超级计算机技术范文

导语：如何才能写好一篇超级计算机技术，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

而在国际创新大会展厅中，最抢人眼球的莫过于IBM公司展台上那台比人还高的黑色大柜子―蓝色基因超级计算机的一个机架结构，吸引了很多人前去观看。

蓝色基因系统是由大量运算节点组成，将1024个计算节点（内含2颗PowerPC嵌入式处理器）放在单一机架内进行密集封装而成。

蓝色基因最高可以扩充到65,536个计算节点（共计131,072颗处理器），即64个机架，其峰值速度可达到367万亿次浮点运算速度。

在全球最著名的超级计算权威机构TOP500榜单上，IBM的蓝色基因/L凭借空前的可持续计算性能，以每秒钟280.6万亿次浮点运算速度夺得冠军位置。

“IBM一直致力于用创新技术推动行业发展，从蓝色基因超级计算系统性能的空前提升，可以看到IBM如何推动超级计算领域的高速发展，甚至推动人类科学技术的进步。蓝色基因超级计算系统在TOP500排行榜上占有19个席位。”IBM负责技术战略和创新的全球副总裁Irving Wladawsky-Berger博士介绍。

Irving Wladawsky-Berger博士同时也坦言，对于IBM来说，蓝色基因并不是一项革新技术，而是逐渐演进而成的。“真正的革新技术应该是能够广泛地应用在各个领域。”

目前，蓝色基因有些领域已经有成功地应用，包括:

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【关键词】监控系统;网络结构;PLC;改进

引言

潮州供水枢纽工程位于韩江流域下游东、西溪河段内，坝址距潮州市约3.8km，坝址控制集水面积29084km2，潮州供水枢纽电站为河床式水电站，分为东、西溪电站。东溪电站装机容量2×9MW，西溪电站装机容量2×14MW，总装机容量为46MW，机组为灯泡贯流式。水库正常蓄水位10.5米（珠基），最低运行水位8.5米（珠基）。年设计发电量为20812万kWh，潮州供水枢纽工程四台机组于2006年1月正式投入运行。

东、西溪两电站计算机监控系统按“无人值班（少人值守）”原则设计[1]，采用分层分布式结构，整个系统分为集控中心、电站分中心和电站现地控制单元三层。控制的优先权为：电站现地控制单元最高，电站分中心与集控中心次之，两者控制优先权相同。集控中心负责东、西溪两座电站及水利枢纽其它设备的集中监视与控制。集控中心通过专用光纤以太网与东、西电站监控网络相连，完成监视及控制数据的交换，实现东、西溪电站数据集中采集与集中控制。

集控中心设在综合办公大楼集中控制室内，电站分中心和电站现地控制单元设在电站厂房内。计算机监控系统采用南瑞水利水电技术分公司的EC2000系统，现场控制单元LCU采用南瑞水利水电技术分公司SJ-500型微机监控装置，LCU核心控制器采用西门子S7-300系列PLC（CPU 315-2DP），辅机控制柜核心控制器采用西门子S7-200系列PLC（CPU 226）。

1.计算机监控系统概述

1.1 系统结构

集控中心监控系统上位机主要由两台冗余操作员工作站、两台冗余拦河闸操作员工作站、两台数据服务器及一套磁盘阵列、一台网管服务器、一台工程师培训工作站、一台通信工作站、一台拦河闸通信机组成。集控中心配置两台冗余的赫思曼工业交换机，各上位机配置双网卡分别与两台交换机连接，构成双星型以太网。东、西溪电站各配置1台赫兹曼工业交换机，通过专用的单模光纤网络与集控中心交换机连接。东、西溪电站分中心各配置1台主机兼操作员工作站，分别负责东、西溪电站内设备的监视与控制。集控中心及电站分中心均配置UPS装置，为上位机系统各计算机提供不间断电源，以确保在厂用电源消失时，监控系统仍能正常运行。集控中心、电站计算机监控系统简化图如图1所示。

电站现地控制单元层由两套机组LCU和一套公用LCU组成。各LCU均配置百兆以太网模块，通过网络双绞线接入设在电站内的工业交换机，实现与集控中心及电站分中心上位机的高速通信;CPU自带DP总线接口，机组LCU通过PROFIBUS总线与电站技术供水、油压装置等辅机LCU（采用S7200 PLC）通信，公用LCU通过PROFIBUS总线与高低气机、消防系统等辅机LCU通信;LCU配置1块串口通信模件及1套SJ30通信管理装置，通过SJ30通信装置与调速器系统、微机保护系统、励磁系统、温度巡检仪SJ40C等进行通信;PLC通过自带的串口与触摸屏进行通信。电站现地控制单元层系统结构如图2所示。

1.2 系统主要功能

集控中心上位机：

数据服务器及其磁盘阵列：实现电站、拦河闸监控系统历史数据的存储与管理。

电站操作员工作站：实现东、西溪电站全厂设备的运行监视与控制调节。

拦河闸操作员工作站：实现东、西溪拦河闸的运行监视与控制调节。

工程师培训工作站：进行监控系统培训、演示及系统维护。

通信工作站：负责与电力调度通信、模拟屏通信、拦河闸通信机通信。

网管服务器：负责整个监控系统以太网的管理，并预留web功能接口。

拦河闸通信机：实现与电站监控系统上位机、水情测报系统的通信（采用101通信规约），将拦河闸开度等参数送至电站监控系统上位机，将拦河闸开度、闸前、闸后水位等运行参数送给水情测报系统。

电站分中心上位机：

电站操作员工作站：分别实现本电站全厂设备的运行监视与控制调节，历史数据的存储与查询。

图2 改造前东/西溪电站现地监控系统结构图

1.3 系统配置

（1）集控中心监控系统

主要包括2台数据服务器型号为DELL PowerEdge 2850;2台操作员站、1台工程师培训工作站、1台通信工作站、1台网管服务器型号均为为 DELL 370;2台中心交换机型号为赫兹曼MACH 3000。

监控系统软件采用南瑞水利水电技术分公司自主开发的EC2000专用监控软件。

（2）电站分中心监控系统

主要包括1台操作员工作站型号为DELL 360MT，1台操作员工作站型号均为 DELL 370，1台中心交换机型号为赫兹曼MS2108-2。

监控系统软件采用南瑞公司自主开发的EC2000专用监控软件。

（3）电站现地控制单元LCU

主要包括2套机组LCU、1套开关站及公用LCU。LCU核心控制器采用西门子S7-300系列PLC[3]，触摸屏采用Proface 10.4’液晶触摸屏，其它还包括交直流双供电装置、交流采集装置、温度巡检装置、同期装置、SJ30通信装置等智能设备。

（4）辅机和公用设备自动控制系统：

主要包括技术供水、渗漏排水、消防供水、空压机等系统控制柜。控制柜核心控制器采用西门子S7-200系列PLC，人机界面采用WEINVIEW 5.7’液晶触摸屏，其它还包括双回路供电装置、中间继电器、电机启动设备等。

2.计算机监控系统目前存在的问题

潮州供水工程计算机监控系统自2004年开始实施到2006年完成现场投运，并于2008年完成最终验收。计算机监控系统的顺利投运为电站安全、稳定运行提供了保障，提高了电站的综合管理水平、大大降低了人员成本。至今系统已投入运行近7年，由于投运时间较长及当前技术的发展，系统也暴露了一些问题，主要有：

图3 事故停机回路图

2.1 东、西溪电站分中心上位机配置问题

工程实施初期，为节省工程投资，东、西电站分中心均只配置1台上位机，实现本站内所有设备的运行监视与控制。一旦计算机出现故障，对电站运行造成一定的影响。由于集控中心与东溪、西溪电站距离较远，目前运行方式为集控中心设置两人值班，东溪、西溪现地控制室各设置一人值班，在现地控制室实现互相监视对侧电站信息可以加强监盘，值班人员能相互提醒，实时掌握东、西溪电站信息;且当集控中心监控系统出现异常时，仍能实现东、西溪电站实时监视、数据采集、存储，提高电站运行的安全性。

2.2 东、西溪电站事故停机回路问题

由于系统投运阶段，因PLC开入模件配置数量限制，机组事故停机启动信号采用并接的方式接入PLC，如机组所有轴承温度过高信号并接为一个总温度过高事故信号（如图3所示），不利于故障分析，比如西溪电站就出现过温度过高导致常规回路事故停机时，由于各个轴承温度采用并联方式接至一个总信号继电器（轴承温度过高），因此，当此信号动作时，却无法及时查找出具体是哪个轴承温度告警信号引起的。

2.3 高位水池水位控制问题

高位水池无法实时监视水位，只靠浮球式开关接点控制水泵的启停。如果浮球式液位开关出现问题，或者动作不正常，将导致技术供水泵无法正常停止，就会出现高位水池水溢出，而流至厂房内部，严重影响设备安全。

2.4 机组高顶油泵控制问题

高压顶起油泵只有在开机过程中或者在停机过程中才会启泵运行，当转速大于95%时或者停机时停止。如果机组在运行过程中，出现转速下降，此时由于机组LCU没有执行流程，高顶泵不会自动投入运行，就会较严重影响机组安全。

3.计算机监控系统问题分析及解决措施

3.1 东、西溪电站分中心上位机配置问题

东溪、西溪现地控制室各增加1台主机兼操作员工作站，2台工作站冗余运行，互为热备用，正常运行时，1台工作站作主机，1台工作站作从机，当主机故障或其它原因退出运行时，从机自动切换为主机，实现全站设备的监视与控制。同时利用原有的光纤网络实现东、西溪电站两台工作站的互连，本站的工作站增加与对侧电站各LCU的通信功能及运行监视画面，实现对侧电站各LCU实时数据的采集运行及运行画面的监视，但屏蔽对侧电站设备控制操作功能，防止控制的混乱。改造后的系统结构如图4所示。系统改造完成后，2台工作站冗余运行，大大增加了系统的可靠性和安全性，同时也因接入了对侧电站的运行状态，方便了电站运行人员的统一调度。

图4 改造后东/西溪电站监控系统结构

3.2 东、西溪电站事故停机回路问题

对机组PLC硬件进行扩展配置，增加32点开入模件，将各温度告警量独立分开，接至PLC，修改PLC硬件组态和程序以及上位机组态;机组事故停机流程进行了修改，每个温度过高信号均作为一个事故停机启动源，启动事故停机流程，控制流程结构更清晰、启动原因报警更具体、准确。保证监控系统能对单独温度量进行实时监视，这样就可以方便、准确地进行判断和故障分析。

3.3 高位水池水位控制问题

除了控制技术供水泵启停的信号控制器外，在高位水池池壁安装1套投入式水位计，水位计输出信号为4-20mA模拟信号，该信号接入监控系统公用LCU模拟量输入通道[2]，并在监控系统中作高低限的报警设置，实时监视水池水位，当达到报警值时能及时提醒运行人员;此外，还加装了工业视频摄像头，进行实时图像监视。

3.4 机组高顶油泵控制问题

在高压顶起油泵控制柜改造PLC程序。增加当“转速小于95%信号”且“非停机态信号”同时动作时，自动启动高顶泵;当转速大于95%，自动停止高顶泵的程序段。这样防止刮瓦，提高机组运行的安全性。

4.结语

本文通过对潮州供水枢纽电站计算机监控系统的现状进行阐述，加以详细分析，并在系统年度维护检修过程中进行改进，使监控系统更加完善，为潮州枢纽电站的安全运行、高效生产提供了非常重要的保障和技术支撑，发挥其最大效益[4]。

参考文献

[1]方辉钦.现代水电厂计算机监控技术与试验[M]中国电力出版社，2004.

[2]王定一等.水电厂计算机监视与控制[M].中国电力出版社，2001.

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关键词：商店建筑，营业厅，疏散宽度计算

Abstract: from "the code for fire protection design of buildings," the store building in the "code for design of building business hall on shop safe evacuation width, the calculation method of the existing problems, through the analysis of the postal service hall per capita cover an area of an area, this paper tries to put forward a new kind of evacuation width calculation method.

Keywords: the store building, postal service hall, evacuation width, the calculation

中图分类号：[TU238+.6]文献标识码：A 文章编号：

随着我国经济的发展, 商店建筑的建设不但在数量上逐年递增, 而且在规模上也呈现出了越来越大的发展趋势。然而在商店建筑设计中有关消防安全疏散的问题, 常常给建筑设计者及消防审核人员带来许多困扰，多年的工作实践, 使我们感到以往的计算方法已经不再符合目前商店建筑的实际,在推荐一种新的计算方法之前,特作如下分析与探讨。

1 以往计算方法所存在的问题

根据《商店建筑设计规范》JGJ48- 88 (以下简称“商规”) 及《建筑设计防火规范》GBJ 16- 87 (以下简称“建规”) 的规定, 多层(建筑高度24 m 以下) 商店建筑中营业厅的疏散宽度计算, 首先根据“商规”第4. 2. 5条中的换算系数来确定人数, 再根据“建规”第5. 3. 12条中的疏散宽度百人指标确定疏散宽度。简化成公式(1) :

D = S ×a×b/100 (1)

式中:D ――最大一层营业厅的疏散宽度,m;

S ――最大一层营业厅面积,m;

a ――换算系数, 根据“商规”第4. 2. 5 条确定,即第一、二层a= 0. 85, 第三层a= 0. 77,第四层及以上各层a= 0. 6;

b ―― 疏散宽度百人指标, 根据“建规”第5. 3.12 条, 耐火等级为一、二级时, 第一、二层b= 0. 65 m/百人。

当第二层营业厅面积为1 000 m2 时,D = 1 000×0. 85×0. 65/100= 5. 225 m。需要设三部开间尺寸为4. 2 m 宽的楼梯, 每部楼梯的面积约为36 m2, 三部共108 m2, 相当于营业厅面积的10. 8 %。

根据公式(1) , 1 000 m2 的营业厅, 容纳人数为850 人, 平均每人占1. 176 m2, 除去柜台所占面积约300 m2 左右, 即700 m2 的顾客活动空间容纳人数为850 人, 平均每人仅占0. 82m2。这个密度对20 世纪80年代的商场是合适的。因为当时商场的数量少、购物的人相对集中，商场多为营业、仓储、辅助分设 ，目前执行的“商规”就是编制于20 世纪80 年代,“商规”中的各项规定符合当时的国情, 但现在的商场无论是规模还是数量都数倍于那个时代, 购物人群已分散于各个大商场, 商场内人员的密度已大大降低，而现在仓储式的商场越来越多, 柜台的尺寸也在加大, 柜台所占用的空间及面积也越来越多, 同时仓储式的商场中大多数的顾客为推车购物, 所需用的空间的面积也加大。可见包括柜台在内每人1. 176m2 的密度显然不符合今天商场的功能需求, 因此以往的计算方法亟待调整。再次, 目前商场规模越建越大, 仍按以往的计算方法计算疏散宽度, 带来的问题是楼梯数量过多, 宽度过宽, 楼梯间占用的面积过大, 占营业面积的10 %以上, 显然也不经济。在设计中产生的矛盾很大, 常给设计人员带来许多困扰, 基于此，参观了本市 沃尔玛 家乐福等大型商场 超市 ，发现在实际使用中，他们也没有做那么多数量的楼梯，所以调整以往的计算方法是十分必要的。

2 新计算方法的提出与探讨

鉴于以往计算方法所存在的问题, 各地出现了各种计算商场疏散宽度的方法。其基本的方法是以每层商场的建筑面积扣除附属及柜台所占用的面积, 剩余的为顾客活动面积。以顾客活动面积乘以“商规”中营业厅疏散人数的换算系数a 来确定人数, 再乘以“建规”中疏散宽度百人指标来确定疏散宽度。也就是说当a= 0. 85 时, 营业厅内供顾客活动的空间人的密度为1. 176m2/人, 比以往的计算方法密度降低了30 %。楼梯的数量及宽度也随之降低。实践证明, 顾客活动空间人的密度在1. 2 m2/人左右是基本合理的。问题在于顾客活动面积如何确定。如果每个商场设计都需要把柜台布置好再计算顾客活动面积, 计算起来比较麻烦,同时标准也很难控制。因为柜台的布置方式有多种, 不同的布置方式、柜台所占用的面积各不相同。这样对消防审核也很难处理, 为了简便计算, 统一标准, 现提出一种新的计算公式(2) :

D = S ×c×a×b/100 (2)

式中: c――折减系数。

其中, 换算系数仍按“商规”第4. 2. 5 条确定, 疏散宽度百人指标b 仍按“建规”第5. 3. 12 条表5. 3. 12 确定。折减系数c 则是用于确定商场内顾客活动面积的系数, 即: 每层商场的建筑面积乘以折减系数得出顾客活动面积。通过对营业厅中柜台布置的多种方案分析, 可见柜台布置的方式不同, 柜台的形式、尺寸不同, 其柜台占地面积也不同, 一般在25 %～ 40 %之间, 多数为30 %。楼梯、货梯、自动扶梯、办公、卫生间、设备间等辅助用房约占营业厅面积的15 %～ 30 %。商场的规模不同, 辅助用房面积所占比例亦不相同。一般来说商场的规模越大, 辅助用房面积越大, 因为大型商场一般都设有中央空调或机械通风设施, 每层都需设空调机房或设备间。另外还需设大型货梯、自动扶梯、进货监控室、配电间、总服务台等, 卫生间面积也相对较大, 职工休息、办公用房也比较多。因此对不同规模的商场采用不同的折减系数。根据“商规”表3. 1. 2, 建议折减系数c 按表1 取值。

表1 中, 小型商场c= 0. 6 是考虑每层营业厅中柜台面积占25 % , 辅助面积占15 % , 顾客活动面积占60 %; 中型商场c= 0. 5 是考虑每层营业厅面积占30% , 辅助面积占20 % , 顾客活动面积占50 %; 大型商场c= 0. 4 是考虑每层营业厅中柜台面积占30 % , 辅助面积占30 % , 顾客活动面积占40 %。

根据新的计算公式, 当一个小型商场的第二层建筑面积为1 000m2 时, 其楼梯的疏散宽度D = 1 000×0. 6×0. 85×0. 65/100= 3. 315 m , 需要设两部开间尺寸为3. 90 m 宽的楼梯就可满足疏散要求, 比以往的计算方法所计算的疏散宽度节省一部楼梯, 但仍可满足疏散距离的要求, 比较经济, 符合市场的需求。

3 商场为高层建筑时, 其疏散宽度的计算

当商场为高层建筑时, 根据《高层民用建筑设计防火规范》GB50045- 95 (以下简称“高规”) 第6. 1. 9 条规定: 疏散宽度“应按通过人数每100 人不小于1. 00m 计算”, 其商场疏散宽度计算公式应为D = S ×c×a×b/100, 其中b= 1. 0 m/百人。每层商场的建筑面积为1 000 m2 的中型高层商场, 其第二层的疏散宽度为D = 1 000×0. 50×0. 85×1/100= 4. 25 m , 需设两部开间尺寸为4. 80 m 宽的楼梯方可满足疏散要求。

如果高层建筑的裙房为商场, 且商场与高层主体之间采用防火墙分隔, 建议疏散宽度的指标可以按“建规”第5. 3. 12 条执行。如果按“高规”疏散宽度百人指标计算, 势必加大楼梯的宽度, 这样做不经济, 设计难度也较大, 而按“建规”取值, 则楼梯宽度与普通商场相同, 比较经济。

4 地下商业建筑存在的问题

地下商业建筑也因为功能的需要, 向多元化发展, 除了商业功能外, 还有娱乐、餐饮等附加功能。地下商场作为人员密集场所, 人员流量大, 且大多数人员对地下商场环境不熟悉, 火灾时, 地下商场安全疏散通常依赖于应急照明和疏散指示标志。地下商场商品种类繁多, 火灾危险性大, 而地下商店建筑无论是其自身结构还是各种消防措施, 相对地上建筑而言都存在诸多缺陷。发生火灾时, 地下商场将呈现出烟气量大、温度高、烟气毒性大等特点, 此时地下商店的人员安全疏散就只能借助商场内的消防自救设施, 依靠人员自身素质来完成安全疏散。因此, 地下工程建筑在消防设计时, 安全疏散是其中重要的内容。现行国家技术标准关于安全疏散的有关规定都是强制性条文, 而不同技术标准的相关规定不尽相同, 给地下商场的消防设计审核和验收带来诸多疑惑和困难。

面积折算值

高规”未明确规定商店类建筑的人员数量计算方法,“人防规”在规定地下商店营业部分疏散人数时, 规定营业厅部分的疏散人数计算应以营业厅和为顾客服务的面积总数为基础, 但对有关面积如何计算未进一步明确。“建规”对地下商店人员数量的计算提出了计算方法, 即: 地下商店的疏散人数应以每层营业厅建筑面积与面积折算率和疏散人数换算系数的乘积来计算, 地下商场的面积折算值不应小于70%。条文说明中进一步明确, 营业厅的建筑面积包括: 营业厅内展示货架、柜台、走道等顾客参与购物的场所, 以及营业厅内的卫生间、楼梯间、自动扶梯等的建筑面积。对于采用防火分隔措施分隔且疏散时无需进入营业厅内的仓储、设备房、工具房、办公室等可不计入该建筑面积内。该方法在《商店建筑设计防火规范》相关数据的基础上, 经过查阅国内外有关资料和规范, 并广泛征求意见后确定商店营业厅疏散人数时的计算面积与建筑面积的定量关系。规定十分明确, 操作性很强。

2地下商场安全疏散设计应考虑的因素

人防工程和民用建筑的地下商场在平时的使用功能、火灾危险性和防火设计要求应该是一致的, 如果由于现行消防技术规范规定的不同, 引起消防设计要求的巨大区别, 容易导致建设单位的不规范设计, 既不符合技术规范的一致性要求, 也不符合建设工程的防火性能。特别是安全疏散作为消防设计的重要内容, 应协调以取得一致。在设计中应该做到两点：

（1）严格控制地下建筑的耐火等级

地下商场内的人员距离室外地面越近, 安全疏散越容易实现。而地下建筑着火升温快, 排烟排热能力差, 扑救困难, 火灾延烧时间长。因此, 为了保证火灾时人员能够安全疏散到安全地点, 火灾后建筑主体不被破坏, 应适当提高建筑的耐火等级, 尤其是应注意加强疏散通道墙壁的耐火等级; 另外, 应对地下商场内的商品类型、数量进行控制。

（2）控制地下商业建筑的防火分区划分

防火分区是在建筑物内部采用防火墙、耐火楼板及其他防火分隔设施分隔而成, 能在一定时间内阻止火灾在建筑物内水平及垂直区域内蔓延到其他区域，因此, 在设计中所采取的防火分隔措施, 不仅要统筹考虑使用功能要求和建设成本, 而且要可靠、有效, 并符合国家标准,以便达到能够安全疏散人员, 控制财产损失的目的。

（3）严格安全疏散设计 地下、半地下建筑每个防火分区的安全出口不应少于2 个, 这是建筑安全疏散的基本原则。地下建筑的实际情况决定了地下较大面积建筑不能开设直通室外安全出口, 或开设直通室外安全出口存在困难或不经济的情况。为了使地下商业建筑既能够满足规范的要求, 又能够满足商场使用的需求, 可将相邻防火分区之间防火墙上的防火门作为第二安全出口, 但每个防火分区必须有1 个直通室外的安全出口

所以笔者在此建议对于地下商业建筑，设计者在设计中一定要做到明确疏散宽度的计算单元，统一面积折算值，合理布置安全出口，有效控制疏散

综上所述, 采用新的计算公式计算商场营业厅的疏散宽度, 既经济又可以满足安全疏散的要求, 计算简便, 标准统一, 易于掌握。

参考文献:

[ 1 ] GB50016- 2006, 建筑设计防火规范[S ].

[ 2 ] GB50045- 95 (2005 年版) , 高层民用建筑设计防火规范[S ].

[ 3 ] GB50038- 2001, 人民防空工程设计防火规范[S ].

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超级计算机是指计算速度最快、处理能力最强的计算机，旨在解决一些特别复杂的科学工程问题。当然这个“超级”的概念是相对的，一个时代的超级计算机到下一时代可能成为普通的计算机，其技术也可能转化为通用的计算机技术。超级计算机集信息技术的大成，既是科技创新的高端基础设施，也是一个国家或地区综合实力的重要体现。

超级计算机最早出现于20世纪60年代。世界上第一台超级计算机CDC6600诞生于1964年，由美国控制数据公司研制而成，其运算速度为每秒300万次浮点计算。数十年来，超级计算机技术呈现加速发展趋势，目前数以万计的处理器通过高速的互联网络协同工作构成大规模并行计算系统成为主流，超级计算机已跨入每秒千万亿次时代，代表性的系统有美国的IBM“走鹃”、蓝色基因，美国克雷公司的“美洲豹”，中国的“天河一号”，日本的“京”计算机等。

自1993年以来，国际上普遍采用Linpack基准数值计算程序来衡量不同超级计算机的最大实际应用能力，并以此建立了全球最快的500台超级计算机排行榜，每年两次，集中展现世界各国在超级计算系统研制上的最新成果。在这个排行榜上，美国长期占据领先地位，日本间或排行第一，欧洲占据较大的份额。2010年11月中国国防科技大学研制的“天河一号”排名世界第一，标志着中国进入了超级计算机研制的领先行列。

超级计算机主要用于能源、环境、材料科学、航空航天、生物医学、物理、国家安全及其他领域的前沿研究。近年来相关技术也广泛应用于经济与社会生活中，如经济预测、社会计算、风险分析、电子商务服务、动漫创意产业等。超级计算机和高性能应用需求相伴相生。一方面，国民经济、科学技术和国防领域的重大应用需求不断引领着超级计算机的发展；另一方面，超级计算机的重大技术进步往往会对应用领域的创新产生深刻的影响，催生一大批重大前沿科学突破与新技术变革，从而衍生出新的超级计算应用发展需求。

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6月17日，在德国莱比锡召开的第41届国际超级计算大会上，国际TOP500组织正式世界超算500强排名，国防科大研制的天河二号以每秒33.86千万亿次的浮点运算速度，成为全球最快的超级计算机。这也意味着在时隔两年半后，中国超级计算机运算速度重返世界之巅。

“打个比方，天河二号运算1小时，相当于13亿人同时用计算器计算1000年，其存储总容量相当于可存储每册10万字的图书600亿册。”天河二号副总设计师胡庆丰研究员介绍。

另一个更为生动的例子则是电影《阿凡达》。当时《阿凡达》的动漫渲染制作动用了众多超级计算机资源、耗时一年多才完成，如果用天河二号，1个月足矣。

天河二号内存总容量1400万亿字节，存储总容量12400万亿字节，最大运行功耗17.8兆瓦。相比此前排名世界第一的美国“泰坦”超级计算机，天河二号每秒33.86千万亿次的计算速度是“泰坦”的2倍，计算密度是“泰坦”的2.5倍，能效比相当。与此前研制的天河一号相比，天河二号计算性能和计算密度均提升了10倍以上，能效比提升了2倍，二者占地面积相当，执行相同计算任务的耗电量只有天河一号的1/3。中国科学院超级计算中心主任迟学斌的统计表明，最近10年，美国超级计算机性能提升了500倍，而中国超级计算机性能则提升了5000倍。

2010年11月17日，国防科大研制的天河一号凭借每秒4700万亿次的峰值速度和每秒2566万亿次的持续速度，让中国人首次站到了超级计算机世界冠军的领奖台上。

然而，仅过了不到8个月，日本超级计算机“京”就将天河一号挤下冠军台。之后，美国研制的 “红杉”、“泰坦”超级计算机先后坐上世界第一的交椅，天河一号排名滑落至第8位。

从银河到天河，从天河一号到天河二号……凭着雄厚的技术积累和预先研究取得的成果，国防科大成功立项国家科技部863计划信息技术领域“高效能计算机研制”重大项目。今年5月，峰值速度达5.49亿亿次的天河二号亮相。

那么，王者归来的天河二号能在世界第一的位置上维持多久？“相互超越很可能会成为今后世界超算强国竞争的常态。我们有能力也有信心，不断缩小与发达国家的差距。” 天河二号工程总指挥、总设计师廖湘科研究员说。

“一是高性能，峰值速度和持续速度都创造了新的世界纪录。二是低能耗，能效比为每瓦特19亿次，达到了世界先进水平。三是应用广，主打科学工程计算，兼顾了云计算。四是易使用，创新发展了异构融合体系结构，提高了软件兼容性和易编程性。五是性价比高。”

2013国际超级计算大会上，天河二号的介绍引来阵阵掌声。

世界超级计算机的发展历程表明，计算能力每提高一个量级，都需要体系结构的创新和一系列关键技术的新突破。尽管有天河一号研制的技术积累和工程经验，但要突破亿亿次级超级计算机关键技术并非易事。超级计算机运算性能的提升，决不是量的简单叠加，而是全系统质的跨越。

体系结构是高性能计算机的“筋骨”。研制人员在总结天河一号成功经验的基础上，自主创新了新型异构多态体系结构，实现了多类型计算资源、输入输出资源和服务资源的灵活配置，在强化科学工程计算的同时，可高效支持大数据处理、高吞吐率和高安全信息服务等多类应用，显著扩大了天河二号的应用领域。

随着系统规模的扩大，用电量随之大增。天河二号通过采用综合化的能耗控制，设计实现了面向高效能计算的层次式优化框架、自适应能耗控制算法及低损耗、高效率的电源设计，有效提高了系统的能效比，达到了世界先进水平。

科研人员还介绍，如果不能有效解决超级计算机的体积问题，系统的安装调试、运行管理等都将成为很大的难题。天河二号设计实现了高密度、高精度的结构工艺，采用了多机柜封闭循环的水风混合冷却方案，有效缩减了系统体积，与美国“泰坦”相比，体积小了15%。

天河二号工程副总指挥李楠研究员介绍，天河二号的体系结构、高速互连技术、操作系统等实现了中国创造，拥有自主知识产权，而CPU芯片和应用软件还没有完全国产化。但值得一提的是，由国家重大专项支持、国防科大自主研制的新一代FT1500CPU，是当前国内主频最高的通用CPU。

其实，利用“天河”渲染制作的国产电影《关云长》、新版电视剧《西游记》以及美国电影《生化危机2》等，早已走进影院、搬上荧屏。这只是超算应用于老百姓生活的一个缩影，“天河”已经广泛应用于食、医、行、娱等领域。

据了解，2010年天河一号在国家超级计算天津中心投入使用后，“天河”超级计算机的用户迄今已超过600个，在石油勘探、地震数据处理、土木工程设计、航空航天、生物医药、天气预报与气候研究、海洋环境研究、新能源、新材料、宇宙科学研究、动漫与影视渲染等领域得到广泛应用。

而在天河二号上，若干典型应用的运算规模、计算效率、精细度均已超过天河一号。如研发一款新型车，采用传统手段要经过上百次的真实碰撞，历时两年多才能推出，而利用天河二号进行碰撞模拟和空气动力学模拟，只需3到5次真实碰撞，两个月即可完成。

目前，天河二号已应用于生物医药、新材料、工程设计与仿真分析、天气预报、气候模拟与海洋环境研究、数字媒体和动漫设计等多个领域，开始为多家用户单位提供超级计算服务。

篇6

关键词：超高压输电 三维电场 频域 矩量法 电力系统

1引言

运行输电线路附近存在较高的电场，这些电场可能对周围物体和公用走廊的其他线路产生影响。电压等级越高，影响越大。为了人身和设备的安全，超高压输电线路产生的电场正日益受到人们的重视。为了在输电线路上进行安全带电作业，需选择操作方式并采取绝缘防护措施，这就需要对输电铁塔附近的电场分布进行研究。在电力铁塔上同塔悬挂自承式全介质光缆（ADSS）时，由于这种光缆在一定电场强度作用下会发生腐蚀（电蚀），这也需要分析铁塔周围的电场分布从而找出合适的悬挂范围。对于即将建设的西北750kV输电线路，研究输电线路及铁塔周围的电场分布有着重要的现实意义。虽然可以现场实测输电线路产生的电场，但由于工作环境的限制，具体测量难度较大，铁塔附近的测量更加复杂，且不可能对所有铁塔都进行测量，因此需要进行模拟计算。不考虑铁塔时，某些简单的输电线路的电场也可以采用近似的解析公式进行估计。但铁塔附近的电场由于实际问题比较复杂，应当使用数值方法进行计算。

国外出于高场强下带电作业的需要，开始研究输电线路产生的电场强度及由此引起的生物效应，并取得了一定的成就[1]。我国目前对此问题也非常重视，但多数计算方法只考虑输电线路本身的电场分布，未充分考虑铁塔的影响[2，3]。然而实际输电线路中铁塔附近的工频电场有较大的畸变，因此在计算输电线路的电场时必须考虑铁塔的影响。

通常模拟电荷法用于计算输电线路产生的电场是比较有效的[1，4]。但将大地视为非完纯导体或铁塔没有与架空地线相连及需要将铁塔的接地部分同时考虑时，模拟电荷法计算电场比较复杂，且模拟电荷法一般用来分析直流模型。本文基于矩量法[5]提出了一种在频域下计算输电线路及铁塔附近的三维电场分布的数值方法，将空气视为多层介质中的一层并考虑各层介质的电阻率和介电常数，将各层介质的电阻率在频域下视为复数，各段导体的泄漏电流为待求变量，从而能够将铁塔、铁塔接地系统、输电线路和避雷线同时考虑。

2 基本方法

2.1 复电阻率及多层介质中的格林函数

由于本文使用矩量法来计算频域下输电线路及铁塔附近的电场分布，并以各段导体的泄漏电流为待求变量，因此需要首先得到包括空气和多层土壤在内的多层介质中的格林函数。

空气和土壤都具有一定的电阻率和介电常数，分析交流情况下铁塔周围的电场分布时它们都会起作用。由麦克斯韦方程组的第一式

式中H和E 分别为介质的磁场强度和电场强度；ρ和ε分别为介质的电阻率和电容率。引入新的电流密度 从而得到介质的复电阻率

使用上面的复电阻率，也可以将空气视为一层导电介质，这样得到的格林函数就可以用来同时分析由输电线路铁塔及其接地部分产生的电场。求此格林函数的方法与求多层土壤中的格林函数的方法类似[6]，但要注意拉普拉斯方程的边界条件的设定。图1为多层介质示意图。

1）空气和土壤之间的分界面上的边界条件与土壤层之间的分界面上的边界条件相同，均为

2）当纵坐标z趋向于正无穷或负无穷时，电位V应当趋向于零。

本文采用计算速度快，计算精度高[7]的复镜像法求解格林函数。

2.2 使用矩量法计算铁塔的电场分布

作者已根据矩量法建立了多层土壤中的大型接地网的频域分析模型[8]，该模型以各段导体的泄漏电流为待求变量，与目前国内的计算方法和软件相比待求量比较少，其计算结果与国外的接地分析软件包的CDEGS[9]结果一致，一个小接地网上的测试结果也证明了该方法的实用性。采用这个模型和上面介绍的复电阻率的概念来分析超高压输电线路铁塔附近的三维电场。本文与文献[8]的相同之处是使用导体表面上电位的连续性来建立方程组，即导体段表面上两点间的电位差是由各导体段上的泄漏电流决定的，而导体段内这两点间的电位差是由导体的自阻抗和流过导体段上的轴向电流产生的，这两个电位差应相等，且导体段上的轴向电流可用各导体段上的泄漏电流表示，从而建立了以各段导体的泄漏电流为待求变量的线性方程组，解之可得导体各段上的泄漏电流。通过这些泄漏电流可以求得超高压输电线路铁塔附近的三维电场。本文与文献[8]的区别在于使用的格林函数和激励源的不同：

（1）文献[8]使用的格林函数是多层土壤的格林函数，不考虑空气，也无须使用复电阻率的概念；而本文推导多层导电媒质中的格林函数时，将空气考虑在内，且使用2.1小节中推导得出的复电阻率。

（2）文献[8]中的激励源为电流源；本文的激励源通常为电压源，也可为电流源。使用电压源做激励源时，直接采用各段导体的泄漏电流表示电压激励导体段上的输出电压，从而建立方程

式中N为导体总分段数； 为第 j 段导体与第k 段导体中点间的转移阻抗[8]； Inj为第j 段导体的泄漏电流； Uk为电压激励导体段的激励电压。

输电线路和铁塔模型中存在的每根悬浮导体至少应分为三段，才能使这些悬浮导体上总的泄漏电流为零。如果悬浮导体只分一段，其上泄漏电流即为零，这相当于该悬浮导体对周围不产生影响，这与实际情况是相矛盾的；如果悬浮导体只分两段，即为对称结构，也会遇到上面的情况。

由于电力系统所涉及的频率较低，本文又忽略了导体间的互感，且各参数均在准静态场中求解，因而本文的方法不适用于频率极高的情况。

3 计算结果的比较和验证

为了验证该算法的有效性，测试了实际工程中某500kV铁塔附近的电场强度，测试点分布于如图2所示的线1到线6箭头所指方向上。每条线上的测试点均从距输电线0.45m处开始，每隔0.5m测一个点。图3为测试结果和本文计算结果及CDEGS软件包计算结果的比较情况。

由图3可见，在各相的水平方向上，本文方法计算结果与CDEGS软件包的计算结果非常吻合，与实测结果也基本一致；在垂直方向上，由于计算中没有考虑绝缘子串的影响，测量位置也存在一定的偏差，因而计算结果与测量结果有一定的误差，但两者的趋势还是一致的。因此使用本文方法计算超高压输电线路铁塔周围三维电场是有效的。

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Abstract： Yuanba gas field is the largest marine gas field in our country， however there are many drilling difficulties in this region， such as its gas reservoir is very deep， acid gas content is high， formation pressure and lithology is complex and so on. This paper focuses on introducing the key drilling technology to increase drilling speed and their application on the basis of analysis for the drilling difficulties for Yuanba region， such as optimization technology for well structure， air drilling technology， torque impactor drilling technology， maintenance of drilling fluid properties， decrease casing wear technology and well-control. Finally this paper proposes a series of increasing drilling speed technology.

关键词： 元坝气田；超深高酸性；钻井提速

Key words： Yuanba gas field；ultra deep and high acid gas；drilling speed increasing

中图分类号：TE245 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）15-0001-03

0 引言

元坝气田位于四川省广元、南充、巴中境内，第一期探明天然气地质储量1592.53亿立方米，气藏平均埋深6673米，较其他气田平均深度要深1000～2000米，是迄今为止国内埋藏最深的海相大气田。然而，该气田地质构造复杂、气藏埋藏深且高含H2S和CO2酸性气体，给气田的超深水平井及大斜度定向井的钻井施工带来了一系列工程技术及安全难题。元坝气田以高科技战胜高难度，配套应用了超深高酸性气田钻井技术，在第一期产能建设井的钻井过程中取得了丰硕的成果。产能建设井所配套应用的超深高酸性气田钻井技术系列，为元坝气田的高效勘探、开发做出了极其重要的贡献，为我国超深高酸性气田的钻井整体技术达到世界级先进水平奠定了基础。

1 地质特征及钻井技术难点

元坝地区构造平缓，褶皱轻微，发育一些小规模、低幅度构造，整体表现为向NE倾斜的单斜构造。该地区钻遇地层自上而下依次为白垩系，三叠系，二叠系，石炭系，志留系。其中剑门关组至须家河组地层为陆相沉积，岩性以砂、泥质岩性为主；二叠系雷口坡组及以下地层为海相沉积，岩性以碳酸盐岩为主。该地区勘探开发难度极大，钻井过程中存在“深、硬、斜、漏、喷、卡、毒”等世界级工程技术难题，具体表现在：①气藏超深，水平井、定向井施工难度大。②酸性气体含量高、钻井风险大。③存在多套压力层系且地层压力预测难度大，地层漏失严重。④地层岩性复杂，钻井提速困难。

2 提速技术

元坝气田针对区块存在的钻井难点在第一期产能建设井的钻井过程中大量采用新技术新工艺，从科技提速、安全提速、管理提速三方面提高元坝气田产能建设井的钻井速度。

2.1 科技提速

2.1.1 井身结构优化技术 科学合理的井身结构是能以尽可能少的套管程序封隔地层必封点，并采用合理的井眼尺寸以避免钻井复杂事故，提高钻井速度，有效保护油气层的井身结构。元坝地区第一期产能建设井均采用五开制井身结构，其示意图如图1所示。

该井身结构一开采用Ф660.4mm钻头开孔，泡沫钻井至井深500～700m左右，下入Ф508.0mm套管，封隔上部剑门关组、蓬莱镇组易漏、易坍塌及浅部水层；二开采用Ф444.5mm钻头，采用气体钻井钻至上沙溪庙底部垮塌层，下入Ф346.1mm套管，封隔上部易塌、易漏地层；三开采用Ф314.1mm钻头钻进至雷三段60m左右，下入Ф273.1mm+Ф282.6mm复合套管，封隔雷四顶部气层以上高压地层；四开采用Ф241.3mm钻头钻进长兴组5m左右，先悬挂Ф193.7mm+Ф203.1mm复合套管固井，封隔长兴组顶部以浅地层，并在嘉四和嘉五地层选用厚壁套管，再回接Ф193.7mm油层套管；五开采用Ф165.1mm钻头，使用低密度钻井液钻至目的层，采用衬管完井，再回接Ф193.7mm油层套管固井。在井身结构确定的基础上，元坝气田在套管的选材上实现了系列化、程序化、标准化，具体选材标准见表1。

元坝气田在套管的选材上主要注重了套管的防硫特性以及气密封性。另外，在盐岩地层段增加了套管的壁厚，以提高套管的抗外挤强度。元坝气田采用此井身结构，合理封隔住了各地层的必封点和压力系数差别较大的地层，不仅利于科技钻井提速技术的连续应用，也为减少复杂情况和保护储层提供了保障。

2.1.2 气体钻井技术 气体钻井技术具有提高机械钻速、延长钻头寿命、防止井漏井斜、降低钻井综合成本的技术优势，对于元坝气田的钻井提速来说极具针对性。元坝气田11口第一期产能建设井在一开和二开均应用了气体钻井技术，累计钻进进尺34876.04m，累计使用钻头37只，纯钻时间3856.93h，平均单只钻头进尺942.60米/只，平均机械钻速9.04m/h；平均每口井用时28.20天，平均日进尺112.43米。气体钻井有效解决了元坝气田陆相地层岩石可钻性差、机械钻速低的难题，其平均机械钻速是常规泥浆钻井方式机械钻速的6.27倍，对整个气田的钻井提速具有重要意义。

2.1.3 高速涡轮钻进技术 元坝气田千佛崖底至须家河组地层，砾石含量高，岩石坚硬，研磨性强，使用常规方式钻进，平均机械钻速只有0.76m/h，单只钻头平均进尺仅60m。元坝气田5口产能建设井使用了涡轮+孕镶金刚石钻头钻井技术，其平均机械钻速达到1.45m/h，平均单只钻头进尺达到225.79m，累计进尺3386.86m，累计工作时间（除去异常情况处理时间）118.55天，纯钻进时间97.25天。若使用常规钻井技术，同样钻进3386.86m，累计工作时间需265.84天，纯钻进时间为185.68天。因此，使用高速涡轮+孕镶金刚石钻头技术，有效提高了元坝气田钻井的机械钻速和行程钻速。

2.1.4 扭力冲击器钻进技术 扭力冲击器能将钻井液的流体能量转换成高频、均匀稳定的扭向机械冲击能量并直接传递给PDC钻头实现瞬时破岩。这种破岩方式使得PDC钻头在转盘提供的扭力和扭力发生器提供的扭向冲击力的共同作用下消除“卡-滑”现象，可连续切削地层，能大幅度提高机械钻速，延长钻柱寿命。元坝气田的沙溪庙组底部至自流井组顶部地层岩石可钻性差，研磨性强，使用常规钻井技术的平均机械钻速仅为1.44m/h，单只钻头平均进尺仅114m。元坝气田在2口产能建设井中使用扭力发生器钻进技术后，平均机械钻速达到3.05m/h，单只钻头平均进尺达到257.37米，其机械钻速和行程钻速都得到了大幅度提高。

2.1.5 干法固井技术 干法固井技术是指气体钻井结束后直接下套管固井，不转换钻井液程序的固井技术，可节省施工时间，避免转换钻井液时可能发生的井漏、井壁失稳等复杂情况。元坝气田11口产能建设井在一开表层套管固井中，全部应用了干法固井技术，一开中完时间平均为8.94天，较没有采用干法固井技术的先期开发井一开中完时间减少了17.09天。统计计算表明，若除去其它因素延长的固井时间，干法固井技术较常规固井技术可节约8天的固井时间。

2.2 安全提速 元坝气田在科技提速的基础上针对超深高酸性气田的特性，不仅从人身和地面设备安全上加强了监管，加强技术检查、督察力度；严格审核钻井工程设计和方案，从源头上保障安全施工；完善和落实应急预案，有效处理突况；现场监督，对重点井、复杂井、关键环节实行重点监控，对随时可能出现的井下复杂情况及时判断，果断处理，杜绝和避免重大钻井故障发生，从整体上提高了生产的安全性和时效性。

2.2.1 钻井液性能维护 在超深高酸性气田的钻井过程中，对钻井液性能的维护主要就是保持钻井液PH值的稳定和避免溢流、井漏等复杂情况的发生。元坝气田在钻海相地层的钻井过程中常常通过添加除硫剂碱式碳酸锌或海绵铁以保证钻井液PH值不低于11，同时调整钻井液密度以压稳地层流体，确保钻井液中H2S含量不高于50mg/m3，但也注意了钻井液的漏失问题，钻井过程中对易漏失地层做出了及时的判断，并在钻井液中加入适量的随钻堵漏剂，以便及时堵住易漏地层。

2.2.2 井控技术 对高酸性气田而言，井控技术的关键在于防止H2S从地层或井筒中溢出。元坝气田首先在合理井身结构设计的基础上，加强了气层压力及其物理性质的预测，重点监测与处理溢流、又漏又喷等复杂情况；其次在井控装置的组合形式上采用了“环形防喷器+双闸板防喷器+双闸板”的组合方式，保证了井控装置能够同时拥有2个半封闸板，1个全封闸板和1个剪切闸板；最后在井控设备的选材上做了严格要求，对金属材料和非金属材料的防硫特性均按照行业标准进行。

2.2.3 套管防磨技术 超深高酸性气田的钻井过程中，套管的防磨、防腐蚀是一个应高度重视的问题。元坝气田在防磨防腐方面除采用了钻杆保护器、减磨接头、钻杆接头耐磨带等常用技术措施外[7]，主要在钻井工程设计和施工方面做了相应的工作，以防磨损与腐蚀的交互作用。如在套管选材上注重了套管的抗硫、抗挤性能；在钻进过程中严格控制井身质量，直井段采用了轻压吊打等防斜打直技术，斜井段控制全角变化率，减少套管与钻杆的接触面积和接触应力，不同井段采取钻具上加防磨接头等措施；优选钻井液体系，增强钻井液的性能。

元坝气田实施安全提速后，11口产能建设井累计发生各类钻井故障14次，损失钻井时间134.30天，其故障时效2.75%，复杂时效1.62%，万米故障发生次数1.68次/万米，故障损失时间16.12天/万米，分别较前期评价井减少了3.36个百分点、2.53个百分点、0.31次/万米、30.36天/万米，使得产能建设井在提速的同时更达到了提效的目的。

2.3 管理提速 元坝气田在第一期产能建设井的钻井过程中除重视井下复杂情况的预防，保证人身、设备安全外，更是从健全工程技术管理机构、建立元坝地区技术管理机制、完善技术支撑体系、改善钻井监管体系、强化精细管理等方面来提高整体钻井速度和钻井效益。元坝气田实施管理提速后减少了非生产时间的耽搁，使各个钻井环节更加紧凑，避免了如停工待料等类似不必要时间的浪费，在整个工区内形成了“一体化”的管理模式，整体上提高了生产时效，使得整个钻井作业高效运行，降低了钻井成本。元坝气田10口已完井的产能建设井生产时效达到了93.24%，较提速前探井和开发评价井分别提高了12.5和10.43个百分点；纯钻时间达到了36.59%，较提速前探井和开发评价井分别提高了3.13和5.72个百分点，管理提速效果明显。

3 应用效果分析

元坝气田在清楚认识超深高酸性气田钻井难点的基础上，结合具有针对性的钻井技术措施，形成了元坝气田超深高酸性配套钻井提速技术系列，见表2所示。

元坝气田应用该钻井提速技术系列，在元坝气田产能建设井的钻井过程中取得了显著的提速效果，具体指标见表3。

从整体上看，已完井的10口井的平均完钻井深7595.12米、平均钻井周期391.15天、平均机械钻速2m/h、平均建井周期458.56天，与元坝地区平均井深7534.7米的评价井相比，其钻井周期缩短了138.77天，平均机械钻速提高了0.17m/h，建井周期缩短了142.31天，提速效果明显。生产时效及纯钻时效较前期评价井有大幅度提高，复杂时效及故障时效有明显降低，提效显著。另外，元坝气田经提速后多口井创造了优胜指标，如元坝205-1井完钻井深7116米，钻井周期326.77天，建井周期384.79天，创川东北地区海相大斜度井最短钻井周期和建井周期纪录；元坝101-1H井四开钻井周期和建井周期分别为34.25天、57.54天，均创元坝地区水平井四开作业的最高纪录。

4 结论与认识

①元坝气田存在井深、酸性气体含量高、井底温度高、压力层系多、地层岩性复杂等世界技术难题，致使井身结构设计、井控工作及井眼轨迹控制难度大，给元坝气田水平井、定向井的钻井施工带来了较大的困难。

②元坝气田从科技提速、安全提速、管理提速三方面着手，确定了适用性较强的五开井身结构、套管选材标准以及钻井提速配套技术系列，为超深高酸性气田的开发积累了成功经验。

③目前元坝气田虽取得了较好的提速效果，但还有改进的空间，如拓展扭力发生器和干法固井的应用深度；增大现行三开井身结构Ф282.6mm套管的环空间隙；加强井眼轨迹控制精度；加大对国产旋转导向钻井技术的应用，以降低成本。

④元坝气田钻井施工过程中不可预见因素多，安全施工和井控风险大，应加强地层压力预测、井控溢流机理基础研究以及超深高酸性水平井、定向井钻井技术研究，为超深高酸性气田的钻井施工提供理论支撑与技术保障。

参考文献：

[1]沈琛.川东北超深高酸性气田勘探开发工程技术[J].中国工程科学，2010，12（10）：29-34.

篇8

针对传统基于稀疏字典对的超分辨率（SR）算法训练速度慢、字典质量差、特征匹配准确性低的缺点，提出一种基于改进稀疏编码的图像超分辨率算法。该算法使用自适应阈值的形态组成分析（MCA）方法提取图像特征，并采用主成分分析算法对训练集进行降维，提高特征提取的有效性，缩短字典训练时间，减少过拟合现象。在字典训练阶段，使用改进的稀疏K-奇异值分解（K-SVD）算法训练低分辨率字典，结合图像块的重叠关系求解高分辨率字典，增强字典的有效性和自适应能力，同时极大地提高了字典的训练速度。在Lab颜色空间对彩色图像进行重建，避免由于颜色通道相关性造成的重建图像质量下降。与传统方法相比，该算法重建图像质量和计算效率更优。

关键词：

超分辨率；稀疏表示；形态组成分析；主成分分析；颜色空间；机器学习

中图分类号：

TP391.41

文献标志码：A

Image super-resolution algorithm based on improved sparse coding

Abstract：

The traditional Super-Resolution （SR） algorithm， based on sparse dictionary pairs， is slow in training speed， poor in dictionary quality and low in feature matching accuracy. In view of these disadvantages， a super-resolution algorithm based on the improved sparse coding was proposed. In this algorithm， a Morphological Component Analysis （MCA） method with adaptive threshold was used to extract picture feature， and Principal Component Analysis （PCA） algorithm was employed to reduce the dimensionality of training sets. In this way， the effectiveness of the feature extraction was improved， the training time of dictionary was shortened and the over-fitting phenomenon was reduced. An improved sparse K-Singular Value Decomposition （K-SVD） algorithm was adopted to train low-resolution dictionary， and the super-resolution dictionary was solved by utilizing overlapping relation， which enforced the effectiveness and self-adaptability of the dictionary. Meanwhile， the training speed was greatly increased. Through the reconstruction of color images in the Lab color space， the degradation of the reconstructed image quality， which may be caused by the color channels correlation， was avoided. Compared with traditional methods， this proposed approach can get better high-resolution images and higher computational efficiency.

Key words：

super-resolution； sparse representation； Morphological Component Analysis （MCA）； Principal Component Analysis （PCA）； color space； machine learning

0 引言

超分辨率（Super-Resolution， SR） 即通过硬件或软件的方法提高原有图像的分辨率，通过一系列低分辨率图像来得到一幅或多幅高分辨率的图像过程。因其能够提供更高的像素密度和更多的细节，超分辨率技术在医学图像、卫星图像、监控等领域获得了广泛的应用。由于成本较高、工艺水平限制等原因，通过硬件提升获取高分辨率图像并不是经济的手段，所以现有的SR方法主要集中在软件领域，主要分为三类：基于插值的方法、基于重建的方法和基于学习的方法。

基于插值的方法简洁快速，但易产生模糊的边缘和不清晰的细节。常见方法有：双线性插值、双立方插值、基于自适应的2-D回归模型[1]等。基于重建的方法根据图像降质模型，利用各种先验知识来估计超分辨率图像，这类算法可以重建出较好的边缘，降低锯齿效应，但其使用的先验知识往往具有局限性，如轮廓梯度信息[2]、边缘信息[3]等。

基于学习的方法使用高分辨率和低分辨率图片训练集来预测低分辨图像中丢失的高频信息。通过训练字典，这类算法可以产生低分率图像中没有的细节信息，但是对训练集的依存度比较高，同时对噪声的抑制能力差。Freeman等[4]利用马尔可夫随机场，通过置信传播来建立低分辨图像块和高分辨率图像块之间的映射关系，需要的图片数量较大，且训练时间较长。Chang等[5]则采用流形学习算法，使用局部线性嵌入（Local Linear Embedding， LLE）规则，映射低分辨率图像块的局部特征到高分辨率图像块，然后通过近邻的线性组合来产生高分辨率图像块；该方法虽需要较少的样本图片，但易产生欠拟合或过拟合现象。Gao等[6]在LLE的基础上，提出了一种稀疏邻域选择算法来重建图像，该算法虽然解决了欠拟合和过拟合现象，但对于复杂结构图像的重建效果差。Yang等[7-9] 使用稀疏表示算法，利用高、低分辨率图像块之间的稀疏关联建立词典对，低分辨率的稀疏表示可用来重建高分辨图像；虽然这种方法重建效果较好，但训练时间过长，字典缺乏有效性。杨玲等[9]使用K-奇异值分解（K-Singular Value Decomposition， K-SVD）方法训练字典，利用RGB颜色通道的稀疏表示提取彩色图像块，训练速度较快；然而直接使用低分辨率图像本身作为训练集，虽保持了颜色信息，但造成特征冗余，易出现过拟合现象。Wang等[10]结合Yang[7]和Freeman[4]方法的优点，采用稀疏表示方法对图像中的中、低频信息进行编码，虽然提高了字典的有效性，但自适应能力差，训练时间长。

针对传统方法的缺点，本文提出一种使用改进稀疏编码的单张图像超分辨率算法。使用自适应阈值的

形态组成分析（Morphological Component Analysis， MCA）方法提取低分辨率图像的纹理和几何结构特征，采用高分辨率的高频分量构建训练集。针对训练集过大的缺点，使用主成分分析（Principal Components Analysis， PCA）算法对训练集进行降维，降低计算复杂度和字典尺寸。为了提高训练速度，使用改进的稀疏K-SVD算法进行稀疏字典的训练。同时，字典具有很好的灵活性和自适应性。根据图像块的重叠关系，优化求解高分辨率字典，所得字典质量更好。在图像重建时，利用Lab颜色空间的特点，避免颜色通道的操作对图像一致性造成的影响。

2 本文算法

基于稀疏表示的超分辨率模型的主要内容包含三个方面：特征提取、训练稀疏字典和重建超分辨率图像。本文使用自适应阈值的MCA方法提取低分辨图像特征与高分辨率图像块的高频分量作为训练集，用PCA方法对训练集进行降维；使用改进的稀疏K-SVD算法训练低分辨率字典，然后利用图像块的重叠关系求解高分辨率字典；在Lab颜色空间重建图像，所得图像质量更优。

2.1 稀疏字典学习

稀疏字典的训练方法可以分为两类：基于分析的方法和基于学习的方法。基于分析的方法一般首先构建数据的数学模型，然后使用一个分析结构去表示这个模型，Wavelets、Contourlets等均属于这类方法。在基于学习的方法中，稀疏字典是采用机器学习方法，从训练集中学习得到。这类方法具有很好的自适应能力，实际应用表现更好，但具有较高的计算复杂度，较多的限制条件和冗余，这类方法包含PCA、K-SVD等。

2.1.1 改进的稀疏K-SVD算法

Rubinstein等[13]在K-SVD[12]算法的基础上，提出了稀疏K-SVD算法。这种算法结合了两类学习方法的优点，采用加入“基字典”的稀疏模型，使用这个新的参数框架训练字典，具有较低的计算复杂度、更好的自适应性和稳定性；而且稀疏K-SVD可以和任意追踪算法组合使用，便于进行改进。

针对超分辨率传统字典训练方法耗时长、字典质量差的缺点，本文对使用类似Smith等[14]的方法对稀疏K-SVD进行改进，进一步提高其训练效率，当处理规模较大的训练集时，优势明显。改进措施在稀疏K-SVD的两个主要部分进行：字典更新阶段和稀疏编码阶段。在字典更新阶段，通过引入“更新循环”机制，即将仅循环一次的字典更新过程循环多次。这是因为字典训练时间大部分消耗在稀疏编码阶段，仅进行一次更新循环往往并不能得到最优的结果，而循环多次，也并不会明显增加训练时间，反而能够降低稀疏编码阶段的负荷，提高字典学习的效率。改进的稀疏K-SVD过程见算法2。

在稀疏编码阶段，使用上轮追踪过程后得到的k/3个（k为系数稀疏度）最大的系数进行初始化，然后计算剩余的2k/3个系数。系数重用操作更改OMP（Orthogonal Matching Pursuit）算法并不能带来明显的速度提升，当加入类似CoSaMP（Compressive Sampling Matching Pursuit）[15]中的“支集合并”和“剪枝”操作，改进Batch-OMP[17]就可以明显地提高编码的效率，达到快速执行编码的目标。“支集合并”操作：将当轮近似过程计算的结果与已经计算出的集合进行合并，然后计算稀疏表示。“剪枝”操作：从由最小二乘法计算出的近似结果中选出最大的k（或者小于k）个系数。具体过程见算法1。

算法1 改进Batch-OMP算法

2.2 图像特征提取与训练集构建

由于人眼对高频信息更加敏感，传统方法一般选择低分辨率图像的高频信息作为特征，例如拉普拉斯算子、高斯微分函数和梯度提取算子等。但是，它们通常只考虑到图像的几何特征，图像的纹理特性被忽略掉了，无法完整地体现图像的视觉特征。本文使用自适应阈值的MCA[17]来解决这个问题。

4 结语

本文提出了一种基于改进稀疏编码的图像超分辨率新方法。使用MCA/MOM方法提取低分辨率特征和高分辨率的高频分量作为训练集，对训练集进行降维，减少所需样本数量与字典训练所需时间，降低字典尺寸。使用改进的稀疏K-SVD算法和优化的字典对求解过程，能快速高效地得到超分辨重建所需字典。在Lab颜色空间重建所得图像能够保持颜色通道的一致性。虽然本文方法可以有效提高图像重建质量和计算效率，但利用图片本身的相似性来减少训练所需样本数量，提高特征提取效率；进一步提高该算法以应用到实时系统中；如何应用该算法到视频的超分辨率重建中都将是下一步的研究方向。

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篇9

【关键词】传输技术；办公自动化；云计算；应用趋势

政府办公自动化系统的主要是在党委服务，政府及其所属部门，委员会，办公室，党和政府机关的局，如日常事务的管理，是政府机构系统的主要业务，它是各政府机构能否积极有效地发挥其职能的重要因素，是政府机构急需的计算机辅助业务系统。在技术先进成熟的计算机和通信技术之间建立一个高质量，高效率，智能办公自动化（OA）系统，对领导决策和信息服务部办公，提高办公效率，减轻工作人员的工作量，节约宝贵的办公费用，从而实现行政机关的办公自动化、无纸化、资源信息化、决策科学化。

一、计算机信息传输技术与办公自动化融合的内涵

计算机信息传输技术，是指通过网络通信，将分散在各个领域的计算机的信息互相传递的方法，从而达到一种科技资源共享的目的的一种技术。而办公自动化则是结合了计算机信息传输功能和现代化办公功能的一种办公方式。建立在现代计算机信息传输技术之上的办公自动化中的应用，在优化管理信息系统的结构，调整管理系统中起着重要的作用，在提高办公协调，结合部门决策，加强决策能力执行起着非常重要的作用，真正从各个层面提高单位工作效率。典型的例子是SAS，ERP和电子政务中的应用。

二、政府办公自动化系统特点

根据应用对象的办公自动化系统都有其不同的特点，政府办公自动化系统，政府委员会，办公或部门为服务对象，主要特点如下：对复杂的文件（收文、发文）流程，考察有严格的要求；对于信息有更高的要求（汇编），确保信息上传进展的顺利；实现无纸化办公系统，提高办公效率，在此基础上应注意为领导提供服务；系统应提供移动办公，远程办公能力；以为领导服务为要求，系统应提供领导讲话管理和领导平日计划等功能模块；系统应该为用户提供地方用以互相沟通；应用软件体系结构应具有提供与上级单位、兄弟单位、下级单位连接的开放接口；对保证系统的数据安全，用户权限控制有严格的要求。并对系统的研究和开发的同时使系统具有较高的安全性，可靠性和可操作性等等

按照政府的办公流程和文档管理措施的设计要求，保证设计规范；并通过办公自动化系统中的应用，反过来对实际操作流程又有规范作用。灵活的流程处理接口，适用于电子和纸质混合的办公模式，方便推广应用。能进行远程办公，具有授权功能，确保办公业务流程的连续性。对不同地区的办公业务的支持，实现了总部管理和直属单位的文件的快速运转。功能强大，内容具有多样性，基本满足了政府办公业务的要求。与一个强大的全面的安全管理和控制机制分不开。实施电子公文流转，网络管理和操作，节省了大量的人力物力，提高了办公效率。具有流程跟踪，预留校正，文件共享，变更控制，自动登记等特点，规范业务的同时，也给办公人员提供了方便。

三、计算机信息传输技术在办公自动化中的应用趋势

（一）办公自动化将更加人性化、智能化，人性化、智能化

一是设计更突出人性化的理念，将办公自动化的稳定性、开放性和易用性放在突出位置，对信息来源的整合能力进行了一系列的强调，更对于可开拓的管理平台进行构建，从而改变对现在人来适应系统的尴尬处境，进而实现系统来适应人的全新的理念。二是办公工具智能化。越来越多的数据需要处理的情况下，用户可以使用不痛的办公设施，比如手机、平板和电脑及其他终端设备与云计算服务端的无缝接入，并在同一时间，办公软件，云服务器技术提供的数据和文件将实现数据调取的提供，规划分析，可视化的交互，帮助用户进行智能的判断，大大提高用户的工作效率。三是围墙在智能无线办公环境中将完全消失。随着信息终端应用综合集成，无线移动技术在应用工作中的普及，超级计算机技术、云计算技术、网络技术通讯技术的融合成为的各种移动设备将成为办公室必备的信息终端。

（二）超级计算机及云计算技术的兴起

随着超级计算机与云计算技术的兴起和发展，服务器技术与各类终端技术的融合，在各种方面都促进了办公自动化建设向着智能化、视觉化、通用化、一体化方向发展。超级计算机与云计算技术不仅将手机、笔记本电脑、平板电脑、家用电器等其他新兴与传统硬件结合从而实现真正的全面的物联模式，更将融合Windows，Apple，Android，UNIX服务器和终端软件，促进组织信息系统的改革，以高度的压缩和扁平化，特别是目前的云计算技术的逐步成熟和广泛应用将进一步推动了办公自动化水平的智能化，整合视觉化，通用化，全面改造，就可以看到办公自动化水平将有惊人的改进。

（三）3G 技术的成熟与广泛运用

CDMA，TD-SCDMA，TD-SCDMA及3G技术的成熟和推广应用，以及4G技术的生成，将完全颠覆了传统办公室的固定的形象，为办公人员超远距离的办公、政府及其部分在全球范围内的办公和协作以及全数字化的办公室提供条件，如WiFi无线传输技术的标准化和推广应用将推动办公自动化领域向多样化方向发展，，如办公模式的多样性，实施人员的多样性，计算设备的多样性等等。

总而言之，政府办公自动化将实现办公厅与国务院、省委、省人大和政协、各省直厅局、各市地人民政府、各直报点市县等单位之间的文件转换、信息交流和信息共享，不仅能够为用户提供方便快捷的获取方式，而且同时还为领导决策和工作人员的日常生活等一系列提供基本服务。

参考文献：

[1]刘晶晶.办公自动化网络管理策略探讨[J].现代政府部门教育，2010（2）.

篇10

EW：回溯近20年来中国超级计算机的发展历程，你觉得中间哪几个重要转折点不能不提？

LJ：20年前，中国高性能计算机是被西方禁运的，而现在我们已经基本实现了自主可控。这其中经历了四个阶段：第一个阶段是上世纪90年代中期，我们只能实现软件层面的自主，器件层面还是大量采购国外的部件来做机器。这也是现在中国高性能计算机生态环境不好的缘由之一，无法标准化，导致很多应用有问题，在商业化市场上，大家习惯的软件很难被应用。

第二个阶段是上世纪90年代后期，国家开始重视工业通用标准，很多器件甚至软件就都得用国外厂商的，离自主又远了一点。那个时候大部件都通过进口，就像汽车，可能分成几大块进口，只在国内组装。

第三个阶段是本世纪初期。2005年，我们就开始大量地把过去从国外进口的大部件自己进行设计。大概到2007年、2008年的时候，这些大部件已经完全可以自己设计，但是核心的那些器件、软件模块还是用国外的，这个问题一直延续到今天。

第四个阶段就是要真正地实现对所有技术的掌握和突破，而且让它能和今天的工业通用标准很好地衔接。如果最后这一步走出去了，我想中国这个产业就能跑到全球的潮头。

EW：目前中国超算行业格局是怎样的？

LJ：国内有三支队伍在做：国防科技大学、江南计算所、中科曙光。其他两家更多地可能是在某一领域去完成它的任务，它们能获得很多国家的资源支撑。而曙光则是跟外国企业在市场上靠商业竞争，且人力成本要高于其他两家。企业的特点是，它做什么东西，都要有市场价值。

在核心优势方面，国防科技大学有很好的网络技术，在自主高性能互联网络方面也非常独到；江南计算所有很好的CPU技术，在其他自主技术方面也很好；曙光则有很好的应用架构设计能力、工程设计能力、用户推广能力等，此外，曙光是三家机构中唯一完全市场化运作的企业，在商业化方面，曙光是做得比较好的，更加注重高性能计算机的产品化和市场占有率。

在与国际上的IBM等公司的市场竞争中，我们的策略是，产品做好、技术做好、做得稳定可靠，让机器好用又耐用，价格适中。市场竞争就是这么回事。

EW：中科曙光在超算业务上有哪些关键产品？

LJ：十多年前，“曙光4000A”是中国第一个进入全球高性能计算机TOP500排行榜且位列前十名的系统。这对于那时的我们来说，已经是非常好的成绩了，因为从过去的默默无名，突然排到了前十。后来到“曙光5000A”，也是排到了全球前十名。在“曙光6000”出来的时候，已经是全球第二名。“曙光6000”的设计目标是市场化的需求，所以它的应用非常好用，装在深圳超算中心，一年能收取两个亿的服务费，非常完美。

现在，曙光新一代高性能计算机正在研发。它是一款面向某一类特殊应用的机器，比如气象、航空航天等，大概明年就能完成。它针对某一族应用去做优化，因为不同类型的应用所需的架构都不一样。曙光新一代高性能计算机经历了长时间研制的原因就在于，它不断地根据应用的变化在调整。

EW：之前《华尔街日报》 报道“神威・太湖之光”时曾称，中国的超算已经超过了美国。对此，你怎么看？

LJ：虽然中国的“神威・太湖之光”的性能超过了美国现有计算机的性能，但这个性能是指Linpack的性能，这个话得说严谨。

从行业角度来说，我不认为中国超算已经超越美国。美国超算做得非常扎实，它的机器跟应用匹配着做，应用层面我们尽管在快速追赶，但仍然稍有脱节。系统和应用的结合、和应用的匹配，这是最重要的。这也是我们现在跟人家相比最大的短板：一方面，中国超算对应用的支持还不是很好；另一方面，它的应用领域也太窄，仅限于科学计算，还没有延伸到信息服务领域中去。

“神威・太湖之光”虽然在TOP500中已经排名第一，但它是独立自己做的CPU，很多市面上的应用它跑不了，而且本身架构不适合做信息的处理，它主要还是在解方程。

EW：能否详细讲述一下，超算是如何应用在这些科学尖端领域的，对我们日常生活又有哪些影响？

LJ：超算在包括航空航天、石油、电力、水利、生物、制药、环境、国防、教育、医疗、金融、电信、政务、互联网、云计算等各个领域都有着广泛的应用。在这些领域，以数字形式存在的海量信息，只有依靠这种大型计算机，才能进行处理和分析。

在尖端科学领域，以气象为例，由中科院大气物理所、曙光公司、中科院计算所、中科院计算机网络信息中心联合研发和创制的“地球数值模拟装置”原型系统，让科学家可以实现对大气、洋流、地壳、生态等的仿真研究，用于还原或预测地球自然变化过程，可用于应对全球变化、防灾减灾和环境治理等问题。

此外，2013年“嫦娥三号”在月面成功软着陆。这个过程中，曙光高性能计算机对“嫦娥三号”的轨道设计、实时计算、预报等也起到了非常重要的保障作用。

再举几个跟我们日常生活相关的例子。高性能计算集群能够助力雾霾预报，通过对污染源、区域污染数据的精细化分析，为污染防控提供决策指导。如大家熟悉的去年9月抗战胜利 70 周年阅兵期间的“阅兵蓝”和G20的“西湖蓝”都是基于超算的预测分析和追因溯源才得以实现的。

去年阅兵期间，以曙光高性能计算集群为核心的中国环境监测总站针对京津冀及周边区域大气污染过程进行不少于未来7天的预报预警、潜势预测以及污染源贡献追因。今年9月在杭州举办的 G20，曙光高性能计算机系统建立了适用于浙江省及杭州市的区域空气质量数值模型。利用这个模型，再结合气象条件、监测数据和大气污染物排放清单，制定了 G20 峰会空气质量保障控制措施。

从超算到E级超算

EW：时下超算已成为深度学习的引擎。曙光在人工智能方面有哪些想法？

LJ：当我们把这个超级计算机的应用扩展到信息服务、信息处理这个领域，包括大数据平台，大数据的处理、分析、挖掘，再加上一些新的技术，它就变成了人工智能，变成了可以通过机器去深度地学习。它的脉络就是这么过来的。不过，对于人工智能来说，虽然计算能力很重要，但更重要的还是算法、模型、软件等。二者相结合，加上市场上有商业利益驱动，我相信会发展得非常快。

对曙光自身来说，今年4月跟寒武纪签约合作，此前也跟如NVIDIA、致生联发等公司在人工智能方面有合作。以寒武纪为例，它的芯片技术在人工智能领域是比较优秀的，但因为人工智能的应用领域很广泛，只一个寒武纪是不行的，所以我们也在积极地跟其他企业寻求合作，面向E级机开发新一代的所谓的加速部件。比如，我们还跟NVIDIA一起合作进行这方面的研究，以便让我们的E级机在推出的时候能有非常好的面向人工智能应用的性能。

EW：“十三五”规划里面，国家对E级超算十分重视。研制E级超算的时间表是怎样的？

LJ：大型计算机的研制周期平均约为3～5年。E级超算还有一段相当长的路要走，计划在2020年去完成一台有百亿亿次计算能力的机器，其研发经费预计约为30亿元。

预计在2018年，能够拿出一个原型系统。它是一个缩小比例的、1/16计算能力的机器，但内部构造基本相同。按照预期目标，该原型系统能效比为10GFlops/W以上，保证可扩展至10万节点、PUE（Power Usage Effectiveness，是评价数据中心能源效率的指标）低至一定水平。在完成原型机的过程中，所有相关的技术就基本都完成了，再花两年左右的时间进一步完善，然后把规模做大。

在“十三五”规划里面，江南计算所、国防科技大学、中科曙光三家会一起来推动E级超算。最后根据对这三家原型系统的评估，谁的架构最优就以谁为主，另外两家合作。比如“十二五”规划的无锡那台超级计算机，虽然主计算分区是由江南计算所搭建，但服务分区是曙光搭建的。

EW：如今在全球范围内超算性能排第一的“神威・太湖之光”，它的性能峰值达到了125Pflops。如果再迈到E级超算，性能再提高一个数量级，会不会面临性能过剩而应用跟不上的情况？

LJ：现在的问题就是超级计算机的技术发展正面临左右两难的状况。很多超级计算机一味地去追求性能，而这种性能的测算体系是以一道题做基准去测出来的。比方如Linpack，它是一种数学方法，解一个方程组，看谁用的时间短，决定它的效率。但是在今天看，这一台大型计算机会解方程组，不代表它会做别的，超级计算机在面对不同算法、不同应用时，效率差距极大。

100Pflops级别的性能已经很好了，而未来的E级机，性能又高了10倍，如果依然像现在这样，应用层面依然做不好的话，等于弄了一堆废铁，肯定是不行的。所以要在追求应用灵活性、广泛性的基础上，兼顾它的性能峰值，这才是未来的方向。

EW：相较你刚才提到的Linpack测试，有没有更加能反映机器实际性能的测试方法？

LJ：Linpack的方法已经使用20年了。在20年前，因为超级计算机的应用领域很窄，基本上是以解代数方程为最主要的应用，所以那时的测试方法就用了Linpack。可是在今天，超级计算机的应用已经五花八门，用一个指标已经不能完全衡量其性能了。现在又出来如HPCG等一系列的测试方法，它们是一个综合体系，用一组应用进行测试，每个应用的测试结果最后进行加权，用一个算法平均出其综合的性能，这就更容易反映机器在复杂应用环境里面的真实性能。

EW：之前“神威・太湖之光”能效比是6GFlops/W，而按照当前国际公认标准， E级超算的能效比至少要达到50GFlops/W。实现这一跨越，会面临哪些方面的困难？

LJ：整个计算机里面，最耗电的就是CPU，其他如内存等相对耗电量很小。对于我们来说，似乎唯一的方法就是在相同功耗的情况下提高芯片的性能，或者说提高它的集成度。现在芯片都是用28纳米的工艺，很快就要用到14纳米甚至7纳米的工艺。在摩尔定律下，线宽越来越窄，它集成电路的数量就越来越多，并行起来的性能就越来越高。

此外，业界也有讨论用异构加速或异构综合的方式来降低功耗。目前有大量的算法是通过软件迭代来产生结果的，耗时非常长。异构加速这种加速部件，里面是硬件的CPU单元，它用硬件来处理一些特定的应用，能将耗时的、效率很低的东西，更高速地去进行处理和计算。未来超级计算机的架构，既要满足工业的通用标准，又要满足性能要求，这种异构的通过高性能加速部件来构成的超级计算机，在我看来是未来的主流。

最后，在能耗这方面还有一个名词叫PUE，“1”是最好的，我们追求的目标就是让它趋近于1，即不需要花额外的能耗去处理冷却的问题，这是一个终极目标。我想，我们的E级机在这个上面会有重要的突破，让PUE趋近于“1”，让机器自己来冷却自己。

EW：与现在相比，E级超算在应用层面会有哪些不同？

LJ：一方面，现在的超算在应用层面问题依然突出；另一方面，不同用户对应用的需求也不一样。这都是我们正在面临的挑战。

但在E级超算出来后，通过软件定义系统，一个大机器可以分成若干个适应不同应用的区域，通过软件来定义这个区域。比如如果是人工智能应用的话，我们的加速部件的性能和数量就要更多，这样的话，就可以通过软件在实时应用场景下去重新配置这个机器，让它更适合这类应用。

这样一来，在应用层面将几乎没有限制。在全球范围内，99%的科学计算应用，它都能良好地支持；同时能够支持采用全球工业通用标准的云计算、大数据，云服务、云存储等方面的应用。如果腾讯愿意，甚至微信也可以在这上面得到支持，但这里面就涉及一系列的技术，不在芯片上做文章是很难实现的。

战略布局再纵深

EW：国产芯片这个行业，它跟国外的差距到底有多大？

LJ：这就是全面的差距了。英特尔从1968年就开始了。在这几十年当中，数千亿美元、数万名工程师的投入，才造就了他们的现在。中国的龙芯是1998年开始，差30年，投入了数亿元人民币、数百名工程师，这个差距是显然的。但是从趋势上来看，国内芯片行业是越来越好了。

EW：未来在E级超算研发方面，中科曙光还有哪些重要举措？

LJ：我们目前一系列的技术创新都围绕着E级机在展开，这里面包括高性能的冷却系统、高性能的网络、高性能的计算部件等，都有不同的团队在工作。预计到明年年底，可以公布成果。

EW：这些团队的人才从何而来？

LJ：这里面就有中科院的优势，人才是中科院对这个产业的重大贡献之一。超算这个东西不仅要懂计算机，还得懂化学、力学等各个学科的知识，才能去帮助人家做一些事。而中科院有那么多不同领域的研究所和学习不同学科的学生，我们会从各个研究所找来这些跨界的人才。

EW：除了高端计算机，中科曙光其他业务现在发展得如何？

LJ：在存储方面，像今天互联网的应用，大规模的、高可靠性的数据存储，是并行存储的。曙光有一个分布式存储系统，完全自主，性能也非常好。这个东西我们做了接近10年的时间，一直在不断地发展，存储业务营收今年上半年增长了14.53%。另外，我们在信息安全等领域也都有不同的团队在做。

EW：据8月23日公布的中科曙光2016年中报，软件、系统集成及技术服务营收增速比较快，相较上年，增幅达到了60.63%。这和云计算以及智慧城市发展有关系吗？

LJ：有关系。2008年，我们在成都建立了全国第一个云计算中心。后来，随着我们“数据中国”战略往前发展，目前，曙光已在全国20多个城市建成了云计算中心，运行的政务应用和智慧城市应用种类超过了1000个。此外，中科曙光已经参与了30多个城市云的建设，汇集数据达30多PB。城市云和行业云的建设使得公司在全国范围初步建成了一个云数据服务网络。

包括云计算，包括大数据，市场上也有其他的一些公司在做，但中科曙光有自己的优势：第一是软硬件的体系，都是我们自己的，这使得我们能够更高效、更快速地提供更优质的服务；第二是我们的城市云，它不是万金油，而是完全针对这个城市的应用需求去设计，所以它涉及的目标极其明确，是非常收敛的系统。

EW：你是如何定义智慧城市这一概念的，它能够帮助人们改变生活中的哪些事情？

LJ：我们不叫智慧城市，就叫城市云――城市的数据体系。今天所谓的人工智能大部分是基于历史的数据记录，然后去预测未来，这样的人工智能，仅仅靠数学模型，它的精度还比较差。

我们的“数据中国”战略希望把超级计算机技术、今天的云计算技术以及大数据处理技术能做一个充分地融合。我们打算在各处，比方说在全国，在百个城市分别建立以城市云计算中心为载体的一个城市大脑，把一个城市所有信息放在里面，形成一个大的数据平台。

这个数据平台是一个可视化地理信息系统，简单来说就是一张大地图，在地图上有各种数据，这些数据分为不同的图层，一类数据就是一个图层，比如，老年人的住址、公交路线数据、天气状况等都可以成为一个图层。

在这样的大数据体系里面，通过应用把不同图层之间的数据联系起来，这些数据就像真的神经元，等这样的神经元联系建立得足够多，它就是个大脑了。今天已经能使用一些了，但还要边使用边完善，这是一个动态的过程。

EW：之前曙光还提出过“云和计划”，这是怎样一个体系呢？

LJ：在城市云的推动过程中，一家企业的力量还是太单薄了，所以我们希望在一个城市里面找到合作伙伴，能够并行地处理一些事。我们自己做，一年建设5个、7个已经是很大的工作量了，但请一些合伙人一起建设，这样能快一点。曙光也会为加盟者提供统一规划设计，包括当地智慧城市项目的顶层设计、技术架构，以及城市云中心的业务范围、发展规划等方面。

EW：在信息安全方面，目前国内整体发展状态是怎样的？

LJ：我们以前提“全面自主”，但全面自主并不意味着安全。现在已经开始提“安全可控”。信息安全这个东西最重要的一点是可控。可控指的是，发现问题后，我们有对策解决。对于我们产业界来说，就是要有自己的设计能力，这样一来，应对安全威胁的能力就大幅度提高了。

此外，安全也分不同的级别。不同的部门，不同的机构，对安全级别的要求千差万别。比方说国家的机要系统，对安全级别要求较高，而信息安全的威胁其中之一就是入侵，通过你的各种漏洞，软件的漏洞、硬件的漏洞入侵，去偷走你的数据。对这些系统来说，使用龙芯的机器就很难入侵，因为那些入口别人都不知道，因为标准是我们自己的而非通用的。不过，需要这一安全级别的机器占比不多，曙光的产品中每年约1万台，占比不到10%。

EW：对于超算来说，安全也是很重要的一个方面吗？

LJ：超级计算机最重要的追求倒不是信息安全，它更多的是从产业安全的角度出发。比如，在“神威・太湖之光”之前的“天河二号”使用了英特尔公司研发的芯片，而去年出台的一项美国出口禁令使该系统未能获得升级所需芯片。现在要做的就是，突破这些技术，达到自主可控。如果再给你禁运怎么办？不怕，可以自己做。