陳雄川，程傳錄，蔣光偉，馬新瑩，李 康，孫洋洋

云計(jì)算技術(shù)在大規(guī)?；鶞?zhǔn)站網(wǎng)中的應(yīng)用

陳雄川，程傳錄，蔣光偉，馬新瑩，李 康，孫洋洋

（自然資源部大地測(cè)量數(shù)據(jù)處理中心，西安 710054）

針對(duì)常規(guī)個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）存貯與計(jì)算效率低，無(wú)法滿足大規(guī)模全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）基準(zhǔn)站網(wǎng)高效數(shù)據(jù)計(jì)算要求的問題，提出利用云計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)高效的計(jì)算：采用云計(jì)算技術(shù)搭建計(jì)算平臺(tái)，安裝GAMIT/GLOBK軟件系統(tǒng)進(jìn)行大規(guī)模GNSS基準(zhǔn)站網(wǎng)數(shù)據(jù)處理，并與PC機(jī)解算進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明：云計(jì)算平臺(tái)上同時(shí)運(yùn)行6個(gè)以上任務(wù)時(shí)，效能明顯優(yōu)于PC機(jī)；且隨著任務(wù)數(shù)量的增多，效能顯著提高，當(dāng)軟件打開文件數(shù)量達(dá)最大荷載時(shí)，云計(jì)算平臺(tái)仍穩(wěn)定正常運(yùn)行，且計(jì)算結(jié)果正確可靠。

云計(jì)算技術(shù)；個(gè)人計(jì)算機(jī)；云計(jì)算平臺(tái)；GAMIT/GLOBK；大規(guī)模全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）基準(zhǔn)站網(wǎng)

0 引言

隨著導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GNSS）基準(zhǔn)站已成為國(guó)家或區(qū)域坐標(biāo)參考框架建立維護(hù)與更新的主要技術(shù)手段[1]。我國(guó)屬地殼活動(dòng)活躍的地區(qū)，受地殼板塊運(yùn)動(dòng)、地面沉降等因素影響，各基準(zhǔn)站實(shí)際點(diǎn)位在發(fā)生著不同程度的變化；而且隨著時(shí)間的推移其點(diǎn)位變化會(huì)越來(lái)越大：因此國(guó)家或區(qū)域坐標(biāo)框架的精化與維持是一項(xiàng)長(zhǎng)期、持續(xù)性的工作[2-3]。

在解算大規(guī)模GNSS基準(zhǔn)站網(wǎng)時(shí)，采用高性能數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理服務(wù)器即個(gè)人計(jì)算機(jī)（personal computer, PC）物理機(jī)以及國(guó)際先進(jìn)的高精度數(shù)據(jù)處理軟件GAMIT/GLOBK[4]，以保證數(shù)據(jù)處理工作正常進(jìn)行及處理結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。然而，用傳統(tǒng)的PC機(jī)時(shí)需要同時(shí)打開多個(gè)任務(wù)窗口進(jìn)行項(xiàng)目解算（為方便敘述，“任務(wù)窗口”簡(jiǎn)稱“窗口”）；受到硬件影響，解算需要很長(zhǎng)時(shí)間。為了提高效率，需要借助更好的平臺(tái)與技術(shù)去實(shí)現(xiàn)高效計(jì)算能力。云計(jì)算技術(shù)[5-7]就是很好的選擇。

云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展為大規(guī)模GNSS基準(zhǔn)站網(wǎng)數(shù)據(jù)處理提供高效的計(jì)算平臺(tái)。以云計(jì)算技術(shù)構(gòu)建的全新計(jì)算模式，滿足大規(guī)模數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與計(jì)算的需求，使得信息處理質(zhì)量與效率均大大提升[8-9]。同時(shí)，“云”的規(guī)模可以動(dòng)態(tài)伸縮[10]，會(huì)根據(jù)用戶需要來(lái)對(duì)硬件即中央處理器（central processing unit, CPU）核數(shù)和內(nèi)存進(jìn)行按需分配，比PC機(jī)有更強(qiáng)的靈活性，可以滿足應(yīng)用和用戶規(guī)模增長(zhǎng)的需要。本文擬通過云主機(jī)與PC機(jī)解算項(xiàng)目的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證云主機(jī)計(jì)算高效性與正確性，為大規(guī)模GNSS基準(zhǔn)站網(wǎng)數(shù)據(jù)處理提供參考。

1 云計(jì)算平臺(tái)搭建

云計(jì)算是1種計(jì)算模型。它將計(jì)算任務(wù)分布在大量計(jì)算機(jī)構(gòu)成的資源池上，使各種應(yīng)用系統(tǒng)能夠根據(jù)需要獲取計(jì)算能力、存儲(chǔ)空間和信息服務(wù)，并且動(dòng)態(tài)地分配、配置、部署及回收計(jì)算機(jī)資源，同時(shí)又能自動(dòng)地管理資源，動(dòng)態(tài)安裝軟件及應(yīng)用。

云計(jì)算整體結(jié)構(gòu)模型由圖1所示構(gòu)成。其中包括底層硬件基礎(chǔ)架構(gòu)、軟件融合架構(gòu)、集中云平臺(tái)管理3大部分。基礎(chǔ)硬件可以兼容標(biāo)準(zhǔn)的X86存儲(chǔ)服務(wù)器（如云主機(jī)）、第3方通用存儲(chǔ)設(shè)備；融合架構(gòu)由軟件定義計(jì)算、軟件定義存儲(chǔ)、軟件定義網(wǎng)絡(luò)3部分組成；云平臺(tái)管理實(shí)現(xiàn)對(duì)上述資源的統(tǒng)一管理。

圖1 云計(jì)算整體結(jié)構(gòu)模型

2 云計(jì)算效能分析

為了對(duì)比云主機(jī)與PC機(jī)的性能，本文采用西藏自治區(qū)、青海省、四川省、甘肅省和新疆維吾爾自治區(qū)共5省（區(qū)）的基準(zhǔn)站原始數(shù)據(jù)，分別在云主機(jī)和PC機(jī)上進(jìn)行解算，并將所用時(shí)間一一記錄。PC機(jī)采用的是實(shí)體的DELL-precision tower5810工作站；云計(jì)算技術(shù)將軟件移植到云主機(jī)中，其計(jì)算保存的數(shù)據(jù)和文件都在虛擬終端。本地PC機(jī)與云主機(jī)的硬件比較如表1所示。

表1 本地PC機(jī)與云主機(jī)的硬件比較

2.1 云主機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性

云主機(jī)在測(cè)試期間，當(dāng)窗口開到16個(gè)及以上進(jìn)行數(shù)據(jù)解算時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)窗口自動(dòng)最小化的情況；本地PC機(jī)在窗口開到12個(gè)及以上時(shí)，會(huì)出現(xiàn)窗口自動(dòng)最小化的情況。

2.2 解算結(jié)果的完整性與正確性

利用西藏自治區(qū)、青海省、四川省、甘肅省和新疆維吾爾自治區(qū)共5?。▍^(qū)）的基準(zhǔn)站原始數(shù)據(jù)，采用GAMIT/GLOBK10.60軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)解算，得到的基線文件進(jìn)行網(wǎng)平差得到2000國(guó)家大地坐標(biāo)系（China geodetic coordinate system 2000, CGCS2000）坐標(biāo)成果[11]。

測(cè)試中，每個(gè)分區(qū)都用3個(gè)窗口解算：將甘肅同時(shí)用9個(gè)窗口（分區(qū)甘肅-1、甘肅-2、甘肅-3分別各用3個(gè)窗口）；新疆同時(shí)用12個(gè)窗口；青海西藏和四川同時(shí)用15個(gè)窗口進(jìn)行數(shù)據(jù)解算，每個(gè)分區(qū)31 d數(shù)據(jù)的平均每天O文件個(gè)數(shù)和實(shí)際用時(shí)如表2所示。

表2 云主機(jī)解算用時(shí)

由表2可知，每個(gè)分區(qū)所用O文件個(gè)數(shù)都不會(huì)超過60個(gè)，滿足GAMIT軟件解算對(duì)O文件的個(gè)數(shù)要求，在窗口數(shù)為9~15區(qū)間時(shí)，解算用時(shí)主要集中在50~60 min，且均能正常解算，解算完整性良好。

在云主機(jī)上解得的基線文件進(jìn)行網(wǎng)平差結(jié)果記為成果1，利用項(xiàng)目中解算好的基線文件進(jìn)行網(wǎng)平差結(jié)果記為成果2，2者進(jìn)行比較得出互差統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

解算結(jié)果各方向互差最大不超過1 mm，分析產(chǎn)生互差的原因主要可能因?yàn)樗玫木S也納映射函數(shù)VMF1有區(qū)別（VMF1模型的系數(shù)是據(jù)實(shí)測(cè)氣象資料求得，有34 h延遲，因此不同年積日的函數(shù)模型會(huì)有區(qū)別）。該模型被認(rèn)為是目前精度最高、可靠性最好的投影函數(shù)，主要用于估計(jì)大氣狀況，是進(jìn)行精密單點(diǎn)定位的重要模型。

表3 互差統(tǒng)計(jì) mm

2.3 云主機(jī)效能分析

2.3.1 云主機(jī)窗口數(shù)對(duì)解算時(shí)長(zhǎng)的影響

選取新疆第1分區(qū)的年積日第70~89天原始數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，窗口數(shù)為1則只用第70天的數(shù)據(jù)，窗口數(shù)為2則用第70、71天的數(shù)據(jù)，以此類推。這20 d的數(shù)據(jù)每天包含O文件個(gè)數(shù)如圖2所示。分別用本地PC機(jī)與云主機(jī)進(jìn)行解算用時(shí)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖2 O文件個(gè)數(shù)

由于本地機(jī)在窗口開到12個(gè)及以上時(shí)，會(huì)出現(xiàn)卡頓情況，所以本地機(jī)只窗口最大用了15個(gè)。由圖3可知：當(dāng)窗口數(shù)在6個(gè)及以下時(shí)，本地PC機(jī)用時(shí)優(yōu)于云主機(jī)，且隨著窗口數(shù)增加，2者時(shí)間差距逐漸縮??；當(dāng)窗口數(shù)在7個(gè)及以上時(shí)，云主機(jī)的解算效率優(yōu)于本地PC機(jī)，且窗口數(shù)越多，2者解算用時(shí)逐漸拉開；在本地機(jī)用10個(gè)窗口解算用時(shí)和云主機(jī)20個(gè)窗口解算用時(shí)相當(dāng)，優(yōu)勢(shì)明顯。由圖3中可以看出具體的趨勢(shì)變化情況。

圖3 本地機(jī)與云主機(jī)解算用時(shí)

2.3.2 O文件個(gè)數(shù)對(duì)解算時(shí)長(zhǎng)的影響

測(cè)試中，將甘肅省用9個(gè)窗口，新疆維吾爾自治區(qū)用12個(gè)窗口，青海省、西藏西藏自治區(qū)和四川省用15個(gè)窗口進(jìn)行數(shù)據(jù)解算，每個(gè)分區(qū)31 d數(shù)據(jù)的平均每天O文件個(gè)數(shù)和實(shí)際用時(shí)如表4所示。

表4 云主機(jī)解算用時(shí)

由表4可知，當(dāng)窗口數(shù)為9時(shí)，解算甘肅-3、甘肅-2、甘肅-1分區(qū)所用的O文件個(gè)數(shù)分別為44、46、49，實(shí)際解算用時(shí)為39、48、59，即當(dāng)窗口數(shù)一定，O文件個(gè)數(shù)越多，云主機(jī)解算用時(shí)越長(zhǎng)。為了更直觀地看到用時(shí)變化，詳見圖4。

圖4 不同O文件個(gè)數(shù)和窗口數(shù)對(duì)解算用時(shí)影響

2.3.3 云主機(jī)在99個(gè)O文件下運(yùn)行情況

GAMIT軟件所能計(jì)算的1個(gè)文件夾下最多放置99個(gè)O文件。選取新疆1分區(qū)和2分區(qū)的觀測(cè)文件，2個(gè)分區(qū)合并為1個(gè)分區(qū)，并把每天都存放成99個(gè)O文件，測(cè)試時(shí)1個(gè)窗口解算1 d的數(shù)據(jù)，分別對(duì)本地PC機(jī)和云主機(jī)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表5和圖5所示。

表5 本地機(jī)與云主機(jī)解算用時(shí)

由表5可知：云主機(jī)在5個(gè)及以下窗口進(jìn)行數(shù)據(jù)解算的時(shí)候，解算用時(shí)高于本地用時(shí)；當(dāng)窗口數(shù)為8個(gè)時(shí)，云主機(jī)僅用6 h就可以完成解算，解算用時(shí)比本地機(jī)提升2 h，效率提升27.16 %；當(dāng)窗口數(shù)為15個(gè)時(shí)，云主機(jī)用時(shí)為8 h，優(yōu)于本地機(jī)8個(gè)窗口解算30 min。云主機(jī)在同時(shí)計(jì)算多個(gè)窗口（6個(gè)及以上）的時(shí)候，優(yōu)勢(shì)逐漸體現(xiàn)出來(lái)，且同時(shí)計(jì)算的窗口數(shù)越多，優(yōu)勢(shì)越明顯，詳見圖5。

圖5 本地機(jī)與云主機(jī)解算用時(shí)

3 結(jié)束語(yǔ)

云計(jì)算具有較大的存儲(chǔ)能力和大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，是1種綜合性較強(qiáng)的計(jì)算機(jī)技術(shù)。本文通過搭建的GNSS網(wǎng)數(shù)據(jù)處理云計(jì)算平臺(tái)，經(jīng)過測(cè)試驗(yàn)證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，計(jì)算結(jié)果正確可靠。通過云主機(jī)與本地PC機(jī)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，得出一些結(jié)論：

1）云主機(jī)在用6個(gè)及以上的窗口進(jìn)行解算時(shí)，解算用時(shí)優(yōu)于本地PC機(jī)，且隨著窗口數(shù)逐漸增多，效率提升越明顯；云主機(jī)在用小于6個(gè)終端窗口解算時(shí)，解算效率低于本地機(jī)，對(duì)于解算一些小項(xiàng)目不太適用。

2）在所開窗口數(shù)一定時(shí)，O文件個(gè)數(shù)越多（即需要解算的數(shù)據(jù)量越大），云主機(jī)解算用時(shí)越長(zhǎng)。

3）云主機(jī)可以滿足GAMIT軟件運(yùn)行的需求，且在O文件個(gè)數(shù)達(dá)到軟件最大荷載量時(shí)仍可以穩(wěn)定運(yùn)行，且在多個(gè)窗口解算時(shí)用時(shí)優(yōu)于本地機(jī)。

4）受CPU核數(shù)與內(nèi)存的影響，當(dāng)云主機(jī)窗口打開到16個(gè)及以上時(shí)，窗口有時(shí)會(huì)出現(xiàn)自動(dòng)最小化的現(xiàn)象；打開的窗口越多，云主機(jī)運(yùn)行越慢，因此需要根據(jù)不同的需求適時(shí)調(diào)整云主機(jī)的硬件性能。

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Application of cloud computing technology in large-scale reference station network

CHEN Xiongchuan, CHENG Chuanlu, JIANG Guangwei, MA Xinying, LI Kang, SUN Yangyang

（Geodetic Data Processing Centre of Ministry of Natural Resources, Xi’an 710054, China）

Aiming at the problem that the storage and calculation efficiency of conventional personal computer (PC) is low, which cannot meet the requirement of high-efficient data calculation of large-scale GNSS reference station network, the paper proposed to use cloud computing technology to implement the calculation: cloud computing technology was adopted to build a computing platform, and GAMIT/GLOBK software system were installed to process the data of large-scale GNSS reference station network, then comparative analysis between cloud computing and PC was carried out. Result showed that: when there are more than six tasks on cloud computing platform simultaneously, the efficiency would be obviously better than that of PC, and the performance could improve significantly with the increase of the number of tasks; when the number of files opened by the software reaches the maximum load, the cloud computing platform could be still stable in normal operation, with correct and reliable calculation results.

cloud computing technology; personal computer (PC); cloud computing platform; GAMIT/GLOBK; large-scale global navigation satellite system (GNSS) reference station network

P228

A

2095-4999(2020)02-0026-05

陳雄川，程傳錄，蔣光偉，等. 云計(jì)算技術(shù)在大規(guī)?；鶞?zhǔn)站網(wǎng)中的應(yīng)用[J]. 導(dǎo)航定位學(xué)報(bào), 2020, 8(2): 26-30. （CHEN Xiongchuan, CHENG Chuanlu, JIANG Guangwei, et al. Application of cloud computing technology in large-scale reference station network[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2020, 8(2): 26-30.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20200205.

2019-08-23

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41574003, 41774004, 41904040）；科技基礎(chǔ)性工作專項(xiàng)重點(diǎn)項(xiàng)目（2015FY210400）。

陳雄川（1992—），男，河北保定人，碩士，助理工程師，研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航與定位。