特种设备仿真云计算平台搭建*

彭启凤 周易 黄国健 刘金 陈敏



特种设备仿真云计算平台搭建*

彭启凤 周易 黄国健 刘金 陈敏

（广州特种机电设备检测研究院）

为充分利用高性能计算资源，满足高性能工作站访问与应用的需求，建立一个基于云计算的特种设备仿真分析平台。介绍用于特种设备仿真研究的私有云平台的搭建流程，明确在云平台进行仿真分析的优越性，确定系统自动管理项目及输入管理内容。仿真分析人员能够基于本云平台进行特种设备协作式共同仿真，使建模工作效率提高25%，并保证了用户信息的安全性。

云计算；有限元分析；私有云；协同仿真

0　前言

云计算现已发展为一种被大众广泛接受的计算模式[1]，也是社会普遍关注和研究的热点。而以云基础设施为基础，搭建可提供应用服务的云平台更成为关注的焦点。目前国外已经建立大量各具特色的云平台，其中较为典型的有：Google的云计算平台和云计算的网络应用程序、IBM公司的蓝云（blue cloud）平台产品和Amazon公司的弹性计算云（elastic compute cloud，EC2）[2]等。近几年，我国也建立了一些初具规模的云计算平台。

以上介绍的主要是大型公有云服务，而目前，由于云计算还处于发展阶段，很多技术如安全性、可靠性及监管的可操作性等方面并不成熟，很多企业、高校或研究机构都偏向于构建以现有硬件资源为基础的私有云平台。本文以广州特种机电设备检测研究院现有的工作站及服务器设备为基础建立特种设备仿真云平台[3]。结合特种设备有限元仿真分析工作的特点，集合现有的建模、分析软件，建立云计算分析平台，使仿真工作人员可以在平台上进行协作仿真，也可实现异地即时处理仿真分析工作。

1　平台搭建基础

基于云计算分析技术，以广州特种机电设备检测研究院现有的计算硬件和软件资源为基础，建立特种设备仿真云平台。平台系统构建包括客户端、用户认证服务器、交换机、通信服务器、分析服务器、存储服务器及HPC工作站集群，如图1所示。

云计算服务架构主要为用户提供3个层次的云服务：软件即服务层（software as a service，SaaS），其主要功能是将平台内的应用以基于Web的方式提供给使用者；平台即服务层（platform as a service，PaaS），其功能是将应用开发及部署平台开放给使用者；基础设施即服务层（infrastructure as a service，IaaS），其功能是将平台内的计算及存储资源以服务的形式提供给使用者[4-6]。本私有云平台的搭建实现了大部分人能使用软件即服务层的功能，同时，也可让部分平台使用者能够访问、使用另外2个服务层[7-9]。云平台的构建是将硬件资源和软件资源通过特定的程序处理之后集成一个虚拟化的工作平台[10-11]。

硬件方面，利用现有的工作站和服务器，将工作站作为计算节点及图形节点，将服务器作为高性能计算（high performance computing，HPC）的管理节点，配合大型的存储阵列，以逻辑方式将计算、存储及网络容量组合成虚拟数据中心资源池，将计算中心服务的交付完全抽象化，高效地利用资源池。单位现用的硬件设备不再是孤立的基础架构，而是一个为仿真人员提供相互隔离的虚拟数据的数据中心，如图2所示。

软件方面，集成ANSYS、ALGOR、Maxwell、nCode等相关求解器，通过部署集群计算模块，形成一个统一的高性能计算管理平台，可对各软件中的求解器模块进行统一的调度管理。

内置模块方面，平台包含管理模块及协同模块。管理模块接收仿真工作者提交的任务，由仿真模块将工作任务通过交换机存储在用户数据存储服务器；协同模块根据用户的访问请求，调用相关分析软件，利用该用户提供的模型及数据在分析服务器上进行任务分解，并将分解后的子任务分配给相关的分析人员，各子任务完成后再提交给分析服务器进行整合计算。

2　仿真建模分析任务实现流程

2.1 任务管理及访问

仿真分析工作一般分为模型简化、模型建立、参数定义、计算、结果后处理等过程。仿真工作完成后还需对计算结果进行分析，根据分析结果对原有结构进行改进。传统的仿真分析工作基本以一个人为主完成整个流程，即使分工合作也存在信息交流不及时、模型不匹配、不能实时验证等问题。

由于仿真云平台只为单位内部和特定人员提供私有云服务，所以可最大限度地开放平台使用权限，每位操作人员都拥有1台或多台应用终端，他们有权限管理自己的客户机，包括软件安装、更新，配置更改等。1个计算分析项目可由多人共同进行，允许相关人员及时地参与仿真计算的各个环节，从而保证分析结果的可靠性，也可以提高计算分析效率。

2.2 特种设备仿真云计算平台任务的实现过程

下面从仿真分析计算的流程出发研究仿真云平台架构完成后协同仿真的实现形式。平台任务的实现过程如图3所示。

图3　平台任务实现过程

具体流程为系统接到仿真人员提交的仿真分析需求后，对用户的权限及工作需求进行审核；然后将分析数据存储至存储服务器；接着利用协同仿真模块，结合管理人员的指令将仿真模块分解成若干个子任务，将任务分配至相关建模分析人员进行建模；最后进行模型整合、整体计算、结果输出等。

2.3 实例说明

下面以某类型门座起重机的有限元分析（4人合作完成）为例，说明流程实现的过程。

首先，仿真工作人员将具体建模分析需求、相关尺寸和材料参数输入平台系统；然后由协同仿真模块根据使用人员输入的相关参数分配具体建模任务；不同建模人员收到各自任务后，可随时调用存放于平台中的图纸和相关参数，若图纸发生改变，由任务发起人及具备相关权限的人对总图纸进行修改，修改内容会及时发送到相关人员，以便及时进行模型变更；多位建模人员同时通过各自的使用终端，访问云平台，并在平台上进行建模（图4所示为每个建模人员完成的工作），建模完成后提交至协同模块进行整合，整合完成的模型如图5所示；最后在平台上进行试算、修改、计算、结果输出、讨论等过程。

(a) 臂架(b) 平衡梁 (c) 人字架(d) 圆筒门架

3　应用与讨论

多数情况下，用户的使用仅限于访问的实时性和有效性，而对于基础设施架构、平台的实现处理形式及平台的管理模式并不关心。下面从用户体验的角度对平台应用的便捷性、实时性、可扩展性和协同仿真体验进行介绍。图6为平台使用效果图。

图5 整机组装模型

图6　平台效果图

3.1 便捷性

程序及数据访问的便捷性是搭建本平台最重要的目的。平台搭建完成后，开放外部访问接口，允许仿真工作人员通过任意一个网络终端设备访问本平台，解决了每台仿真工作计算机都需要有高硬件配置且必须安装分析软件的问题。

3.2 实时性

云平台访问需要进行大量数据和图像的传输，对网速有较高的要求，达到无延迟数据处理需要千兆网络终端。运用先进的分布仿真技术/VR技术，实现无延迟的人机交互模式，实现局域网无延迟访问。

3.3 扩展性

通过虚拟机和服务主机集中管理，实现云规模的容量扩充。为有限元分析软件的应用提供前所未有的服务。平台采用动态仿真网格技术，将仿真计算求解器置于平台上，可根据用户使用需求调用计算设备，同时结合管理平台的统计数据，提出扩展需求。

3.4 协同仿真

协同模块允许用户在多个层面实现创新。协作式共同仿真使多位仿真分析工程师可以同时从事同一个产品的分析。同时，协同模块可以将运算过程实时传输到用户端，并实时接收用户访问及数据变更请求。每位用户都能在云中始终保持与单一通用数据库的连接，并且可以访问最新版本的数据。根据其安全和访问权限，所有用户都能随时随地通过任何设备访问数据以完成基本任务，例如管理或审阅模型、参与社区讨论等。协同仿真可以有效提高建模速度。前述模型正常情况下一个人单独完成需要约8个工作日，经过实际操作发现在协同仿真模块的调动下，通过4个人的合作可以在1.5天内完成建模工作（折合总工作时间6天），建模工作效率提高25%。同时有效调动全员的积极性，压缩了建模工作的持续时间，有效保障了仿真工作高效、准确地完成。

4　结语

特种设备仿真云平台的搭建，有效地整合了仿真计算资源，提高数值仿真工作效率，有效提升特种设备安全评估中的数值仿真能力，真正实现了软硬件资源的共享；平台允许多用户同时使用，可实现设备使用者与设计、评估者之间更方便地交流和协作；提高仿真分析工作效率，节约电能消耗，实现仿真办公异地化。还可以促进仿真分析在特种设备安全评估及评价工作中的应用，为特种设备安全管理部门带来切实的利益，也有效保护了特种设备使用单位的资产安全。

参考文献

[1] 吴朱华.云计算核心技术剖析[M].北京:人民邮电出版社, 2011.

[2] 虞慧群,范贵生.云计算技术的应用及发展趋势综述[J].微型电脑应用,2011,27(10):1-3,8.

[3] 彭启凤,黄国健,刘向民,等.特种设备仿真云计算平台构建研究[J].自动化与信息工程,2013,34(5):16-18.

[4] 陈康,郑纬民.云计算:系统实例与研究现状[J].软件学报, 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.

[6] Xun Xu. From cloud computing to cloud manufacturing[J]. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 2012,28(1) : 75–86.

[7] 刘金,黄国健,王新华,等.起重机参数化技术应用研究综述[J].自动化与信息工程,2013,34(5):7-10,24.

[8] 刘金,王新华,齐凯.有限元分析技术在大型起重机金属结构安全评估中的应用研究[J].中国水运,2013,13(10):104-105, 109.

[9] 陈敏,黄国健,吴粤平,等.基于有限元的门座起重机结构强度分析及应力测试[J].自动化与信息工程,2013,34(4):31-34.

[10] 虞慧群,范贵生.云计算发展分析与展望[J].软件产业与工程, 2011(5):15-18,21.

[11] 张伟,解争龙.基于私有云泄漏的攻击方法研究[J].计算机技术与发展,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

彭启凤，女，1987年生，工学硕士，主要研究方向：特种机电设备主金属结构安全评估、有限元仿真分析等。E-mail: pqifen168@qq.com

特种设备科技协作平台科技计划项目（2014SEK002）；广东省质量技术监督局科技项目（20149702）；珠江科技新星专项（2013075）；广州市创新平台建设与共享专项项目（201509010008）。