企业私有云计算平台建设在建筑设计院的应用探讨

2018-03-22徐兆旭

四川建筑 2018年1期

陈剗, 徐兆旭, 侯晋

(成都市建筑设计研究院，四川成都 610015)

[定稿日期]2017-12-25

1 问题的提出

自从19世纪90年代个人电脑的兴起以及计算机辅助绘图软件、计算软件等的迅速普及，对建筑设计人员的工作模式带来了革命性的变化。这种变化极大地提高了工作效率，解放了生产力，也使得设计行业的产能得到爆发式增长，满足了近20年来国家建设迅速增长的需要。但是，近年来随着各式应用软件对计算机硬件资源消耗的不断提高，同时也随着设计协同工作模式、企业管理模式对信息化建设标准的提高，过去那种人手一台个人电脑的工作模式的弊端给企业管理和决策上带来了如下困境：

1.1 个人电脑更换和管理成本

个人电脑主机使用寿命一般在3～5 a(平均为4 a)即会因计算速度和存储容量的原因面临更换。更换电脑除了采购成本，还有新装软件和资料转移的时间成本。同时，个人电脑因位置分散、以及使用者习惯等各种原因而难以得到有效管理，这就增大了IT人员的维护成本。

1.2 计算机资源需求与分配不均衡导致的资源浪费

设计过程中，因为有三维渲染、动画制作等需要，企业或部门会为其配置高性能个人电脑。此类电脑难以成为公用资源，而私人对高配置资源的使用不是长时间的，这就有资源上的浪费。我院近几年花费了近百万元，共计采购了50余台高性能个人工作站，分配在一些部门的个人手上，实际上并未得到有效使用。

1.3 网络版软件资源的浪费

企业经常使用的各类正版专业应用软件，常常购买网络版，而所购买的授权使用数量(以下简称“授权数”)一般都小于需要使用该软件的人员总数。当授权数被占满时，信息化部门仅能看到是被谁占用的，看不到其是否正在使用该软件。往往因占用者忘记退出而其他使用者又不能使用，造成资源浪费并阻碍了生产的正常进行。

1.4 存储安全风险

设计人员养成了将相关资料存储于个人电脑中的习惯。这有两方面的风险：一是一旦电脑主机或硬盘有损失，资料不易挽回；二是需要受控的保密类资料得不到有效管理，也有安全上的风险。

1.5 企业发展瓶颈

中华人民共和国住房和城乡建设部组织编制并于2016年8月发布了《2016-2020年建筑业信息化发展纲要》(以下简称“十三五纲要”)，其中明确提及了对BIM技术的使用要求，购买并配置其相关软、硬件和管理平台势所必然。而BIM所使用的相关软件和管理平台，都是极其耗费计算和存储资源的，并且其费用也不菲。部分设计类企业为此专门成立了BIM研究中心，花巨资为该中心配置人手一台性能极高的个人工作站。但是要想在企业内部全员推行BIM设计，就面临是否应该全员配置个人工作站，这显然不可能。这就给管理者带来了决策上的挑战。

企业面对上述诸多难题，一直在试图寻找好的解决方案。随着云计算技术的日趋成熟和市场普及，这就引起了管理者的关注。

2 云计算相关知识

2.1 云计算的概念

对云计算的定义有多种说法，对于到底什么是云计算，至少可以找到上百种解释。作为建筑设计类企业的信息化管理者，我们愿意接受的定义为：“云计算是一种以数据和处理能力为中心的密集型计算模式，融合了多项信息通信技术，是传统技术不断演进优化的产物”。云计算不属于传统信息技术的革命性更新，而是属于思维和商业模式的转变。

2.2 云计算的核心技术

云计算融合了多项传统信息技术，主要以虚拟化技术、分布式存储技术、分布式资源管理技术、信息安全技术和绿色节能技术最为关键。

2.2.1 虚拟化技术

虚拟化技术是云计算最为重要的核心技术之一，为云计算服务提供基础架构层面的支撑，也是企业传统信息服务平台转型云计算的最主要驱动力。按照虚拟主机类型区分，虚拟化技术分为服务器虚拟化与桌面终端虚拟化。按照应用模式区分，虚拟化技术分为两种，一种是将性能强大的一台服务器虚拟为多个独立小服务器，另一种是将多个服务器虚拟为一台性能强大的服务器。

2.2.2 分布式数据存储技术

为了确保数据的安全性，云计算通常采用分布式存储技术，将数据分散存储于不同的物理设备，数据副本分散存储，互为备份。分布式存储技术摆脱了硬件的限制，同时扩展性相较于传统集中式存储更为强大和灵活，随时可以根据用户需要扩展存储空间。

同时，分布式存储利用多台存储服务器分担存储负荷，不但提高了系统可靠性和可用性，还极大提高了数据的存储效率。

2.2.3 分布式资源管理技术

云计算通常采用的分布式存储技术，相应的云计算也对应分布式资源管理技术。在多节点并发处理的环境中，单一节点故障不会影响整个平台的正常运行。

2.2.4 信息安全技术

采用虚拟化技术的云计算平台，在信息安全上有着先天的优势，云计算平台在物理上数据分散存储于不同的物理服务器，最大程度上确保数据的存储安全；逻辑上数据集中存储于虚拟存储器，对于用户而言所有的数据均存储于一个数据存储区域，可以根据企业需要灵活设置数据访问权限，拒绝非授权的用户访问和恶意窃取。同时，在云计算平台网络边界部署的安全设备，可以根据企业需求定义访问控制列表，最大限度保护云数据安全，防止来自外部网络的恶意攻击和数据窃取，进一步强化云平台数据安全。

2.2.5 绿色节能技术

云计算平台在大幅提高设备资源利用率的同时，节约大量能源。以虚拟化技术为依托，云计算平台可以使硬件资源利用率最大化，降低硬件资源的闲置率。

2.2.6 企业私有云

在这里不去赘述它与公有云的概念与区别，而是想说明由于建筑设计企业的性质主要是文件生产，有大量的设计文件需要内部交互、存储和有效控制，以及对安全性有很高的要求。而私有云的核心属性是专有资源，因此我们选择建设自己的企业私有云。

3 云计算在我院信息化建设过程中的优势

3.1 灵活的资源分配带来高效的软、硬件资源使用率

云计算的VDI技术，可以根据用户需求，灵活的为不同用户分配不同的计算资源。如普通二维设计人员，可以分配较低的计算资源，三维设计人员，可以分配较高的计算资源。而在采用并行资源配置方式时，可以进一步提高资源利用率，例如三维设计人员需要建模和渲染的人员为50人，而在同一时间段建模和渲染的用户只有10人，那么可以在云计算平台中只分配10个用户的高性能计算资源，有效降低系统资源的空置率。同时，用户发现已有资源无法满足工作需要时，可直接申请增加资源，无需新增采购硬件设备。由此可见利用云计算的桌面虚拟化技术，可以实现灵活的分配、调整硬件资源，能够有效避免软、硬件等资源的浪费。

3.2 统一的终端用户管理

采用云计算的VDI(桌面终端虚拟化)技术，可以自定义用户桌面模板，统一安装操作系统版本，统一管理应用软件，限制用户使用权限，实现所有终端用户系统的统一化和标准化。

同时，云计算利用其方便的统计和计费功能，不但能够适时观察到安装于其服务器上的各类应用软件使用情况，诸如授权数占用数量以及占用者是谁，还可以方便地观察到占用者在近期一个时间段的实际使用情况。当发现有终端占用授权数而并未使用相应软件时，可以通过策略安排限时中断其与云计算的连接，把相关资源省略下来供给其他有使用需求者。这样就更方便于各类应用软件网络版的使用和管理，这也是云计算实现资源合理使用的优势。

3.3 可伸缩弹性架构

由于采用了分布式资源管理技术，云计算平台具有强大的可伸缩弹性架构。在用户数量较低时，可以部署少量计算节点用户满足用户需求，当用户数量增加时，只需增加节点数量，即可增加云计算平台的计算、存储和网络资源，实现系统的平滑横向扩展。

3.4 无限制的实时处理能力

采用云计算平台，所有终端用户的计算资源、数据存储均在后端服务器上运行，与用户的前端设备性能无关，只要网络可达，用户即可在任意时间、任意地点、任意工具访问云计算平台并获取计算资源。

3.5 绿色节能与资源节约

云计算改变了传统的工作模式，由传统的多终端计算集中式存储转变为云计算云存储，通过云端强大的整合计算能力，客户终端无需配置或者使用较低配置的计算资源即可处理复杂的计算任务。

如设计人员采用VDI技术，用户端使用现有计算机或瘦客户机，利用VDI技术在云端进行设计、建模、渲染、算量等操作。而在采用瘦客户机的模式下，更可以节省大量电力资源。如一台PC机功耗约为350 W，而一台瘦客户机的功耗仅为60 W，节省电力资源80 %，大大降低企业的能源消耗。

3.6 降低IT运营管理成本

在传统工作模式下，每台终端计算机的维护都需要IT人员到用户端进行处理，当多台计算机同时出现问题，IT部门工作量将超出人员工作负荷，无法及时响应用户需求，也无法迅速有效的处理终端故障。

如采用VDI(桌面虚拟化技术)，每一个用户的虚拟桌面都为标准化自定义桌面，操作系统、应用软件都根据实际需求在服务器管理端进行统一配置和管理，并实现快速的系统部署和恢复，大大缩短维护时间，提高IT部门的工作效率，降低重复工作量。

3.7 降低企业TCO

与传统信息系统建设模式相比，云计算在初期的投资略高于传统模式，而从长远建设来看，云计算平台能够显著降低企业TCO。

由于终端计算机平均更新周期为4 a，那么从任意时间算起，4年内全院个人电脑主机就需要全部更换一遍。而云计算初期投资约为终端计算机方案的1.5倍，但其平均使用寿命为至少为8～10 a。加之瘦客户端耗电远小于终端计算机，故而从8 a及以上的时间段来看云计算投资回报率远高于采购终端计算机。

3.7.1 有效降低硬件投资

在传统信息化建设模式下，每一类信息化应用均需要采购独立的硬件服务器以提供相应服务。而每一类应用的系统负荷不同，往往会出现采购的高性能服务器用于低负荷应用，如8核16线程、16 G内存的标配服务器仅运行web服务，超过90 %的系统资源会被浪费。

而在云计算模式下，众多物理服务器组合为逻辑上的资源池，根据应用的资源负荷动态分配系统资源。既可以整合多台物理服务器为高负荷应用提供资源，也可以将单台物理服务器分割为多台低性能虚拟服务器为低负荷应用分配资源。

比如，云计算可以为建筑专业渲染使用的高资源需求软件诸如Lumoin、Skethup和犀牛等先按照预计的使用频率划分出专用模板，让有需要者都可通过登录进行使用。同时还可以随时根据使用者数量的增、减灵活调整配置，使得资源池既能满足使用要求，又不至于长时间闲置浪费。

3.7.2 降低终端计算机投入

在VDI模式下，用户的计算、存储资源全部由服务器提供，与本地计算机无关。个人电脑哪怕已经超过使用年限，只要可以开机，就无需淘汰和更换。当服务器负荷过高和用户资源增长较大时，只需增加云计算服务器节点和升级节点配置即可。

3.7.3 降低软件授权费用的投入

传统信息化模式中，软件费用按照用户数量进行配比和采购，而每个用户并非一直在使用相关软件，因而造成软件授权的浪费。

在VDI模式中，可以根据用户的使用数量配置并发用户数(即单位时间内同时使用软件的用户数量)，用户根据需求登录云计算平台使用授权软件。

在云计算VDI模式下，可以根据用户需求计算并发用户数量，建立相应的专用虚拟桌面，用户根据需求登录专用虚拟桌面即可使用，有效降低软件采购数量和成本。

4 云计算平台在我院的采购和部署情况

云计算虽然有诸多好处，且其投资相比较于购买个人终端，在4～8 a甚至更长时间一定是划算的，但是其初期投资的确比较高。那么该笔费用投入的时间点给企业决策者带来了考量。最后实际上是“十三五纲要”对BIM的要求促使领导班子下定了决心。

针对市面上几款成熟的云计算平台产品，经过慎重筛选及长达一个月的试用和测试，再经认真比选后，我院采购部署了6台华为的“RH2288H V3超融合服务器”。该配置能够为我院提供96个点的重载用户并发，而仅有轻载用户的话，几乎可以满足全院生产和管理需要。

该设备三台及以上组网后，可以在单一物理设备宕机时不影响VDI用户使用，同时由于采用了高可用存储架构，任意服务器损坏、硬盘损坏均不会破坏数据存储安全；支持硬盘热插拔，任意硬盘的热插拔过程均不会引起数据错误、系统停机，不会破坏数据存储安全。

云计算部署还支持和控制对外设的使用、支持日志管理、实时监控、报表及计费。

5 云计算平台在我院部署后的运行情况

2017年初云计算平台在我院部署成功后即开始运行。目前主要对生产部门开放使用权限。我们初期将虚拟桌面分为重载和轻载两类，其中重载用户主要针对BIM设计，并支持建筑专业的渲染、动画软件使用。而轻载用户除了装载传统的二维设计相关软件外，我们把一些使用时间不太长(约1～3天)，但资源消耗稍大的建筑专业软件如犀牛、Lumoin、Skethup和结构、暖通等专业的网络版计算软件进行了装载。

经过近一年的运行，基本上达到了预期效果。全院利用云计算平台资源进行了600余人次的BIM培训，共计有318人使用了云计算平台。按照我们通过统计和预测而自行设定的硬件资源计费单价(CPU：0.3元/个·小时、内存：0.2元/G·小时、硬盘：0.1元/G·小时)。2017年部署完成后通过三个季度的统计，共计为全院提供了价值33万余元的应用服务。

运行过程中，IT部门人员得到设计人员因超过授权数原因不能登录某计算软件的信息，通过查询发现有占用授权而处于待机状态的个别用户，于是在通过电话确认后将其强行下线，将授权重新分配给有需求用户。后来通过调整云平台运行管理策略，将长时间占用云计算资源而并未有效使用的用户强制下线，这就有效分配和使用了有限资源。而且通过集中管理，可以方便统计使用情况，也为将来各类网络版软件采购或升级时确定准确授权数，避免投资浪费提供数据支持。

设计部门因项目需要使用犀牛、Lumoin、Sketchup等高消耗资源的软件，可以由IT部门给其分配好相应的高性能桌面，使用者直接用其账户登录云计算平台即可。既节约了采购成本，也避免了部门领导将高性能个人工作站分配给谁的尴尬。

云计算的部署使得设计人员、业主方、施工方等进行基于用BIM平台设计的项目的交流也十分方便。设计人员只需要携带普通笔记本电脑，甚至使用手机、Pad登移动设备，即可在现场或者会议室等地方通过网络访问自己的虚拟桌面，在后端服务器上调用项目，和各方进行交流。也可以给业主方提供我院云平台账号，在授权范围内供其登录查看相关项目的信息。

6 未来我院基于云计算平台的信息化建设工作展望

我院成功部署并运行云计算平台后，其先进性、便捷性，将助推我院信息化建设的工作。在我院未来1-3年的信息化建设中，云计算平台将作为我院信息化平台建设最为重要的基础。同时，我们也要在此基础上继续挖掘潜力，使之发挥更多优势。

6.1 利用云计算平台加强专业软件使用的精细化管理

基于桌面虚拟化技术，IT人员可以监控到云计算平台的占用情况，但是对于专业软件还不能精确监控。未来我们打算依托云计算平台部署应用虚拟化技术，将购买的所有专业软件全部纳入应用虚拟化范畴。这样一是有效避免终端计算机计算能力不足的问题，二是结合云计算平台计费系统精确统计每一款专业软件的使用率、使用时长、使用人等，为专业软件的采购提供更加有效的数据支撑。