数据驱动并行计算力学—灾害时实预测有潜力方法

一、岩石力学数值计算准吗？

有人说岩石力学数值计算不准。这对吗？在我看来，这基本上是对的。为什么呢？

因为大家几乎都用商业软件来算。单元不能太小，单元数不能太多。总之，计算规模小，这导致难以准确刻画应力场和裂隙场。另外，力学模型可能不准。作为天然材料的岩石很复杂。在几个地方取样很难有代表性。理想化的几何模型都是实际情形的某种简化，简化中或许摒弃了某种不可忽视的因素。而且，商业软件的功能有限，有些因素考虑不进去。

所有这些加起来，会很大影响计算结果，而计算结果完全依赖于计算模型。这就是传统的数值计算。好几十年了，一直是这个老样子。是因循守旧，一直这样，还是锐意进取，开天辟地？不同的人有不同的选择。这正如有人在外族入侵时，甘愿当亡国奴，而有人毅然决然投笔从戎！

二、高级数值计算的样子

一些商业软件固然能解决一些问题，但并不是万能的。鉴于一些商业软件自身的局限性，例如，无法做并行计算（高性能计算的一种），在和流行的技术手段（AI、数据驱动、数字孪生等）相融合时，往往显得力不从心。这些先天的不足束缚住了科研人的手脚，使他们的好想法只能停留在头脑里，而无法变成现实。这是一个瓶颈，一种无奈，一种悲哀！

相反，如果科研人手中有一把不寻常的利器，即自主开发的程序，那么，一切将变得顺畅、丝滑起来。别人无法完成的社会紧迫需要的工作，在这里，只需要修改一些代码，就能实现，从而可以与社会的紧迫需要和谐共振。这是一次飞跃，一次重生，一种幸福！

高级的数值计算应该但不限于是这样的：

1、可以算商业软件不能算或算不好的问题

2、计算规模大，计算精度高，计算效率高，这需要引入高性能计算技术

3、引入监测信息，以驱动计算，避免传统计算力学模型不准确的问题

我带领研究生从2010年开始从事计算力学研究。历时10年，于2020年成功研发了岩层运动并行计算系统StrataKing(王之岩层，岩层之王)。在StrataKing刚出世之时，并不能模拟冒落岩石单元的膨胀。国外商业软件对此也无能为力。在何满潮院士的倡导之下，这一功能被很快考虑了进去。随后，成功开展了110工法模拟。从此，StrataKing具备了区别国外商业软件的特点。没有接触到代码的人，即使再聪明和努力，这样的工作也没法完成。

历时5年，不断完善特色功能（动力、切顶、碎胀、可拉断和剪断锚杆支护、可伸缩液压支架支护、可收缩钢支架支护、逐渐开挖卸荷、岩层之间的黏结作用、蠕变和随采随充等），直到今天。StrataKing显然具备上述特点的前两条，但以前尚不能做第3条。

StrataKing采用了流行的GPU加速技术。现在，计算速度如何？能否达到实时计算的水平？

通过测算，我们大致了解了计算速度。我想让别人记住。我需要找一个大家熟悉的事物作为参考。想来想去，我想到了1+1=2。我要往这上面靠。在GPU充分发挥出威力时，StrataKing的计算速度是1万个单元计算1万个时步需要的时间不到2s，这非常快了！于是仿照1+1=2，我得出了这样的公式：1万个单元+1万个时步<2s。我有诗云：

山东济宁学术交流一上午

算力本无形，支撑在底层。

动图不断闪，拂面并行风。

三、向数据驱动进军

岩石破裂和滑动引发的微小震动称之为微震。即使再准确的数值计算方法，也很难精确模拟出每次微震。在实际中，微震信息被浪费了，还没有做到物尽其用。微震无法直接关联到应力上，这是微震的局限性。局限性不能被克服吗？

最近，在过去的基础（岩层切缝）上，我带领两名研究生用时1周，初步实现了虚拟微震数据驱动StrataKing并行计算。具体做法是迫使微震对应的节点开裂。在多个特定的时刻不断读入虚拟微震分布，作为介质开裂位置引入计算模型，从而驱动并行计算向前进行。所谓“虚拟微震”是指用计算机生成的微震分布。

这是一个里程碑式工作。过去，我们一直用计算力学算法驱动并行计算。将来，我们可以用实际微震+计算力学算法驱动并行计算。这么做的好处在于：计算结果将更加准确，更具实际意义；可以算出来临界应力。根据潘一山院士的冲击地压扰动响应失稳理论，临界应力达到即为冲击地压发生。总之，数值计算将更有用。我有诗云：

微震数据驱动StrataKing并行计算

地灾难预测，计算练深功。

微震挥鞭响，并行乘迅风。

一直以来，我们只能做由力学模型决定计算结果的事情，以后，我们可以做现场监测+力学模型决定计算结果的事情。这是我们过去不敢想的事情！这一切都源于我们有程序，有许多研究基础。我和学生讲，看来，我这辈子不用再开辟其他领域了，把这个干好就行了。我们把程序修改一下，再增加一些，就可以了。这样的科研能给人带来快乐和成就感！

我向数据驱动进军，是多种因素作用的结果：

1、自身革命的需要。StrataKing并行计算尽管较为先进，但仍然具有传统计算的局限性，即只能由计算力学算法驱动，忽视了鲜活的现场监测信息。一名真正的计算力学工作者不应该沉湎于自己搭建的舒适温床，而应该勇于探索，勇于革自己的命，以发展新的技术手段为己任，不断获取更好的计算结果。

2、跟上时代发展步伐的需要。时代发展日新月异，我们不应该视而不见。跟上时代的发展步伐，不仅是我们自身发展的需要，也是培养人才的需要。如果我们故步自封，低水平重复，那么，我们的学生也将远离社会的紧迫需要。相反，如果我们把握了正确的方向，学生也就出路宽广了，从“丑小鸭”变成了“白天鹅”！

3、潘一山院士多年前安排的任务完成的需要。在很多年前，潘院士就给我打电话谈及要用数值计算技术跟踪实验过程。那时，我只会商业软件的使用和二次开发。我发现，这一想法根本无法实现。这是我少有的没有完成的任务。直到StrataKing被做了出来，我才有条件做这件事。2024年，我和他提及这件事，他还清楚地记得。他眼里闪着光，放下筷子，一手做出从下方托举岩样的动作，一手做出从上方向下压缩岩样的动作，向在座的嘉宾兴致勃勃地讲述着这个让他“耿耿于怀”未曾被攻克的难题。其实，现在想来，潘院士过去提及的就是现在十分流行的“数字孪生”和“数据驱动”啊！

4、对自媒体“煤文化”系列视频号回应的需要。该自媒体总是不经过当事人同意就发布网络上搜集来的信息，一些视频在煤炭行业内得到了广泛的传播。上榜既是一种荣幸，也是一种压力。我多次上榜，是因为StrataKing并行计算。他们认为，StrataKing和智能有关。其实，现在我们还没有达到这样的水平。尽管数据驱动StrataKing并行计算和智能还不是一回事。但毕竟，和传统的算法驱动相比，数据驱动StrataKing并行计算确实更有用了！从这一角度讲，StrataKing似乎聪明了，智能了，更能应对灾害预测了！

下面，介绍我们在这方面的初步工作。

这是1次驱动下Nn=20时Nt的影响。驱动越早，即Nt越小，岩样的强度越低。这是容易理解的。“缺陷”引入越早，作用越明显，越能主导岩样的未来发展。若驱动较晚，即Nt越大，则岩样的破裂格局已经确定，将基本不受这些晚来的“缺陷”的影响。下面举个例子。那些较早引入的“缺陷”就好比是一起打江山的老兄弟，劳苦功高。当事业已经取得好的发展态势时，那些才加入阵营的人的作用自然就较小。

这是1次驱动下Nt=60000时Nn的影响。Nn越多，岩样的强度越低，这是容易理解的。引入“缺陷”越多，对岩样的削弱程度越大。

下面，展示多次驱动的结果。

这是5次驱动下Nn的影响。Nn越多，岩样的强度越低。

下面，展示巷道围岩的结果。

这是1次驱动下Nn=808时Nt的影响。Nt的改变不能对临界应力产生明显的影响。

这是1次驱动下Nt=95000时Nn的影响。Nn越多，临界应力越低，巷道冲击地压越容易发生。

这只是这方面工作的第1步。在第2步，将利用实验室尺度声发射数据驱动StrataKing并行计算，预测岩石试样的强度。在第3步，将利用工程尺度微震数据驱动StrataKing并行计算，计算岩石结构的临界应力，预测冲击地压等灾害。

StrataKing并行计算，让计算快起来，让计算规模大起来。

微震数据驱动StrataKing并行计算，让计算值得信赖，让计算干过去干不了的事。

四、让“明天”发生在“今天”

StrataKing就是一个底座。可以接入各种器件。用于微震监测的仪器有许多。不同产品的好坏如何评价呢？我们可以用StrataKing来试一下。好的微震监测的评价指标之一应该是驱动StrataKing并行计算后，算出的临界应力达到的时刻与实际冲击地压发生的时刻符合。

临界应力是结构的最大承载能力，一般难以测量。我举个形象的例子。一个人使出最大的力气，嘴里啊啊大叫，用颤抖的双臂举起沉重杠铃的时候，他的五脏六腑已经发生了不可逆的破坏。这就是达到了临界应力。他马上就要上担架。

平常的各种应力测量，只能测量巷道当前一些位置的应力。这还不够。我们要知道当前整个结构的应力水平距离临界应力还有多远。这就需要引入安全系数的概念。现在，技术人员和工人，可能连自己成天行走的巷道的安全系数多大都不知道。有人说，现在巷道安全，刚刚走过。那是现在，在冲击条件下它还安全吗？总之，我们要了解当前巷道的状态距离临界状态的距离，这才是真正地以人为本，对人民的生命负责。我们要珍惜他们的生命，要拿出行动。

不能等到后天，才知道明天发生了什么。后天才知道明天的事，那是科研人的无能。今天就要知道，这是科研人的使命。靠微震监测，不能得到明天的微震。靠微震数据驱动高性能科学计算，明天可以很快发生在电脑里，这是高科技的神奇！明天可以是明天，也可以是下一周、下一个月，这取决于微震数据如何驱动StrataKing。也就是说，微震数据是如何一拨拨进入的。一小拨一小拨进，预测的就近；一大拨一大拨进，预测的就远。

常言道，天上一天，地上一年。地上的几年、几月和几天的事情，在高性能计算机上，未来，可能只需要很短的时间就能复现，例如，几小时、几分钟和几秒。能做高性能计算的仿真人就好像是有神通一样，在天地之间自由穿梭。

我想会有那么一天。全国的微震记录源源不断地发过来，在高性能计算机上驱动StrataKing并行计算，再将灾害预测结果及时地发回去。这一切都是自动完成的。当然，力学模型的建立还是需要的，其中，包括各岩层的基本物理、力学参数和各种几何信息。

《三国演义》中智慧的化身诸葛亮一手摇着羽扇，一手掐指一算，可以预测风云变幻。我们在高性能计算机上开展真实数据驱动StrataKing并行计算，预测灾害何时发生，为行业健康发展奉献聪明才智，不就是数字经济时代的诸葛亮吗？这里面，还有许多工作要做。

当我老了，坐在轮椅上，看到历时数10年研制的系统忙得不亦乐乎，各种彩灯不停地闪烁，巨大的风扇呼呼作响，接受信息，返回信息，我将无比幸福！

在AI时代，许多行业都需要用到高性能计算，特别是在大国重器和高科技领域，这里发展潜力无限，方兴未艾，就像是一个无穷无尽的宝藏，特别值得有志青年去挖掘，怎么挖也挖不完！

王学滨，辽宁工程技术大学力学学科教授、博导，计算力学研究所所长。辽宁大学煤矿冲击地压机理与防控技术国家矿山安全监察局重点实验室研究人员、高性能计算室负责人。中国数字仿真论坛理事会专家委员会委员，中国工业合作协会仿真技术产业分会第一届理事会理事。第17-18届中国CAE工程技术分析年会之论坛“地质体材料破坏和稳定性仿真分析”主席（海口、厦门），第20届中国CAE工程技术分析年会之论坛“工程软件研发及应用论坛”主席（北京）。

1994-1998年，本科就读于机械设计与制造专业。

2000-2006年，硕士、博士就读于工程力学专业。

2009-2015年，做博士后于地质学、力学专业。

2010年，开始从事原创的拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法（一种与国内外流行的有限元与离散元耦合连续-非连续方法相平行的非线性断裂力学计算方法）研究。

2020年，成功研发岩层运动并行计算系统StrataKing（王之岩层），成为矿业领域首个岩层运动并行计算系统。和国外通用串行商业软件相比，StrataKing采用GPU加速，计算效率高，计算规模大，计算精度高，矿业特色鲜明，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。

2021年，获得数字仿真科技奖（杰出贡献奖）。

2022年，获得数字仿真科技奖（卓越应用奖）。

2023年，在某型号单一GPU下，StrataKing的计算单元规模达到了500万+，具有领先优势。

2023年，与树优科技合作推出了岩层运动并行计算云平台StrataKing.UniXDE，为矿业领域科技工作者岩层运动模拟提供了一种新的研究手段。

2024年，树优科技在团队内部设立了首个“树优科技工业软件人才培养基地”。

2024年，获得数字仿真科技奖（卓越应用奖），并与树优科技合作，获得数字仿真科技奖（自主软件创新奖）。

StrataKing和StrataKing.UniXDE虽然最初是为矿业领域岩层运动模拟而研制的，但也可用于其他领域。

近年来培养的学生主要在数字仿真、工业软件领域大国重器（飞机、航母等）和高科技产品（汽车、风电等）研发单位工作，把个人追求和国家利益紧密结合，有些已经成为技术骨干，待遇颇丰，前途无量。