企業私有云計算平臺建設在建筑設計院的應用探討

陳 剗, 徐兆旭, 侯 晉

(成都市建筑設計研究院，四川成都 610015)

[定稿日期]2017-12-25

1 問題的提出

自從19世紀90年代個人電腦的興起以及計算機輔助繪圖軟件、計算軟件等的迅速普及，對建筑設計人員的工作模式帶來了革命性的變化。這種變化極大地提高了工作效率，解放了生產力，也使得設計行業的產能得到爆發式增長，滿足了近20年來國家建設迅速增長的需要。但是，近年來隨著各式應用軟件對計算機硬件資源消耗的不斷提高，同時也隨著設計協同工作模式、企業管理模式對信息化建設標準的提高，過去那種人手一臺個人電腦的工作模式的弊端給企業管理和決策上帶來了如下困境：

1.1 個人電腦更換和管理成本

個人電腦主機使用壽命一般在3～5 a(平均為4 a)即會因計算速度和存儲容量的原因面臨更換。更換電腦除了采購成本，還有新裝軟件和資料轉移的時間成本。同時，個人電腦因位置分散、以及使用者習慣等各種原因而難以得到有效管理，這就增大了IT人員的維護成本。

1.2 計算機資源需求與分配不均衡導致的資源浪費

設計過程中，因為有三維渲染、動畫制作等需要，企業或部門會為其配置高性能個人電腦。此類電腦難以成為公用資源，而私人對高配置資源的使用不是長時間的，這就有資源上的浪費。我院近幾年花費了近百萬元，共計采購了50余臺高性能個人工作站，分配在一些部門的個人手上，實際上并未得到有效使用。

1.3 網絡版軟件資源的浪費

企業經常使用的各類正版專業應用軟件，常常購買網絡版，而所購買的授權使用數量(以下簡稱“授權數”)一般都小于需要使用該軟件的人員總數。當授權數被占滿時，信息化部門僅能看到是被誰占用的，看不到其是否正在使用該軟件。往往因占用者忘記退出而其他使用者又不能使用，造成資源浪費并阻礙了生產的正常進行。

1.4 存儲安全風險

設計人員養成了將相關資料存儲于個人電腦中的習慣。這有兩方面的風險：一是一旦電腦主機或硬盤有損失，資料不易挽回；二是需要受控的保密類資料得不到有效管理，也有安全上的風險。

1.5 企業發展瓶頸

中華人民共和國住房和城鄉建設部組織編制并于2016年8月發布了《2016-2020年建筑業信息化發展綱要》(以下簡稱“十三五綱要”)，其中明確提及了對BIM技術的使用要求，購買并配置其相關軟、硬件和管理平臺勢所必然。而BIM所使用的相關軟件和管理平臺，都是極其耗費計算和存儲資源的，并且其費用也不菲。部分設計類企業為此專門成立了BIM研究中心，花巨資為該中心配置人手一臺性能極高的個人工作站。但是要想在企業內部全員推行BIM設計，就面臨是否應該全員配置個人工作站，這顯然不可能。這就給管理者帶來了決策上的挑戰。

企業面對上述諸多難題，一直在試圖尋找好的解決方案。隨著云計算技術的日趨成熟和市場普及，這就引起了管理者的關注。

2 云計算相關知識

2.1 云計算的概念

對云計算的定義有多種說法，對于到底什么是云計算，至少可以找到上百種解釋。作為建筑設計類企業的信息化管理者，我們愿意接受的定義為：“云計算是一種以數據和處理能力為中心的密集型計算模式，融合了多項信息通信技術，是傳統技術不斷演進優化的產物”。云計算不屬于傳統信息技術的革命性更新，而是屬于思維和商業模式的轉變。

2.2 云計算的核心技術

云計算融合了多項傳統信息技術，主要以虛擬化技術、分布式存儲技術、分布式資源管理技術、信息安全技術和綠色節能技術最為關鍵。

2.2.1 虛擬化技術

虛擬化技術是云計算最為重要的核心技術之一，為云計算服務提供基礎架構層面的支撐，也是企業傳統信息服務平臺轉型云計算的最主要驅動力。按照虛擬主機類型區分，虛擬化技術分為服務器虛擬化與桌面終端虛擬化。按照應用模式區分，虛擬化技術分為兩種，一種是將性能強大的一臺服務器虛擬為多個獨立小服務器，另一種是將多個服務器虛擬為一臺性能強大的服務器。

2.2.2 分布式數據存儲技術

為了確保數據的安全性，云計算通常采用分布式存儲技術，將數據分散存儲于不同的物理設備，數據副本分散存儲，互為備份。分布式存儲技術擺脫了硬件的限制，同時擴展性相較于傳統集中式存儲更為強大和靈活，隨時可以根據用戶需要擴展存儲空間。

同時，分布式存儲利用多臺存儲服務器分擔存儲負荷，不但提高了系統可靠性和可用性，還極大提高了數據的存儲效率。

2.2.3 分布式資源管理技術

云計算通常采用的分布式存儲技術，相應的云計算也對應分布式資源管理技術。在多節點并發處理的環境中，單一節點故障不會影響整個平臺的正常運行。

2.2.4 信息安全技術

采用虛擬化技術的云計算平臺，在信息安全上有著先天的優勢，云計算平臺在物理上數據分散存儲于不同的物理服務器，最大程度上確保數據的存儲安全；邏輯上數據集中存儲于虛擬存儲器，對于用戶而言所有的數據均存儲于一個數據存儲區域，可以根據企業需要靈活設置數據訪問權限，拒絕非授權的用戶訪問和惡意竊取。同時，在云計算平臺網絡邊界部署的安全設備，可以根據企業需求定義訪問控制列表，最大限度保護云數據安全，防止來自外部網絡的惡意攻擊和數據竊取，進一步強化云平臺數據安全。

2.2.5 綠色節能技術

云計算平臺在大幅提高設備資源利用率的同時，節約大量能源。以虛擬化技術為依托，云計算平臺可以使硬件資源利用率最大化，降低硬件資源的閑置率。

2.2.6 企業私有云

在這里不去贅述它與公有云的概念與區別，而是想說明由于建筑設計企業的性質主要是文件生產，有大量的設計文件需要內部交互、存儲和有效控制，以及對安全性有很高的要求。而私有云的核心屬性是專有資源，因此我們選擇建設自己的企業私有云。

3 云計算在我院信息化建設過程中的優勢

3.1 靈活的資源分配帶來高效的軟、硬件資源使用率

云計算的VDI技術，可以根據用戶需求，靈活的為不同用戶分配不同的計算資源。如普通二維設計人員，可以分配較低的計算資源，三維設計人員，可以分配較高的計算資源。而在采用并行資源配置方式時，可以進一步提高資源利用率，例如三維設計人員需要建模和渲染的人員為50人，而在同一時間段建模和渲染的用戶只有10人，那么可以在云計算平臺中只分配10個用戶的高性能計算資源，有效降低系統資源的空置率。同時，用戶發現已有資源無法滿足工作需要時，可直接申請增加資源，無需新增采購硬件設備。由此可見利用云計算的桌面虛擬化技術，可以實現靈活的分配、調整硬件資源，能夠有效避免軟、硬件等資源的浪費。

3.2 統一的終端用戶管理

采用云計算的VDI(桌面終端虛擬化)技術，可以自定義用戶桌面模板，統一安裝操作系統版本，統一管理應用軟件，限制用戶使用權限，實現所有終端用戶系統的統一化和標準化。

同時，云計算利用其方便的統計和計費功能，不但能夠適時觀察到安裝于其服務器上的各類應用軟件使用情況，諸如授權數占用數量以及占用者是誰，還可以方便地觀察到占用者在近期一個時間段的實際使用情況。當發現有終端占用授權數而并未使用相應軟件時，可以通過策略安排限時中斷其與云計算的連接，把相關資源省略下來供給其他有使用需求者。這樣就更方便于各類應用軟件網絡版的使用和管理，這也是云計算實現資源合理使用的優勢。

3.3 可伸縮彈性架構

由于采用了分布式資源管理技術，云計算平臺具有強大的可伸縮彈性架構。在用戶數量較低時，可以部署少量計算節點用戶滿足用戶需求，當用戶數量增加時，只需增加節點數量，即可增加云計算平臺的計算、存儲和網絡資源，實現系統的平滑橫向擴展。

3.4 無限制的實時處理能力

采用云計算平臺，所有終端用戶的計算資源、數據存儲均在后端服務器上運行，與用戶的前端設備性能無關，只要網絡可達，用戶即可在任意時間、任意地點、任意工具訪問云計算平臺并獲取計算資源。

3.5 綠色節能與資源節約

云計算改變了傳統的工作模式，由傳統的多終端計算集中式存儲轉變為云計算云存儲，通過云端強大的整合計算能力，客戶終端無需配置或者使用較低配置的計算資源即可處理復雜的計算任務。

如設計人員采用VDI技術，用戶端使用現有計算機或瘦客戶機，利用VDI技術在云端進行設計、建模、渲染、算量等操作。而在采用瘦客戶機的模式下，更可以節省大量電力資源。如一臺PC機功耗約為350 W，而一臺瘦客戶機的功耗僅為60 W，節省電力資源80 %，大大降低企業的能源消耗。

3.6 降低IT運營管理成本

在傳統工作模式下，每臺終端計算機的維護都需要IT人員到用戶端進行處理，當多臺計算機同時出現問題，IT部門工作量將超出人員工作負荷，無法及時響應用戶需求，也無法迅速有效的處理終端故障。

如采用VDI(桌面虛擬化技術)，每一個用戶的虛擬桌面都為標準化自定義桌面，操作系統、應用軟件都根據實際需求在服務器管理端進行統一配置和管理，并實現快速的系統部署和恢復，大大縮短維護時間，提高IT部門的工作效率，降低重復工作量。

3.7 降低企業TCO

與傳統信息系統建設模式相比，云計算在初期的投資略高于傳統模式，而從長遠建設來看，云計算平臺能夠顯著降低企業TCO。

由于終端計算機平均更新周期為4 a，那么從任意時間算起，4年內全院個人電腦主機就需要全部更換一遍。而云計算初期投資約為終端計算機方案的1.5倍，但其平均使用壽命為至少為8～10 a。加之瘦客戶端耗電遠小于終端計算機，故而從8 a及以上的時間段來看云計算投資回報率遠高于采購終端計算機。

3.7.1 有效降低硬件投資

在傳統信息化建設模式下，每一類信息化應用均需要采購獨立的硬件服務器以提供相應服務。而每一類應用的系統負荷不同，往往會出現采購的高性能服務器用于低負荷應用，如8核16線程、16 G內存的標配服務器僅運行web服務，超過90 %的系統資源會被浪費。

而在云計算模式下，眾多物理服務器組合為邏輯上的資源池，根據應用的資源負荷動態分配系統資源。既可以整合多臺物理服務器為高負荷應用提供資源，也可以將單臺物理服務器分割為多臺低性能虛擬服務器為低負荷應用分配資源。

比如，云計算可以為建筑專業渲染使用的高資源需求軟件諸如Lumoin、Skethup和犀牛等先按照預計的使用頻率劃分出專用模板，讓有需要者都可通過登錄進行使用。同時還可以隨時根據使用者數量的增、減靈活調整配置，使得資源池既能滿足使用要求，又不至于長時間閑置浪費。

3.7.2 降低終端計算機投入

在VDI模式下，用戶的計算、存儲資源全部由服務器提供，與本地計算機無關。個人電腦哪怕已經超過使用年限，只要可以開機，就無需淘汰和更換。當服務器負荷過高和用戶資源增長較大時，只需增加云計算服務器節點和升級節點配置即可。

3.7.3 降低軟件授權費用的投入

傳統信息化模式中，軟件費用按照用戶數量進行配比和采購，而每個用戶并非一直在使用相關軟件，因而造成軟件授權的浪費。

在VDI模式中，可以根據用戶的使用數量配置并發用戶數(即單位時間內同時使用軟件的用戶數量)，用戶根據需求登錄云計算平臺使用授權軟件。

在云計算VDI模式下，可以根據用戶需求計算并發用戶數量，建立相應的專用虛擬桌面，用戶根據需求登錄專用虛擬桌面即可使用，有效降低軟件采購數量和成本。

4 云計算平臺在我院的采購和部署情況

云計算雖然有諸多好處，且其投資相比較于購買個人終端，在4～8 a甚至更長時間一定是劃算的，但是其初期投資的確比較高。那么該筆費用投入的時間點給企業決策者帶來了考量。最后實際上是“十三五綱要”對BIM的要求促使領導班子下定了決心。

針對市面上幾款成熟的云計算平臺產品，經過慎重篩選及長達一個月的試用和測試，再經認真比選后，我院采購部署了6臺華為的“RH2288H V3超融合服務器”。該配置能夠為我院提供96個點的重載用戶并發，而僅有輕載用戶的話，幾乎可以滿足全院生產和管理需要。

該設備三臺及以上組網后，可以在單一物理設備宕機時不影響VDI用戶使用，同時由于采用了高可用存儲架構，任意服務器損壞、硬盤損壞均不會破壞數據存儲安全；支持硬盤熱插拔，任意硬盤的熱插拔過程均不會引起數據錯誤、系統停機，不會破壞數據存儲安全。

云計算部署還支持和控制對外設的使用、支持日志管理、實時監控、報表及計費。

5 云計算平臺在我院部署后的運行情況

2017年初云計算平臺在我院部署成功后即開始運行。目前主要對生產部門開放使用權限。我們初期將虛擬桌面分為重載和輕載兩類，其中重載用戶主要針對BIM設計，并支持建筑專業的渲染、動畫軟件使用。而輕載用戶除了裝載傳統的二維設計相關軟件外，我們把一些使用時間不太長(約1～3天)，但資源消耗稍大的建筑專業軟件如犀牛、Lumoin、Skethup和結構、暖通等專業的網絡版計算軟件進行了裝載。

經過近一年的運行，基本上達到了預期效果。全院利用云計算平臺資源進行了600余人次的BIM培訓，共計有318人使用了云計算平臺。按照我們通過統計和預測而自行設定的硬件資源計費單價(CPU：0.3元/個·小時、內存：0.2元/G·小時、硬盤：0.1元/G·小時)。2017年部署完成后通過三個季度的統計，共計為全院提供了價值33萬余元的應用服務。

運行過程中，IT部門人員得到設計人員因超過授權數原因不能登錄某計算軟件的信息，通過查詢發現有占用授權而處于待機狀態的個別用戶，于是在通過電話確認后將其強行下線，將授權重新分配給有需求用戶。后來通過調整云平臺運行管理策略，將長時間占用云計算資源而并未有效使用的用戶強制下線，這就有效分配和使用了有限資源。而且通過集中管理，可以方便統計使用情況，也為將來各類網絡版軟件采購或升級時確定準確授權數，避免投資浪費提供數據支持。

設計部門因項目需要使用犀牛、Lumoin、Sketchup等高消耗資源的軟件，可以由IT部門給其分配好相應的高性能桌面，使用者直接用其賬戶登錄云計算平臺即可。既節約了采購成本，也避免了部門領導將高性能個人工作站分配給誰的尷尬。

云計算的部署使得設計人員、業主方、施工方等進行基于用BIM平臺設計的項目的交流也十分方便。設計人員只需要攜帶普通筆記本電腦，甚至使用手機、Pad登移動設備，即可在現場或者會議室等地方通過網絡訪問自己的虛擬桌面，在后端服務器上調用項目，和各方進行交流。也可以給業主方提供我院云平臺賬號，在授權范圍內供其登錄查看相關項目的信息。

6 未來我院基于云計算平臺的信息化建設工作展望

我院成功部署并運行云計算平臺后，其先進性、便捷性，將助推我院信息化建設的工作。在我院未來1-3年的信息化建設中，云計算平臺將作為我院信息化平臺建設最為重要的基礎。同時，我們也要在此基礎上繼續挖掘潛力，使之發揮更多優勢。

6.1 利用云計算平臺加強專業軟件使用的精細化管理

基于桌面虛擬化技術，IT人員可以監控到云計算平臺的占用情況，但是對于專業軟件還不能精確監控。未來我們打算依托云計算平臺部署應用虛擬化技術，將購買的所有專業軟件全部納入應用虛擬化范疇。這樣一是有效避免終端計算機計算能力不足的問題，二是結合云計算平臺計費系統精確統計每一款專業軟件的使用率、使用時長、使用人等，為專業軟件的采購提供更加有效的數據支撐。

6.2 利用云計算平臺優勢打造企業私有云數據中心

為響應國家“十三五信息化發展規劃”，我院近年來加大了信息化基礎建設的投入，但由此也帶來基礎建設成本的急劇增加。

在以傳統數據中心建設的模式下，服務器、存儲、網絡設備、備份系統等設備設施均為獨立采購，然后進行系統集成，眾多設備的安裝，導致我院數據中心的承載能力已接近上限，電力負載、空調負載、設備空間等均已無法承擔進一步的建設。

為此，我院在未來數據中心建設的規劃中，計劃以現有云計算平臺為核心，建設我院私有云數據中心。

利用云計算平臺強大的彈性架構，實現無縫擴展計算資源、存儲資源以及網絡資源，而無需額外采購昂貴的存儲設備。

利用云計算平臺高效的分布式資源管理技術，實現負載均衡、冗余備份等功能，而無需采購負載均衡設備、備份設備等。

以云計算平臺為核心的數據中心，將實現數據中心的小型化。利用云計算平臺的資源動態調配技術，在空閑時段將應用服務動態調配至云計算平臺的一個或幾個節點，其他節點可自動關閉或休眠，進一步降低數據中心的能源消耗，實現綠色節能與資源節約，同時也間接降低了我院運營成本。

7 結束語

云計算技術是一項業已成熟的技術，各行各業基于云計算的使用范圍也在不斷擴大。建筑設計院立足于自身特點建立企業私有云，能夠有效分配、管理和維護企業的軟、硬件資源，實現企業信息化建設和財務的雙贏，并能夠契合國家的“十三五信息化發展規劃”。

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