基于云计算的海洋环境信息可视化平台技术研究

摘要

21世纪，海洋将是人类的第二生存空间，也是解决人类目前面临的能源、粮食和水资源危机等问题的希望所在，然而目前我国海洋经济的发展仍处于薄弱阶段，海洋经济占全国GDP的比重只有10％左右，因此大力开发海洋经济对于我国有着重要的经济意义和战略意义。为了给我国海洋事业的发展提供有力的信息保障和技术支撑，国家海洋局实施了“数字海洋”项目，建成了大量的海洋业务应用系统。这些系统在促进我国海洋事业发展的同时也越来越多的显现出资源占用多、运行成本高、缺乏系统规划和系统维护困难等问题。国家海洋局拟采用新兴的云计算与云服务技术整合现有海洋环境信息系统建立一个为最终用户按需提供服务、绿色节能高效的海洋环境信息云计算平台。
　　海洋环境信息可视化云计算与云服务研究是国家海洋局海洋公益项目“海洋环境信息云计算与云服务体系框架应用研究”(No.201105033)的重要组成部分。海洋环境信息可视化指采用高性能计算和计算机图形学和图形图像的理论方法，用直观形象的方法模拟重现或预现海洋各种变化，这对于挖掘海量海洋环境信息数据中的规律，推动我国海洋科学发展和服务海洋经济生产具有重要的意义。
　　本文针对海洋环境信息远程交互可视化的需求和任务特点，首先对Hadoop云计算平台中不适合处理海洋环境信息远程交互可视化问题的机制进行了优化和改造，将GPU和MPI引入Hadoop中构造了一个混合多层次多粒度的并行运算体系，大大提高了Hadoop的并行运算速度；然后在Hadoop的各个处理过程中增加一种称为管道的机制减小了Hadoop本身数据处理的延迟性；通过以上对Hadoop优化的措施实现了Hadoop在海洋环境信息可视化应用中能够提供低延迟的云服务的目标。另外，探讨了我们构造的三层可视化云计算平台中的资源层和应用层的各种服务的机制和实现方法，包括对矢量场和标量场的部分算法的研究分析以及虚拟化和XCP平台的研究，最终构造了一个完整的海洋环境信息可视化云计算平台体系架构及其实现方案。
　　为了验证构造的海洋环境信息可视化云计算平台的效率及其可用性，我们搭建了一个示范系统，该系统初步实现了海洋环境信息远程交互可视化相关云服务。我们对该示范系统的测试结果表明：通过将GPU和MPI引入Hadoop并行运算体系，我们的海洋环境信息可视化云计算解决方案的云服务效率能得到了较大的提高，并且能够为不同的海洋环境信息可视化云服务用户提供海洋环境信息远程交互可视化浏览、漫游和缩放等云服务，证明我们设计实现的海洋环境信息可视化云计算平台是一个切实可行的解决方案。

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1 综述

1.1 海洋环境信息可视化云计算平台

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要工作及其贡献

1.4 本文组织结构

2 Hadoop处理机制优化

2.1 Hadoop 开源云计算平台及其生态系统

2.2 Hadoop与海洋环境信息远程交互可视化

2.3 基于MapReduce的多层次并行处理机制优化

2.4 本章小结

3 海洋环境信息可视化云计算平台体系结构设计

3.1 分层体系架构设计

3.2 分层体系结构的实现机制

3.3 海洋环境信息可视化相关算法

3.4 本章小结

4 海洋环境信息可视化云计算平台的构建与实现

4.1海洋环境信息可视化云计算平台的构建

4.2服务/功能模块设计实现

4.3 本章小结

5 实验结果对比与分析

5.1 GPU引入Hadoop并行计算性能分析

5.2 远程交互可视化性能分析

5.3 本章小结

6 总结与展望

参考文献

附 录

致谢

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