一个共享的软件服务系统——水利云计算平台

徐文杰，王忠静

(清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084)

1 研究背景

水利、岩土及工程地质等行业中面临着大量的计算分析与评价工作，需要众多的软件,如:在工程地质野外工作中需要进行大量的岩体结构面统计分析[1]；在岩土工程中大量试验以及现场勘测数据，需要对其进行处理，根据规范中算法进行计算分析[2]；在水利工程中，通常要进行洪水演进计算分析[3]等。不同的工程设计、科研人员及单位，通常根据需求开发相关软件或购置商业软件平台，使得行业内各种计算分析平台千差万别，并造成大量的资源浪费，也难以实现行业内的规范化和标准化管理。有些单位仍然使用一些早期开发的Dos程序、Excel表格计算，甚至还有依然停留在用计算器处理…此外，现有商用软件大都基于桌面系统开发、采用独立部署的模式，计算成果分散、共享性差，难以实现协同分析(图1)；而且多以国外商用软件为主，严重制约我国自主软件的发展。

图1 水利、土木行业现有计算平台的不足Fig.1 Deficiencies of current software in hydraulic and civil engineering

随着互联网+技术的飞速发展，移动办公、团队协作及行业协同分析等成为现代行业发展的趋势，平台化服务越来越多地出现在各个领域，尤其是基于互联网技术的云计算技术自2006年Google首次提出以来给各行各业带来了巨大的变革[4-5]。云计算技术充分利用互联网以服务形式，提供动态、虚拟化、可扩展、按需部署的高灵活性和高性价比的计算服务，从而实现了资源分享、整合及高效利用目的，提高了软件开发和计算效率。

在水利、岩土、工程地质等土木行业领域中，云技术在水利领域应用相对较早。尹炜靖等[6]针对水利云数据语意集与虚拟化技术、弹性负载均衡技术、基于蚁群优化的任务调度、流媒体传输与会商技术等，研发了水利云平台；Arango等[7]通过云平台提高搜索效率，来实现水资源分配体系的分析和决策；Wan等[8]构建了一个全球洪涝灾害基础信息云平台；周力峰等[9]基于云计平台开展的管理信息化、科研信息化和智慧流域前期研究的技术路线、方法与手段。在地质领域，中国地质调查局开发的“地质云”将覆盖了全国所属单位的基础地质、区域地质等地质信息产品，形成云上数据资源的共享。云计算作为一种新型的计算服务方式，为了基于云计算平台为用户提供高效的数值计算服务与计算软件平台的共享，许多研究者及团队逐渐开始相关研究与开发。Ari等[10]设计了有限元模拟计算的云服务框架并实现其中的部分模块；刘荣华等[11]构建了基于云计算的水动力学模拟服务平台HydroMP, 实现了云计算模式下水动力模型在广域互联网上的多客户端、多用户、多方案的并发计算；朱勇等[12]分析了云计算在水利数值模拟领域的实用性；华北油田开发了虚拟地质云桌面系统GeoEast, 实现勘探开发专业应用软件共享、数据共享的计算平台[13]；中国水科院主导的“水利水电工程设计云计算软件服务平台”，利用网络平台实现Excel计算表和VBA程序的上传和下载，为用户提供统一的计算工具。纵观类似的相关平台，仍然主要集中在利用云计算提高行业信息数据共享性，在基于云计算的软件分析平台方面虽然有一定的发展，但是目前在基于Web的前端可视化、用户交互、跨平台等功能方面有明显的不足，难以充分发挥云计算的优势。

本文基于先进的互联网+可视化技术，以工程地质、岩土工程、水利工程等常用的软件需求为背景，研发面向Web应用为基本形式、跨平台(跨操作系统、跨移动终端)的计算云平台——水利云计算平台(Tsinghua Hydraulic Cloud,THC)，形成行业内首个交互良好的云计算平台。THC为广大的水利、土木及地质行业从业者和科研人员提供便捷的计算分析平台，同时也希望推动行业计算资料的规范化、标准化及信息化管理。

2 THC基本构架与主要功能

2.1 基本框架

随着网络技术的革新，网络的实时在线、跨平台运行和远程操作的优势越来越明显。服务器处理能力的飞速提升为平台化服务在各个领域中提供了支撑，Web应用也随着网络速度和前端处理能力的不断增强而蓬勃发展起来。THC将基于新一代Web技术开发形成具有强大的可视化和交互性能的云端服务平台(图2)。用户通过浏览器登录THC前端平台，并通过云计算平台的资源池提交计算需求，资源池将计算结果发送给浏览器前端，从而形成完整的“云端应用”。 平台以浏览器作为依托，实现输入输出接口与计算存储过程的分离，从而实现云计算、云存储、跨平台、移动办公、规范报表、大数据统计、不依赖本地计算能力的等特性。同时，采用多线程处理技术实现多用户的并发提交与计算。

图2 THC构架Fig.2 Platform structure of THC

良好的用户交互与可视化功能是云计算平台更好为用户提供服务的重要保障。而且工程地质、岩土工程、水利工程等行业计算分析中，将涉及大量的二维、三维可视化交互与分析功能。鉴于HTML5更加强大的JavaScript引擎使得前端操作变得更加多样化，同时，对于画布(canvas)的支持以及对SVG性能的增强对网页前端可视化是本质性的变革，SVG的二维渲染和canvas的三维渲染都能够接近PC端的本地渲染性能；同时，利用Cache的本地缓存机制也让网页端的运行更加流畅；此外，对于移动端的性能优化促进了网页在不同平台上的运行效果，降低了跨终端开发的难度。为了使得平台前端不局限于简单的计算和上传下载服务，THC前端应用基于HTML5标准构架，实现良好的用户交互。在二维可视化方面，采用具有数值导向(Data-Driven Documents)特性的JavaScript库- D3.js进行构架；在三维可视化方面，则采用基于三维可视化库Three.js进行构架。

为用户提供专业的数值计算与分析软件服务是THC的主要功能，同时考虑到计算程序与前端良好的兼容性，以目前现行规范及行业成熟算法为基础(详细理论算法可参见THC主页“原理手册”)，以Python和C++计算机语言为工具，自主开发高效的软件算法。对于有大规模数值计算需求的模块(如洪水演进、地质灾害模拟)，为提高计算效率及满足多用户并发计算的需求，将计算资源布置在超算平台上。

2.2 主要功能

用户可直接通过浏览器登录THC的平台主页(http:∥www.meggs.hydr.tsinghua.edu.cn/thc/index.html)进行访问(图3)，然后点击所需要的计算功能模块，即可进入相应的计算平台(图4)。用户可以通过打开(本地、或服务器)或直接输入的方式建立分析模型，然后通过平台提供的友好界面进行计算、分析及设置；并将结果输出、存储(本地或服务器)、共享等。

图3 THC主页Fig.3 Homepage of THC

图4 THC功能主界面示例—洪水演进模块Fig.4 Demonstration of a main interface of THC—flood routing module

THC立足于土木水利、工程地质与岩土工程行业计算分析，目前主要功能包括岩体结构分析、土工试验、边坡稳定分析及洪水演进四大计算功能模块，后续将继续丰富功能模块，建成一个标准化、规范化、快速、便捷的面向Web的可视化云计算平台，为工程设计与技术分析提供规范化、标准化及信息化管理。

3 THC应用案例

本节将以岩体结构分析、土工试验、边坡稳定及洪水演进4个模块的主要功能及案例应用进行阐述。

3.1 岩体结构分析

岩体内部结构面的产状，决定甚至控制了岩体的工程地质力学性质，因此岩体的结构面统计分析一直以来是岩体工程地质工作的重点内容之一。随着计算机科学的出现与发展，用计算机模拟岩体结构面可以使我们定量定性地了解结构面的特征，从而对其特性加以分析计算。为了实现岩体结构统计的云平台分析，THC的岩体结构分析主要包括：赤平投影分析、结构面统计分析(节理极点图、极点等密度图、结构面分组统计、走向玫瑰花图及岩体边坡失稳模式判断等)及Hoek-Brown参数计算[14-15]等功能。

失稳模式是岩质边坡工程地质分析中常用的边坡稳定分析方法之一。THC的结构面统计分析中的岩体边坡失稳模式判断，为香港土木工程署编制的《岩土工程手册》(1981年)提出的通过边坡失稳条件在赤平投影图上绘出可能发生滑动和倾倒的破坏区，然后根据结构面之间相互关系的交线极点位置来判断边坡为滑动破坏(平面滑动和楔体破坏)还是倾倒破坏。其中：滑动破坏的条件为滑动面的走向与坡面平行或接近平行；βp≥β≥φ，其中β为结构面在坡面倾向上的视倾角，βp为边坡角的倾角，φ为结构面的摩擦角；滑动体具有很小阻力的节理面且存在相对滑动，规定了滑动面的侧面边界。由上述原则可以得到，由βp≥β≥φ所包围的月牙形区域构成了赤平投影平面上的滑动部分；倾倒破坏的条件为[16]，边坡面的倾角大于或等于30°；边坡面的倾向和结构面的倾向趋势相反，夹角α≥120°，并与结构面的倾向在±10°之间；倾倒区的范围一般为(120°-坡面倾角)～90°的倾角范围。图5显示结构面摩擦角为35°，坡面倾向为140°，倾角为60°的一岩质边坡失稳模式特征。

图5 岩质边坡失稳模式Fig.5 Modes of rock slope instability

本节以某电站进水口左侧引水渠边坡为例对该方法进行阐述。边坡高度大约96 m，坡面倾向SE141°，坡角57°，在1 310 m高程有8 m宽的上坝公路通过，结构面摩擦角为30°。出露岩层按高程从低到高分别为：T3m2-1粉砂质板岩、板岩夹变质长石石英粉、细砂岩；T3m2-2粉砂质板岩、板岩；T3m3-1变质长石石英细砂岩，上伏1～2 m厚崩塌堆积体。边坡内发育的3组节理中，第3组节理优势产状为127°∠66°，倾向坡外，倾角与边坡坡角相近，对边坡稳定有一定影响。

图6显示了THC生成的边坡模式图，从中可以看出结构面(3)的倾向虽和边坡面一致，但倾角较陡，不存在直接位于滑动区和倾倒区的结构面，其中1、2两组结构面交线产状为332°∠13°；1、3两组结构面交线产状为207°∠22°；3、2两组结构面交线产状为94°∠62°。三组结构面交线与坡面倾向相反或大角度相交，形成楔形体破坏的可能性也不大。

图6 某电站引水渠边坡失稳模式分析Fig.6 Analysis of the instability modes of channel slope of a hydroelectric station

3.2 土工试验

土工试验是岩土工程中常用的试验方法，在土木水利、地矿等相关企事业单位、研究机构及高校中有着广泛的应用。THC-土工试验模块在设计过程中以行业应用需求为目标，突破现有行业应用瓶颈，目前已经实现了固结压缩试验、粒度分析试验、渗透试验及直剪试验等常规土工试验的云分析处理。

以云构架为基础，THC-土工试验模块除了具有与其他模块相似的功能外，还具有针对土工试验的一些特有功能(图7)：

图7 THC土工试验模块构架Fig.7 Platform of geotechnical tests module of THC

(1)试验数据。由于土工试验涉及一些试验过程的记录数据，为了便于用户使用，用户可根据模板文件将试验数据存储为Excel文件，然后上传至云平台，进行分析。

(2)自动生成试验报告。根据不同的土工试验方法及用途，系统可以自动生成相应的实验报告，便于用户使用及规范化管理。

(3)试验报告云审批。通常实验技术人员的试验报告，需要有专门的审批人员进行审批后方可正式提交。试验人员可以将生成的试验报告，在云平台上直接推送给相应的审批人员；实验审批人员将接受到审批信息，并在云平台上进行审批；审批完成后，试验人员方可打印输出报表。该功能也可以用于教学实践，学生可以通过云推送至负责老师，老师直接进行实验成果审批。从而大大提高工作效率。

(4)云存储。用户可以将试验数据直接存储到云平台，供后续使用。

(5)云分享。用户可以将试验成果直接推送给指定的其他用户，以实现试验数据的共享使用，大大提高试验成果的使用效率。

3.3 岩质边坡稳定分析

根据工程中岩质边坡的失稳破坏模式，其常见稳定分析方法有楔形体稳定性分析[14-16]、Sarma边坡稳定分析法[17]及倾倒变形稳定分析[18-20]等。为了更好地为行业用户提供云计算平台服务支持，针对上述3种岩质边坡稳定分析方法，THC分别开发相应的计算模块(图3)。

本节将选取Hoek和 Bray(1977)的一个典型算例，对THC在岩质边坡稳定分析计算方面的可靠性进行论证。坡高为30.48 m (100英尺)，拉裂缝沿着结构面1迹线至坡顶线的距离为12.2 m(40英尺)，岩体密度为2 562 kg/m3(160镑/英尺3)，边坡不倒悬。边坡其他的几何特性及结构面强度参数见表1。

表1 边坡的几何特性及结构面强度参数Table 1 Geometric characteristics of slope and strength parameters of structural planes

表2显示了3种工况下THC与Hoek & Brown[21]的计算结果对比，图8显示了工况三的THC计算分析成果。从中可以看出，THC在楔形体稳定性计算分析方面具有较好的可靠性，而且三维可视化效果较好。

表2 不同工况下Hoek与THC计算结果对比Table 2 Comparison of analysis result between Hoek and THC under different working conditions

图8 楔形体稳定性计算示例Fig.8 Example of wedge stability analysis

3.4 洪水演进分析

洪水是一种常见的自然灾害问题，也是水文学、水力学领域研究的问题之一。随着数值计算的发展，为洪水演进计算分析及三维可视化提供了支撑，并在实际工程、研究中得的了广泛的应用。为了给为行业提供一个良好的数值计算及三维可视化分析平台，THC中的洪水演进模块基于二维浅水方程理论为基础，以潜水方程为控制方程，并采用有限体积法进行方程求解，从而实现洪水演进二维计算模拟及三维可视化展示。洪水演进分析算法，采用Python语言开发，基于多进程(MPI)并行技术实现大规模高效并行计算分析。与此同时，为了满足同一用户及不同用户的并发计算需求，洪水演进后台计算放置于超算平台，并通过超算与THC服务器间的数据交互与传递实现计算结果实时动态地传回至THC服务器端，供用户进行查看和可视化分析。

为验证THC中洪水演进分析的可靠性，选取典引水渠(图9)，断面为梯形，渠道岸坡坡比m=1.5，底宽b=34 m，底坡i=1/6 500，渠底至堤顶高差为4.0 m。正常生产条件下，按渠道设计断面使用，渠道设计水深为2.7 m，引水渠形成均匀稳定流动，渠道曼宁糙率n=0.03，截取其中100 m为研究对象(图1)，求解此时渠道的设计流量。

图9 引水渠几何模型Fig.9 Geometric model of water diversion channel

在计算中，根据引水渠结构建立*.asc格式的栅格地形高程文件，然后通过平台，点击主界面右侧 “asc地形文件导入”，点击“添加地形”按钮，选择生成的地形文件导入；此时，主界面显示导入地形高程云图(图10)。

图10 引水渠数值计算模型Fig.10 Numerical model of water diversion channel

模型导入后，通过平台分别进行“网格参数”“水位”“边界条件”“计算参数”等设置，并进行提交计算分析。

3.4.1 流 速

图11显示了平台计算得到的水流流速分布云图。数值模拟x方向流速分布为渠道中间流速最大，靠近岸边流速逐渐减小，中间最大速度在0.74 m/s。理论计算得到引水渠达到稳定均匀流动时的流速为0.73 m/s。由于理论计算得到的为渠道断面的平均流速，因此数值计算得到的与其有一定的差别。

图11 渠道水流流速分布云图(t=400 s)Fig.11 Contours of flow velocity of the channel

3.4.2 水 深

图12显示了平台计算得到稳定是渠道的水深云图。从图中可以看出，最大水深为2.7 m与理论计算值2.7 m一致。

图12 渠道水深云图(t=400 s)Fig.12 Contours of water depth of the channel

3.4.3 流 量

图13显示了距离上游入口10 m、50 m、90 m 3个断面处THC计算得到的流量特征及与理论计算结果的对比。从图中可以看出，在200 s左右时各断面处的流量达到稳定与理论值75.0 m3/s一致。

图13 不同断面处的流量随时间变化Fig.13 Variation of flow rate with time at different sections

从上述计算结果与理论结果的对比分析来看，THC洪水演进模块算法可靠与理论结果一致。

4 讨 论

THC基于互联网+云计算技术为土木、水利及工程地质等领域公有云软件平台，尤其从算法、二维与三维可视化、界面交互等技术层面进行了精细的探索，确保后续持续开发的可行性、可靠性。为进一步推动我国自主软件的发展，为行业提供可靠的共享软件计算分析平台，THC的计算功能软件将继续开发和完善，最终不断融合土工试验数据分析、野外勘查监测数据采集与分析、地质灾害(链)仿真、岩土体稳定计算与分析、水工与水力学计算分析等功能于一体的云计算软件服务平台(图14)，形成“勘察-设计-BIM-施工”信息一体化管理与运维，服务于工程的全生命周期运行与管理。

图14 THC未来规划与展望Fig.14 Future planning and outlook of THC

由于THC是完全基于云计算的软件服务平台，又具有强大的信息管理功能，后续将与GIS进行融合，从而实现数据信息的空间融合与管理。一方面，可为管理部门形成项目可视化查询分析数据库；另一方面，集合大数据分析平台，为实现信息数据的跨单位、跨行业共享、行业标准和和规范管理奠定基础，从而减少社会资源浪费。以北京城区岩土体的物理力学参数为例，不同的单位、不同的行业进行了大量的土工试验分析，然而目前单位之间、行业之间的信息数据存在严重的壁垒，造成大量的重复性试验、数据资源的浪费。这些资源，一旦实现共享将对于建立更加精准的地层地质信息、岩土体物理力学参数空间信息、促进学科发展等具有重要的意义。

THC是基于教学及工程设计规范中常用的计算分析方法的基础上开发的，为课程教学、学生实践使用提供良好的计算分析工具平台，为学生步入工程设计奠定良好的基础，推动新工科教育改革和探索。同时，后续将不断纳入一些先进的计算方法及在线可编程开发功能，为学生及其它用户提供可开发功能，提高学生的科研创新能力。

5 结 论

水利、土木等行业领域勘查、设计及施工中涉及大量的计算、数据采集与分析工作，现有行业软件大都基于桌面软件开发，难以实现行业的计算分析的规范化和标准化管理，同时团队合作性能查，造成资源浪费。云计算的飞速发展，以提供动态、虚拟化、可扩展、按需部署的高灵活性和高性价比的计算服务等优势，给各行业带来了巨大的变革。然而对于水利、土木行业而言，目前云计算主要集中在提高行业信息数据共享性方面的应用。

本文基于云计算技术，以行业软件需求为背景，研发了清华水利云(THC)，形成行业内首个交互良好的云计算平台，为广大的水利、土木及地质行业从业者和科研人员提供便捷的计算分析平台。平台以浏览器作为依托，实现输入输出接口与计算存储过程的分离，从而实现计算分析的云计算、云存储、跨平台、移动办公、规范报表、大数据统计、不依赖本地计算能力的等特性。

THC平台目前实现了岩体结构统计分析、土工试验、边坡稳定分析、洪水演进四大功能模块，从算法、二维与三维可视化、界面交互等技术层面进行了精细的探索，通过实际应用案例表明为用户提供了可靠、便捷的服务支持平台。同时，在平台构架技术方面也确保后续持续开发的可行性、可靠性。

THC平台的不断发展可为教师教学、学生、企业及有关科研人员提供一个良好的计算分析服务，对于推动行业计算资料的规范化、标准化及信息化管理具有重要意义。