网格计算及其在数字城市建设中的应用

 “网格计算”（Grid Computing）一词产生于20世纪90年代初，比喻用户获取网格上的计算力象获取电力网的电力一样容易。所谓网格计算通常是指集聚地理分布的计算资源实现高性能计算，从而形成庞大的全球性的计算体系。目前网格计算在计算领域是一个非常热门的话题。

根据网格计算侧重点不同，网格计算分为分布式超级计算（Distributed Supercomputing）、大吞吐量计算（High-Throughput Computing）、即时计算（On-Demand Computing）、数据密集型计算（Data-Intensive Computing）和协同计算（Collaborative Computing）五种类型

网格计算技术将解放人们使用计算的方法，使人们可以轻而易举地为一些科研工作创建和使用大规模、多学科、动态的、分布式的、高性能的应用环境，而这些科研工作在以前是不可能开展的或开展起来代价很高，如高能物理数据分析、气候建模、宇宙观测、实时遥感数据分析和数据同化、大型数据集交互分析和虚拟现实可视化等。

网格计算技术是数字城市空间信息应用服务领域的核心技术。一个数字城市中的空间数据通常都是非常大的，特大城市（如北京、上海等）一般达到数万亿比特（PB）的数据容量。而且随着城市的不断发展，空间数据不断积累，城市遥感数据不断更新，数字城市空间数据容量通常成倍增长。为了满足空间信息分布式应用服务的要求，必须对这些海量的空间数据进行分布式存储和在线分析（即分布式计算）。但是由于单个机构组织拥有的计算资源和存储资源非常有限，而且对计算资源和存储资源进行扩充代价极大，如购买超级计算机、大型工作站、存储服务器等。这样必须设法把分散的空闲CPU资源和磁盘空间收集起来聚合成为一台虚拟的超级服务器，解决传统方法不可能解决的大型计算问题，如城市虚拟仿真。另外，数字城市中的组织机构可以利用网格计算提高空间信息应用服务的响应速度和吞吐量（单位时间内的应用服务容量）。

我国数字城市建设通过政府引导、研究机构和企业积极参与不断深入。目前国外对网格计算研究非常重视，许多有关项目正在进行。根据作者的调查研究，国内网格计算研究也刚刚起步，特别是在数字城市空间信息应用服务领域。

数字城市是指信息化的城市，是信息时代实体城市向虚拟城市的自然进化。由于数字城市中许多领域都是数据密集、计算密集或访问密集的。如专业仿真型城市地理信息系统通常是数据密集加计算密集的；城市遥感影像实时（Real-Time）处理也是数据密集加计算密集的；分布式虚拟现实城市地理信息系统和空间信息应用服务则是数据密集加计算密集再加访问密集。因此网格计算对数字城市诸多领域都将产生非常深远的影响，希望引起数字城市领域的研究人员的高度重视。下面从专业仿真型城市地理信息系统、城市遥感影像实时处理和虚拟现实城市地理信息系统三个领域来阐明上述观点。

城市地理信息系统是数字城市的重要组成部分。地理信息系统中的空间分析通常涉及海量的地图数据、遥感数据、地理数据，因此空间分析是典型的数据密集型计算问题。目前地理信息系统的空间分析功能还不是非常强大，但即便这样通常也需要配置高档微机、图形工作站。这样用户光是硬件投入就很大，这在一定程度上给用户设置了较高的应用地理信息系统的门槛。随着地理信息系统软件的进一步发展，地理信息系统软件的空间分析功能也逐步增强，需要消耗的计算资源也越来越多，计算资源的短缺逐渐成为地理信息系统应用的瓶颈问题。目前正在发展的网格计算技术正是有效解决这个问题的重要方法，采用网格计算技术，用户可以根据工作任务实际情况进行计算资源点播（Computing Resource On-demand）。随着地理信息系统应用的深入，通用平台型的地理信息系统逐步向专业仿真型的地理信息系统的方向发展。基于地理信息系统的系统仿真在数字城市中诸如城市交通流量仿真、城市环境污染扩散仿真、城市规划设计虚拟现实仿真等领域的应用日益广泛。这些基于地理信息系统的专业仿真系统通常需要强大计算力的支持。特别是对于那些实时性要求非常强的领域，这种计算力支持要求更加迫切。可见，网格计算在基于地理信息系统的专业仿真系统领域有着非常广阔的应用前景。 #p#page_title#e#

在数字城市中，许多城市应用领域部门希望即时得到经过处理的城市遥感影像。如气象部门要求获得某个时间的城市上空云图分布数据、交通部门要求获得某个时间的城市交通流量分布数据、环保部门要求获得某个时间的城市环境污染情况数据、公安部门要求获得某个时间的突发事件事态情况数据，等等。上述这些情况都要求对海量城市卫星遥感影像进行实时处理。而图象处理也是非常消耗CPU资源的，网格计算技术的出现使对海量城市卫星遥感影像进行实时处理成为可能，城市各个职能部门可以对相关部分进行实时监控、进行快速反应。

虚拟现实（Virtual Reality）是一种利用计算机图形技术人工合成的可以按照用户的输入而变化的模拟仿真环境，一个多维信息空间，一个用户可与计算机系统自然交互的三维人机界面。虚拟现实的主要特点是用户可以沉浸式地与虚拟场景交互，获得一种身临其境的感受，从而激发用户的想象力。为了进一步提高用户与地理信息系统交互的深度和广度，突破传统图形用户界面，地理学家开始利用虚拟现实技术生成虚拟地理环境（VGE），这样可以极大地提高了地理信息显示的真实感和对地理信息的可操作性，使我们更加容易理解地理数据。

在数字城市中，虚拟现实城市地理信息系统（VRUGIS）的主要目标是通过采用虚拟现实技术实现城市景观建模和城市环境变量的可视化来建立人机和谐的虚拟城市。目前制约VRUGIS发展的瓶颈问题之一是实时场景渲染问题。由于用户与VRUGIS的交互方式是沉浸式的，为了消除场景的闪烁感和交互时场景变化的滞后感，通常要求场景刷新率比较高，即场景渲染实时性强。由于场景渲染涉及大规模的三角形绘制过程，这种图形绘制过程是非常消耗计算资源的，因此目前虚拟现实系统通常需要配备超级图形工作站，但这种超级图形工作站价格通常非常的高，一般用户是承受不起的。如果采用网格计算技术把若干普通PC连接起来构成一个虚拟超级计算机，则用户的投资可以少许多。另外，也可以考虑包计算任务外包给专门的计算公司，用户就可以只要支出少量费用就可以完成获得需要的计算资源。

网格计算能够提供许多传统计算模式所没有的好处：第一，更好地利用计算资源。网格计算可以更加有效地使用分布式的计算资源，提供更多可用的计算力。这可以减少对市场的响应时间，提高产品创新能力，为改进产品质量进行额外的测试和仿真。网格计算通过使用现有的资源帮助组织机构保护IT方面的投资，以不变的投资获得更多计算能力；第二，增加用户的生产力。通过提供对资源的透明访问，用户可以更快地完成工作。用户还可以获得额外的生产力，因为他们可以专注于设计和开发而再为收集计算资源和人工调度和管理大量工作浪费宝贵的时间。第三，高度可伸缩性。网格可以随时间无缝地增长，允许成千上万的处理器集成为一个聚簇。可以独立地升级系统组件，一旦需要就可以增加额外的资源，减少大量一次性支出。第四，高度柔性。网格计算可以在最需要的地方提供计算力，帮助更好地满足动态变化的工作负荷。网格可以包含异构的计算节点，允许根据指令增加或删除资源。