“天河一號”工業設計仿真云平臺中間件研究

鄧子云　章　兢　劉楊兵　肖久如

1.湖南大學,長沙,410082　　2.國家超級計算長沙中心,長沙,410082

“天河一號”工業設計仿真云平臺中間件研究

鄧子云1,2章兢1,2劉楊兵1,2肖久如1

1.湖南大學,長沙,4100822.國家超級計算長沙中心,長沙,410082

在“天河一號”超級計算機上搭建了工業設計仿真云平臺，研發了該平臺的核心部件——工業設計仿真云平臺中間件,該中間件軟件集成了多款大型CAE軟件、SLURM作業調度軟件、License管理軟件、計算資源管理功能軟件。提出了工業設計仿真云平臺的總體架構，以及工業設計仿真云平臺中間件的設計思想、體系架構，解決了作業狀態轉換、作業提交等關鍵技術問題。使用工業設計仿真云平臺對火星著陸氣囊的碰撞分析進行了仿真實驗,結果表明利用工業設計仿真云平臺中間件軟件可以簡便地使用“天河一號”超級計算機的計算資源。

“天河一號”超級計算機；工業設計仿真云中間件；體系架構；設計思想；關鍵技術；仿真實驗

0　引言

工業設計領域主要使用CAD、CAE軟件來進行模擬仿真,以縮短產品研發周期,提升產品質量。CAD軟件用于設計建模,CAE軟件用于對設計進行驗證、優化、性能分析等。然而機械設備的設計越來越復雜，CAE軟件又以有限元求解計算最為通用，模型越復雜、網格劃分越細(求解結果越精確)，對計算機性能的要求就越高，普通PC機應對大型CAE軟件的大規模并行計算需求顯得力不從心，這就需要用超級計算機來支持大規模并行計算。

超級計算機擁有大量的計算資源，比如上萬個核的CPU(中央處理單元)、PB(Peta Byte，拍字節)級的內存、高速的局域網絡。可通過大型CAE軟件的并行模塊與超級計算機的調度軟件配合來對有限元模型進行大規模并行計算求解,合并計算結果后返回給用戶。

大型CAE軟件十分昂貴,在超級計算機上適配各種大型CAE軟件后,在超級計算機上搭建服務于工業設計仿真需求的云計算服務平臺(以下簡稱“超算集成平臺”)成為繼超級計算機硬件研發的后續軟件研發的熱點[1]。本文的研究焦點就是超級計算機(“天河一號”)環境下的工業設計仿真云平臺中的中間件軟件。

1　國內外研究現狀與趨勢

綜合國內外情況來看,工業設計仿真云平臺中間件軟件的研究現狀與趨勢如下：

(1)Web服務和代理技術已滲透進入云計算中間件領域。王海偉等[2]提出了基于面向服務的體系架構(service-oriented architecture,SOA)的協同仿真環境框架,并最終建了一個簡單的原型CAE平臺,但只是構建了一個簡單的框架及原型系統。于加晴等[3]提出了一種在分布式環境下使用Web方式進行協同設計的方法，對CAE集成的協同設計系統的體系結構和實現技術進行了介紹,服務資源通過Jini TM和SOA框架來實現。

(2)工業設計仿真云平臺都需要利用中間件軟件的支撐使用戶可以通過Web方式來使用HPC(High Performance Computing，高性能計算)的計算資源。Rius等[4]提出在超級計算機中構建一個名為“T-Coffee”的門戶系統來進行基因組學的研究，該系統提供了低成本和高效的專門工具和接口來開發用戶的交互功能，并支持對遠程計算資源的訪問。高潭等[5]提出在“銀河”超級計算機上構建一個高性能計算門戶系統，系統中的中間件應用訪問資源的適配器技術，直接采用網格中間件GT4(Globus Toolkit 4),利用GT4的內置適配器對PBS、LSF、SLURM等任務調度器進行適配。

(3)已搭建的工業設計仿真云平臺結構復雜，均以層次結構分塊實現。Kim等[6]提出了一個具有大自由度的線性結構分析系統，系統具有三層結構，并以“tachyon”超級計算機作為有限元計算的并行求解平臺。遲學斌等[7]描述實現了一種網格中間件SCE(super computing environment,超級計算環境),該軟件的體系架構分為前端服務、系統服務和HPC資源三層。張仙偉等[8]根據網格高性能計算環境下并行計算的需求，設計了一個可運行在網格上的GPCS(grid HPC-based parallel computing system,高性能計算平臺上的并行計算系統)。

(4)國內正努力基于超級計算機自主研發工業設計仿真云平臺中間件。張洪武等[9]已經研發自主的面向CAE工程與科學計算集成化軟件平臺SiPESC。國家超算濟南中心基于“神威藍光”超級計算機正在研發基于超級計算的工業設計資源中心技術開發與集成技術平臺,其中就包括該平臺的中間件軟件。

為充分利用超級計算機的計算資源、降低用戶使用的難度、促進在各種行業的應用，國內外都在研究構建基于Web的面向CAE或其他行業應用的門戶系統，并且都使用中間件軟件來屏蔽超級計算機任務調度器、操作系統的差異，采用的中間件技術各有差異，有的是采用開源軟件組合，有的是采用網格中間件，有的提出了模型并進行了少量的試驗。但普遍由于CAE軟件品種繁多、接口復雜，集成的CAE軟件品種不多，并且在國內還未見基于“天河一號”超級計算機的工業設計仿真云平臺中間件出現。

現階段，需要先行研發出具有自主知識產權、能適配“天河一號”甚至更多超級計算機的工業設計仿真云平臺中間件軟件，再考慮如何以網格形式進行資源整合。

2　中間件架構設計

2.1仿真云平臺總體設計

超算集成平臺的總體架構設計如圖1所示，該平臺分為前端系統、中間件系統、集群端系統三個部分。前端系統負責與用戶交互。中間件系統進行CAE軟件集成,屏蔽異種集群、CAE軟件的差異,為云計算環境下的“超算集成平臺”前端系統提供統一的接口，支持各種工業設計仿真的大規模并行計算需求，進行作業的提交和監控，并將計算結果返回給前端系統顯示,支持對計算資源(包括CAE軟件License)的管控,支持協同仿真的業務流程組合。

圖1　平臺總體架構設計

2.2中間件系統設計思想

中間件系統采用SOA架構設計，將各種功能組件封裝為Web Service供前端系統使用，形成系統集成與通信的接口；采用XML作為通信報文，使用XML Schema進行數據校驗；在報文內部標簽中約定某個標簽來描述目標功能模塊及安全認證要求，從而進行路由配置，在代碼中實現報文加解密及路由分發功能；使用Spring作為Web Service組件對應用的JavaBean管理容器，借助AOP(aspect-oriented programming,面向方面的程序設計)編程思想,形成簡單易配的業務流程處理機制。

我們面對的計算機集群主要是Windows集群和Linux集群(“天河一號”超級計算機)2種，針對不同的目標集群需要由中間件系統來生成不同的作業與資源管理指令批處理腳本，再由中間件向目標集群提交執行，在執行過程中監控并取得中間和最終計算結果。為及時調度干預計算作業，可通過中間件獲取集群中各種資源的狀態及使用情況，資源主要包括計算節點、CPU/GPU、CAE軟件License等。

2.3中間件體系架構

超算集成平臺的中間件就像一條ESB(enterprise service bus,企業服務總線)總線,其他的系統以可插拔的方式掛接在上面，通過Web Service進行交互式處理，有同步和異步兩種數據交換方式。在ESB總線上，以開源的Tuscany作為SOA架構基礎支撐軟件。Tuscany的SCA(service component architecture,服務組件架構)容器與Spring的IoC容器相互配合，進行構件的裝配，如圖2所示。

圖2　中間件容器配合

SCA容器可進行組合構件(composite)和構件(component)的裝配，但構件的最終實現由Spring Bean來實現,因此Spring是實際上的構件工廠，并以單例的方式提供多線程的構件服務,從而擴展Tuscany的構件裝配能力和構件功能范圍。

ESB總線的架構如圖3所示。中間件通過Spring集成的Quartz作為任務調度器，以很小的時間片(不大于5 s)觸發啟動一個進程的線程,分別有作業監控、作業提交、資源監控、License管理4個進程，Spring作為組件的容器成熟穩定，使進程之間相對獨立，線程之間互不影響，以提高中間件系統的并發處理能力。

圖3　ESB總線的總體架構

Spring可使用@AspectJ、Schema等方式來配置AOP的情況，在配置中明確目標對象是以切面形成的連接點,以及針對這些連接點的增強,中間件各連接點配置的增強為前置增強和后置增強，以作出一些可供共享的通用處理功能，如日志記錄、權限檢查、報文加密、報文解密等。

3　關鍵技術

在超級計算云環境下，研制工業設計仿真云平臺中間件的主要目的是讓用戶在互聯網環境下可以簡便地使用海量的計算資源來進行工業設計工程應用，而需要大規模并行計算的情形主要就是針對CAE軟件的求解器計算應用,在“天河一號”超級計算機上是以一個作業來對應一個求解器計算任務的，因此首先需要考慮集群環境下的作業狀態是如何轉換的，在引入本文所研制出的中間件后又是如何轉換的；其次就是要考慮如何來提交作業，以及如何監控作業執行的情況并指出在什么情況下作出什么樣的處理。下面以工業設計仿真云平臺中間件軟件中的作業狀態轉換功能為例進行分析。

3.1SLURM作業狀態控制

作業是超級計算機進行調度的基本單位,常用的調度器軟件主要有LSF、SLURM等。“天河一號”超級計算機主要使用SLURM。作業在提交給SLURM后,將經歷一系列的狀態,如圖4所示。

圖4　作業狀態轉換圖

作業提交給SLURM后,即進入Pending狀態,Pending表示作業在隊列中排隊,等待分配資源;作業被SLURM分配資源后進入Running狀態；用戶將Running狀態下的作業掛起，則釋放資源，讓出CPU，進入Suspended狀態，但內存并不釋放；作業運行結束轉為Completed狀態；作業運行失敗轉入Failed狀態；作業在Pending、Suspended或Running狀態時被取消則進入Canncelled狀態；如果作業在運行超出了請求的運行時間則進入Timeout狀態；如果分配給作業的節點出現故障，且作業提交時沒有指定節點故障容忍參數，則轉入Nodefail狀態。

3.2中間件作業狀態控制

“天河一號”超級計算機通過SLURM調度器調度求解作業，提交作業之后的狀態由SLURM調度器控制，在此基礎之上需要對狀態進行重新封裝和控制，要考慮解決以下問題：

(1)用戶以Web方式提交工業設計仿真計算作業，中間件要根據用戶Web方式提交的作業需求來自動向“天河一號”超級計算機提交作業。

(2)作業提交后作業狀態交由SLURM調度器控制，中間件要以較小的時間片(不大于5 s)不間斷地輪詢SLURM以獲取作業提交后的狀態,并作出相應的處理。

(3)考慮計費功能、網絡與軟件故障處理,需要適當增加作業的控制狀態。

(4)由于SLURM調度器內的作業狀態有可能跳轉很快而在中間件的時間片中監控不到，在中間件的作業狀態上允許非人為干預下的跨狀態跳轉。

根據以上情況，中間件軟件設計的作業狀態轉換情況如圖5所示。

圖5　中間件軟件設計的作業狀態轉換情況

中間件并不修改SLURM的源代碼來控制作業的狀態，而是集成SLURM后在SLURM原有狀態控制功能的基礎上進行狀態轉換的改進。根據SLURM調度器中的作業狀態模型和中間件調整后的作業狀態模型的對比情況，對狀態轉換作了以下調整：

(1)為讓用戶通過前端系統可將新建作業刪除而增加了Deleted(被刪除)狀態，但作業一旦通過前端系統提交則不允許再行刪除。

(2)增加了Waitcommitted(等待提交)狀態。在前端系統中提交作業后就進入Waitcommitted狀態；如果通過中間件的作業提交線程提交作業成功，則轉為Pending狀態；如果作業提交失敗，則重試，重試3次仍提交不成功置為Failed狀態，在失敗原因中注明原因是作業提交失敗。

(3)作業提交后交由SLURM管控作業狀態，但中間件的監控進程通過Linux命令在每個時間片的線程中得到作業的狀態并更新，因此會引入非人為干預情況下的跨狀態跳轉情況，增加了從Pending跳轉到Failed、Completed狀態的轉換關系，以及從Suspended跳轉到Failed、Completed狀態的轉換關系。

(4)取消了原來的Timeout和Nodefail狀態，合并到Failed狀態，但在Failed狀態的失敗原因中注明是什么原因。

3.3作業提交功能設計

作業提交功能的設計思想如圖6所示，提交的過程如下：

圖6　作業提交功能設計思想

(1)以Spring集成的Quartz作為時鐘觸發器，時間片到時觸發作業監控提線程查詢作業隊列中狀態為“Waitcommitted”的作業。

(2)根據作業所需要的求解器類型與版本、模型文件和指令文件的情況、所需計算資源的情況等來綜合生成腳本文件。

(3)調用腳本文件生成器的接口來通過SFTP程序將模型文件和指令文件、腳本文件傳到“天河一號”超級計算機上。

(4)、(5)生成執行腳本文件的指令通過指令執行通道執行提交批處理作業指令。如果提交成功得到作業的ID號，將作業狀態變更為“Pending”；如果提交失敗，將作業狀態變更為“Failed”。

以上過程中的狀態轉換工作均由作業狀態轉換器來完成，如果發生異常則置作業狀態為“F”，并記錄失敗原因。

以作業提交進程時間片到時線程執行的程序設計思想為例，算法思想描述如下：

//得到一個新的作業

NewJob newJob=SelectANewJob();

//如果作業的執行集群為“天河一號”

if(newJob.object equal‘天河一號’){

//生成作業提交腳本文件

GenerateCommitScriptFile(newJob);

//置作業上傳次數為0

newJob.uploadCount=0;

//用戶作業預扣費

boolean moneySuccess=PreMoney(newJob,user);

//如果預扣費成功

if(moneySuccess){

//上傳并提交作業

UploadAndCommit(newJob);

}else{

//修改作業狀態為“Failed” ，并設置失敗原因

ModeJobStatus(newJob,'Failed','用戶賬上余額不足');

}

}

//上傳并提交作業功能

void UploadAndCommit(newJob){

//記錄作業上傳次數

newJob.uploadCount++;

//如果已經上傳3次

if(newJob.uploadCount>3){

//作業狀態為'Failed'，并設置失敗原因

ModeJobStatus(newJob,'Failed','作業文件上傳失敗');

//返回用戶作業預扣費

ReturnMoney(newJob,user);

return;

}

//通過文件傳輸通道上傳作業指令文件、模型文件及其它文件，返回是否成功標志

booleanuploadJobFilesFlag=UploadJobFiles(newJob);

//通過文件傳輸通道上傳作業提交腳本文件

Boolean uploadScriptFileFlag

=UploadScriptFile(newJob);

//如果上傳成功

if(uploadJobFilesFlag and uploadScriptFileFlag){

//通過以批處理方式提交作業，返回是否成功

boolean commitFlag=CommitJob(newJob);

//如果提交成功

if(commitFlag){

//修改作業狀態為'Pending'

ModiJobStatus(newJob,'Pending');

}else{

//修改作業狀態為“Failed”,并設置原因

ModiJobStatus(newJob,'Failed','作業提交失敗');

//返回用戶作業預扣費

ReturnMoney(newJob,user);

}

}else{

//利用遞歸方法再次上傳和提交作業

UploadAndCommit(newJob);

}

}

4　工業設計仿真實例

下面以火星著陸多室連通氣囊ANSYS/LS-DYNA有限元分析計算的前處理、求解計算、后處理[10]為例進一步說明中間件的應用。

4.1火星著陸多室連通氣囊幾何模型及有限元模型的建立

火星著陸多室連通氣囊緩沖裝置示意圖見圖7a。在該氣囊緩沖裝置中，總共有A、B、C、D 4個完全對稱的氣囊子系統，四面體探測器的每個面通過法蘭與4個氣囊子系統相連,這樣探測器就被包裹在這4個氣囊子系統中。氣囊子系統A示意圖見圖7b,由A1～A6總共6個直徑相同的球囊組合而成,其中3個角上的球囊A1、A3和A5被稱為角囊，中間位置球囊A2、A4、A6被稱為中間囊,角囊和中間囊之間的隔膜上有通氣孔進行連接，可以使得氣體在氣囊子系統內部自由流通。在該多室連通氣囊系統中，氣囊子系統C的中間囊上有3個通氣孔分別與相鄰的氣囊子系統A、B、D的中間囊相連。在探測器著陸沖擊過程中，氣囊子系統C在減速傘相對的下端，所以其最先受到沖擊，其內部氣體受到探測器壓力作用經過通氣孔被擠壓到氣囊子系統A、B、D中[10]。

(a)整體結構示意圖　(b)氣囊子系統A圖7　火星著陸連通多室氣囊緩沖裝置

根據上述幾何結構及圖8所示結構尺寸,建立了火星著陸多室連通氣囊緩沖系統的有限元模型,如圖9所示(Dbag= 1058 mm)。其中,采用LS-DYNA的*AIRBAG_INTERACTION定義氣囊之間的連通,氣囊子系統與火星探測器之間的連接法蘭一側與氣囊節點重合，另一側與剛性探測器節點從屬。每個球囊均采用控制體積法來計算其內部氣體的熱力學參數。球囊的單元為Belytschko-Tsay膜單元,單元在厚度方向的積分點個數為3,在面內采用單點積分。火星探測器和地面的單元均為Belytschko-Tsay殼單元,單元在厚度方向的積分點個數為2,在面內采用單點積分。球囊的材料本構模型為LS-DYNA的MAT_FABRIC,火星探測器和剛性地面的材料本構模型均采用LS-DYNA的MAT_RIGID。在接觸計算中，采用自動面面接觸算法來計算球囊與火星探測器以及球囊與剛性地面之間的接觸。

圖8　火星著陸多室連通氣囊緩沖裝置尺寸圖

圖9　火星著陸多室連通氣囊緩沖系統有限元模型(Dbag =1058 mm)

在緩沖著陸過程中,探測器與多室氣囊一起以20 m/s的初速度沖擊到火星表面上，著陸初速度與豎直方向的夾角為α,在有限元模型中采用LS-DYNA的INITIAL_VELOCITY來實現。為模擬火星重力環境，在有限元分析中設置環境重力場g=3.76 m/s2,火星的表面大氣壓力為650 Pa。

4.2求解計算

用戶使用工業設計仿真云平臺進行火星著陸氣囊的有限元碰撞分析計算,從提交作業到取回計算結果的完整流程如下。

(1)用戶通過超算集成平臺門戶新建一個LS-DYNA作業,設置好相應的參數和輸入文件,如請求的CPU數量、內存數量等，保存并提交作業。

(2)中間件的作業提交線程獲取到狀態為“Waitcommitted”狀態的作業列表,其中就包括名為“火星著陸氣囊”的作業，生成作業提交腳本文件shield.sh,這個文件實際上是一個腳本文件，其核心的算法思想如下：

#得出需要的結點數量

int nodenum=0;

#“天河一號”每個結點2個CPU，每個CPU擁有8個核

# processnum為用戶請求的并行數

if(processnum%16==0)

nodenum= processnum/16;

else

nodenum= processnum/16+1;

#得出空間的結點列表

Node idlenodelist[]=new Node[nodenum];

int j=0;

for(int i=0;i

if(j== nodenum) break;

if(cn[i] is idle) idlenodelist[j]=cn[i];

}

If(j< nodenum) return 0;#資源數量不足

#執行并行計算

lsdyna145 -dis -machinesidlenodelist[0]:2…

idlenodelist[idlenodelist.length-1]:2

i=kfilename pr=dyna

接下來通過文件傳輸通道把腳本文件、待求解的火星著陸氣囊模型文件上傳到“天河一號”的計算指定目錄下，再通過指令通道執行批處理指令，如下所示：

sbatch shield.sh

執行后如果成功則將作業交由SLURM進行調度，待所有資源需求滿足后,SLURM調度器會調度相應LS-DYNA軟件進行加載求解。

(3)在作業運行過程中,用戶可以通過門戶系統的作業監控模塊隨時了解作業當時的運行狀態,監控的狀態來源于中間件的作業監控線程采集的作業數據。在作業狀態發生改變時，用戶可通過門戶查看和下載本次求解計算生成的中間或結果文件，這些文件由中間件的作業監控進程下載得到。

(4)下載得到火星著陸氣囊的有限元碰撞分析結果后，將下載得到的文件導入到Windows下的LS-PREPOST軟件中即可得到所需的計算結果。

5　下一步研究工作

(1)集成更多的主流CAE軟件，如Fluent、ADINA、Nastran等；集成其他調度器軟件,如LSF。

(2)解決在線后處理問題。雖然現有平臺可以Web方式在線下載計算結果文件，但由于計算結果文件尺寸較大，常達GB數量級，用戶下載時間較長，可考慮采用VNC(virtual network computer,虛擬網絡計算機)方式使用戶可直接以Web方式在線查看和分析計算結果，從而免去下載計算結果的步驟。

(3)基于工作流模型進行多學科聯合仿真及其在工業設計仿真云平臺上的實現，可先從單學科CAD、CAE軟件的集成，單CAE軟件多學科聯合仿真與優化分析開始，再進一步研究多學科多軟件集成聯合仿真。

(4)多超算中心工業設計仿真云平臺的網格化處理及中間件的網格化研究。現有研發的平臺體現了用戶以簡單的方式使用云資源的優點，但尚不能利用網格資源，可考慮多超算中心聯合研發、構建計算資源網格中間件，從而通過平臺可以使用異種超級計算機的計算資源。

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(編輯袁興玲)

Research on Middleware of Cloud Platform for Industrial Design and Simulation on “Tianhe No.1” Super Computer

Deng Ziyun1，2Zhang Jing1，2Liu Yangbing1，2Xiao Jiuru1

1.Hunan University,Changsha,410082 2.National Supercomputing Center in Changsha,Changsha,410082

A cloud middleware was developed as a core component of the cloud platform for industrial design and simulation which was built on the “Tianhe No.1” super computer.The middleware integrated a large number of CAE software,including SLURM job scheduling software,License management software,and computing resource management function,etc.The whole framework of the cloud platform for industrial design and simulation,and the architecture of the middleware software were designed.Key technical problems including operational state transition,job submission etc,were investigated and solved,the cloud platform and the middleware software were developed for applications on the statics analysis of the shield machine.An experiment for the collision analysis of the Mars landing airbag was carried out on the cloud platform by using the middleware.The results show that,it is convenient to use “Tianhe No.1” super computing resources by way of the middleware in the cloud platform for industrial design and simulation.

“Tianhe No.1” super computer;middleware in cloud platform for industrial design and simulation; architecture;design thought;key technology;simulation experiment

2012-02-04

國家科技支撐計劃資助項目(2012BAH09B02)；長沙市重大科技專項資助項目(K1204006-11-1)

TP311.52< class="emphasis_italic">DOI

：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.06.011

鄧子云,男,1979年生。湖南大學電氣與信息工程學院博士研究生、教授、高級工程師。主要研究方向為HPC、物流信息技術。章兢,男,1959年生。湖南大學電氣與信息工程學院教授、博士研究生導師。劉楊兵,男,1985年生。湖南大學信息科學與工程學院碩士研究生。肖久如,男,1989年生。湖南大學機械與運載工程學院碩士研究生。