彭啟鳳 周易 黃國健 劉金 陳敏

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特種設(shè)備仿真云計(jì)算平臺(tái)搭建*

彭啟鳳 周易 黃國健 劉金 陳敏

（廣州特種機(jī)電設(shè)備檢測研究院）

為充分利用高性能計(jì)算資源，滿足高性能工作站訪問與應(yīng)用的需求，建立一個(gè)基于云計(jì)算的特種設(shè)備仿真分析平臺(tái)。介紹用于特種設(shè)備仿真研究的私有云平臺(tái)的搭建流程，明確在云平臺(tái)進(jìn)行仿真分析的優(yōu)越性，確定系統(tǒng)自動(dòng)管理項(xiàng)目及輸入管理內(nèi)容。仿真分析人員能夠基于本云平臺(tái)進(jìn)行特種設(shè)備協(xié)作式共同仿真，使建模工作效率提高25%，并保證了用戶信息的安全性。

云計(jì)算；有限元分析；私有云；協(xié)同仿真

0　前言

云計(jì)算現(xiàn)已發(fā)展為一種被大眾廣泛接受的計(jì)算模式[1]，也是社會(huì)普遍關(guān)注和研究的熱點(diǎn)。而以云基礎(chǔ)設(shè)施為基礎(chǔ)，搭建可提供應(yīng)用服務(wù)的云平臺(tái)更成為關(guān)注的焦點(diǎn)。目前國外已經(jīng)建立大量各具特色的云平臺(tái)，其中較為典型的有：Google的云計(jì)算平臺(tái)和云計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序、IBM公司的藍(lán)云（blue cloud）平臺(tái)產(chǎn)品和Amazon公司的彈性計(jì)算云（elastic compute cloud，EC2）[2]等。近幾年，我國也建立了一些初具規(guī)模的云計(jì)算平臺(tái)。

以上介紹的主要是大型公有云服務(wù)，而目前，由于云計(jì)算還處于發(fā)展階段，很多技術(shù)如安全性、可靠性及監(jiān)管的可操作性等方面并不成熟，很多企業(yè)、高校或研究機(jī)構(gòu)都偏向于構(gòu)建以現(xiàn)有硬件資源為基礎(chǔ)的私有云平臺(tái)。本文以廣州特種機(jī)電設(shè)備檢測研究院現(xiàn)有的工作站及服務(wù)器設(shè)備為基礎(chǔ)建立特種設(shè)備仿真云平臺(tái)[3]。結(jié)合特種設(shè)備有限元仿真分析工作的特點(diǎn)，集合現(xiàn)有的建模、分析軟件，建立云計(jì)算分析平臺(tái)，使仿真工作人員可以在平臺(tái)上進(jìn)行協(xié)作仿真，也可實(shí)現(xiàn)異地即時(shí)處理仿真分析工作。

1　平臺(tái)搭建基礎(chǔ)

基于云計(jì)算分析技術(shù)，以廣州特種機(jī)電設(shè)備檢測研究院現(xiàn)有的計(jì)算硬件和軟件資源為基礎(chǔ)，建立特種設(shè)備仿真云平臺(tái)。平臺(tái)系統(tǒng)構(gòu)建包括客戶端、用戶認(rèn)證服務(wù)器、交換機(jī)、通信服務(wù)器、分析服務(wù)器、存儲(chǔ)服務(wù)器及HPC工作站集群，如圖1所示。

云計(jì)算服務(wù)架構(gòu)主要為用戶提供3個(gè)層次的云服務(wù)：軟件即服務(wù)層（software as a service，SaaS），其主要功能是將平臺(tái)內(nèi)的應(yīng)用以基于Web的方式提供給使用者；平臺(tái)即服務(wù)層（platform as a service，PaaS），其功能是將應(yīng)用開發(fā)及部署平臺(tái)開放給使用者；基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)層（infrastructure as a service，IaaS），其功能是將平臺(tái)內(nèi)的計(jì)算及存儲(chǔ)資源以服務(wù)的形式提供給使用者[4-6]。本私有云平臺(tái)的搭建實(shí)現(xiàn)了大部分人能使用軟件即服務(wù)層的功能，同時(shí)，也可讓部分平臺(tái)使用者能夠訪問、使用另外2個(gè)服務(wù)層[7-9]。云平臺(tái)的構(gòu)建是將硬件資源和軟件資源通過特定的程序處理之后集成一個(gè)虛擬化的工作平臺(tái)[10-11]。

硬件方面，利用現(xiàn)有的工作站和服務(wù)器，將工作站作為計(jì)算節(jié)點(diǎn)及圖形節(jié)點(diǎn)，將服務(wù)器作為高性能計(jì)算（high performance computing，HPC）的管理節(jié)點(diǎn)，配合大型的存儲(chǔ)陣列，以邏輯方式將計(jì)算、存儲(chǔ)及網(wǎng)絡(luò)容量組合成虛擬數(shù)據(jù)中心資源池，將計(jì)算中心服務(wù)的交付完全抽象化，高效地利用資源池。單位現(xiàn)用的硬件設(shè)備不再是孤立的基礎(chǔ)架構(gòu)，而是一個(gè)為仿真人員提供相互隔離的虛擬數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)中心，如圖2所示。

軟件方面，集成ANSYS、ALGOR、Maxwell、nCode等相關(guān)求解器，通過部署集群計(jì)算模塊，形成一個(gè)統(tǒng)一的高性能計(jì)算管理平臺(tái)，可對(duì)各軟件中的求解器模塊進(jìn)行統(tǒng)一的調(diào)度管理。

內(nèi)置模塊方面，平臺(tái)包含管理模塊及協(xié)同模塊。管理模塊接收仿真工作者提交的任務(wù)，由仿真模塊將工作任務(wù)通過交換機(jī)存儲(chǔ)在用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器；協(xié)同模塊根據(jù)用戶的訪問請求，調(diào)用相關(guān)分析軟件，利用該用戶提供的模型及數(shù)據(jù)在分析服務(wù)器上進(jìn)行任務(wù)分解，并將分解后的子任務(wù)分配給相關(guān)的分析人員，各子任務(wù)完成后再提交給分析服務(wù)器進(jìn)行整合計(jì)算。

2　仿真建模分析任務(wù)實(shí)現(xiàn)流程

2.1 任務(wù)管理及訪問

仿真分析工作一般分為模型簡化、模型建立、參數(shù)定義、計(jì)算、結(jié)果后處理等過程。仿真工作完成后還需對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。傳統(tǒng)的仿真分析工作基本以一個(gè)人為主完成整個(gè)流程，即使分工合作也存在信息交流不及時(shí)、模型不匹配、不能實(shí)時(shí)驗(yàn)證等問題。

由于仿真云平臺(tái)只為單位內(nèi)部和特定人員提供私有云服務(wù)，所以可最大限度地開放平臺(tái)使用權(quán)限，每位操作人員都擁有1臺(tái)或多臺(tái)應(yīng)用終端，他們有權(quán)限管理自己的客戶機(jī)，包括軟件安裝、更新，配置更改等。1個(gè)計(jì)算分析項(xiàng)目可由多人共同進(jìn)行，允許相關(guān)人員及時(shí)地參與仿真計(jì)算的各個(gè)環(huán)節(jié)，從而保證分析結(jié)果的可靠性，也可以提高計(jì)算分析效率。

2.2 特種設(shè)備仿真云計(jì)算平臺(tái)任務(wù)的實(shí)現(xiàn)過程

下面從仿真分析計(jì)算的流程出發(fā)研究仿真云平臺(tái)架構(gòu)完成后協(xié)同仿真的實(shí)現(xiàn)形式。平臺(tái)任務(wù)的實(shí)現(xiàn)過程如圖3所示。

圖3　平臺(tái)任務(wù)實(shí)現(xiàn)過程

具體流程為系統(tǒng)接到仿真人員提交的仿真分析需求后，對(duì)用戶的權(quán)限及工作需求進(jìn)行審核；然后將分析數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至存儲(chǔ)服務(wù)器；接著利用協(xié)同仿真模塊，結(jié)合管理人員的指令將仿真模塊分解成若干個(gè)子任務(wù)，將任務(wù)分配至相關(guān)建模分析人員進(jìn)行建模；最后進(jìn)行模型整合、整體計(jì)算、結(jié)果輸出等。

2.3 實(shí)例說明

下面以某類型門座起重機(jī)的有限元分析（4人合作完成）為例，說明流程實(shí)現(xiàn)的過程。

首先，仿真工作人員將具體建模分析需求、相關(guān)尺寸和材料參數(shù)輸入平臺(tái)系統(tǒng)；然后由協(xié)同仿真模塊根據(jù)使用人員輸入的相關(guān)參數(shù)分配具體建模任務(wù)；不同建模人員收到各自任務(wù)后，可隨時(shí)調(diào)用存放于平臺(tái)中的圖紙和相關(guān)參數(shù)，若圖紙發(fā)生改變，由任務(wù)發(fā)起人及具備相關(guān)權(quán)限的人對(duì)總圖紙進(jìn)行修改，修改內(nèi)容會(huì)及時(shí)發(fā)送到相關(guān)人員，以便及時(shí)進(jìn)行模型變更；多位建模人員同時(shí)通過各自的使用終端，訪問云平臺(tái)，并在平臺(tái)上進(jìn)行建模（圖4所示為每個(gè)建模人員完成的工作），建模完成后提交至協(xié)同模塊進(jìn)行整合，整合完成的模型如圖5所示；最后在平臺(tái)上進(jìn)行試算、修改、計(jì)算、結(jié)果輸出、討論等過程。

(a) 臂架(b) 平衡梁 (c) 人字架(d) 圓筒門架

3　應(yīng)用與討論

多數(shù)情況下，用戶的使用僅限于訪問的實(shí)時(shí)性和有效性，而對(duì)于基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)、平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)處理形式及平臺(tái)的管理模式并不關(guān)心。下面從用戶體驗(yàn)的角度對(duì)平臺(tái)應(yīng)用的便捷性、實(shí)時(shí)性、可擴(kuò)展性和協(xié)同仿真體驗(yàn)進(jìn)行介紹。圖6為平臺(tái)使用效果圖。

圖5 整機(jī)組裝模型

圖6　平臺(tái)效果圖

3.1 便捷性

程序及數(shù)據(jù)訪問的便捷性是搭建本平臺(tái)最重要的目的。平臺(tái)搭建完成后，開放外部訪問接口，允許仿真工作人員通過任意一個(gè)網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備訪問本平臺(tái)，解決了每臺(tái)仿真工作計(jì)算機(jī)都需要有高硬件配置且必須安裝分析軟件的問題。

3.2 實(shí)時(shí)性

云平臺(tái)訪問需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)和圖像的傳輸，對(duì)網(wǎng)速有較高的要求，達(dá)到無延遲數(shù)據(jù)處理需要千兆網(wǎng)絡(luò)終端。運(yùn)用先進(jìn)的分布仿真技術(shù)/VR技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無延遲的人機(jī)交互模式，實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)無延遲訪問。

3.3 擴(kuò)展性

通過虛擬機(jī)和服務(wù)主機(jī)集中管理，實(shí)現(xiàn)云規(guī)模的容量擴(kuò)充。為有限元分析軟件的應(yīng)用提供前所未有的服務(wù)。平臺(tái)采用動(dòng)態(tài)仿真網(wǎng)格技術(shù)，將仿真計(jì)算求解器置于平臺(tái)上，可根據(jù)用戶使用需求調(diào)用計(jì)算設(shè)備，同時(shí)結(jié)合管理平臺(tái)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，提出擴(kuò)展需求。

3.4 協(xié)同仿真

協(xié)同模塊允許用戶在多個(gè)層面實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新。協(xié)作式共同仿真使多位仿真分析工程師可以同時(shí)從事同一個(gè)產(chǎn)品的分析。同時(shí)，協(xié)同模塊可以將運(yùn)算過程實(shí)時(shí)傳輸?shù)接脩舳?，并?shí)時(shí)接收用戶訪問及數(shù)據(jù)變更請求。每位用戶都能在云中始終保持與單一通用數(shù)據(jù)庫的連接，并且可以訪問最新版本的數(shù)據(jù)。根據(jù)其安全和訪問權(quán)限，所有用戶都能隨時(shí)隨地通過任何設(shè)備訪問數(shù)據(jù)以完成基本任務(wù)，例如管理或?qū)忛喣Ｐ?、參與社區(qū)討論等。協(xié)同仿真可以有效提高建模速度。前述模型正常情況下一個(gè)人單獨(dú)完成需要約8個(gè)工作日，經(jīng)過實(shí)際操作發(fā)現(xiàn)在協(xié)同仿真模塊的調(diào)動(dòng)下，通過4個(gè)人的合作可以在1.5天內(nèi)完成建模工作（折合總工作時(shí)間6天），建模工作效率提高25%。同時(shí)有效調(diào)動(dòng)全員的積極性，壓縮了建模工作的持續(xù)時(shí)間，有效保障了仿真工作高效、準(zhǔn)確地完成。

4　結(jié)語

特種設(shè)備仿真云平臺(tái)的搭建，有效地整合了仿真計(jì)算資源，提高數(shù)值仿真工作效率，有效提升特種設(shè)備安全評(píng)估中的數(shù)值仿真能力，真正實(shí)現(xiàn)了軟硬件資源的共享；平臺(tái)允許多用戶同時(shí)使用，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備使用者與設(shè)計(jì)、評(píng)估者之間更方便地交流和協(xié)作；提高仿真分析工作效率，節(jié)約電能消耗，實(shí)現(xiàn)仿真辦公異地化。還可以促進(jìn)仿真分析在特種設(shè)備安全評(píng)估及評(píng)價(jià)工作中的應(yīng)用，為特種設(shè)備安全管理部門帶來切實(shí)的利益，也有效保護(hù)了特種設(shè)備使用單位的資產(chǎn)安全。

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The Special Equipment Simulation Platform Based on Cloud Computing

Peng Qifeng Zhou Yi Huang Guojian Liu Jin Chen Min

(Guangzhou Academy of Special Equipment Inspection & Testing)

A simulation analysis platform based on cloud computing is established. This paper introduces the building process of private cloud platform for simulation research of special equipment and advantages of the cloud platform for simulation. The construction of the platform significantly improves the simulation efficiency, and also ensure the security of user information. It can provide services for collaborative simulation of the special equipment industry.

Cloud Computing; Finite Element Analysis; Private Cloud; Collaborative Simulation

彭啟鳳，女，1987年生，工學(xué)碩士，主要研究方向：特種機(jī)電設(shè)備主金屬結(jié)構(gòu)安全評(píng)估、有限元仿真分析等。E-mail: pqifen168@qq.com

特種設(shè)備科技協(xié)作平臺(tái)科技計(jì)劃項(xiàng)目（2014SEK002）；廣東省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科技項(xiàng)目（20149702）；珠江科技新星專項(xiàng)（2013075）；廣州市創(chuàng)新平臺(tái)建設(shè)與共享專項(xiàng)項(xiàng)目（201509010008）。