一、自主创新在黄河上的实践

　　1.什么是自主创新

　　在英文中，创新－Innovation，这个词起源于拉丁语，它原意有三层含义，更新、创造新的东西、改变。创新作为一种理论，它的形成是在20世纪， 1912年，美国哈佛大学熊彼特教授第一次把创新引入了经济领域。现在“创新”两个字扩展到了社会的方方面面。比如我们讲的理论创新、制度创新、技术创新、教育创新等等。今天，人们越来越强烈的认识到，自主创新是中华民族持续发展的灵魂，是我们国家兴旺发达的不竭动力，同时也是国家战略的重要组成部分。

　　2.为什么要自主创新

　　欧美发达国家称霸世界靠的是什么？表面看是武力和美元，然而从深层次看，实际是科技的创新能力。发达国家靠科技的不断创新来支持自己的持续发展，所以知识产权是他们的命根，拼命的保护。
黄委主任李国英在一次会议上讲过一个小故事，黄委购买的国际知名品牌的电梯，由于电梯调度设置不合理，请外方维修人员，结果对方修改设置的时候，根本不让我方的维修人员参与，看也不让看。我们购买的电梯，如果需要调整调度方案，即便是微小的改动，都要请外方人员来，带来诸多不便。李主任说，通过这件事，我们要清醒的认识到，核心的东西一定要掌握在我们自己的手中。

　　同样的道理，我们可以想象，如果我们并不掌握事关国家安危的防汛指挥系统的核心代码、洪水演进数学模型的源代码以及关键的控制参数，而是完全在国外某一商业软件的基础上构建我们的防汛决策支持系统，其中潜在的风险。

　　3.自主创新在黄河数学模型研发过程中的实践

　　数学模型是沟通实际问题与所掌握的数学工具、事物规律性认识的一座桥梁。目前，数学模型模拟与基本理论研究、原型资料分析、实体模型试验一起，构成了水科学研究的主要技术手段。

　　黄委更是把数学模型系统的建设提升到十分重要的高度，即确立黄河数学模型是“数字黄河”工程的核心和灵魂。基于GIS的黄河数学模型系统的研发突出解决方案一体化、模型系统集成化以及与“IT”技术无缝化，实现了模型耦合集成化、高度可视化、过程可引导化和反应快捷化。该系统将直接为黄河防洪减灾、水资源管理与调度和水资源保护提供决策支持。
黄河数学模型的研发历程体现了自主创新在黄河上的实践。

　　（1）管理模式创新

　　在此之前，国内水动力学数值模拟软件的开发大多是“小作坊”式的模式，各自为政，大量低水平重复开发，黄委也面临这种状况。从2003年开始，黄委决定，黄河数学模型开发在体制上采用首席专家+团队模式。按照“首席专家负责制”，课题组“以我为主”，完成核心构件的编制，课题组内部充分发挥团队精神，资源共享、信息互通、运转高效，以保证研究成果的可持续性；同时还培养了可持续发展的研发团队。

　　(2)软件开发流程创新

　　在相当长的时期以来，国内传统的水动力学数学模型大多停留在“程序”的阶段，为了某一生产任务，编制相应的代码，致使模型的使用范围收到严重制约，模型精度也难以得到保证。

　　黄河数学模型的研发首次按照黄河数学模型研发导则(试行)和软件工程学的要求建立了较完备的模块、构件、整体模型设计和测试、率定、验证的研发体系。

　　模型研发过程的每个环节严格保证模块、构件及整体模型的正确性和实用性，保证模型在应用中的可重复性和可信度。严格按照“软件工程”建设、“数字黄河”工程技术标准，作好程序调试记录、内部接口，存档、回归性测试，保证研究过程的可追溯性；打破了以往模型开发过程中的不严谨和没有测试过程的程序，纠正了以往模型率定和验证相互混淆的理念。

　　(3)研究内容创新

　　黄河数学模型在研发内容上，突出黄河自己的特色，相对于国内外的其它数学模型系统，有如下创新：

　　1）首次突破了黄河下游游荡性河道主槽地形生成难题，自主研发了游荡性主槽断面内插技术，结合河道断面分析系统和遥感技术实现了河势自动识别和主槽地形的自动生成，这种技术在国内和国际上都是先进的。

　　2）首次采用紧密集成模式将GIS、计算可视化和过程模拟计算集合成一个运行环境，并为可视化系统开发了专用黄河下游水、沙、地貌数据库管理系统，使计算结果得到充分直观的表达，同时也可以再现水流、泥沙在河道中的真实演进情况。

　　3）针对黄河下游滩区广阔、河势变化剧烈、水沙演进复杂等特点，模型采用具有较大的发展潜力，并已得到广泛应用的有限体积数值方法，其物理意义更直接明晰，严格满足物理守恒律，便于模拟复杂边界，保证模型的可持续扩展。

模型系统建成后，为2006年调水调沙生产运行的调前预测、调中预测及调后评估提供了技术支持，为调水调沙的顺利进行和决策提供了科学依据；同时，该模型先后应用于黄河下游（含东平湖）洪水风险图图层制作、黄河下游白鹤－伊洛河口河道整治工程方案设计等大量生产应用，对研究黄河水沙演进规律和洪水风险评估、预警等产生了巨大的社会经济效益。目前，黄河数学模型系统的研发已经先后列入国家自然科学自然基金、十一五国家科技支撑计划、十一五国家863计划。

　　4 认识与体会

　　结合自主创新在黄河数学模型系统研发过程中的实践，得出几点体会。

　　
　　（1）自主创新不是闭门造车

　　恰恰相反，而是更加开放。我们所主张的自主创新不但可以原始创新、集成创新，还可以在引进先进技术基础上的消化、吸收、再创新。当然，前提是以我为主，强调自主，不能受制于人。从黄河数学模型系统研发来看，自主开发还可以促进交流合作。我们的模型系统建设过程中，把一些初步的研究成果在国际会议上交流，国外知名的水动力学软件研发机构（荷兰Delft Hydraulics，丹麦DHI等）对我们的工作很感兴趣，特别是我们强调的黄河特色，如高含沙理论及应用、快速地形生成系统、RGTools软件包等，他们主动提出合作的意向。最近双方正就软件开发、功能测试等实质性合作内容进行协商。

　　（2）自主创新需要机制保障

　　新时期我们国家科技工作的指导方针是“自主创新、重点跨越、支撑发展、引领未来”。黄委也把推动自主创新摆在全部科技工作的核心位置，并建立了相应的制度保障。突出科技进步与创新必须服务于黄河、服务于经济社会发展这个重点，加快科技成果转化，并且牢固树立“需求牵引，应用至上”的基本理念，努力创新科技合作机制和构建新型科技合作平台，积极探索黄河科研管理工作的新模式、新机制。

　　（3）持续的科研投入是自主创新的基石

　　保持自主创新能力的一个重要条件就是要有强大的科研投入。以日本为例，上个世纪九十年代，当其泡沫经济破灭以后，日本经济陷入了长达10多年的低迷之中，但日本企业的科研开发经费投入从1995年开始不仅没有减少，而且一直在增加，每年投入的科研经费总额达到了16．8万亿日元左右，占国内生产总值的比例高达3．35％，这一比例堪称世界之最。对此我们应该反思、借鉴与学习。

　　（4）大力培育富有创新能力的各类人才

　　21世纪最缺乏的是人才，一切创新活动，都取决于具有创新能力的人。近年来，黄委紧紧抓住培养、吸引和用好人才这三个重要环节，充分发挥人才在科技创新中的关键作用。我们有理由相信，一支规模大、素质高的人才队伍，将最终支撑起依靠自主创新建设和开拓黄河的美好明天。

　　二、黄河超级计算中心的建设与运用

　　1、为什么建设黄河超级计算中心

　　近年来，随着“数字黄河”工程的不断发展和推进，在防洪减灾、水量调度、水资源保护等诸多领域，在洪水演进数值模拟、遥感信息解译、天气预报、水利水电工程规划设计等方面对数据处理速度和计算容量的要求大幅度提高。

　　高性能计算是大规模复杂计算领域中不可缺少的高端计算工具。上世纪90年代以来，以高性能计算机为基础的计算科学得到了长足的发展，在许多工业领域，如汽车、航空航天器的设计制造，石油勘探、地震资料处理及国防等，高性能计算已经成为首选研究方法。

　　黄河超级计算中心（YRSC）依托于水利部黄河水利委员会黄河水利科学研究院、水利部黄河泥沙重点实验室，是全国七大流域组织中首家以高性能计算为核心的机构。中心主力计算机--“神威”（SUNWAY）并行计算机群峰值浮点运算速度达3840亿次/秒，存储容量2TB，可以满足现阶段数字黄河高程各领域对数据处理速度和计算容量的需求。

　　“数字黄河”工程对高效能计算的现实需求主要体现在数学模型计算和遥感信息实时提取两个方面。

　　（1）数学模型计算

　　基于GIS的黄河下游二维水沙数学模型。该项目是“黄河数学模型”系统建设的启动工程，阶段成果通过验收入选“2005水利通讯及信息行业十件大事”。模型可以对洪水期水流演进、泥沙输移及河床变形实时预测，进行灾前、灾中和灾后灾情评估。模拟空间区域为黄河小浪底～利津河段，长约800km，面积约4000km2，计算网格数310万左右。利用微机分河段进行模拟，计算时间远大于洪水传播时间，难以满足实时预测和防汛会商要求。

　　小花间暴雨洪水预警预报系统。作为将黄河小浪底～花园口无工程控制区洪水预见期由8小时提高到30小时的主要非工程措施之一，黄委启动建设小花间暴雨洪水预警预报系统。该系统的中尺度暴雨预报模式要求垂直分层20～35层、空间水平分辨率18km×18km，预报网格点上降水量插值到1km×1km网格点上。单机环境下运行，制作48小时降水预报需5小时以上，15时以后才能得到初步预报结果，而每天天气会商预报发布要求不迟于13时。单机计算难以满足实时滚动预测和综合会商决策需要。

　　（2）遥感图象处理分析

　　遥感影象处理慢、时效性差是制约遥感技术在防洪减灾实时应用的“瓶颈”。为实时获取黄河下游洪水演进及淹没分布，必须快速准确提取各种遥感监测信息。目前，黄河小浪底～黄河口进行一次监测需要7～10幅与TM影像分辨率相当的影像，以同时处理8幅影像的数据量计算，单机运行时间280分钟，采用8节点并行计算仅需20分钟。考虑到应用范围扩展，多源高分辨率数据采用，遥感图象处理分析对高效能计算速度和容量会提出更高的要求。

　　除了上述现实需求，“十一五”末期，随着全流域大尺度、多传质耦合、多空间层次的“基于GIS的黄河水沙模拟系统”的初步建成以及包括三维应力应变、温度控制、坝体与坝基整体稳定、地下厂房和大型建筑物动力分析等水利水电工程过程模拟仿真，对高效能平台建设会提出了新的更高的要求。

　　2、中心建设过程

　　根据我委“数字黄河”工程建设的要求及水利部黄河泥沙重点实验室建设的需要，遵循“需求牵引、应用至上”的原则，2004年8月开始，黄河水利科学研究院结合黄河下游二维水沙数学模型的开发和黄河小浪底～花园口区间洪水预警预报系统建设需要，借助水利部黄河泥沙重点实验室建设开始了黄河超级计算中心筹建工作。目前已筹建完成神威（SUNWAY）可缩放的并行计算机系统，其峰值浮点运算速度3840亿次/秒，存储容量2TB，并初步投入生产运行。

　　黄河超级计算中心以引进的无锡江南计算技术研究所研制的高性能服务器为依托构建高性能并行计算平台，可以解决黄河水利水电大型科学计算以及复杂水利水电科学问题的求解分析，为大型科学计算与仿真分析提供技术支撑。依据“共建共享，开放扩展”的原则，以“服务黄河，服务社会”为宗旨，中心将加强与高等院校、科研院所、国内外高性能计算机构等社会各界的合作与交流，争取使黄河超级计算中心成为超级计算基地、人才培养基地和科普教育基地。

　　3、机器性能

　　黄河超级计算中心构建的高性能并行计算平台，是一个开放式的、基于网络的、可共享的大型科学计算分析环境，平台的构建实现了科学计算资源的高度共享，最大限度的提高相关资源使用效率，为计算分析与数值模拟提供强有力的硬件和系统支撑。中心主力机型－神威"新世纪"高性能计算机系统是基于标准高性能商品部件技术构建的可扩展并行处理系统。系统分为计算结点、服务结点、互连网络、集群管理和监控平台等部分。功能模块包括：（1）状态监测：以图表方式监测系统中各种设备的运行状态并提供报警；（2）性能监测：监测系统中各种设备的历史运行情况并提供性能分析；（3）系统管理：提供管理系统中各种设备的功能，如系统部署，并行命令等；（4）作业监管：对系统当前运行作业进行监控和管理；（5）记账管理：对用户提交作业所使用的系统资源进行统计计费。

　　系统峰值运算速度3840亿次/秒,存储容量2TB。具体技术指标为：
　　峰值计算速度 360Gflops 全局文件系统 NFS
　　盘阵总容量 2TB
　　计算结点个数
　　20（40CPU)

　　分布式磁盘容量
　　1.5TB
　　管理结点个数
　　1 （2CPU)

　　系统主存容量
　　44GB
　　环境监控服务器
　　1

　　计算网络带宽
　　10Gbps／link
　　系统功耗
　　15千瓦

　　管理网络带宽
　　1Gbps／link


　　4 超级计算中心的应用前景

　　黄河超级计算中心将直接应用于“数字黄河”中的各种模型系统的研发。依照黄河模型系统的建设规划，黄河水利委员会将在未来的20年内研发出“基于GIS的黄河下游二维水沙数学模型”、“黄土高原产流产沙及侵蚀分布式模型”，“黄河流域水库联合调度模型”、“小浪底～花园口区间中尺度降雨预报模型”及“黄河口演变模型”等，目前，基于GIS的黄河下游二维水沙数学模型系统已经初具规模，并开始了并行计算模式的试运行，小浪底～花园口区间中尺度降雨预报模型也取得了阶段成果，黄土高原产流产沙及侵蚀分布式模型也着手开展了前期工作。这些模型都将面临海量数据存储、实时计算校正、多模型系统的联动及多任务运行等现实问题，这些问题可再在超级计算中心的高性能计算平台上得到初步的解决。同时，随着黄河模型系统的逐步完善，超级计算中心的高性能计算平台也将得到分步扩展以满足模型系统的发展与扩充。

　　超级计算中心的高性能计算平台也将为黄河模型系统的所需信息提供支持服务。高性能计算平台将为“3S”技术在黄河上的应用提供良好的分析环境，像遥感图像的快速自动解译速度将得到大大的提高，满足黄河模型系统的需求；高性能计算平台也可为黄河各种数据库提供高效的存储和管理，以供黄河模型系统计算所需数据的实时更新、提取、计算结果的分析、技术决策等使用。

此外，建成的高性能计算平台也可为水利枢纽建筑物的三维应力应变、温度控制、坝体与坝基整体稳定、地下厂房和大型建筑物动力分析等水利水电工程过程模拟仿真等提供技术支撑。

　　5 对超级计算中心的寄语

　　李国英（黄委主任）：黄河超级计算中心的成立是“数字黄河”工程建设历史上的一件大事，是“数字黄河”工程建设转向数学模拟系统建设的一个重要载体和重要标志，必将极大地推进“数字黄河”建设的大踏步前进。祝愿黄河超级计算中心不断发展壮大，服务于黄河，服务于社会。

　　廖义伟（黄委副主任）：黄河超级计算中心的成立，为建设全流域大尺度、多空间层次、多传质耦合、多功能集成的水利计算模拟系统，提供了高效能的计算资源和存储资源。我相信，借助“数字黄河”工程已经取得的工作基础，深入挖掘业务应用需求，拓延高效能计算应用服务的深度和广度，一定能实现高效、开放、深度的“水利网格”建设的目标，并且对全国“水利网格”的建设起到典型示范和推进作用。

　　时明立（黄科院院长）：黄河超级计算中心构建的高性能并行计算平台，是一个开放式的、基于网络的、可共享的大型科学计算分析环境，平台的构建实现了科学计算资源的高度共享，最大限度的提高相关资源使用效率，为计算分析与数值模拟提供强有力的硬件和系统支撑。中心的建成进一步提升了黄河水利科技实力和黄科院的综合竞争能力，也为黄委数学模型研发提供了高性能的平台。希望中心能够加强与高等院校、科研院所、国内外高性能计算机构等社会各界的合作与交流，争取使黄河超级计算中心早日成为超级计算基地、人才培养基地和科普教育基地。

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