特種設備仿真云計算平臺搭建*

彭啟鳳 周易 黃國健 劉金 陳敏

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特種設備仿真云計算平臺搭建*

彭啟鳳 周易 黃國健 劉金 陳敏

（廣州特種機電設備檢測研究院）

為充分利用高性能計算資源，滿足高性能工作站訪問與應用的需求，建立一個基于云計算的特種設備仿真分析平臺。介紹用于特種設備仿真研究的私有云平臺的搭建流程，明確在云平臺進行仿真分析的優越性，確定系統自動管理項目及輸入管理內容。仿真分析人員能夠基于本云平臺進行特種設備協作式共同仿真，使建模工作效率提高25%，并保證了用戶信息的安全性。

云計算；有限元分析；私有云；協同仿真

0　前言

云計算現已發展為一種被大眾廣泛接受的計算模式[1]，也是社會普遍關注和研究的熱點。而以云基礎設施為基礎，搭建可提供應用服務的云平臺更成為關注的焦點。目前國外已經建立大量各具特色的云平臺，其中較為典型的有：Google的云計算平臺和云計算的網絡應用程序、IBM公司的藍云（blue cloud）平臺產品和Amazon公司的彈性計算云（elastic compute cloud，EC2）[2]等。近幾年，我國也建立了一些初具規模的云計算平臺。

以上介紹的主要是大型公有云服務，而目前，由于云計算還處于發展階段，很多技術如安全性、可靠性及監管的可操作性等方面并不成熟，很多企業、高?；蜓芯繖C構都偏向于構建以現有硬件資源為基礎的私有云平臺。本文以廣州特種機電設備檢測研究院現有的工作站及服務器設備為基礎建立特種設備仿真云平臺[3]。結合特種設備有限元仿真分析工作的特點，集合現有的建模、分析軟件，建立云計算分析平臺，使仿真工作人員可以在平臺上進行協作仿真，也可實現異地即時處理仿真分析工作。

1　平臺搭建基礎

基于云計算分析技術，以廣州特種機電設備檢測研究院現有的計算硬件和軟件資源為基礎，建立特種設備仿真云平臺。平臺系統構建包括客戶端、用戶認證服務器、交換機、通信服務器、分析服務器、存儲服務器及HPC工作站集群，如圖1所示。

云計算服務架構主要為用戶提供3個層次的云服務：軟件即服務層（software as a service，SaaS），其主要功能是將平臺內的應用以基于Web的方式提供給使用者；平臺即服務層（platform as a service，PaaS），其功能是將應用開發及部署平臺開放給使用者；基礎設施即服務層（infrastructure as a service，IaaS），其功能是將平臺內的計算及存儲資源以服務的形式提供給使用者[4-6]。本私有云平臺的搭建實現了大部分人能使用軟件即服務層的功能，同時，也可讓部分平臺使用者能夠訪問、使用另外2個服務層[7-9]。云平臺的構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虛擬化的工作平臺[10-11]。

硬件方面，利用現有的工作站和服務器，將工作站作為計算節點及圖形節點，將服務器作為高性能計算（high performance computing，HPC）的管理節點，配合大型的存儲陣列，以邏輯方式將計算、存儲及網絡容量組合成虛擬數據中心資源池，將計算中心服務的交付完全抽象化，高效地利用資源池。單位現用的硬件設備不再是孤立的基礎架構，而是一個為仿真人員提供相互隔離的虛擬數據的數據中心，如圖2所示。

軟件方面，集成ANSYS、ALGOR、Maxwell、nCode等相關求解器，通過部署集群計算模塊，形成一個統一的高性能計算管理平臺，可對各軟件中的求解器模塊進行統一的調度管理。

內置模塊方面，平臺包含管理模塊及協同模塊。管理模塊接收仿真工作者提交的任務，由仿真模塊將工作任務通過交換機存儲在用戶數據存儲服務器；協同模塊根據用戶的訪問請求，調用相關分析軟件，利用該用戶提供的模型及數據在分析服務器上進行任務分解，并將分解后的子任務分配給相關的分析人員，各子任務完成后再提交給分析服務器進行整合計算。

2　仿真建模分析任務實現流程

2.1 任務管理及訪問

仿真分析工作一般分為模型簡化、模型建立、參數定義、計算、結果后處理等過程。仿真工作完成后還需對計算結果進行分析，根據分析結果對原有結構進行改進。傳統的仿真分析工作基本以一個人為主完成整個流程，即使分工合作也存在信息交流不及時、模型不匹配、不能實時驗證等問題。

由于仿真云平臺只為單位內部和特定人員提供私有云服務，所以可最大限度地開放平臺使用權限，每位操作人員都擁有1臺或多臺應用終端，他們有權限管理自己的客戶機，包括軟件安裝、更新，配置更改等。1個計算分析項目可由多人共同進行，允許相關人員及時地參與仿真計算的各個環節，從而保證分析結果的可靠性，也可以提高計算分析效率。

2.2 特種設備仿真云計算平臺任務的實現過程

下面從仿真分析計算的流程出發研究仿真云平臺架構完成后協同仿真的實現形式。平臺任務的實現過程如圖3所示。

圖3　平臺任務實現過程

具體流程為系統接到仿真人員提交的仿真分析需求后，對用戶的權限及工作需求進行審核；然后將分析數據存儲至存儲服務器；接著利用協同仿真模塊，結合管理人員的指令將仿真模塊分解成若干個子任務，將任務分配至相關建模分析人員進行建模；最后進行模型整合、整體計算、結果輸出等。

2.3 實例說明

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

首先，仿真工作人員將具體建模分析需求、相關尺寸和材料參數輸入平臺系統；然后由協同仿真模塊根據使用人員輸入的相關參數分配具體建模任務；不同建模人員收到各自任務后，可隨時調用存放于平臺中的圖紙和相關參數，若圖紙發生改變，由任務發起人及具備相關權限的人對總圖紙進行修改，修改內容會及時發送到相關人員，以便及時進行模型變更；多位建模人員同時通過各自的使用終端，訪問云平臺，并在平臺上進行建模（圖4所示為每個建模人員完成的工作），建模完成后提交至協同模塊進行整合，整合完成的模型如圖5所示；最后在平臺上進行試算、修改、計算、結果輸出、討論等過程。

(a) 臂架(b) 平衡梁 (c) 人字架(d) 圓筒門架

3　應用與討論

多數情況下，用戶的使用僅限于訪問的實時性和有效性，而對于基礎設施架構、平臺的實現處理形式及平臺的管理模式并不關心。下面從用戶體驗的角度對平臺應用的便捷性、實時性、可擴展性和協同仿真體驗進行介紹。圖6為平臺使用效果圖。

圖5 整機組裝模型

圖6　平臺效果圖

3.1 便捷性

程序及數據訪問的便捷性是搭建本平臺最重要的目的。平臺搭建完成后，開放外部訪問接口，允許仿真工作人員通過任意一個網絡終端設備訪問本平臺，解決了每臺仿真工作計算機都需要有高硬件配置且必須安裝分析軟件的問題。

3.2 實時性

云平臺訪問需要進行大量數據和圖像的傳輸，對網速有較高的要求，達到無延遲數據處理需要千兆網絡終端。運用先進的分布仿真技術/VR技術，實現無延遲的人機交互模式，實現局域網無延遲訪問。

3.3 擴展性

通過虛擬機和服務主機集中管理，實現云規模的容量擴充。為有限元分析軟件的應用提供前所未有的服務。平臺采用動態仿真網格技術，將仿真計算求解器置于平臺上，可根據用戶使用需求調用計算設備，同時結合管理平臺的統計數據，提出擴展需求。

3.4 協同仿真

協同模塊允許用戶在多個層面實現創新。協作式共同仿真使多位仿真分析工程師可以同時從事同一個產品的分析。同時，協同模塊可以將運算過程實時傳輸到用戶端，并實時接收用戶訪問及數據變更請求。每位用戶都能在云中始終保持與單一通用數據庫的連接，并且可以訪問最新版本的數據。根據其安全和訪問權限，所有用戶都能隨時隨地通過任何設備訪問數據以完成基本任務，例如管理或審閱模型、參與社區討論等。協同仿真可以有效提高建模速度。前述模型正常情況下一個人單獨完成需要約8個工作日，經過實際操作發現在協同仿真模塊的調動下，通過4個人的合作可以在1.5天內完成建模工作（折合總工作時間6天），建模工作效率提高25%。同時有效調動全員的積極性，壓縮了建模工作的持續時間，有效保障了仿真工作高效、準確地完成。

4　結語

特種設備仿真云平臺的搭建，有效地整合了仿真計算資源，提高數值仿真工作效率，有效提升特種設備安全評估中的數值仿真能力，真正實現了軟硬件資源的共享；平臺允許多用戶同時使用，可實現設備使用者與設計、評估者之間更方便地交流和協作；提高仿真分析工作效率，節約電能消耗，實現仿真辦公異地化。還可以促進仿真分析在特種設備安全評估及評價工作中的應用，為特種設備安全管理部門帶來切實的利益，也有效保護了特種設備使用單位的資產安全。

參考文獻

[1] 吳朱華.云計算核心技術剖析[M].北京:人民郵電出版社, 2011.

[2] 虞慧群,范貴生.云計算技術的應用及發展趨勢綜述[J].微型電腦應用,2011,27(10):1-3,8.

[3] 彭啟鳳,黃國健,劉向民,等.特種設備仿真云計算平臺構建研究[J].自動化與信息工程,2013,34(5):16-18.

[4] 陳康,鄭緯民.云計算:系統實例與研究現狀[J].軟件學報, 2009,20(5):1337-1348.

[5] Rodrigues JJPC, Zhou Liang, Mendes LDP, et al. Distributed media-aware flow scheduling in cloud computing Environment[J]. Computer Communications, 2012,35(15): 1819-1827.

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[10] 虞慧群,范貴生.云計算發展分析與展望[J].軟件產業與工程, 2011(5):15-18,21.

[11] 張偉,解爭龍.基于私有云泄漏的攻擊方法研究[J].計算機技術與發展,2015,25(6):124-127.

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，工學碩士，主要研究方向：特種機電設備主金屬結構安全評估、有限元仿真分析等。E-mail: pqifen168@qq.com

特種設備科技協作平臺科技計劃項目（2014SEK002）；廣東省質量技術監督局科技項目（20149702）；珠江科技新星專項（2013075）；廣州市創新平臺建設與共享專項項目（201509010008）。