探秘超級(jí)計(jì)算機(jī)：萬(wàn)噸輪船“算”出來(lái)

在國(guó)家超級(jí)計(jì)算廣州中心(以下簡(jiǎn)稱“超算中心”)四樓的小會(huì)議室，超算中心工程師張曦?fù)]動(dòng)激光筆，正在講解一艘載重量為40000噸的化學(xué)品運(yùn)輸船船型的模擬計(jì)算結(jié)果。投影屏幕上顯示著化學(xué)品運(yùn)輸船的3D模型，以及它在不同條件下的受力情況分析，包括壓力、速度的變化等。頁(yè)面切換，張曦還介紹了使用不同軟件對(duì)船型進(jìn)行模擬計(jì)算的異同和優(yōu)劣。

這是廣船國(guó)際有限公司(以下簡(jiǎn)稱“廣船國(guó)際”)交給超算中心計(jì)算的第一個(gè)船型，廣船國(guó)際副總工程師陳灝和他帶領(lǐng)的技術(shù)團(tuán)隊(duì)在一旁觀看，時(shí)不時(shí)和張曦以及超算中心主任袁學(xué)鋒交換意見。

普通人關(guān)心的是“天河二號(hào)”亮眼的每秒運(yùn)算速度，對(duì)于老牌船廠來(lái)說(shuō)，每日面對(duì)國(guó)際船舶業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)，能夠縮短產(chǎn)品研發(fā)周期、加快上市速度是企業(yè)在激烈競(jìng)爭(zhēng)中獲勝的不二法門。

對(duì)于“天河二號(hào)”來(lái)說(shuō)，這是它最擅長(zhǎng)的事。目前，“天河二號(hào)”已為676位來(lái)自世界各地的客戶服務(wù)，其中有近1/3的客戶來(lái)自廣東。它正在成為珠三角產(chǎn)業(yè)升級(jí)的“發(fā)動(dòng)機(jī)”和“倍增器”。 南方日?qǐng)?bào)記者 黃祖健 陳思勤

1.“算”出性價(jià)比最高的船型

“天河二號(hào)”的“全數(shù)字設(shè)計(jì)與制造應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)”基于模擬仿真的數(shù)字化技術(shù)，可以有效預(yù)測(cè)產(chǎn)品在真實(shí)世界的性能，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，實(shí)現(xiàn)投資的最大價(jià)值

這艘載重量為40000噸的化學(xué)品運(yùn)輸船全長(zhǎng)為183米，寬度為31米，吃水9.5米，是今年廣船國(guó)際的主打產(chǎn)品之一。

陳灝告訴記者，船的經(jīng)濟(jì)性是最重要的指標(biāo)，也是船廠的核心競(jìng)爭(zhēng)力。生產(chǎn)一艘船，想在市場(chǎng)上賣得出去，經(jīng)濟(jì)性就一定要夠好。起碼要?jiǎng)龠^(guò)韓國(guó)、日本的船廠。“一艘受市場(chǎng)歡迎的船舶，是通過(guò)船的水動(dòng)力性能來(lái)體現(xiàn)。也就是說(shuō)，要通過(guò)優(yōu)化船型設(shè)計(jì)，讓船舶載重量最高，而且在航行時(shí)，阻力更小，穩(wěn)定性更強(qiáng)，耗能更低，用得更久。”

廣船國(guó)際希望能夠通過(guò)超算模擬不同船型在水中的航行數(shù)據(jù)，獲取和對(duì)比各項(xiàng)參數(shù)，以確定最優(yōu)的船型進(jìn)行生產(chǎn)。陳灝介紹，越靠近船體的空間范圍，模擬計(jì)算的精度要求越高。“船的運(yùn)行并不是靜態(tài)的，就算外界環(huán)境靜止，螺旋槳周圍也會(huì)形成渦流，對(duì)船身也會(huì)造成影響。加上流動(dòng)的水和空氣，運(yùn)算量就更大了。”陳灝說(shuō)。

廣船國(guó)際將船型的基本數(shù)據(jù)提交到超算中心之后，張曦運(yùn)用自己的專業(yè)知識(shí)對(duì)船型進(jìn)行重新建模，導(dǎo)入到系統(tǒng)中就可以開始運(yùn)算了。他告訴記者，通過(guò)微調(diào)船型各項(xiàng)參數(shù)，計(jì)算其受力的變化情況，可以確定最優(yōu)方案。

在用超算模擬船型受力時(shí)，會(huì)將船身周圍的環(huán)境切分為單元網(wǎng)格來(lái)模擬，切分的網(wǎng)格越密集，運(yùn)算量就越大。在聽取張曦講解時(shí)，陳灝提到，上百萬(wàn)的網(wǎng)格就已經(jīng)讓普通電腦卡機(jī)了。

然而袁學(xué)鋒一句話就打消了陳灝的顧慮：“幾百萬(wàn)不算什么，就算是上千萬(wàn)都沒(méi)問(wèn)題。這臺(tái)超算可是有幾萬(wàn)萬(wàn)億次每秒的計(jì)算能力!”“天河二號(hào)”的浮點(diǎn)運(yùn)算速度為每秒33.86千萬(wàn)億次，全球第一。

其實(shí)，廣船國(guó)際之前在上海和荷蘭都做過(guò)超算模擬。荷蘭的機(jī)構(gòu)專門從事船體優(yōu)化，有多年專業(yè)經(jīng)驗(yàn)，算法成熟，但是其超算的性能并不算強(qiáng)。“和‘天河二號(hào)’相比，可能就像一個(gè)小孩子和拳擊手的對(duì)決。”陳灝說(shuō)。

“如果是傳統(tǒng)的方法，就需要根據(jù)不同的船型來(lái)做不同的實(shí)驗(yàn)，周期很長(zhǎng)，成本也很高。用超算來(lái)模擬的話，一次可以模擬多種船型的受力情況，比如，10個(gè)船型只要1—2個(gè)小時(shí)就能得出結(jié)果了。”張曦說(shuō)。

袁學(xué)鋒認(rèn)為，目前世界上醞釀著第三次產(chǎn)業(yè)革命，其核心內(nèi)容就是如何把信息技術(shù)的大數(shù)據(jù)向制造業(yè)、實(shí)體經(jīng)濟(jì)輻射。所以如何利用大數(shù)據(jù)將信息技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，是超算中心在應(yīng)用方面的核心內(nèi)容，這也是衡量一個(gè)國(guó)家創(chuàng)新型經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)能力的核心內(nèi)容。

據(jù)介紹，“天河二號(hào)”擁有六大服務(wù)平臺(tái)，其中一個(gè)是“裝備的全數(shù)字設(shè)計(jì)與制造應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)”。“該平臺(tái)基于模擬仿真的數(shù)字化技術(shù)可以有效預(yù)測(cè)產(chǎn)品在真實(shí)世界的性能，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，實(shí)現(xiàn)投資的最大價(jià)值。”袁學(xué)鋒表示。

2.“解”出船舶制造業(yè)的難題

一些環(huán)境影響要用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬，對(duì)于軟、硬件都有很高的要求。然而，普通計(jì)算機(jī)無(wú)法勝任的工作，超算的強(qiáng)悍性能可以保證任務(wù)完成

一般來(lái)說(shuō)，船舶在獲得試航資格之前，工程師會(huì)對(duì)其進(jìn)行1—2年的研究，進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。優(yōu)化好了之后，要進(jìn)行下水試驗(yàn)以確定其性能合格。在試驗(yàn)過(guò)程中，工程師還會(huì)不斷優(yōu)化船舶的制造工藝。

在這樣漫長(zhǎng)繁復(fù)的生產(chǎn)制造過(guò)程中，造船行業(yè)有很多困擾。陳灝坦言，目前設(shè)計(jì)理論已經(jīng)很成熟，但是一般的計(jì)算設(shè)備性能不足，很多問(wèn)題都解決不了。比如調(diào)整設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)的一些隨機(jī)現(xiàn)象，發(fā)生的詳細(xì)原因就很難解釋。“以前做試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)螺旋槳轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，我們知道是船型有問(wèn)題，但是具體問(wèn)題產(chǎn)生在哪個(gè)位置，就不知道了”。

過(guò)去通過(guò)反復(fù)的試驗(yàn)，技術(shù)人員能夠?qū)σ恍┈F(xiàn)象作出比較籠統(tǒng)的解答。但隨著市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高，一點(diǎn)點(diǎn)瑕疵都會(huì)導(dǎo)致競(jìng)爭(zhēng)上的失敗。

“以前技術(shù)水平低，保證船舶在靜水中能夠良好運(yùn)行就夠了。但實(shí)際上，大海茫茫，無(wú)風(fēng)三尺浪，在波浪沖擊的條件下船的運(yùn)行狀況會(huì)如何，是一個(gè)很復(fù)雜的問(wèn)題。”陳灝告訴記者，自然界中的波浪在試驗(yàn)室里很難模擬，隨機(jī)性太強(qiáng)，很難通過(guò)試驗(yàn)來(lái)完全驗(yàn)證。

以極地運(yùn)輸船為例，陳灝表示，輪船在前往極地的過(guò)程中并不是簡(jiǎn)單地從水里過(guò)或者把冰破開。破冰的時(shí)候，冰由于形成的過(guò)程不同，物理屬性也不太一樣，對(duì)船體會(huì)有不同的影響。這些環(huán)境影響要用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬，對(duì)于軟、硬件都有很高的要求。然而，普通計(jì)算機(jī)無(wú)法勝任的工作，超算的強(qiáng)悍性能可以保證任務(wù)完成。

“廣船國(guó)際希望借助超算這樣的先進(jìn)技術(shù)手段，從更小的細(xì)節(jié)上尋找問(wèn)題，優(yōu)化每一個(gè)小的細(xì)節(jié)，來(lái)提升輪船的經(jīng)濟(jì)性。”陳灝透露。

袁學(xué)鋒透露，超算中心計(jì)劃通過(guò)廣船國(guó)際的案例，吸引上海交大、浙大等合作單位的技術(shù)人才，讓更多人一起使用超算平臺(tái)。在他看來(lái)，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)同設(shè)計(jì)和協(xié)同科研，能夠更好地發(fā)揮超算平臺(tái)的作用。

3.“轉(zhuǎn)”出市場(chǎng)先機(jī)

訂單多也有煩惱。要按傳統(tǒng)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)方法，時(shí)間非常緊迫。但現(xiàn)在超算可以幫助加快設(shè)計(jì)試驗(yàn)階段的進(jìn)度，搶占時(shí)間，就是搶占市場(chǎng)先機(jī)

在剛剛過(guò)去的2015年，廣船國(guó)際與瑞典STENA公司簽署的3+2艘5萬(wàn)噸化學(xué)品/成品油船后續(xù)建造合同生效，與TORM公司成功簽署4+4+2艘油船訂單、與南京油運(yùn)公司簽署的2艘5萬(wàn)噸選擇船合同生效……臨近年末，這一系列的訂單生效，為廣船國(guó)際的船舶經(jīng)營(yíng)工作畫上了一個(gè)完美的句號(hào)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2015年12月9日，廣船國(guó)際手持民船及海工產(chǎn)品訂單66艘、約680萬(wàn)載重噸，超額完成全年經(jīng)營(yíng)任務(wù)。

陳灝告訴記者，去年很多船廠都因?yàn)橛唵瘟坎蛔愣飘a(chǎn)，還有很多船廠出現(xiàn)了訂單下滑的情況，但廣船國(guó)際仍能交出一份令人滿意的成績(jī)單。據(jù)了解，目前廣船手握訂單70多艘，其中油輪超過(guò)50艘，訂單已經(jīng)排到2018年上半年。

“訂單多也有煩惱。要按傳統(tǒng)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)方法，時(shí)間非常緊迫。但現(xiàn)在超算可以幫助我們加快設(shè)計(jì)試驗(yàn)階段的進(jìn)度，搶占時(shí)間，就是搶占市場(chǎng)先機(jī)。”陳灝透露，聽說(shuō)廣汽研究院在超級(jí)計(jì)算機(jī)的幫助下，某個(gè)原來(lái)需要兩至三年的新車型設(shè)計(jì)，縮短到5個(gè)月完成，并可模擬實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)、防撞性能測(cè)試等，大大節(jié)約了成本。

會(huì)議結(jié)束之后，張曦還要和廣船國(guó)際的工程師獲取更新的數(shù)據(jù)，修正計(jì)算結(jié)果。

雖然這只是雙方第一次正式的技術(shù)交流會(huì)，但其實(shí)在接到廣船國(guó)際這個(gè)項(xiàng)目后，張曦和廣船國(guó)際的工程師頻繁互動(dòng)，隨時(shí)溝通工作進(jìn)展。“可以說(shuō)是大家一起算出來(lái)的一個(gè)船型。”廣船國(guó)際海工技術(shù)部研發(fā)室高級(jí)工程師汪建華告訴記者。

以“天河二號(hào)”的性能，同時(shí)計(jì)算10個(gè)船型，只需要1小時(shí)左右。但其實(shí)，或許還能更快。袁學(xué)鋒告訴記者，目前“天河二號(hào)”還處在建設(shè)期和研制階段，有一部分在提供服務(wù)，有一部分還在建設(shè)和調(diào)整。“‘天河二號(hào)’當(dāng)前開發(fā)可用的資源有70%左右，未來(lái)還有無(wú)限的空間。”