级服务,我们有应用数据中心就是为产业提供信息化的服务。结合到为全社会提供运算平台,为互联网企业,为政府,为各种需要大容量运算的企业提供服务。这是运营商对云计算的需求。 从某种意义上,从IT技术的外包,从传统的托管,慢慢会转变到运算能力的外包,虚拟化的外包。虚拟化就是提供一个能力的打包,而不是一台服务器,一个存储系统,而是一种能力,这种能力可以根据需求来增加。这种能力的外包有一个巨大的优势,一般的时候你把一个系统两三年会扩容,如果未来两三年之后不会再卖系统,工作可能比较轻松。如果你虚拟外包,不需要考虑容量,只要根据需求购买就可以了。这样节省大量的成本,节省了大量的社会资源,同时产生了许多新的经济增长点。 迎接挑战,广泛合作,是云计算在中国生根发芽的一个重要方法。中国移动通信研究院这些年深入研究,我们提出一个观点,就是基于开源技术,积极建造开放性云计算平台。从Google开创了云计算研究之后,很多企业进行了云计算的研究,从操作系统细化还是到操作系统的虚拟化。我们现在很多平台都是建立在ZEN平台之上。大家可能对HADOOP不熟悉,但是雅虎的ONESERCH就是建立在这个平台上。从某种意义上来讲,中国云计算
智能制造技术的国内外展现状 智能制造技术无疑是世界制造业未来发展的重要方向之一,所谓智能制造技术,是指在现代传感技术、网络技术、自动化技术、拟人化智能技术等先进制造技术的基础上,通过智能化感知、人机交互、决策和执行技术,实现设计过程、制造过程和制造装备智能化,是信息技术和智能技术与装备制造过程技术的深度融合与集成。作为智能制造的重要工具之一,自动化技术的发展程度无疑决定着智能制造发展的成败。 全球智能制造发展趋势: 1.以3D打印为代表的“数字化”制造技术崭露头角。 2.智能制造技术创新及应用贯穿制造业全过程。 3.世界范围内智能制造国家战略空前高涨。 国外智能制作技术发展现状 世界主要工业化发达国家提早布局。自20世纪80年代末智能制造提出以来,世界各国都对智能制造系统进行了各种研究,首先是对智能制造技术的研究,然后为了满足经济全球化和社会产品需求的变化,智能制造技术集成应用的环境—智能制造系统被提出。日本于1989年提成智能制造系统,且于1994年启动了先进制造国际合作研究项目,其中包括公司集成和全球制造、制造知识体系、分布智能系统控制、快速产品实现的分布智能系统技术等。美国与1992年执行新技术正常,大力支持包括信息技术和新的制造工艺,智能制造技术
在内的关键重大技术。欧盟于1994年启动新的研发项目,选择了39项核心技术,其中信息技术、分子生物学和先进制造技术中均突出了智能制造技术的地位。近来,各国除了对智能制造技术进行研究外,更多的是进行国际间的合作研究。 世界主要工业化发达国家将智能制造作为重振制造业战略的重要抓手。金融危机以来,在寻求危机决绝方案的过程中,美、德、日等国政府和相关专业人士纷纷提出通过发展智能制造来重振制造业。国内智能制造技术的发展现状与存在的问题 1.发展现状 国内取得了一批基础研究成果和智能制造技术。我国对智能制造的研究开始于20世纪80年代末。在最初的研究中在智能制造技术方面去得了一些成果,而进入21世纪以来的十年当中智能制造在我国迅速发展,在许多重点项目方面取得成果,智能制造相关产业也出具规模。我国已取得了一批相关的基础研究成果和长期制约我国产业发展的智能制造技术,如机器人技术、感知技束、工业通信网络技术、控制技术、可靠性技术、机械制造工业技术、数控技术与数字化制造、复杂制造系统、智能信息处理技术等;攻克了一批长期严重依赖并影响我国产业安全的核心高端装备,如盾构机、自动化控制系统、高端加工中心等。建设了一批相关的国家重点实验室、国家工程技术研究中心、国家级企业技术中心等研发基地,培养了一大批长期从事相关技术研究开发工作的高技术人才。 国内智能制造装备产业体系初步形成。随着信息技术与先进制造
?2011中国智能电网产业现状及未来发展战略剖析 ?【OFweek智能电网编译:Kinshale】与传统电网相比,智能电网在发电、输电、配电及用电四大环节中都具有明显的优势,智能电网成为世界各国集中投资的战略型产业。智能电网通过优化传统能源和新能源的供需和应用实现节能,通过特高压技术解决能源结构不匹配问题,通过高效率的配电技术提高整体电网的稳定性和效率,是应对能源危机的必由之路。中国发展智能电网可以参照高铁的发展战略,实现引进技术、实现自我研发、到成功的技术输出的三阶段转换。特别是各国技术标准还没有统一的情况下,中国将凭借规模经济准备自主技术标准的同时,积极参与全球标准的制定,扩大市场支配能力。 中国的智能电网产业 中国能源供给及能源消费结构的不平衡催生智能电网的发展 中国能源结构以煤炭资源为主,煤炭资源保有储量的76%分布在山西、内蒙古、陕西、新疆等北部和西部地区,而能源消费需求主要集中在经济较为发达的中东部地区,随着中国能源开发西移和北移的速度加快,大型煤炭能源基地与能源消费地之间的输送距离越来越远,能源输送的规模越来越大。要满足未来持续增长的电力需求,从根本上解决煤电运力紧张的问题,需要发展智能电网,实施电力的大规模、远距离、高效率输送。 2009至2020年国家电网总投资3.45万亿元,其中智能化投资3841亿元,占电网总投资的11.1%,未来10年将建成坚强智能电网2009至2010年为规划试点阶段,重点开展坚强智能电网发展规划工作,制定技术和管理标准,开展关键技术研发、设备研制及各环节的试点工作;2011至2015年为全面建设阶段,加快建设华北、华东、华中“三华”特高压同步电网,初步形成智能电网运行控制和互动服务体系,关键技术和装备实现重大突破和广泛应用;2016至2020年为引领提升阶段,全面建成统一的坚强智能电网,技术和装备全面达到国际先进水平。 中国国家电网公司目前正在推进“一特四大”的电网发展战略以特高压电网为基础,促进大煤电、大水电、大核电、大型可再生能源基地的集约化开发,在全国范围内实现资源优化配置。以大型能源基地为依托,建设由1000千伏交流和±800千伏直流构成的特高压电网,形成电力“高速公路”。同时,将以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强电网为基础,发展以信息化、数字化、自动化、互动化为特征的自主创新、国际领先的坚强智能电网。 智能电网产业的特点及作用
智能电网与智慧城市协调发展研究 摘要:本文通过简述智慧城市建设的发展趋势和智能电网的发展方向,分析我国智慧城市和智能电网在建设过程中遇到的问题,研究在新时期条件下,智能电网与智慧城市建设的协调发展、高效经营及可持续发展的主要思路。 关键词:智能电网;智慧城市;协调发展 随着经济社会的不断发展,传统的城市化方式已经成为人类今后社会经济发展的瓶颈,其带来的资源紧缺、环境污染等一系列问题不仅严重制约城市自身发展,也已经威胁到人类社会的可持续发展。亟需改变传统的城市化方式,找到一种城市与人、与自然和谐发展的道路,智慧城市成为城市发展的必然选择。因此,探索智慧城市之外的和谐,发展建设智慧城市成为全人类需要共同面对和解决的重要问题。 一、智能电网是智慧城市的重要组成部分 智慧城市以人与自然和谐发展为基本理念,通过整合多种先进技术,促进城市各部分功能协同运作,使得管理更高效、服务更优质、环境更清洁、生活更舒适。智能电网是智慧城市建设的基础和重要组成部
分,在城市的能源基础设施、公共服务平台等方面提供了有力支撑,对智慧城市发展具有重要推动作用。近年来,通过智能小区、智能园区、电动汽车充换电设施、分布式电源并网等方面的智能电网建设工作,将电网建设与百姓生活有机的结合起来,实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合,构建能源信息循环与服务网络,提升城市能源管理水平,有效推进了智慧城市建设发展进程。 二、智能电网及特点 智能电网至今未有统一的定义,由其功能及特点可基本定义为:通过搭建高速和高集成性为特点的网络通信平台,以微机为载体,运用电力电子和智能控制决策等先进技术,结合现有输配电网,达成电网的实时监控和灾害预防,实现电网的信息化和智能化,最终发展为在信息上实时可靠、在成本上经济、在服务上高效优质的可持续发展的智能型电网。智能电网具有以下特点: (一)自感及自愈性(Self-inductance and self-healing) 智能电网在信息上具有实时性,通过采集系统内部实时动态信息,对动态信息进行风险评估,确定风险等级,计算故障发生概率及发生后引起的系统震荡。
智能电网的发展趋势 摘要:随着电力系统运行环境的日趋复杂与电力体制改革的不断前进,传统电力网络亟待进一步提升,实现向智能电网的转变。智能电网为 电网的发展方向,它的内涵是由绩效目标、性能特征、关键技术与功 能实现等4个方面及其之间的关系综合体现的,它们分别规定了智能 电网的未来期望收益、应具备的特征性能力、为实现此能力而应当采用的关键性技术以及技术与具体业务需求的结合方式。通过对上述内容的详细阐述,描绘出未来智能电网的框架。 关键词:智能电网;自愈;分布式能源;电力市场 0引言 随着市场化改革的推进、数字经济的发展、气候变化的加剧、环境监管要求日趋严格与国家能源政策的最新调整,电力网络跟电力市场、用户之间的协调和交换越来越紧密、电能质量水平要求逐步提高、可再生能源等分布式发电资源数量不断增加,气候变化初露端倪,传统 网络已经难以支撑如此多的发展要求。为此人们提出了发展智能电网(SmartGrid)的设想,实现对传统电网基础上的升级换代。国外许多研究机构和企业正在积极推动智能电建设。例如知识电(IntelliGrid)、现代电网(ModernGrid)、网络智能(GridWise)与智能电网等,可是本 质内容基本相似。为了在智能电网领域寻求突破、加强联系与合作, 已形成了一个全球性联盟组织。 1智能电网概念 智能电网并非是一堆先进技术的展示,也不是一种着眼于局部的解 决方案。智能电网是以先进的计算机、电子设备和高级元器件等为基础,通过引入通信、自动控制和其他信息技术,从实现对电力网络的改造,达到电力网络更加经济、可靠、安全、环保这一根本目标。为了 理解智能电网,需要站在全局性的角度观察问题,综合考虑智能电网 的4个维度,即绩效目标、性能特征、技术支撑和功能实现。 2智能电网的绩效目标与性能特征
智能制造发展规划(2016-2020年) 智能制造是基于新一代信息通信技术与先进制造技术深度融合,贯穿于设计、生产、管理、服务等制造活动的各个环节,具有自感知、自学习、自决策、自执行、自适应等功能的新型生产方式。加快发展智能制造,是培育我国经济增长新动能的必由之路,是抢占未来经济和科技发展制高点的战略选择,对于推动我国制造业供给侧结构性改革,打造我国制造业竞争新优势,实现制造强国具有重要战略意义。 根据《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》《中国制造2025》和《国务院关于深化制造业与互联网融合发展的指导意见》,编制本规划。 一、发展现状和形势 全球新一轮科技革命和产业变革加紧孕育兴起,与我国制造业转型升级形成历史性交汇。智能制造在全球范围内快速发展,已成为制造业重要发展趋势,对产业发展和分工格局带来深刻影响,推动形成新的生产方式、产业形态、商业模式。发达国家实施“再工业化”战略,不断推出发展智能制造的新举措,通过政府、行业组织、企业等协同推进,积极培育制造业未来竞争优势。
经过几十年的快速发展,我国制造业规模跃居世界第一位,建立起门类齐全、独立完整的制造体系,但与先进国家相比,大而不强的问题突出。随着我国经济发展进入新常态,经济增速换挡、结构调整阵痛、增长动能转换等相互交织,长期以来主要依靠资源要素投入、规模扩张的粗放型发展模式难以为继。加快发展智能制造,对于推进我国制造业供给侧结构性改革,培育经济增长新动能,构建新型制造体系,促进制造业向中高端迈进、实现制造强国具有重要意义。 随着新一代信息技术和制造业的深度融合,我国智能制造发展取得明显成效,以高档数控机床、工业机器人、智能仪器仪表为代表的关键技术装备取得积极进展;智能制造装备和先进工艺在重点行业不断普及,离散型行业制造装备的数字化、网络化、智能化步伐加快,流程型行业过程控制和制造执行系统全面普及,关键工艺流程数控化率大大提高;在典型行业不断探索、逐步形成了一些可复制推广的智能制造新模式,为深入推进智能制造初步奠定了一定的基础。但目前我国制造业尚处于机械化、电气化、自动化、数字化并存,不同地区、不同行业、不同企业发展不平衡的阶段。发展智能制造面临关键共性技术和核心装备受制于人,智能制造标准/软件/网络/信息安全基础薄弱,智能制造新模式成熟度不高,系统整体解决方案供给能力不足,缺乏国际性的行业巨头企业和跨界融合的智能制造人才等突出问题。相对工
智能电网与人类社会发展 能源是人类赖以生存的物质基础,是现代经济社会发展的重要保障。在能源领域,新的科技革命的焦点,一是新能源的利用,二是将信息技术用于能源产业;随着市场化改革的推进、气候变化的加剧,环境监管日益严格,可再生能源等分布式发电源数量不断增加,智能电网的概念应运而生。智能电网以物理电网为基础,将先进的传感测量技术、通讯技术、信息技术、计算机技术和控制技术与物理电网高度集成而形成的新型电网。确保电力供应的安全性、可靠性和经济性,满足环保约束,保证电能质量,适应电力市场化发展。智能电网允许可再生能源顺利接入电网,提高电力系统的能源转换和传输效率,确保电网运行更可靠、更灵活、更经济,为用户提供更高的供电质量和更优质的服务。 一.智能电网的特征 从宏观上讲,智能电网与传统电网管理运行模式相比,它是一个完整的企业级信息框架和基础设施体系,可以实现对电力客户、资产及运营的持续监视,提高管理水平、工作效率、电网可靠性和服务水平。传统电网的电力资源没有被合理配置,造成能源和财富的损失。从微观上讲,与传统电网相比,智能电网进一步优化各级电网控制,构建结构扁平化、功能模块化、系统组态化的柔性体系结构,通过集中与分散相结合,灵活变换网络结构、智能重组系统结构、最佳配置系统效能、优化电网服务质量,实现与传统电网截然不同的电网构成理念和体系。 智能电网与传统电网相比具有如下几点特性:1.坚强。在电网发生大扰动和故障时,仍能保持对用户的供电能力,而不发生大面积停电事故;在自然灾害、极端气候条件下或外力破坏下仍能保证电网的安全运行;具有确保电力信息安全的能力。2自愈。具有实时、在线和连续的安全评估和分析能力,强大的预警和预防控制能力,以及自动故障诊断、故障隔离和系统自我恢复的能力。3兼容。支持可再生能源的有序、合理接入,适应分布式电源和微电网的接入,能够实现与用户的交互和高效互动,满足用户多样化的电力需求并提供对用户的增值服务。4经济。支持电力市场运营和电力交易的有效开展,实现资源的优化配置,降低电网损耗,提高能源利用效率。5集成。实现电网信息的高度集成和共享,采用统一的平台和模型,
数字城市、智能城市与智慧城市的区别与关系 导读: 国内城市规划界不停的在出现新名词,出现新概念,出现新思潮,发起新运动,各地都在编制各种各样的规划,或许你也听到过智慧城市、数字城市、智能城市、等等。 智慧城市与数字城市、智能城市的概念经常被混淆,其实三者之间是有区别的,智慧城市与数字城市、智能城市的区别也反映了人们对信息技术在城市发展中扮演角色和发挥作用认识的逐步深入。那么你了解多少呢?本文为你解惑: 一、定义 1、什么是智慧城市? 智慧城市是信息化应用取得良好效益的知识型城市。 智慧城市的优点在于通俗,易于宣传,缺点是无法准确定义,因为“智慧”是人们早已熟悉的词汇,自会以自己的理解想象智慧城市,“智慧城市”只能是公众视角,不是信息工程学的精确定义。 智慧城市是宏观概念,它反映了社会对未来城市的知识化、信息化、高效益的一种愿望,着眼于城市发展整体的总效果。信息化是智慧城市的重要内容,社会对智慧城市的期望并不局限于信息化,社会要求城市具有整体发展的智慧。 2、什么是智能城市? 智能城市是智能技术充分应用的城市。 智能技术也是信息技术,只是强调的重点不同。智能技术强调的是软件资源,强调自动处理系统的贡献,智能技术有望成为信息技术应用的新热点。(微信公众号:智慧城市圈子邱文斌 qwb_2014) 信息化普及与计算机的性价比密切相关,IT昂贵时代许多人围着一台计算机转,IT廉价时代一人一台计算机,在IT超廉价时代将会有许多计算机围着人服务,智能服务的特点是对事不对人,展现为自动化服务。 在一对一信息服务的时代,应用的中心是个人化的信息服务,主要是系统向人提供信息,供人使用,在多对一IT智能服务时代,信息系统是代替人自动处理事务,如智能电网、智能交通、智能环保都是自动化系统,系统经常在人无所察的情况下为居民提供服务。 程序是人处理事务方法的逻辑表述,这些程序在特定系统上运行形成了自动处理事务智能,理论上可以用居民日平均利用的程序条数反映城市的智能化程度,城市的智能化程度越高,居民的生活工作越方便也越有效率。
智能电网和大数据 1 智能电网 智能电网(smart power grids),就是电网的智能化,也被称为“电网2.0”,它是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上,通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用,实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标,其主要特征包括自愈、激励和包括用户、抵御攻击、提供满足21世纪用户需求的电育濒量、容许各种不同发电形式的接入、启动电力市场以及资产的优化高效运行。 在现代电网的发展过程中,各国结合其电力工业发展的具体清况,通过不同领域的研究和实践,形成了各自的发展方向和技术路线,也反映出各国对未来电网发展模式的不同理解。近年来,随着各种先进技术在电网中的广泛应用,智能化已经成为电网发展的必然趋势,发展智能电网已在世界范围内形成共识。 从技术发展和应用的角度看,世界各国、各领域的专家、学者普遍认同以下观点:智能电网是将先进的传感测量技术、信息通信技术、分析决策技术、自动控制技术和能源电力技术相结合,并与电网基础设施高度集成而形成的新型现代化电网。 2 智能电网的发展 2.1 美国 2.1.1 电网2030规划 2003年2月,美国时任总统布什提出“电网2030规划”,指出要建设现代化电力系统,以确保经济安全,同时促进电力系统自身的安全运行。该规划的主要内容有:为所有用户提供高度安全、可靠、数字化的供电服务,在全国实现成本合
理、生产过程无污染、低碳排放的供电,经济实用的储能设备,建成超导材料的骨干网架。为有效促进智能电网建设,美国于2007年12月颁布“能源独立与安全法案2007",确立了国家层面的电网现代化政策,设立新的专责联邦委员会,并界定其职责与作用,建立问责机制,同时建立激励机制,促进股东投资。 2.1.3 奥巴马政府施政计划 美国总统奥巴马为振兴经济,从节能减排、降低污染角度提出绿色能源环境气候一体化振兴经济计划,智能电网是其中的重要组成部分。 2.2 欧洲 欧盟为应对气候变化、对能源进口依赖日益严重等挑战,向客户提供可靠便利的能源服务,正在着手制定一整套能源政策。这些政策将覆盖资源侧、输送侧以及需求侧等方面,从而推动整个产业领域深刻变革,为客户提供可持续发展的能源,形成低能耗的经济发展模式。欧洲智能电网技术研究主要包括网络资产、电网运行、需求侧和计量、发电和电能存储四个方面。 2.3国外智能电网技术研究近况 按照智能电网本身所覆盖的价值链环节,智能电网的关键技术可划分为智能用电、智能网络、新能源发电与智能企业四类。 (1)智能用电:包括智能表计、电池技术、家庭自动化、微型电网、优质供电园区等。 (2)智能网络:包括调度自动化、即插即用式智能电力设备、智能保护装置、测量监视设备、电力电子设备、海量数据处理技术和可视化技术等。 (3)新能源发电:包括可再生能源发电、微透平技术、超导储能技术等。 (4)智能企业:包括信息集成技术、通信技术等。
智能电网支撑智慧城市发展 王倩,李强,孙芊 (国网河南省电力公司电力科学研究院,河南郑州450052) 摘要:经济和社会快速发展加剧了城市化,由此产生的一系列问题使城市运行和管理遇到了瓶颈,城市的可持续发展迫切需要解决,由此"智慧城市"应运而生。智慧城市是利用新一代的技术,让城市中各个功能彼此协调运作,可以为城市中企业提供优质的发展空间,为市民提供更高的生活品质。本文介绍了智慧城市和智能电网的研究现状,通过分析了智慧城市和智能电网的关系,指出智能电网对智慧城市建设具有强大支撑作用,然后介绍了智能电网支撑智慧城市的相关技术,最后从五个方面阐述智能电网项目对智慧城市的支撑。 关键词:智慧城市智能电网支撑发展 中图分类号:TM727文献标识码:B文章编号:X(2013)04-005-04 Smart Grid Support Wisdom City Development Wang Qian,Li Qiang,Sun Qian (State Grid HAEPC Electric Power Research Institute,Zhengzhou450052,China) Abstract:The rapid development of economy and society aggravates urbanization,and the resulting problems bring a bottleneck to the city operation and management.The sustainable development of city is an urgent problem to solve,so the“wisdom city”came into being.Wisdom city uses a new generation of technology in order to make the various functions of the city work in coordination with each other.It can provide the best development space for enterprises and provide a higher quality of life for the people in the city.This paper introduces the current research situation of wisdom city and smart grid,and analyzes the relationship between wisdom city and smart grid.This article points out that the smart grid has a strong supporting role for the construction of a smart city,and explains the support from five respects at last. Key words:wisdom city;smart grid;support development 1引言 城市化是人类文明的象征,随着经济和社会的快速发展,城市正面临着大量新的挑战:人口膨胀过快、交通拥挤不堪、环境污染严重、资源消耗过度、安全隐患明显、社会治安不稳等。城市化所带来的这些影响需要采取一种可持续发展的方式来解决,“智慧城市”正是为城市发展中遇到的问题提供解决之道的选择。 智慧城市促使信息化向智慧化发展,促进经济转型、产业升级和城市提升,整合智慧基础设施,推进智慧应用系统的建设和运作,最终实现信息畅通、管理高效、环境优美、社会和谐、生活美好的城市生活。智慧城市的实现和运转离不开电网,智能电网是智慧城市的重要基础和客观需要,智能电网的应用促进清洁能源的开发利用,优化能源结构,推动相关领域创新,为城市提供更优质的服务,实现绿色低碳生活、推动智慧城市建设加速发展。 2国内外现状 2.1国外智慧城市与智能电网发展现状 美国Xcel Energy公司在2010年宣布其在科罗拉多州建设美国第一个全面集成智能化城市电网。爱荷华州的迪比克市自2010年开始,通过一系列新技术将城市所有资源都连接起来,完全实现数字化,可以侦测、分析和整合各种数据并智能化地作 河南电力 2013年第4期5