水工结构论文
2.3 GPU通用计算
GPU是一种专门在个人计算机、工作站、游戏机和一些移动设备上进行图像运算工作的微处理器[9],是计算机显卡的核心。GPU通用计算（GPG-PU,General-purpose computing on graphics pro-cessing units）是指利用GPU的计算性能来实现一般意义上的并行计算，区别于在图形图像处理方面的应用。
GPU通用计算通常采用CPU+GPU异构模式，由CPU负责执行复杂逻辑处理和事务处理等不适合数据并行的计算，由GPU负责计算密集型的大规模数据并行计算。这种利用GPU强大处理能力和高带宽弥补CPU性能不足的计算方式在发掘计算机潜在性能、成本和性价比方面有显着的优势。
自从SIGGRAPH 2003大会首次提出GPU通用计算概念以来，GPGPU经历了飞速的发展。CU-DA架构、AMD APP架构等的先后出现大大方便了编程人员的工作，对GPGPU在各个领域的成功应用起到了很大的作用。
在工程方面，刘明贵等[10]综述了GPU各类计算模式的发展特点与成果，展示了其在坝区渗透特性中随机微分方程加速求解过程中的优越性，探讨了采用GPU进行大规模岩土工程数值计算的应用前景；李 路 涛[11]采 用CPU-GPU混 合 平 台 已 将GPU成功应用于大规模岩土工程有限元计算中的迭代加速求解；韩博等[12]采用CPU-GPU协同计算技术，建立城区震害的计算模拟模型，成功完成了城区建筑群震害模拟；董廷星等[13]将GPU应用于流体力学中Navier-Stokes方程、Euler方程的加速求解上，经测试获得了33.2倍的加速比。
由上可以看到，GPGPU已经在岩土力学、流体力学方面有了相应的研究应用，并取得了良好的效果，预计随着研究的深入、GPU处理能力的提升与编程环境的优化，GPGPU也将会在水工结构仿真中得到广泛的应用。
目前，GPU高性能计算在NVIDIA、AMD等公司的推动下正快速发展。2013年11月由国际TOP500组织发布的超级计算机TOP 500榜单[14]中，前10名中已有No.2Titan和No.6Piz Daint采用NVIDIA GPUs来加速计算。
此外由我国自主研发的天 河 一 号A超 级 计 算 机 也 采 用 了7168块NVIDIA Tesla M2050计算卡加速计算，并已在石油勘探数据处理、生物医药研究、航空航天装备研制等[15]领域得到广泛运用。由此可见，采用GPU来加速计算正逐步得到业界的认可，相信随着应用环境的改 善，GPU将 成 为 水 工 数 值 仿 真 计 算 的 硬 件基础。
3高性能计算在水工计算仿真中应用的现状
3.1高拱坝地震损伤计算
随着我国西部山区一系列高坝的建设，特别是2008年汶川地震以来，高拱坝的抗震性能与在地震中的损伤破坏受到越来越多的关注。我国在建或拟建的200~300m级高坝大部分采用混凝土技术方案，从混凝土细观结构入手研究大坝损伤开裂非常热门且卓有成效。
由于混凝土具有复杂的细观结构，因此存在着计算规模急剧增大的问题。针对该问题，钟红等[16]利用并行计算技术研究了高拱坝在地震中的损伤破坏。针对坝高210m的大岗山拱坝，拱坝-坝基系统全部采用8结点等参单元进行剖分，并将坝体部分的尺寸控制在3 m以内。整个模型剖分为358 956个单元，386 276个结点，自由度数在百万以上。
采用区域分解方法，将问题“分而治之”,从而将原问题分解为若干可独立求解的小问题。在4节点组成的集群上进行并行计算，每节点配置相同，CPU为PIV3.0,内存2GB,硬盘160G.计算结果显示，随着参与计算节点数的增多，加速比相应增大。在4节点计算时，加速比大于3,可认为已达到较高的加速比。最终的非线性动力计算结果与实验结果吻合性良好，说明了并行计算在拱坝损伤计算中的有效性。
3.2拱坝-地基系统的有限元并行计算
针对三维的拱坝稳定和破坏过程的有限元分析，刘耀儒等[17]基于Jacobi预处理共轭梯度法，采用EBE方法，通过并行计算进行了二滩拱坝-地基系统的有限元分析。
对二滩拱坝-地基系统有限元模型，采用EBE方法，将并行计算建立在单元一级的子结构上，并依据单元编号次序将单元依次分配给计算节点处理，实现了并行任务的自动分配，有效解决了区域分解方法在处理三维复杂拱坝-地基系统问题上的难题。计算结果显示，随着参与计算的节点数的增多，并行效率逐渐降低，但当CPU数为16时，并行效率依旧可达到43%,说明了EBE方法对三维有限元计算的有效性。
3.3闸门结构分析
平面钢闸门是一个复杂的空间结构。在大型水利工程中，由于需要精确的计算才能保证结构的安全，因而需要将闸门结构进行三维分析，扩大了计算的规模。
付朝江[18]针对大型工程闸门结构计算规模巨大的情况，将闸门面板、主横梁腹板、纵梁腹板、边梁腹板等离散为板壳单元；次梁、主横梁和纵梁翼缘等离散为梁单元。并以各梁系的中心线为分界线将钢闸门进行分块，继而在各梁格区间将单元细分，从而建立钢闸门有限元计算模型。并行计算时，将单元刚度的形成与方程组的求解进行并行处理。
其中单元刚度的并行处理采用隐式区域分解技术，而方程组的并 行 则 采 用 预 处 理 技 术。最 终 在 由2台 双 核DELL工作站用以太网连接而成的机群上实现并行计算，采用的是消息传递标准（MPI）。计算结果显示，双 核 计 算 时，加 速 比 为1.41,并 行 效 率 为70.5%;4核计算时，加速比为2.45,并行效率可达61.2%.
3.4蒙特卡罗随机有限元的并行计算
蒙特卡罗（Monte Carle）方法是指利用生成的随机变量的样本作为输入获得功能函数的样本，再统计失效区样本的数量从而获得失效概率的一种方法。它具有概念明确、模拟次数与精度可确定的优点。
但为精确估算失效概率，所采用的样本数必须足够大，特别是在功能函数没有解析式和失效概率比较小的情况下，因而蒙特卡罗模拟的计算量将变得非常大。
此时，采用并行计算进行蒙特卡罗模拟则可大大缩短计算时间。工程结构要求具有一定的可靠性，因为工程结构在设计、施工、使用中存在种种影响其安全的不确定性。在边坡工程中，评价边坡稳定问题往往采用定值分析的方法，如简化毕肖普法等，它们均采用极限平衡理论，是一种粗糙的综合性的近似解。在实际过程中，边坡稳定受到各种不确定、随机因素的影响，如土体性质就具有非均质性。
为此，许多学者致力于随机有限元理论在边坡工程中应用的研究。
而将蒙特卡罗方法和有限元技术结合起来，把输入的各土工参数均看作具有一定统计特征的随机变量进行有限元分析，能较好地模拟边坡的实际工作状态[19].
4水工高性能计算展望
随着国家水利建设的不断推进，水利工程规模越来越大，其复杂程度越来越高，对应的数值仿真问题面临着非线性、高复杂边界条件等难题；同时，水利工程的信息化施工、坝体位移的实时监测和反馈分析、地震作用下大坝安全的实时分析等均对水工高性能并行分析提出了越来越高的要求。
近年来，随着信息技术的高速发展，信息化已成为各行各业新的发展方向。自20世纪90年代起，我国水利行业在信息化建设方面进行了大量探索尝试。
进入新世纪以来，以“国家防汛指挥系统”和“数字流域”的建设为代表，水利信息化进入了快速发展阶段。现阶段，云计算逐渐成为信息化产业发展新方向，其在水利中的应用也逐渐引起了相关部门、研究人员的重视[20-22].
所谓云计算（Cloud Computing），即指基于网络的计算，它旨在利用网络连接将分散的、远程的计算资源统一管理和调度，构成一个具有强大计算能力的计算池，从而向用户提供服务。作为并行计算、网络计算的升级发展，云计算技术具有以下几大特点：
1）服务性；2）资源整合促使效率提高，虚拟化使得整合多个IT资源成为可能；3）可靠性；4）高可用性；5）高层次的编程模型；6）经济性。
在水工计算方面，云计算可在水利工程施工、大坝位移检测分析等方面发挥极大的作用。水利施工过程中，实时监测回馈分析是保证水利工程建筑安全的重要因素。大坝的浇筑高程、混凝土温度、地基应力变形等均对水工建筑物的安全施工产生影响。因而采用云计算，实时远程了解掌控施工过程中各项指标的变化，并作出实时相应分析，对保障施工过程的安全与施工质量有着重要的作用。
其次，已建水工建筑物的监测也是云计算重要的应用。近年来，各地地震灾害频发，许多高坝、水库建在地震多发的西部高山峡谷区，针对此类大坝的监测关系到大坝的安全运行与当地居民的生命财产安全。
基于云计算，可实时监测地震波影响下坝体位移等指标，从而作出反馈分析，对保障大坝安全有着重要作用。目前，随着2009年《水利信息化顶层设计》的完成，水利信息化正逐步深入推进。
基于云计算的水利信息化发展已逐步受到相关部门的重视，研究云计算在水工数值仿真方面的应用也是水利信息化的重要组成部分。
加大对该问题的投入力度，发展水利高性能计算，可以促进水工结构工程的发展，为水工结构工程的数值仿真研究提供新的技术支撑。
参考文献：
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[3] 张健飞，姜弘道。带状对称正定矩阵的并行Cholesky分解及其实现[C]//香港：第7届全国并行计算学术交流会，2003:262-265.
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[5] 刘耀儒，周维垣，杨强，等。三维有限元并行计算及其工程应 用 [J].岩 石 力 学 与 工 程，2005,24（14）：2434-2438.
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