高性能计算在石油工程领域的应用

吉小霞

[摘 要]石油行业的发展使得石油勘探开发的数据处理越来越复杂，对高性能计算机的依赖程度越来越深、应用范围越来越广。本文首先分析了高性能计算的发展趋势，然后讨论了其在石油勘探领域的应用，然后提出了目前高性能计算所面临的问题，最后得出把云计算运用在高性能计算中来解决目前所面临的问题的前景。

[关键词]高性能计算；数据处理能力；石油勘探；云计算技术

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1 高性能計算在石油勘探开发方面的发展趋势

11 国外的发展趋势

目前，高性能计算机的性能的速度每年都在快速增长，使其不断向前发展，其应用由主攻科学计算和工程计算领域，延伸到网络信息服务和商业自动化领域。

为了提高性能，降低系统功耗，减少占地空间和解决编程和管理较麻烦等问题，高性能计算机技术在发展的同时不断融入许多新的内容。例如，美国，日本和其他国家试图运用科学和计算机体系结构的发展结合在一起提供一种新的方法，以此开出一条高性能计算机发展的可持续发展道路。同时，基于网格技术和以商业节点为基础的高性能计算系统发展非常迅速，其系统的性价比高，研制速度快，美国和欧洲的许多国家纷纷在这类高性能计算机系统研发上投巨资。为了进一步提高高性能计算机的综合能力，美国正在研究采用包括超导、光互联和超大规模集成电路等多项先进的技术和工艺。此外，基于量子运算的超高性能计算机的研究，目前正处于理论阶段。

12 国内的发展趋势

（1）标准化和集成化的需求：将集群技术标准化，促进了高性能计算机生产的快速发展，同时集成化的集群技术，又拓宽了高性能计算机的应用范围。坚持标准化与集成化特性和不断创新技术，高性能计算机的应用前景会越来越繁荣。

（2）集群式高性能计算机的发展：集群体系结构的高性能计算机，指用标准化的互联网络将高性能部件连接起来而形成的。科学计算、事务处理和信息服务应用等工作都可以在这个系统平台上进行。其优势在于它性价比很高并且具有较高的可靠性和可扩展性，低成本和易维护等。随着计算机性能的迅速提升和价格的进一步下降，集群式高性能计算机的应用呈现出了蓬勃景象。

（3）网格计算技术的应用：伴随着高性能计算机和互联网技术的发展，网格计算技术应运而生，是针对复杂的科学计算的一种全新的计算模式。它主要是通过互联网把许多分散在不同地理位置的计算机连接起来，形成巨大的高性能计算机。该技术，在石油勘探开发领域发挥了很大作用，成效令人瞩目。网格计算技术的推广和应用，定会使石油工业的未来更加繁荣。

2 高性能计算在石油勘探开发领域中的应用

在石油工程中，数据的处理不容忽视，一点误差就会带来很大的损失，这就要求计算机系统有非常高的计算能力，尤其在石油勘探中。石油勘探开发是石油工程的重要组成部分，将在石油的勘探开发中采收集的大量数据进行分析，从而判断油储的分布情况。一般是先根据这些数据画出数据场的等值线，再交由专业人员分析油的分布，有多少油，可想而知这样的处理方式必会受到限制。另外等值线是二维的，不能形成三维立体的画面，结果浪费大量的信息的同时又没有得到我们所期望的结果。如果利用计算机技术和可视化技术，就可以从这些庞大的地震勘探数据中构造出三维实体，显示参数，直观地再现油藏的地质构造以及油藏参数在石油开发过程中的变化，给专业人员准确分析和解释原始数据提供了巨大帮助。这样的分析将更加准确，定位更加科学，降低石油勘探开发的成本。因此，为了取得勘探的最佳效益，使用高性能计算处理这些海量数据成为必然，这也成为高性能计算在石油勘探领域高需求的主因。

目前，在石油勘探中从采集数据、分析数据、油气藏描述到开发、钻井乃至管理整个油田生命周期和对生命周期的经济评价，全都靠计算机完成。高性能计算机技术的应用非常广泛，随着科技的发展，不仅应用在石油化工领域，在气象预报、核能模拟和生物工程等领域都得到应用，取得了显著的成绩。尤其在石油勘探开发领域，高性能计算机的应用占据了不可或缺的地位，在许多方面象征着高性能计算机技术的发展水平。

3 高性能计算面临的问题

面对石油勘探行业的特殊性和复杂性，高性能计算如何满足越来越高要求的数据处理能力成为首要任务。但是目前在计算性能、系统建设与运行成本等方面使得高性能HPC集群计算机系统已经面临着许多问题，主要表现在三大方面：

一是CPU处理器性能无法满足对计算能力的需求；

二是石油勘探高速增长的数据和存储扩容越来越不匹配；

三是能耗制约越来越严重，高性能计算机体积大、耗电多以及对计算机房空间、空调、电量需求大。

总的说来，就是传统的高性能计算方法已无法满足目前石油勘探行业对计算能力越来越高的要求和对数据处理的大需求，更无法满足石油勘探发展与应用的需要，这必然导致其会成为制约石油勘探发展的因素。面对这些严峻迫切的问题，如何尽快找到满足高性能计算需求的方法成为石油勘探行业关注的热点。

4 云计算破局石油勘探高性能计算需求

从目前的形式来看，实现灵活的可伸缩性成为解决石油勘探行业面临的三大困境的唯一解决之道。也就是要构建满足石油勘探高性能需求系统的几大重要点：一是使高性能计算机具有可拓展可伸缩性的计算能力；二是能够实现对相当大的存储容量的负载和存储容量的可伸缩性；三是能够对计算能力和资源进行更好的管理。因此，许多业内人士将打破石油勘探高性能计算需求局面的希望投向了云计算。

其实，对高性能计算而言，云计算这个概念并不陌生。例如存在一种早期的云计算模式，它把昂贵的计算资源集中部署和集群应用，这就是已经发展近30年的超级计算中心。但这种高计算服务不同于当前所谈论的云计算。目前的云计算是传统计算机技术和网络技术发展融合的产物，这些技术包括分布式计算、并行计算、网格计算、效用计算、网络存储、虚拟化、负载均衡等。其目的是运用网络把一些较低成本的计算实体整合起来，打造一个具有强大计算能力的系统。如果有效的管理和调度这些用网络连接的计算资源，建立一个计算资源池以服务用户，成为云计算的核心思想。

因此，云计算对于高性能计算不仅意味着一次模式转变，而且作为解决目前困境的方法会使其具有革命性意义。

总的来说，从目前的石油行业现状来看，要解决现在行业所面临的问题，还需要我们不断的努力。近几年来，云计算技术发展越来越快，技术愈加成熟。石油行业的前景广阔，将云计算运用到石油领域，解决石油行业对高性能计算能力需求的问题，成为未来石油行业的必然选择。（上接P52）相关过程，初期充分考虑机械生命周期全过程的各项因素（如用户需求、质量、成本、进度、拆卸与回收的设计体系等），使食品机械实施最优化设计。

43 并行式绿色设计理念下設计的一般过程

绿色设计是一种基于生态学的设计，为设计人员的素质和设计方法、设计手段提出了更高要求。食品机械数据管理技术是并行式绿色设计技术的关键技术之一，是对食品机械生命周期全过程个各环节中所需要的、或生成的大量数据和信息的管理技术，可按照要求将数据或信息及时传递到制定的位置或相应的人员。

机械设计的过程不再是一种串行设计模式，而是一种在设计过程中逐级反馈的设计模式。将概念设计做大最全面、最优化。从概念上影响整个设计过程和设计环节。

44 新设计理念下食品机械设计的实施要点

设计理念的更新：可持续发展理念、食品安全理念、并行式绿色设计理念。

食品机械设备的材料设计：直接接触食品加工过程的设备材料要求（如抗菌、容易清洗），非直接接触食品的设备材料要求（如节能、环保、对操作人员无害等），直接接触食品成品或半成品的包装设备的材料要求（无害、抗菌、不能对食品造成附着添加等）。

食品机械产品结构的设计：产品整体结构要易于制造和装配，具有良好的可拆卸性，动力和液压系统要考虑到绿色设计。对于目前发展势头迅猛的中小型家用食品机械要在使用中易于或加入清洗系统的设计，能够一机多用，环保节水等。

食品机械生产线设备的设计：对于目前的大型标准化生产设备，要采用GMP（Good Manufacturing Practice，良好生产规范）的标准化生产为指导，同时还要用先进的科学预防性食品安全保证体系HACCP（Hazard Analysis Critical Point，危害分析与关键控制点）来规范生产线设备的设计研发。

在食品机械概念设计阶段，全盘考虑。基于食品安全和绿色生产，对食品机械设备进行全程的监控。如设置设备的使用监控和警报系统等。

参考文献：

[1]付国壮，食品机械技术发展研究[J].科技论坛，2013（8）.

[2]马海乐食品机械与设备[M].北京：中国农业出版社，2004