黃華曄 于會松 傅文君 龍燕

[摘 要] 云計算技術(shù)作為新興的信息技術(shù)，非常符合石油勘探研究大協(xié)同的需求，而在面向石油勘探研究的云計算平臺建設(shè)過程中，遠(yuǎn)程三維可視化技術(shù)的應(yīng)用至關(guān)重要。根據(jù)石油勘探研究的實際技術(shù)要求，經(jīng)過長期的研究和測試，對比多款主流遠(yuǎn)程三維可視化技術(shù)，最終選擇以XenApp和DCV兩種技術(shù)為核心構(gòu)建勘探研究云計算平臺，為勘探研究提供專業(yè)軟件的遠(yuǎn)程可視化服務(wù)，建立了遠(yuǎn)程協(xié)同工作的新模式，滿足了在不同地點開展勘探研究的需求，提高了工作效率和成果質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞] 石油勘探；協(xié)同；云計算；平臺；遠(yuǎn)程；三維；可視化

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2014 . 17. 025

[中圖分類號] TP315 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2014）17- 0041- 03

1 前 言

新疆油田作為中國西部第一個千萬噸級大油田，經(jīng)歷了50多年的勘探開發(fā)，地表地理環(huán)境和地下地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，勘探開發(fā)的難度越來越大，因此必須大力推進(jìn)信息技術(shù)的應(yīng)用，以信息化、智能化來提升油氣勘探開發(fā)的水平和效益。

在此形勢下，新疆油田公司勘探開發(fā)研究院于2005年建成了勘探協(xié)同環(huán)境，利用“網(wǎng)絡(luò)存儲+服務(wù)器+胖客戶端”的解釋軟件運行模式，實現(xiàn)了多學(xué)科、多專業(yè)的協(xié)同工作，極大地提高了勘探科研人員的工作效率。然而隨著技術(shù)的進(jìn)步和勘探研究大協(xié)同需求的出現(xiàn)，利用云計算技術(shù)對原有協(xié)同環(huán)境進(jìn)行升級已經(jīng)迫在眉睫。其中，石油勘探研究中所使用的主流專業(yè)軟件（如OpenWorks、Geoeast等），都在向著體解釋的方向發(fā)展，三維顯示處于越來越重要的位置，如何實現(xiàn)遠(yuǎn)程三維可視化，將是協(xié)同環(huán)境升級為云計算平臺至關(guān)重要的一步。

2 技術(shù)要求

在云計算平臺的建設(shè)規(guī)劃中，為了滿足大協(xié)同的需求，將所有計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)資源統(tǒng)一整合到數(shù)據(jù)中心，利用數(shù)據(jù)中心的資源開展勘探研究工作，通過網(wǎng)絡(luò)把結(jié)果傳輸?shù)娇蛻舳耍蒲腥藛T直接面對的客戶端將不再承擔(dān)計算任務(wù)。而將后端的硬件資源與前端的客戶端有效連接起來的正是云計算平臺。云計算平臺在整個系統(tǒng)中所處的位置如圖1所示。

而在云計算平臺的眾多功能中，遠(yuǎn)程圖形可視化是硬件設(shè)備與用戶溝通的橋梁，是與用戶體驗直接相關(guān)的部分，其功能的完善與否將直接影響科研人員對云計算平臺的評價，是極其重要的部分。其中二維圖形的遠(yuǎn)程可視化技術(shù)已經(jīng)非常成熟，諸如Xmanager之類的遠(yuǎn)程桌面軟件已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。而三維圖形的遠(yuǎn)程可視化技術(shù)也在近年來取得突破。遠(yuǎn)程三維可視化技術(shù)可以將應(yīng)用軟件服務(wù)器渲染好的圖像（包括二維和三維）經(jīng)過壓縮后，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給客戶端，客戶端只需將圖像解壓后顯示。但是要將遠(yuǎn)程三維可視化技術(shù)應(yīng)用到勘探云計算平臺中，就必須滿足油田勘探研究的需求：

首先，科研人員在使用油田勘探研究專業(yè)軟件時，對顯示的色彩和形狀的準(zhǔn)確度和清晰度要求非常高，這就要求遠(yuǎn)程三維可視化技術(shù)需要能夠提供無失真的高清晰度畫面。

其次，由于客戶端通常位于科研人員的辦公室，甚至有可能位于公網(wǎng)上，在圖像傳輸時不能占用太大的網(wǎng)絡(luò)帶寬，因此要求遠(yuǎn)程三維可視化技術(shù)在保證圖形不失真的前提下有優(yōu)秀的圖形壓縮率，保證科研人員在低帶寬網(wǎng)絡(luò)中也能流暢使用。

再次，由于油田勘探研究專業(yè)軟件種類較多，而且橫跨Windows平臺和Linux平臺，需要遠(yuǎn)程三維可視化技術(shù)有足夠出色的兼容性，保證勘探研究中所使用的專業(yè)軟件都能通過其發(fā)布。

最后，原有協(xié)同環(huán)境已經(jīng)實現(xiàn)了科研數(shù)據(jù)的共享，在此基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步加強不同地區(qū)科研人員之間的交流和協(xié)作，需要實現(xiàn)遠(yuǎn)程協(xié)同工作，即多名用戶能同時登錄到同一畫面，其中任何一名用戶的操作對其他用戶均可見。

3 遠(yuǎn)程三維可視化技術(shù)在油田勘探研究中應(yīng)用的實踐

3.1 實踐準(zhǔn)備

目前主流的遠(yuǎn)程三維可視化技術(shù)有Citrix公司的XenApp，NICE公司的DCV，Halliburton公司的vSite-3D，HP公司的RGS和Schlumberger公司的LiveQuest。只有對這些技術(shù)進(jìn)行充分的研究和測試，深入了解其功能和性能，才能篩選出適合石油勘探研究的遠(yuǎn)程三維可視化技術(shù)。

經(jīng)過長時間的研究和測試，根據(jù)研究和測試的結(jié)果，經(jīng)過綜合考慮，勘探云計算平臺決定使用XenApp來承擔(dān)Windows平臺軟件的遠(yuǎn)程三維可視化工作，而由DCV來承擔(dān)Linux平臺軟件的遠(yuǎn)程三維可視化工作。兩者能夠?qū)崿F(xiàn)的功能如表1所示。

可以看到，在值得關(guān)心的技術(shù)指標(biāo)上，這兩種技術(shù)都能滿足要求：

（1）能準(zhǔn)確地顯示三維圖形的顏色和形狀。

（2）在帶寬占用方面，公司內(nèi)部的千兆網(wǎng)都能較輕松地承擔(dān)傳輸任務(wù)，而在公網(wǎng)上，可以通過調(diào)低畫面質(zhì)量來實現(xiàn)流暢運行（兩種技術(shù)均采用差分算法，調(diào)低畫面質(zhì)量只對運動畫面有影響，靜止畫面質(zhì)量不變）。

（3）在兼容性方面，XenApp不支持Linux平臺軟件，DCV雖然支持兩種平臺，但Windows服務(wù)器必須架設(shè)在KVM虛擬機上，不僅性能損失較大，而且硬件資源部署的靈活度也較低。使用XenApp發(fā)布Windows平臺軟件，使用DCV發(fā)布Linux平臺軟件可以發(fā)揮它們各自的優(yōu)勢，同時互相彌補各自的不足。

（4）在協(xié)作模式上，XenApp只支持管理員與客戶端的協(xié)作模式，不過Windows平臺的遠(yuǎn)程協(xié)作方式很多，可以一定程度地彌補這一不足。而DCV支持各種協(xié)作模式。

（5）在定制研發(fā)方面，兩者都能提供定制研發(fā)服務(wù)。

（6）顯卡復(fù)用是指一塊顯卡能支持多用戶同時使用需三維渲染的軟件，這項功能能夠提高硬件資源的利用率和部署的靈活度。兩者都支持此項功能。

（7）在服務(wù)方式方面，XenApp提供的是SaaS服務(wù)，DCV提供的是PaaS服務(wù)。相比之下，SaaS服務(wù)在系統(tǒng)安全性、使用便利性和用戶接受度上較PaaS服務(wù)更有優(yōu)勢。不過值得注意的是，科研人員在使用Linux平臺的專業(yè)軟件時經(jīng)常需要打開Terminal來組織數(shù)據(jù)，此時PaaS服務(wù)反而具有一定的便利性。

3.2 實際部署

在實際部署中，由于XenApp已經(jīng)集成了一整套云計算系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)云計算系統(tǒng)所需的全部功能，而DCV則僅有遠(yuǎn)程三維可視化功能，其他功能均需要自主研發(fā)組件來實現(xiàn)，其中包括用戶管理系統(tǒng)、性能監(jiān)控系統(tǒng)、負(fù)載均衡系統(tǒng)和用戶訪問門戶。在研發(fā)這些組件時，考慮到研究人員使用的便利性，將XenApp和DCV兩者整合為一個整體，這其中涉及跨平臺的用戶管理和同步、跨平臺的軟件授權(quán)管理、負(fù)載均衡算法的設(shè)計、軟件單點登錄的實現(xiàn)等一系列問題。在攻克了這些問題后，勘探云平臺得以成功發(fā)布，其門戶界面如圖2所示。

可以看到Windows平臺的Discovery、GeoMap與Linux平臺的OpenWorks等軟件在統(tǒng)一的門戶向用戶發(fā)布。用戶點擊軟件圖標(biāo)后，會根據(jù)其所屬平臺自動使用XenApp或DCV來向用戶提供遠(yuǎn)程可視化服務(wù)，為云計算平臺的建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。目前該平臺已經(jīng)成功上線運行，效果良好。用戶通過遠(yuǎn)程三維可視化技術(shù)使用勘探研究專業(yè)軟件如圖3所示。

3.3 實踐中的一些問題

在現(xiàn)階段，石油勘探研究用的專業(yè)軟件并不是所有模塊都需要三維顯示，這部分工作并不需要顯卡參與。那么最經(jīng)濟的做法應(yīng)該是將軟件在無顯卡的服務(wù)器群和有顯卡的服務(wù)器群各安裝一份，并分別作為二維應(yīng)用和三維應(yīng)用發(fā)布，用戶根據(jù)自己當(dāng)前工作的需求在其中進(jìn)行選擇。但在實際測試時，用戶無論其實際需求如何，大部分情況下都傾向于選擇三維應(yīng)用，造成三維應(yīng)用服務(wù)器繁忙而二維應(yīng)用服務(wù)器空閑的現(xiàn)象，并不符合提高硬件資源利用率的初衷。另外給用戶額外的選項也會增加用戶的困擾，使整個云計算平臺的接受度降低。新疆油田勘探公司云計算平臺為了提供更好的用戶體驗，將應(yīng)用全部部署于有顯卡的服務(wù)器群，但這就對負(fù)載均衡提出了更高的要求。

理想狀況是，能將CPU計算資源與顯卡計算資源隔離開，形成各自的資源池，當(dāng)軟件僅使用二維顯示時，由CPU資源池獨立完成用戶請求；而當(dāng)軟件需要三維顯示時，會調(diào)用OpenGL庫，此時將這部分請求轉(zhuǎn)移到顯卡資源池，兩個資源池合作為用戶提供完整的圖像。這與DCV的工作原理是相似的，其工作原理如圖4所示。

DCV就是將圖形中的二維和三維部分分離，分別交給CPU和顯卡處理，然后在客戶端將兩者融合顯示，而且DCV也提出了遠(yuǎn)程渲染服務(wù)器的概念，圖形中的三維部分將通過“網(wǎng)絡(luò)”傳輸給遠(yuǎn)程渲染服務(wù)器處理，可以說是云計算的理想架構(gòu)。但是在實際的DCV產(chǎn)品中，這里的“網(wǎng)絡(luò)”只能是KVM虛擬機及其宿主機之間的虛擬網(wǎng)絡(luò)，不同的物理服務(wù)器之間是無法進(jìn)行這樣的協(xié)作的。而且目前顯卡普遍使用的PCI-e 3.0接口的雙向帶寬高達(dá)32GB/s，現(xiàn)有服務(wù)器支持的網(wǎng)絡(luò)無法承載如此高速的數(shù)據(jù)傳輸，這種架構(gòu)必然將造成性能下降。

3.4 展望

隨著技術(shù)的進(jìn)步，特別是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，400G以太網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)將使CPU資源池和顯卡資源池的分離成為可能。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和遠(yuǎn)程三維可視化技術(shù)都支持這樣的分離時，勘探云計算平臺的架構(gòu)應(yīng)盡可能地向這一方向轉(zhuǎn)變。

同時服務(wù)器虛擬化技術(shù)也在不斷發(fā)展，逐漸有虛擬機軟件支持顯卡，而底層硬件虛擬化的好處是顯而易見的，雖然現(xiàn)在勘探云計算平臺底層硬件均未使用虛擬機，但從維護(hù)工作量和故障轉(zhuǎn)移等方面考慮，當(dāng)支持顯卡的服務(wù)器虛擬化技術(shù)[1]成熟后，應(yīng)將其與遠(yuǎn)程三維可視化技術(shù)結(jié)合，更好地為研究人員提供服務(wù)。而且Nvidia的VGX顯卡虛擬化技術(shù)的出現(xiàn)也預(yù)示著顯卡虛擬化時代的到來，雖然石油勘探專業(yè)軟件更期望多塊顯卡的整合而非目前的將一塊顯卡拆分，但是顯卡虛擬化技術(shù)也為遠(yuǎn)程三維可視化技術(shù)提供了新的可能。

4 結(jié)束語

隨著信息技術(shù)的進(jìn)步和勘探研究大協(xié)同需求的出現(xiàn)，云計算技術(shù)已經(jīng)成為油田信息化智能化進(jìn)一步發(fā)展的不二之選，而遠(yuǎn)程三維可視化技術(shù)在其中扮演著至關(guān)重要的角色。在建設(shè)勘探云計算平臺的過程中，以大量的研究和測試工作為基礎(chǔ)，在現(xiàn)有的主流遠(yuǎn)程三維可視化技術(shù)中選擇了XenApp技術(shù)和DCV技術(shù)作為云計算平臺的核心，收到了良好的效果。但技術(shù)進(jìn)步的腳步不會停歇，遠(yuǎn)程三維可視化技術(shù)將與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬化技術(shù)進(jìn)一步結(jié)合[2]，使勘探云計算平臺不斷完善和發(fā)展。

主要參考文獻(xiàn)

[1][美]Nelson Ruest，Danielle Ruest.虛擬化技術(shù)指南[M].陳奮，譯.北京：機械工業(yè)出版社，2011：110.

[2] 張為民.云計算深刻改變未來[M].北京：科學(xué)出版社，2009：73.