基于Intel多核集群系统的市政建设全景仿真预测平台——可行性报告

基于Intel多核集群系统的市政建设全景仿真预测平台
                      ——可行性评估报告

0．引子
1．创意来源与市场的需求
2．解决方案
3．无成本、无代价的城市建设科研手段
4．巨大的收益
5．系统结构与可行性分析
6．未来的展望

0．引子：和谐社会的探路者
作为一名软件工程师，我在考虑：如何充分利用Intel提供的强大的多核心技术，为软件程序运行更快、功能更强而编写代码？
作为一名城市的普通居民，我在考虑，如何让运行于Intel多核平台的高速、高质量的软件，真正地造福于百姓，为“和谐社会”的伟大构想，贡献一份力量？
经过长时间的探索和调研，我终于规划出了Intel多核心平台造福于百姓的蓝图，理想和现实在Intel的强大科技实力保障下融为一体，这就是“市政建设全景仿真预测平台”。

1．设计思路初析：创意来源与市场的需求
在北京、上海、广州等大型城市的市政建设中，或多或少都存在着以下情况：
（1）有许多市政工程在缺乏有效仿真验证手段情况下就盲目开工，导致负面效果；如某些高架桥的建设，虽然方便了机动车通行，却对周边楼群产生了严重的噪音污染；
（2）一些市政工程由于缺乏整体验证的有效平台，建成后虽然使百姓生活环境等得到了一定改善，但却对周边地区造成了更多负面影响；
（3）由于缺乏整体划一的运作依据，大量工程，尤其是路面工程存在着“开拉锁”现象，重复施工不仅导致了市政资源的大量浪费，还对区民生活、出行等造成了一定影响。还有“断路施工”所造成的严重社会问题。在中国的各大城市中，每天都有大量的路面施工项目在进行，而由于缺乏合理的进度部署，使得居民对占道施工阻挡出行的问题存在颇多怨言。
（4）对于公交车站等公共运输事业的布局，由于没有统一的仿真验证方法，每条线路“各自为战”情况很多，出现部分线路重合，导致运营亏损；同时又有些地方却没有公交，导致黑车，黑摩的出现，为交通安全埋下了严重隐患。
（5）对于居民生活必备食品，如米、面、菜等出售点的设置，并未和居民的真实居住地理位置相协调，致使大量非法地摊的出现，不仅影响了居民区的治安，又成为一些有害食物，甚或传染病的传染源 。
（6）居民区建设在铁道、工厂等高噪音区域，既影响居民生活，又造成安全隐患，等等。例如，在某居住区附近希望修建一条轻轨铁路，看似可以缓解居民出行问题，但是由于票价过高，居民并不会选择乘坐，致使轻轨的投资无法收回；
（7）如北京，最近由于轻轨铁路故障，原本乘坐轻轨上下班的工薪族，被迫选择乘坐地铁。而地铁在设计时并没有充分考虑到这些互动的故障的解决，致使地铁一度陷入瘫痪；

一个真实的有价值的设计，必须来源于需求，来源对现实问题进行解决的热情。上面只是目前大中型城市所遇到的一部分社会问题，也是很有代表性的几类。人们不禁要问，这么多的问题是怎么产生的？规划部门和市政建设部门要怎样才能避免此类问题的重复发生？如何在市政建设前对其整体进行充分的完整的评估？
问题的关键点在于项目评估专家专业知识的单一性。每名专家对其所研究的领域都有非常精辟的见解与高深的造诣。但是我们必须看到，专家所顾及的，只是其所承担项目的本身，而对于市政建设其他方面的知识，却知力所不逮。
举例来说，桥梁专家可以将桥梁设计的十分完美，但是在布局时，往往只考虑桥梁的安全性和可靠性，而对于该桥梁的安置，是否会影响到公交及机动车的行车路线，却没有多作考虑。再比如，路面施工人员在断路施工时，可以做到高质量完成任务，然而该施工项目是否会对附近居民的正常生活及出行造成影响，却没有相关专业知识进行评估。

2．解决方案
现实的问题，一次又一次地呼唤全方位的解决方案。利用Intel的高性能双核处理器，以及目前较为成熟的虚拟现实技术，我们可以设计一个全景的市政工程仿真平台，这个平台运行在一个集群式操作系统中；每台电脑负责一个方面的运作，在数台计算机上完整地假设市政工程建设模型。
服务器部分，我们首先将市区地图作为蓝本，就像一些城市建设游戏里那样（但复杂度是它的几万倍），设置几千个重点的居民区，标注几千条重点主干道,以及尽可能多的建筑物群。同时还要拟真数百万市民（可以以千人作为单位来降低系统负荷）在道路中的行走。
以北京市为例，我们可以针对上述问题创建仿真平台：
（1）在桥梁建设开工之前，首先在市政工程仿真平台上找出（locating operation）待施工的道路，用鼠标将一个设计好的桥梁模型添加到该路段。这时，行人流动的模型、机动车行驶的模型都会与这座桥梁发生互动。等待片刻后，我们从显示器上就可以清楚地看出是否出现堵车，从而得出该桥梁的建设对于交通情况的整体影响了。
（2）在建造便民交通设施前，首先在本仿真预测平台上搭建、试运行，以看出这些本意为便民的设施，是否真的便民，还是对居民生活造成了负面影响。
（3）在路面维护时，首先将需要作业的路段在仿真条件下标注在全景仿真系统中，这样在系统运行时就可以看出哪些地方、哪些时间如果同时施工会造成交通拥挤，以合理安排施工进度与施工时间。
（4）集群计算机节点之公交仿真环节，将北京所有公交车站作为中转点，在仿真环境下运行起来，几百条公交线路都仿真开动，按照服务器配置的桥梁、公路等位置（包括已经建设好的，但更重要的是将要建设的）进行仿真测试。同时必须和虚拟的人流进行交合，以仿真具体的交通状况。这时可以设置某些点的交通出现拥堵，看一下预期的建设布局能否达到要求。
（5）为了百姓日常用品、食品可以就近购买，我们可以将超市、菜站等设施以模型的方式添加到该仿真预测平台上，观察百姓模型的受益情况。通过不断的仿真尝试，最后针对居民居住区的分布特点，为投资商拿出一套行之有效的选址方案。
（6）将铁路、轻轨在仿真系统中接入居民区模型附近，与居民模型的收入参数发生互动，可以测试居民是否愿意乘坐轻轨，并测试平交铁路对居民出行到底会产生多大的危险性，以决定是否进行相关项目的施工。
（7）在仿真预测平台上建立轻轨模型后，它将会和原有的地铁模型，及行人流动模型产生互动。在一切都仿真运行平稳后，由系统设置，突然关闭轻轨模型的运行，地铁模型则成为行人的重要选择方案。这时，我们就可以检测，在城铁瘫痪的情况下，原有的公交、地铁是否能够承担增加的压力，从而提出有效的调整计划。

3．无成本、无代价的城市建设科研手段
该仿真预测平台另一个巨大的贡献就是针对学术领域的影响。目前国内外的市政建设及相关专业，由于缺少一个有效的实验、科研平台，一些新的市政构架思想，只能在理论上加以推导，却没有资金去实施；从城市发展部门角度，亦不会同意将这些新的市政规划的科研成果直接实施。然而，我们的仿真预测平台恰恰迎合了他们的需求。新的思想、新的理念、新的设计，全都可以在该平台上虚拟地实现并进行仿真，这样科研成果便有了切实的依据。

4．系统结构与可行性分析
市政建设全景仿真预测系统，本质上是一个超大规模的仿真体统。它的复杂度主要在于两点，即对城市中各个单位的精确建模和各单位之间的复杂互动。由于系统直接模拟市政工程对居民生活的影响，因而其对建设者的指导作用会直接施加到百姓生活及城市发展的各个环节，因此模型设计精度要求非常地高。我经过长时间思索与调研，规划出了一套仿真预测平台的解决步骤与系统结构组成方案。我深入分析了目前城市建设发展中所遇到的一系列问题，并对每个问题提出了一套可行的仿真模型建模方案。下面列举主要的建模内容，并讲述使用C++编程语言来实现该设计的具体思路。
（１）建筑物群落模型
  显然，建筑物拥有许多共同的特点。作为建筑物而言其影响周边环境的属性为：建筑物的高度和建筑物的占地面积。这两个属性为几乎所有建筑物所共有，因此利用C++语言，对建筑物进行建模时，可以将建筑物作为基类，其私有成员变量是建筑物高度参数H，和占地面积S。注意，设计时考虑到现有处理器的运算能力，可以进行折中。比如，建筑物群落一般都是十座以上，因此，我们可以以10的倍数作为基类。这时，我们在设计公有成员函数时，就要乘以系数10。
  另一个属性并不是建筑物对象所独有的，为全部对象共有，即该对象在整个市区中的地理位置。这个属性在市区模型排布时由中央服务器统一布局。
 最后一个属性是居民数量。这个成员变量关系到行人流动模型的构建，这在下面有详述。建筑物群落的类模型有两个主要继承类，即商用建筑物和民用建筑物。商用建筑物的特点是白天人口密度集中，而民用建筑物与此相反，晚间人口密度高。
 建筑物群落模型关系到整个市政建设模型的诸多方面，和交通道路模型一起构成了整个城市的骨架。应用全新的基于Intel多核CPU的多线程技术，我们可以为每个建筑物群落划分线程，这样最大限度地保证了该模型的实时性。
 该模型运行于集群式操作系统的客户机上。

（２）交通道路模型
 交通道路模型是其他模型之间的桥梁，它将各个模型进行交汇。90%以上的模型交互都发生在道路上，如行人在道路上流动，汽车在道路上行驶，各种市政工程在道路上进行，桥梁在道路上架设，风、雨、雪等天气情况作用在道路上，公交站点设置在路边等。
交通道路模型作为各个模型的讯息交互枢纽，必须由集群系统的服务器来运行。该模型的基类首先描述道路的类型、宽度、长度等通用类型，并设置道路载荷参数。这里要注意，由于每种道路的载荷均不同，因此描述道路载荷的成员函数一定要设置为虚函数，这样程序在调用该方法时，会自动套用继承类中的函数。
根据具体道路情况不同，我们可以设置许多的继承类，如城市主干道类，普通道路及步行街等。这种分类直接影响行人流动情况与公交站点设置。比如，原本没有布置公交站点的小型道路，运行时动态添加一个公交站点，马上就可以检测出行人流动是否加速,车辆流动是否受阻等情况。借助Intel双核多线程技术，我们可以直观地、实时地检测仿真结果，对交通道路建设的影响结果进行无成本评估。

（３）桥梁模型
桥梁模型运行于集群系统的客户机上。其基类参数包括桥梁的高度、宽度、载荷、损伤状态等共有特性。应对具体情况，其继承类可以划分为过街桥、转盘桥和大型环路桥等。部分高速路模型由于其本身就是高架桥，因此同时具有道路和桥梁的共同特性，在建模时将会使用多重继承来解决，以使得继承类同时具有这两种不同对象的成员函数。
桥梁模型的摆放与交通道路模型密切相关。目前的市政工程建设中，经常会出现由于桥梁建筑布置不合理而造成的交通拥堵问题。这是由于缺乏全方位的仿真平台，决策者往往凭借该领域专家的经验，只考虑一部分因素而对该桥梁摆放后对周边环境的整体影响估计不足。借助Intel双核平台的强大计算功能，我们可以对每一座桥梁进行建模和排布，以观测全方位的影响结果。

（４）行人流动模型（步行+自行车）
行人流动模型包括两个基类，即步行人群和自行车人群。将这两个模型放在一台客户机上运行，是因为他们具有许多的共同点，如行进道路重叠，易受天气和机动车影响等。同时，他们又具有不同点，如行进速度不同等，因此要分成两个类来处理。对行人模型进行建模时，要再次使用群体的概念，以百人为单位进行计数，以减轻系统的负荷。行人模型非常重要，因为它是各种市政工程模型产生的作用的承受者。大部分的仿真结果数据都来自该模型，同时它也是与居民生活关系最密切的模型。
        通过Intel双核平台的实时高速计算，我们可以时刻把握城市行人的流动状态，同时观测各种市政工程施加在城市模型中时，对行人的影响程度，从而可以合理地安排施工进度与施工时间。

（5） 车辆流动模型（公交车辆+机动车）
车辆流动模型运行于集群系统的客户机上。该模型主要对交通情况及交通设施的建设进行仿真预测。任何与道路交通相关的市政工程的修建，都有可能对车辆运行造成影响。这种影响评估起来是最难的，因为仅仅凭借人的大脑是无法面面俱到地对数百辆汽车的运行状况进行评估的。应用本仿真平台，市政工程的决策者可以快速地观察到某一条道路的断路施工等操作，对由此道路延伸开的数条道路所造成的影响。这里要对公交车辆专门设置一个继承类，因为公交车辆不同于机动车，它有固定的行驶路线和运营时间，同时还会按站点模型进行停靠，这本身就是造成交通拥堵的一个可能因素。

（6）公交站点模型
公交站点模型运行于集群系统的客户机上。严格地说，该模型是交通道路模型和车辆运行模型的共生体。将其专门配置到一台PC机上独立运行，是考虑到公交系统日益重要的地位而采取的做法。随着城市居民与车辆数量的增多，目前最可行的方法莫过于大力推广快速便捷的公交线路。问题随之而生：公交线路如何排部，才能使其作用最大化？如何分配公交站点，使得其对建筑物群落模型的覆盖率最大化？如何合理地安排短程和长途车辆的运行线路，以保证公交企业的收入额度？
应用本仿真预测系统，我们可以在希望设置公交站点的道路上预先设置好站点， 公交车辆就会依此自动地进行停靠。这时公交车辆与机动车，与行人发生了互动，这个影响在仿真预测平台上可以非常直观地被显示出来。于是，公交站点排部就有了较为可靠的依据。
（7）天气模型
天气模型运行于集群系统的客户机上。这里的天气模型并不同于专业气象部门的同类技术，原因是我们的应用对象是市政建设仿真，因此只需要构建常见的天气模型即可，如下雨、大雾、大雪、路面结冰等，而没有必要去仿真极为特殊的自然现象。于是，建立天气模型的C++类时，成员函数只需要描述市区常见的类型。在系统运行时，我们可以调用控制下雨的成员函数，以观测雨天对施工的影响，及施工点对交通状况的影响等。我们也可以设置大雾天气，以观测将要修建的桥梁是否会造成交通拥堵。
天气模型的另一个重要指标就是“昼夜”参数。这个参数非常重要，因为一系列其他指标，如温度、湿度、风力等，在昼夜交替后都会发生显著变化。同时车辆流动模型与行人流动模型也会在昼夜间发生巨大差异。
（8）施工点模型
施工点模型运行于集群系统的客户机上。针对不同的施工种类，我们在建立类库时要考虑到施工的影响面积，施工工期，产生噪声、水源污染等因素，这样可以在仿真平台上市时观测占路施工对于该地区附近自然环境和居民生活所造成的影响，以优化解决方案。
为了减轻系统负荷，降低硬件投入成本，施工点模型的着力点应是在居民群落附近开工的那部分。因为这部分是对居民影响最为显著的。与施工点模型类发生互动的主要有两个类，即道路模型与行人流动模型。首先要考虑，目标道路是否有进行此等规模市政工程的承载能力，从而调整施工规模。另一个很重要的部分就是，行人流动模型必然会被施工点模型所阻碍，这是无法避免的，关键是被阻碍的时间及规模。如果发现行人流动模型在施工点处发生长时间滞留或聚集，就应考虑减少施工面积或分时分段施工。

5.巨大的收益与利润空间
    多核心处理器较传统的单核心处理器，在普通单一台式机上，优势并不能完全体现出来。因此我首先提出在集群式计算机上利用Ｉｎｔｅｌ新型高速互联架构，最大限度地发挥双核乃至多核互联的巨大优势。这是传统单核计算机所无法设想的。
利用Intel的双核技术进行大型集群系统设计，其意义不止在于双核，更是对未来多核趋势的一种展望与预研。从目前来看，我提出了集群系统的设计方案，使得双核乃至多核技术不仅仅应用于那些普通领域，如消费电子，家庭娱乐等，而是充分发挥其巨大优势，来解决过去所无法想象的任务和难题。
该平台的使用者是市政决策者和城市建设决策者。在Ｉｎｔｅｌ高性能双核平台上实现尽可能逼真的城市运作仿真环境，会为市政决策者提供强有力的参考依据。这样我们对城市进行任何改造之前，都可以借助该系统在仿真环境下进行测试，对发现的问题及时进行改正，尽最大可能避免建成后才吃后悔药。本全景仿真系统建成后，将会实现一个可无限扩充的全景市政仿真环境，包括了全部与市政建设相关的诸多因素，为城市决策者对大量项目的综合评价提供了有力依据。同时修改过程只是在全景仿真环境中添加或减少相应模块，成本几乎为零，节省下了每年数亿的项目评估经费，以及数十亿的工程整改资金。
更可贵的一点是，由于该仿真预测平台采用面向对象的模块型搭接法，而不是固定不变的单一平台，因而具有无限的可扩展与可重构能力。该仿真预测平台将市政建设模型切分成最细致的功能单元，涵盖了城市建设与城市发展的几乎所有要素，所以可以对世界上绝大多数城市进行组态建模。也就是说，一次投资所设计出的组件化平台，将会构成无数种真实城市的虚拟模型，即在不追加任何开发投资的情况下，可以重复地、成百上千次地获益。
此外，我们还可以将该软件作为市政工程、城市建设等学科的教学、实验及科研的指定平台。目前国内外上千所大专院校开设了市政相关专业，如果有大量此类机构选购该平台的话，这种经济上和公司名望上的收益是非常巨大的。如前面所述，由于该仿真预测平台是组件化可无限重构的，所以我们不管增加多少客户，软件结构本身却不会随之发生任何变化。

6．未来的展望
我们专注于城市建设中诸多问题的预测与提前解决，将许许多多的隐患提早发现，将其消失在设计当中，避免了日后大兴土木的整改工作，既使国家财政受益，有促进了社会的和谐稳定。可以毫无疑问的是，“市政建设全景仿真预测平台”如果研发成功，其影响意义，将是十分巨大的。它为城市的建设提供了最有力的设计依据，以及最真实最全面的测试手段。通过长时间的调研，我认为，该系统一旦开发完成，并加以投用，将会对国内外城市发展带来深远的影响与收益。

联系方式：

姓名：牛思文
单位：北京化工大学 系统仿真中心
题目：市政建设全景仿真预测系统