推出高性能并行计算云平台——从申请国家基金屡屡失败谈起
- 作者优秀
- 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
- 平台推荐
- 内容稀缺
导读：这不是故事，而是发生在我们身边的真实经历。
目前，国家自然科学基金申请竞争异常激烈，大团队人员由于设备先进、影响力大等众多因素，在国家自然科学基金申请方面占据显著优势，这不代表广大的非大团队人员就没有成功申请的机会；当前采动岩层运动及其对安全与环境的影响规律是煤炭开采的基础科学问题。由于采动岩层运动的复杂性，至今仍然有许多问题没有解决。目前，仿真分析主要靠国外通用串行商业软件，其并非为煤炭行业研制，存在诸多问题。为此，要在软件系统方面下大功夫，以解决技术软肋和制约发展的技术瓶颈问题。
（基于朱-王-唐动力本构模型）
（基于朱-王-唐动力本构模型）
图12考虑蠕变和可破断锚杆支护时巷道围岩的破裂过程
图14单轴压缩条件下理想岩样的剪切滑移过程
图18静水压力及锚杆支护下正方形巷道围岩的破裂过程
图22浅埋条件下厚煤层开采岩层运动过程（基于云平台）
推出并行计算云平台——从申请国家基金屡屡失败谈起
作者：王学滨 辽宁工程技术大学 教授
一、从当年申请国家基金屡屡失败谈起
屡道险关鸣羽箭，少家欢乐众家愁。
忆当年以国外商业软件二次开发为研究手段申请国家自然基金面上项目就算补丁打，衣难适自身。
最近，不止一个同行和我讲，连续申请国家自然科学基金面上项目5-6年了，一次都没有成功。我年青的时候又何尝不是如此呢？我曾经在金属、地震、混凝土等研究领域都有过涉足，幻想在这些领域去成功申请项目。可是，每次都是信心满满，却失望而归。原因当然是多方面的。其中之一，应该是我那时的研究手段（主要是国外商业软件的二次开发）和现在的研究手段（GPU并行计算）相比比较落后。尽管我当时的主要研究手段比一些同行的研究手段（商业软件使用）高超，但很难入一些挑剔的、有远见卓识的专家的法眼，也就是说，引不起他们的兴趣。自然，我就失败了。失败了一次，我不自知，继续尝试，又失败了，我还是不自知，继续尝试，又失败了......幸好我及时调整了思路，和我的优秀学生一起，破釜沉舟，从编写源代码开始，开展了新型连续-非连续方法（拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法）研究。主要在多个国家自然科学基金的资助下，经过了10多年的发展，才有了今天的局面：岩层运动 GPU 并行计算系统StrataKing（王之岩层）应运而生，不断完善，和树优科技合作推出了云平台StrataKing.UniXDE，功能不断丰富。自然，我的优秀学生（本科出身一般都不好）也都改变了命运，在数字经济时代的浪潮中奋勇冲浪。
最近这几年，已经有多名熟悉计算力学、GPU并行计算的学生在待遇优厚的数字仿真领域工作，从事高科技产品和大国重器的研制。这些领域特别需要GPU并行计算，因为往往模型都特别大，在普通的微机上使用商业软件就像是一只螳螂一样，根本无法拉动一辆沉重的战车。他们中，有的在设计飞机，本科是学土木的，从灰头土脸和泥土打交道跃迁成了与天空中翱翔的战鹰打交道；有的在军队，研究上了尖端武器，本科是学交通的，本该去设计交通路线和开车，现在却研究上了能使敌人闻风丧胆的大杀器，捍卫着国家的安全；有的在搞并行计算，成了企业的骨干力量，本科是学力学的或土木的，在为珠海航展上那些令外国刮目相看、争相采购的大国重器的研发贡献着聪明才智。我毕业多年的一个优秀硕士最近和我讲，他目前已经跳槽到了中科院工作，从事和工业软件有关的工作。对此，我深感欣慰：是我最初点燃了他心中的火种。毕竟他已经毕业多年，那时，工业软件研发还没有如今这样受到重视。他的最初就业岗位也不是工业软件。或许是有慧眼，或许是有强烈的热爱，他进入了工业软件这个领域。他曾经在我这一个小河湾里，练就了一些本领，几经辗转，终于进入了时代的发展大潮。他现在应该35岁左右了。他开始涉足数字仿真、工业软件领域，不仅没有失业，反而有了更好的出路。他就是郭翔。经常看到35岁及以上的程序员等从业人员被裁员的信息，尽管有的可能为单位立下了汗马功劳，自以为不会被裁掉。如果一个人只会写那些普通的代码，自然，很容易被年青人替代。数字仿真、工业软件领域的人才由于具备较好的力学+计算机+工程知识，是名副其实的复合型人才，被社会紧迫需要，目前，供远远不应求，没有像程序员那样的职业危机感，越老越值钱。最近，一个硕士毕业不久在国家重要部门工作的学生和我讲，他用的一些仿真软件是某单位基于C++自主研发的代码，然后做了一个界面。现在，他的工作离不开C++，无论是软件的使用和开发。他在硕士学习期间没有开发新的算法，仅对现有的C++程序进行了少量的修改，因而实际上对C++并没有太深入的理解。尽管如此，他说由于他具备了一些基础，上手比较容易。此外，他入职才几个月，就写出了两篇论文，而且都被录用了。其中，一篇还被评上了优秀论文。他的领导说他的写作功底比较好。他很欣慰在硕士学习期间接触到了一些与时俱进的研究手段和刻意加强了对未来工作十分有益的关键技能的培养，从而现在得心应手。我看到这些，也感到很欣慰。我培养的学生能被重要部门录取，说明了他的能力还可以，所学的一些东西能被用上，说明了培养方向较为有前途，培养理念较为先进，培养成效较为明显！我在想，如果我还在延续国外商业软件的二次开发，在这一熟悉的领域不断地“自嗨”，会怎样？我想一定是这样的：（1）我投《煤炭学报》《岩土力学》《防灾减灾工程学报》等国内顶刊或知名期刊的论文被见面时看起来十分友善、暗地里却十分挑剔的审稿专家无情地枪毙掉。我的学生的大论文自然也可能遇到这样的专家，后果不堪设想，尽管可能文中对基于落后方法的结果分析得条条是道。（2）无论怎么二次开发，国外商业软件本身框架的局限性也无法克服。即使我和学生再厉害，能二次开发出花来，也难以解决行业关注的问题，这无疑极大浪费了我们的宝贵精力。这样，将没人来找我做一些事情，我将成为无用之人。（3）我申请国家自然科学基金，自然，每次都会铩羽而归。每次申请，我都将投入大量的精力用于申请书的写作，这都将是无价值的投入。（4）我将没有机会进入数字仿真领域，因为没有人会关注一个对商业软件进行二次开发的人。这样的工作无法形成一款新的软件。我失去了许多宝贵的机会。这个时代关注的事情（GPU并行计算、高性能计算、数字孪生）将和我一点关系都没有。自然，来“仿真秀”，我估计也是没有机会的！（5）我的学生毕业了没有好去处，只能去和土木、矿业等专业的学生在艰苦的环境下抢饭吃，除非他有背景，因为不会C++，不会目前就业市场十分紧俏的GPU并行计算（对于一个会GPU并行计算的成手，年薪约40万；对于一个会GPU并行计算的刚毕业的硕士，年薪通常18万，甚至可超过25万），不会计算力学，没有较好的文字表达能力，只会国外商业软件的使用。据说，现在很多行业都在裁员，那么，他们自然会成为被裁的对象。“自嗨”“炒冷饭”“低水平重复”无异于明知是毒药，还要强作欢颜，慢慢喝下。这简直是自欺欺人，是浪费！从小处讲，浪费的是个人的价值，从大处讲，浪费的是这个时代的舞台。今年，我在网络上看到了一个图（图1），觉得很有意思。对于80%的人，经过10年，“成就”经过了峰值，就下降到了负值。这和我很像：我熟练掌握国外商业软件二次开发后在申请国家自然科学基金方面陷入了“绝境”。我还觉得，我怎么那么像“重启人生第二条曲线”的那10%的人呢？这多亏了我10余年前的未雨绸缪，及时发展自己的特色研究手段。
图1 人生三条曲线
其实，启动“重启人生第二条曲线”完全可以更早（图2）。甚至，在峰值点（蓝点）附近，就可以启动（红色曲线）。这样，肯定更有利于快速崛起！
图2 如有必要，建议尽快启动人生第二条曲线
现在，我可以把给那几位同行的建议公开了：革自己的命，化茧成蝶，发展新的研究手段，干别人干不了的事情。就是走出自己的舒适区，想一想社会、行业最关心的事情是什么？知识和技能陈旧了，就要及时补上，以便跟上时代发展的步伐。哪个专家不是火眼金睛，阅人无数？看不清自己，敝帚自珍，怎么能引起那些见面看起来十分友善、内心却十分挑剔的专家的重视呢？如果一个人想干的事，在这些见多识广的专家看来觉得很容易，没什么价值，那么，评审结果如何自然可想而知。只有他们都不会，还认为你做得挺好，幸运才会来临。我觉得，还是要努力去提高内功，这比总去混会，逢人就主动加微 信更有用！我有理由相信，有慧眼和远见卓识的给国家评项目的专家应该对自主开发程序、国产软件的研发者和使用者给予更多的重视，因为他们做的工作更加重要，更有利于国富民强！二、StrataKing和StrataKing.UniXDE发展中的8个重要时间节点
接下来，我简单介绍一下StrataKing和StrataKing.UniXDE发展中的8个重要时间节点。所谓“重要”，只是相对而言。✭2020年，应何满潮院士邀请，通过考虑冒落岩石碎胀和超前断裂，首次采用中国计算岩石力学方法StrataKing成功模拟了110工法，凸显了110工法与121工法相比的优势。模拟结果被列入中国岩石力学与工程学会采矿岩石力学分会原始创新工作。随后，StrataKing进入国内多个岩土软件名单。✭2023年，在某型号单一GPU下，StrataKing的计算单元规模达到了500万+。✭2023年10月20日，岩层运动并行计算云平台StrataKing.UniXDE的初级版本于CHINA ROCK 2023技术培训班上发布。我曾有诗云：岩层运动并行计算云平台StrataKing.UniXDE无需软件先来买，临用充值花少钱。
发令呼出千里马，万山飞越在云端。
✭2023年12月19日，作为仿真秀2023国产工业软件专题月第12期技术讲座主讲人之一，作《岩层运动并行计算系统StrataKing研究进展》主题报告。详情见《破釜沉舟，十载风雨，终成国产并行计算云平台》。同时，StrataKing.UniXDE V1.0版本发布，并入驻国产软件库。随后，报告被评为仿真秀2023年度用户好评的“仿真好内容”之“软件入门”第3名，总体第5名（图3）。
图4 王学滨教授的学术报告被评为
仿真秀2023年度用户好评的“仿真好内容”
✭2024年，树优科技在本人团队设立了首个“树优科技工业软件人才培养基地”（图5），每年资助5万元发展基金用于培养数字仿真、并行计算和工业软件等方面的社会紧缺人才，这是国产工业软件产教融合里程碑事件（树优科技赖宇阳总经理）。我曾有诗云：今朝又助育桃李，烂漫山花有笑声。
首个“树优科技工业软件人才培养基地”
✭2024年，基于StrataKing成功开展了潘一山院士安排的圆形巷道围岩扰动响应失稳理论并行计算。通过将Ⅱ型断裂能设定为中间变量，建立了静水压力条件下圆形巷道临界应力与冲击能指数之间的关系，由此提出了圆形巷道扰动响应失稳理论的数值模拟方法，这为圆形巷道扰动响应失稳理论走向进一步应用开辟了新的道路。StrataKing可为冲击地压矿井巷道安全性评价提供强大的算力支撑。巷道围岩的临界应力Pcr是巷道围岩的极限（最大）承载能力，难以测量，只能靠计算。我有诗云：巷道安全否，能凭计算知。
最高承载到，稳定就将失。
对当前的力学量测量只能了解巷道围岩当前的力学状态，而非未来载荷增加后失稳时的力学状态。潘一山院士基于扰动响应失稳理论推导出的临界应力解析解的适用对象是静水压力下的圆形巷道均匀介质围岩（图6）。应力若能达界限，冲击灾害要发生。
对于实际情形，例如，非圆形巷道、非静水压力和复杂岩层结构，冲击地压理论和先进科学计算方法相结合具有更加广阔的应用前景，能使冲击地压理论进一步走向实际应用，这是极有价值的发展方向。为此，潘院士提出要用StrataKing来算一下。十分惭愧，这么多年，我确实没有想到可以用StrataKing来算这个问题。尽管我不清楚应该怎么来算，我还是勇敢地接受了导师下达的任务。图6 巷道冲击地压扰动响应失稳理论的适用对象
我和两名毕业博士开始了讨论，因为他们毕竟是博士，我觉得他们的水平应该更高一些，我不知道的他们或许会有想法。可是，事与愿违，他们对此一窍不通，对此，也没有表现出多少兴趣。我陷入了困境。我将处于尴尬的境地，将无法完成答应的任务。我很苦恼。我没有退路可走。于是，开始了主动、积极的思考，往往是在午夜。巷道冲击地压扰动响应失稳理论中有一项冲击能指数K，这无论如何也无法引入现有的计算程序和商业软件。难道我能让这只拦路虎把前进的道路给堵住吗？不能迎面直击这只老虎，我不能绕道它后面去，断它的归路吗？于是，我开始了分析冲击能指数的决定因素。我发现，StrataKing中的Ⅱ型断裂能是决定冲击能指数的主要因素。于是，我提出将其作为中间变量，采用同样的Ⅱ型断裂能分别模拟单轴压缩实验（获得K）和巷道围岩（获得Pcr），就可以成功地将Pcr与K的关系给建立起来。中间变量起的作用就是中间人的角色，一手托两家。一家（甲方）是K，一家（乙方）是Pcr，这两家由此发生了关联（图7）。在两名硕士生的助力之下，经过了一番挫折，研究得以顺利完成。现在想起来，这个工作一点也不难！原来，凶神恶煞一般的拦路虎竟然是一只纸老虎。拦路虎能阻挡住那些懦弱的胆小鬼（就像是高尔基的《海燕》中暴风雨中躲藏到悬崖底下的企鹅一样），他们的小心脏在暴风雨中瑟瑟发抖，但无法吓住满身武艺的武松（就像是勇敢的海燕一样，划破布满乌云的天空），纵身一跃，发出凌厉的一击，纸老虎随即灰飞烟灭。写到此，我想起了我写的两首诗：那些家雀早无影，趴在窝中心不宁。
风雨交加来奏乐，吓得家雀不发声。
我写的诗，又岂是那些成天关注“诗味”的见到风花雪月一顿感慨的所谓的诗人所能理解的。我写的海鸥不是海鸥，那是勇敢者，当然，也包括我！这件工作的意义在于为实际巷道围岩的临界应力计算奠定了良好的技术基础，并在一定程度上检验了StrataKing。未来，可对冲击地压矿井支护条件下的主要巷道围岩的临界应力进行计算，进而评估其安全系数。毫无疑问，这将对巷道冲击地压的预防十分有利！
图7 巷道冲击地压扰动响应失稳理论并行计算思路
研究做出来了，还有许多工作要做。例如，要撰写成规范的论文投稿。那么，向何处投稿成了摆在面前的问题。如果随便找个期刊，发表肯定很容易，但是发表了也就发表了，不会引起什么作用。发表论文还是应该选择最合适的期刊，接受一下同行的检阅。于是，经过抉择，我还是选择了《煤炭学报》--矿业领域的TOP期刊。论文发表在上面，更多人会看到，这有利于一项技术的推广、讨论和完善。这个期刊的录用率极低。一篇稿件的录用要经过3位外审专家的严格审查。我勇于向这个期刊投稿也是对研究成果的高度自信。虽然我自信，其实，内心还是忐忑的，生怕被严格的评审专家给毙掉。焦急的等待十分难熬。唯有写诗，可以解忧。一位专家审阅了好长的时间，明显已经超期许久了，我也不敢催，生怕他一生气就给出了退稿的意见。终于，等来了审稿意见。很荣幸，3位专家都给出了颇为正面的评价，还别说，他们还真具有慧眼，能分辨出这是一件不平凡的工作。有的专家提出了较多的建议和意见。稿件经多次修改后最近被录用。我心中的一块石头才落地。经过了评审专家严格的评审论文得以发表只是前行中的一小步，未来还有许多工作要做。发表论文不是目的，为企业排忧解难才是不懈追求。一项成功研究的开展，到在最合适的期刊发表，再到成功现场应用要经历无数的关卡。有了为科学而献身的坚定信念，有了勇于提出问题解决思路的非凡胆魄，有了持之以恒工作的顽强作风，开花结果，其实并不遥远。机遇的把握也很关键。一开始，我也没有觉得这项工作能有多大的意义。但是，我服从了导师的安排，立即着手，经历挫折，但仍旧一往无前，终于顺利完成任务。这样的机遇来上几个，个人的命运可能就会发生许多改变，从而能为社会和行业做出更大的贡献。有人遇到问题，总是想这想那，患得患失，机遇就会擦肩而过！明明面前是一只价值连城的凤凰，却视而不见，不去抓，还惦记着家里没有喂的小鸡仔，赶紧要回家。困难所在，就是机遇所在！平坦的大道上什么也没有。宝贝都在崎岖的山路上，甚至在地下，机遇只青睐有准备的头脑，只青睐勇敢的武松。✭2024年，成功开展了潘一山院士安排的基于StrataKing的冲击地压开采速度依赖并行计算。以简化的弹性岩层-软化煤层模型为研究对象，重点开展了开采速度对冲击地压临界应力的影响规律研究。临界应力随着开采速度的增加明显下降，这意味着冲击地压更容易发生。开采速度下降了1倍，而冲击地压发生的可能性虽然下降，但并没有下降1倍，这对安全开采提出了挑战，在高开采速度下冲击地压发生后降低开采速度仍有较大的冲击地压风险。反之，开采速度提高了1倍，而冲击地压发生的可能性虽然提高，但并没有提高1倍，这有利于在保证不发生冲击地压条件下通过提高开采速度提高煤矿产量。基于上述理论结果，成功解释了若干让人困惑的与开采速度有关的冲击地压现象。在一名硕士生的助力之下，这个研究被完成。我曾赋诗一首：似乎矛盾好无奈，且看如何去统一。
三、StrataKing和StrataKing.UniXDE的矿业特色及愿景
StrataKing和StrataKing.UniXDE是我对社会、行业的最大贡献。StrataKing是矿业领域岩层运动模拟方面的首款GPU并行计算程序，在单一GPU下，StrataKing的计算规模可以超过500万单元。StrataKing.UniXDE是为矿业领域科技工作者提供的一种具备岩层运动模拟基本功能的新的研究手段。和国外通用商业软件相比，StrataKing和StrataKing.UniXDE的计算规模大，计算效率高，由此，计算精度高，而且，矿业特色鲜明。StrataKing包含4个基本模块：应力-应变模块、开裂模块、接触-摩擦模块和运动模块。根据采矿工程实际，有针对性地进行了核心算法开发，例如，发展了沉积岩煤系地层两相邻岩层之间的黏结（区别于连续介质模型）、虚拟锚杆、顶板切缝、冒落岩石碎胀（顶板冒落的一种自然属性）、充填、动力（利用朱-王-唐动力本构模型模拟动力冲击条件下岩石的力学行为）和蠕变（利用蠕变剪裂模型模拟软岩巷道的破裂和大位移）等功能，从而StrataKing具有鲜明的矿业特色（图8）。尽管StrataKing的研制出发点是针对矿业，但应用场景不限于矿业。图8 StrataKing的鲜明矿业特色
矿工在地下岩层结构中劳作。如果问他们工作环境的安全性如何，他们不清楚情有可原。可是，如果问一些技术人员，他们可能也不清楚，完全没有做到知彼，这就很不应当了。例如，问他们，覆岩的力学性质都清楚吗？他们可能还真有的不清楚；坚硬顶板断裂的冲击力最大有多少作用在巷道围岩上？他们不清楚；巷道的当前应力状态距离临界应力还差多少？他们不清楚。自然，巷道的安全系数是多少就更不清楚了。在这样的环境下工作，简直就像是把鲜活的生命交给了阴晴不定的老天爷。哪天，老天爷打个喷嚏，可能就要出事情！凡事预则立，灾害也是如此！采矿要科学，离不开先进的科学计算方法（计算效率更高，计算规模更大，计算精度更高，计算功能更丰富），其具有其他手段不具备的优势，例如，开采前就可以对潜在的危险进行评估，可以评估现有支护体系下的巷道围岩安全与否。企业的具体、特殊需要，往往没有现成的功能可以利用，而是需要去开发，需要时间和耐心。高质量研究成果的做出需要先进的科学计算的研发和应用者以及企业共同努力。最后，以《十年铸剑》与诸君共勉（图7）：越模只盼越锋利，不再挖煤流血多。
图7 王学滨教授十年铸剑
长河奔流不息，人生十分短暂。人的一生，能做一点有益的事情，何其幸也！StrataKing和StrataKing.UniXDE处于不断发展完善之中，可为矿山灾害防治和生态环境治理、煤炭行业数字化转型升级和高质量发展提供强大算力支撑！
我的本科专业是采矿工程，只学过一点C语言，对数值模拟的了解也只停留在商业软件的简单使用，对其中的原理几乎不懂。在写作方面没有进行过刻意训练，但自我感觉良好。在硕士阶段，跟随王学滨教授学习计算力学，主要从事动力连续-非连续方法研究和应用，期间，还不断锻炼自己的写作能力。下面，我简单介绍我的成长之路。
（基于朱-王-唐动力本构模型）
（基于朱-王-唐动力本构模型）
刚来时，王教授深知我没有多少力学和计算机基础，便组织当时研二、研三的师兄在课余时间进行培训。培训的内容十分丰富，有基础力学知识、C++、写作技巧等。为了保证培训质量，王教授基本上每次都会亲临。经过一段时间的培训，我渐渐地能简单使用程序，并且能利用程序模拟一些有趣的问题，例如，打棒球，这种“在玩中学”使我加深了对程序的理解，这为我将来的研究打下了一定的基础。在这样的培养模式下，我不断成长，顺利开始了自己的研究。王老师没有给我安排太难的课题，只是让我在岩层运动并行计算系统 StrataKing （王之岩层，岩层之王）既有静力本构模型的基础上进行修改，以便形成新的本构模型。
那时，我有些膨胀，自信满满，认为可以一切弄成功后再汇报，因而平时无需向王老师汇报研究进展，也不听从王老师给出的逐步添加代码，并逐步检验的建议，只是按照自己的意愿“一股脑”地将代码添加到原程序中。结果，诸多bug出现了，让我无所适从。这给我带来了巨大的工作量，因为根本不知道问题从何处找起。一时，我一筹莫展，耽误了不少时间。幸好，王老师找来了有经验的师兄来帮助我，再加上王老师在其中的指导，程序终于能跑了，但是运行结果却不如人意。这时，王老师建议我把添加的每一行程序都介绍清楚，以便交流和问题排查。起初，我认为这是在浪费时间，但是在王老师苦心的劝导下，还是照做了。没想到真的让我们找到了由于我疏忽导致的最后一个错误。程序运行出了正确结果的那一刻，我特别有成就感，有种“轻舟已过万重山”的感觉。现在回头想想，如果没有听王老师的话，我不知道还要走多少弯路。
再说说写作。刚开始，我没有意识到培养写作能力的重要性，对王老师安排的写作培训并不在意。刚开始写作时，我写出来的句子在现在看来都特别“幼稚”，例如，在描述曲线时经常写出类似“当N=时刻A~时刻B时，曲线呈上升趋势，然后在某个时刻开始下降，最后到某个时刻曲线趋于稳定”这样的句子，没有学术性和任何深度，不能引起任何人的兴趣。我有时候还会出现一些奇谈怪论，例如，有一次在分析巷道围岩的破裂规律时，经过一系列我引以为傲的推理，我居然得出当巷道围岩中的裂纹变多时，巷道围岩更稳定的结论。当时，我没有觉得不对，还振振有词地和王老师辩解。王老师给我进行了耐心的解释，他说任何推理都不能违背常识和基本的力学原理，更不能做毫无逻辑的推理，要了解文献中的内容（例如，教科书中的）才能有所发展。这时，我才发现自己的学术和写作能力还很欠缺。还好，有王老师把关，才避免那些“笑话”出现在论文中。有时，遇到非常难写的地方，例如，引言、摘要、结论以及重要内容，王老师就直接代写了。在这一过程中，我也学习到了许多，逻辑能力和写作水平都有了很大的进步。这样，我一步一步与王老师共同努力，最终在《煤炭学报》发表了一篇论文。《煤炭学报》是业界顶刊，发表论文的难度极大。全校1年也发表不了多少。作为一名硕士生，我的工作能发表在上面，让我无比骄傲，这将成为我向外界展示的亮点。这篇论文为巷道冲击地压研究提供了一种新的研究手段，也为其他动力本构模型引入提供了可供借鉴的经验。将来，借助 基于GPU的StrataKing 的大规模科学计算能力，煤矿动力学问题的计算规模将更大，计算效率将更高，计算精度将更高。“幸得明师指引途，迷雾渐开显真殊。”没有王老师在我每次走岔路时的及时劝诫和想方设法帮助，也不可能有我现在的成绩。非常幸运能跟随王老师学习，使我在掌握计算力学知识之外，还掌握了包括计算机和写作在内的许多技能，这将给我在未来的职业发展中带来更多的可能性。作者简介：张钦杰，在StrataKing中，通过引入朱-王-唐动力本构模型，发展了一种可用于冲击地压等动力学问题研究的新的计算力学方法，参与了岩层运动并行计算云平台UniXDE.StrataKing开发所需要的一部分程序的通用性改造工作。发表第1-2作者论文2篇，其中，1篇发表在行业顶刊《煤炭学报》上，其他论文3篇。
待遇不菲高科技公司
面试官的怀疑眼光和刁钻提问，何惧哉？
我与数字仿真的结缘是从硕士阶段在王学滨教授的引领下开始的。
图3单轴拉伸条件下圆柱岩样的破裂过程
在研一刚来的时候，在师兄的带领下，先打基础，例如，学习计算力学基础知识，逐渐了解了团队自主开发的程序的基本原理和使用。原有的三维程序是基于某商业数学软件编写的，容易上手，但是由于是基于面向过程的编程思路，算得很慢，计算规模也比较小。后来，王老师发现这样下去不行，必须要提高计算速度和规模，才能有出路。当时，算法已经较为完善了，想从优化这条道路上去提升计算速度基本上不可行。另一条道路是引入远不如现在火爆的GPU并行计算技术。王老师一眼就发现了这条道路是正确的。而且，当时二维岩层运动程序已经实现了GPU并行。三维程序并行将有经验可循。于是，王老师让我和另一位同学利用CUDA对三维程序并行。当时，我对这项技术并不了解。我熟悉的是原有的基于商业数学软件编写的老程序，突然让我舍弃现有的工作，踏足未知的领域从头开始，我表示了抗拒。于是，我没有听从王老师的建议，而是继续在老程序的基础上自行开展研究。期间，王老师和有关同学对我进行了多次的耐心劝导：老程序好比是一辆牛车，虽然能跑，但是慢如老牛，即使通过改造使其拥有更多的功能，但本质还是牛车，跑不过汽车，将来还是会被淘汰。不要着眼于当下，要把眼光放长远一点。现在，还没有汽车，要和别人一起修汽车，修好后，就可以拉上你一起跑了。遗憾的是，这些劝导都没有对我起到作用。我还是坚持自己的思路。王老师也没有强求，虽然说过不给我发补助，但是还给我每月发。后来，另外一个同学经过一段时间的刻苦攻关，成功将三维程序并行。相比于老程序，最大加速比可达40多！真正实现了“牛车”到“汽车”的跨越！这令我极为震撼和羡慕。尽管如此，三维并行程序其实还不完善。此时，我在老程序的基础上，还没有取得什么有意义的进展，这让我焦虑不安。王老师没有放弃我，让我参与三维并行程序的进一步发展，前提是先学习。期间，我也遇到了不少困难，但都通过我的不懈努力及大家的助力和研讨予以克服了。例如，在三维并行程序中建立了任意六面体单元模型导入接口，以克服在未并行程序中只能建立简单模型的缺点，同时，为了模拟相邻岩层之间的黏聚力作用，引入了岩层界面黏聚力算法。与此同时，还参与了岩层运动并行计算云平台UniXDE.StrataKing软件开发所需要的一部分程序的通用性改造工作。在上述研发过程中，我逐渐对过去未曾涉足的C++、并行计算等有了深入的理解，编程越来越熟练。如今找工作，一些人都很难，可是，我一点困难都没有遇到，待遇不菲的高科技公司的offer拿到了好几个。我凭借着扎实的计算力学知识和编程经历，面对面试官（即使是清华大学毕业的博士）的怀疑眼光和刁钻提问，基本上都能应对自如。显然，没有王老师的引导，我不会在正确的道路上前行，学到社会紧迫需要的过硬本领！
作者简介：陈双印，在StrataKing3D的基础上，利用C++，建立了适于任意六面体单元的外部模型导入接口，引入了岩层之间界面黏聚力算法，参与了岩层运动并行计算云平台UniXDE.StrataKing开发所需要的一部分程序的通用性改造工作。发表第2作者《岩土力学》论文1篇，其他作者论文3篇，在长沙某高科技公司工作。
UniXDE.StrataKing使用教程
一、平台登录
首先，获得用户试用权限，邮箱：support@unixde.com，邮件主题写明：岩层运动并行计算云平台UniXDE.StrataKing使用权限申请；邮件内容写明学校、专业、姓名及联系方式（微 信）等方式，便于进群 交流。然后，登录岩层运动并行计算云平台UniXDE.StrataKing，网址：https://cloud.unixde.com/，如图1所示。
图1 平台登录界面
在输入平台密码和账号后，进入到平台操作界面。在左侧的任务栏中有两个模块，一个是开挖煤层模块，另一个是开挖巷道模块，如图2所示。鉴于开挖煤层模块的功能已经包含了开挖巷道模块的功能，建议选择开挖煤层模块。图2 计算模块选择界面
二、岩层运动模拟的实现
下面，以开挖煤层模块为例进行说明。在选中开挖煤层模块后，点击右侧的“打开”进入平台计算资源设置界面，如图3所示。2.1 计算资源设置
计算资源涉及到工作站服务器的选取和计算结果存储位置的选择。建议每次计算都修改计算工作目录，以免因工作日录重复导致作业无法 正常停止，得到的结果数据不准确，且若该工作目录对应的作业未计算完成，将一直占用工作站计算资源。工作目录是软件公司给云平台分配的存储空间位置。
图3 计算资源设置界面
2.2 常量设置
然后，需要设置用到的一些常量，如图4所示。在平台中，常量都被赋予了默认值，各常量的名称如表1所示。用户可以根据自己的需要对默认值进行修改。通常情况下，需要修改的常量有“Plot gap” “Save data_gap” “Draw_gap” “Save_gap” “Total_ step”。在设置中，Type是参数的类型，取值参考设置上方的说明；Effect是生效情况，取值是0或1，取0的时候参数不生效，取1的时候参数生效。
图4 常量设置界面
表1 常量参数表
2.3 模型参数设置
在常量设置完成后，需要输入模型的计算参数。主要包括材料参数设置、网格设置、约束设置、载荷设置、巷道设置、煤层设置等。（1）材料参数设置
继续下拉界面进入到材料参数设置，如图5所示。材料设置有两种模式：Type=1和Type=2。用户只需要设置其中一种即可。左边的适用于已知弹性模量E和泊松比V的情形，右边的适用于已知剪切模量G和体积模量K的情形。各参数的名称如表2所示。在多层岩层运动模拟时，通过点击表格上方的增加行数按钮增加表格的行数，输入多层岩层的参数。一般情况下，表2中的参数a、b、Gf1、Gf2取默认值即可，a=b=0.8，Gf1=Gf2=0。（2）网格设置
继续下拉界面进入到网格设置，如图6所示。目前，只能使用正方形网格建模。网格的建立通过设置正方形的角点来实现。网格坐标的零点对应于最底岩层的左下角坐标。网格各参数的名称如表3所示。图6 网格设置界面
（3）约束设置
继续下拉界面，进入模型的约束设置，如图7所示。约束有多种类型，用户可以根据需要进行选取。每种类型的说明已经在图7中给出。网格各参数的名称如表4所示。用户需要设置的是施加约束的位置，即“Start_X”“End_X” “Start_Y”“End_Y”。
图7 约束设置界面
（4）载荷设置
继续下拉界面，进入模型的载荷设置，如图8所示。载荷有静态和动态2种，用户可以根据需要进行设置。目前，动态载荷功能还不能使用，仅静态载荷功能能使用。在静态载荷设置时，需要根据载荷的位置和方向进行参数设置。载荷作用位置和方向已经界面中进行了说明。载荷的各个参数的含义如表5所示。
图8 载荷设置界面
继续下拉界面，进入模型的巷道设置，如图9所示。指定卸荷方式是指在一个时步内将开挖区域内的单元全部删除并进行卸荷。不指定卸荷方式是指从巷道中心向外逐圈删除单元直至开挖区域内的单元全部删除。巷道的各个参数的含义如表6所示。
图9 巷道设置界面
（6）煤层设置
继续下拉界面，进入模型的煤层设置，如图10所示。指定卸荷方式指的是在一个时步内将开挖区域内的单元全部删除并进行指定方式（慢些或快些）的卸荷。不指定卸荷方式指的是从开挖区域的左（右）边界逐块开挖到右（左）边界。煤层的各个参数的含义如表7所示。
图10 煤层设置界面
2.4 结果监测设置
继续下拉界面，进入模型的结果监测设置，如图11所示。结果监测主要是监测一些节点的垂直位移。结果监测的各个参数的含义如表8所示。在设置完监测节点的参数后，需要点击“更新监测点”的按钮。
图11 结果监测设置界面
表8 结果监测相关参数表
2.5 模型计算及结果查看
在各个表单都填写完成后，将页面滚动到顶端，如图12所示。先点击保存“”按钮，再点击提交计算“”按钮，即可进行计算。
图12 提交计算设置界面
点击图12中的“StrataKing后处理可视化-开挖煤层”按钮可以查看模拟计算的实时动态结果，如图13所示。点击图12中的“后处理”按钮，可以查看一些计算结果，包括云图和曲线图，如图14和图15。将曲线图数据导入到第三方软件中，可以生成相应的曲线，如图16所示。
图13 计算结果实时查看界面
注：云图中显示的最小主应力是依据云平台的程序中的约定，建议将其称之为最大主应力，用σ3来表示，以与国外通用岩土类商业软件中的约定相一致，也与我们发表的论文相一致：拉为正，压为负，σ1（最小主应力）≤σ3（最大主应力）。σ3可以呈现岩石的受拉状态，反映岩石的不抗拉特性。若按照国内较多的《岩石力学》《材料力学》等教材中的符号约定，拉为负，压为正，σ3应为最小主应力，σ1应为最大主应力。
图14 云图输出查看
图14 云图输出查看
图15 曲线图输出数据查看
图16 地表下沉曲线
作者简介：董伟，山西工程技术学院讲师，2022年博士毕业于辽宁工程技术大学工程力学专业，导师王学滨教授。目前担任岩层运动并行计算云平台UniXDE.StrataKing技术咨询师、中国煤炭学会科学传播专家。研究方向：岩土材料应变局部化、光测力学和岩层运动模拟。以第2著者，在科学出版社出版《岩土材料应变局部化光学测量研究》，在《光学学报》《岩土力学》等期刊发表论文10余篇，排名第2获得数字仿真科技奖之卓越应用奖。主持省部级科研项目2项，参与国家自然科学基金项目2项，承担华阳新材料科技集团“揭榜挂帅项目”3项。
非大团队人员国家自然科学基金申请——与岩层运动并行计算云平台讲座
2024年12月31日19时，2024国产工业仿真软件新进展专题报告会第十八期我们将邀请辽宁工程技术大学王学滨教授、树优科技创始人赖宇阳CEO和山西工程技术学院讲师 董伟老师做《非大团队人员国家自然科学基金申请与岩层运动并行计算云平台》线上讲座，以下是具体安排，请扫描报名观看和回放。
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