風(fēng)洞設(shè)計管理一體化平臺研發(fā)

鄭娟 康金鋒 湯瀑

[摘 要]針對風(fēng)洞設(shè)計管理中存在的問題，提出了集科研項目管理、多專業(yè)協(xié)同設(shè)計與仿真、產(chǎn)品及數(shù)據(jù)管控為一體的風(fēng)洞設(shè)備設(shè)計管理一體化平臺。該平臺以統(tǒng)一的業(yè)務(wù)模型為主線，打通項目管理要素與風(fēng)洞研制各執(zhí)行節(jié)點間數(shù)據(jù)、工具之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系；運用知識工程技術(shù)，研發(fā)設(shè)計規(guī)范智能自檢工具，提高風(fēng)洞設(shè)計質(zhì)量和設(shè)計效率；采用基于工程中間件技術(shù)的柔性底層架構(gòu)，使管理流程、設(shè)計工具可隨時間推移而不斷優(yōu)化、升級；運用虛擬桌面和仿真計算一體化技術(shù)，整合虛擬化和高性能計算資源，提高硬件資源的利用率。

[關(guān)鍵詞]風(fēng)洞設(shè)計；異構(gòu)集成；業(yè)務(wù)模型；規(guī)范化設(shè)計；虛擬化

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2019.02.076

[中圖分類號]TP391.72 [文獻標識碼]A [文章編號]1673-0194（2019）02-0-03

0 引 言

風(fēng)洞是飛行器的“搖籃”，屬于國家戰(zhàn)略資源。風(fēng)洞研制涉及氣動、結(jié)構(gòu)、測量等眾多專業(yè)人員的分工協(xié)作，存在多個“V”字形多重迭代的嵌套。目前，大多數(shù)風(fēng)洞研制單位仍采用各專業(yè)單獨設(shè)計、單獨仿真、單獨優(yōu)化的研發(fā)模式。這種設(shè)計和仿真工具的孤島狀態(tài)造成各類設(shè)計、仿真數(shù)據(jù)互相獨立，數(shù)據(jù)流銜接主要依賴人工完成，效率低、可靠性差，難以支持高效的并行研發(fā)流程機制。而且，基于CAX商用軟件的風(fēng)洞設(shè)計環(huán)境缺少項目管理功能，導(dǎo)致項目的執(zhí)行和監(jiān)控主要依賴協(xié)調(diào)會，設(shè)計過程不可見、不可控、不可溯。此外，針對三維建模、大型裝配的需要，需配置多套高性能的直通GPU、vGPU進行系統(tǒng)操作；針對仿真求解器的需要，需配置高性能的計算平臺以提高其運算速度。這些硬件資源并不是全天候滿負荷工作，存在較大的資源浪費。為解決上述問題，本文基于國產(chǎn)商用集成軟件SYSWARE構(gòu)建了風(fēng)洞設(shè)計管理一體化平臺，將原有分立的CAX環(huán)境轉(zhuǎn)化為集成化、綜合化、規(guī)范化的集成設(shè)計與仿真環(huán)境，同時采用虛擬桌面和仿真計算一體化技術(shù)，整合利用各類服務(wù)器資源，以提高硬件資源的利用率。

1 平臺總體架構(gòu)

根據(jù)風(fēng)洞研制的過程與特點，建立了科研項目管理、多專業(yè)協(xié)同設(shè)計與仿真、設(shè)計數(shù)據(jù)及產(chǎn)品管理的三維度立體化功能體系（如圖1），提供“面向設(shè)備研制全生命周期的縱向協(xié)同”和“面向多學(xué)科設(shè)計與仿真的橫向協(xié)同”的兩種管控能力。

科研項目管理實現(xiàn)從立項論證、可行性研究到加工調(diào)試全過程的閉環(huán)管理與動態(tài)控制，提供多項目的規(guī)劃、集中管控和綜合監(jiān)控分析功能；提供單項目全要素（計劃、流程、進度、成本、人員、裝備、質(zhì)量、風(fēng)險、溝通協(xié)同）、全過程的協(xié)同管控。

多專業(yè)協(xié)同設(shè)計與仿真以NX軟件為核心，集成Fluent、Sysnoise、MSC Adams、Zemax和AMESim等各類仿真軟件，建立基于全三維的氣動、機械、電氣、測控、液壓等多專業(yè)的協(xié)同設(shè)計與仿真環(huán)境，實現(xiàn)TOP-DOWN全三維協(xié)同設(shè)計、功能仿真、性能仿真，實現(xiàn)基于三維數(shù)字樣機的零部件、部段級、系統(tǒng)級的優(yōu)化仿真和整體性能預(yù)估，打通三維模型在風(fēng)洞等大型設(shè)備設(shè)計全過程的傳遞和應(yīng)用。產(chǎn)品及數(shù)據(jù)管控建立集成化的風(fēng)洞共享信息模型，實現(xiàn)對設(shè)備技術(shù)指標、幾何參數(shù)等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)以及技術(shù)報告、工程計算文件、仿真分析文件、調(diào)試數(shù)據(jù)等非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一組織、管理、使用和維護；實現(xiàn)風(fēng)洞工程設(shè)計知識、設(shè)計規(guī)范標準及文獻資料的管理應(yīng)用，為設(shè)計人員提供有價值的知識在線推送，最終將其轉(zhuǎn)換為設(shè)計知識庫。

2 平臺軟件設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于統(tǒng)一業(yè)務(wù)模型的集成策略

為了實現(xiàn)研發(fā)活動中的項目管理要素、設(shè)計數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)之間的集成和應(yīng)用，平臺構(gòu)建了以統(tǒng)一業(yè)務(wù)模型為核心的項目、流程、數(shù)據(jù)一體化管理和運行框架。一個典型的風(fēng)洞設(shè)計業(yè)務(wù)模型如圖2所示，分為任務(wù)層、主體層、執(zhí)行機制層、工具層和狀態(tài)層等。其中，任務(wù)層記錄了任務(wù)的內(nèi)容；主體層記錄任務(wù)的執(zhí)行主體；執(zhí)行機制層記錄任務(wù)的執(zhí)行邏輯；工具層記錄完成任務(wù)所需的工具；狀態(tài)層記錄任務(wù)的執(zhí)行狀態(tài)；輸入/輸出表用于建立與外部環(huán)境的數(shù)據(jù)交互關(guān)系。此外，任務(wù)還與外部的任務(wù)支持（人、財、物以及經(jīng)驗、標準等）、任務(wù)消息（觸發(fā)任務(wù)運行，包括外部傳來的控件消息和硬件消息等）、任務(wù)約束（時間、資源等各方面的約束）等信息存在聯(lián)系。

基于此任務(wù)模型，依據(jù)風(fēng)洞產(chǎn)品結(jié)構(gòu)BOM實現(xiàn)項目管理中各級工作任務(wù)形成和細分。一旦某特定任務(wù)節(jié)點同某個設(shè)計流程相關(guān)聯(lián)，通過項目管理接口就可以直接從項目任務(wù)庫中獲得該關(guān)聯(lián)任務(wù)的ID，通過ID就可以直接提取該任務(wù)的相關(guān)信息，如計劃開始時間、計劃結(jié)束時間、參與人員、輸入＼輸出數(shù)據(jù)集等信息，并將這些信息直接賦給對應(yīng)的流程屬性。

2.2 規(guī)范化三維設(shè)計環(huán)境

為了減少設(shè)計過程中的人為細小差錯，提高設(shè)計質(zhì)量和設(shè)計效率，平臺在多專業(yè)協(xié)同設(shè)計與仿真環(huán)境中，根據(jù)現(xiàn)有的軍標、行業(yè)經(jīng)驗等，制定了《NX三維建模規(guī)范》《NX裝配建模規(guī)范》以及關(guān)鍵風(fēng)洞部段《建模流程規(guī)范》。同時，引入知識工程技術(shù)，自主研發(fā)了結(jié)構(gòu)模型檢查控件、裝配檢查工具及工程圖檢查控件，將各類設(shè)計規(guī)范內(nèi)嵌于NX環(huán)境中，通過知識腳本進行模型的自動判斷及實例化應(yīng)用，自動檢查所設(shè)計零件、裝配件、二維圖紙，重點檢查是否遵循設(shè)計規(guī)范、屬性是否填寫、圖層是否正確、引用集是否正確、裝配是否進行過間隙分析等。

2.3 柔性軟件底層架構(gòu)

為了使平臺具有高度可擴展性的柔性底層架構(gòu)，以適應(yīng)系統(tǒng)功能的不斷完善和深化，該平臺采用全新的“框架內(nèi)核+專用業(yè)務(wù)組件”底層架構(gòu)?！翱蚣軆?nèi)核”即為平臺基礎(chǔ)的信息化系統(tǒng)運行與開發(fā)環(huán)境，提供平臺運行所需的任務(wù)管理、數(shù)據(jù)管理、工具管理、知識管理等核心業(yè)務(wù)服務(wù)。在此基礎(chǔ)上建立面向風(fēng)洞設(shè)備研制過程的任務(wù)模型及組件（設(shè)計、仿真、試驗、審批等）、數(shù)據(jù)模型及組件（各種表單、方案、參數(shù)、文件、模型等）、科研類模板及組件（力學(xué)分析、流體計算、熱分析、光學(xué)仿真、電磁設(shè)計仿真等），這些模型及組件將作為集成開發(fā)平臺的專用業(yè)務(wù)組件，可以根據(jù)實際工作的需要替換、刪減或增配。

同時，平臺采用工程中間件技術(shù)將各種組件轉(zhuǎn)換為基于XML統(tǒng)一中性任務(wù)模型，然后根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯將中性業(yè)務(wù)模型進行關(guān)聯(lián)和融合，形成流程、規(guī)范、數(shù)據(jù)、知識等服務(wù)。由于工程中間件的技術(shù)中性，使得各種流程、規(guī)范、數(shù)據(jù)、知識可以不依賴于特定的工具，從而可以更好地流動、關(guān)聯(lián)和融合，能夠快速響應(yīng)平臺功能升級與完善。

3 平臺硬件設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

3.1 整合硬件資源

在平臺硬件部署中，引入了虛擬桌面和仿真計算一體化技術(shù)統(tǒng)一調(diào)度和管理虛擬化服務(wù)器、高性能計算節(jié)點和圖形服務(wù)器。圖形服務(wù)器提供遠程三維設(shè)計、前后處理和數(shù)字化裝配服務(wù)，支持16個三維設(shè)計用戶和一個大裝配用戶。大裝配用戶對顯卡資源要求極高。因此，每臺圖形服務(wù)器配的1塊GRID K2和1塊QUADIRO K6000，采用vGPU顯卡虛擬化技術(shù)，將K2顯卡劃分為16虛擬顯卡，供三維設(shè)計用戶使用；同時使用顯卡穿透技術(shù)將K600顯卡映射穿透到大裝配虛擬機中，使大裝配用戶能夠直接使用物理顯卡資源。

目前，以英偉達通用圖形處理器（GPGPU或GPU）為代表浮點性能上升到Teraflop級的水平，可以將計算流體力學(xué)、計算結(jié)構(gòu)力學(xué)分析等傳統(tǒng)CPU處理的應(yīng)用移植到GPU上。因此，在平臺硬件環(huán)境運行中，在晚上和放假的時，將空閑圖形服務(wù)器上的虛擬機掛起，加入高性能計算集群中進行仿真計算；上班時間將圖形服務(wù)器高性能計算作業(yè)掛起，運行虛擬化應(yīng)用。這種“CPU+GPU”的彈性計算模式，能夠有效提高圖形服務(wù)器的利用率，在一定程度上緩解了高性能計算集群的壓力。

3.2 抑制啟動風(fēng)暴

在平臺虛擬桌面初始啟動時，操作系統(tǒng)和應(yīng)用需要從磁盤讀取大量的數(shù)據(jù)以加載和執(zhí)行，十分消耗資源。每天上班時期，大量的登錄活動將引發(fā)啟動風(fēng)暴，主要表現(xiàn)為界面卡頓、業(yè)務(wù)響應(yīng)緩慢、桌面操作存在較大延遲。為此，平臺采用存儲雙活實時雙副本技術(shù)，對存儲空間架構(gòu)進行調(diào)整優(yōu)化，通過兩臺I/O服務(wù)器分別承載來自雙活存儲的多個卷空間，提供給虛擬桌面集群使用，以分擔存儲I/O的負荷，保證虛擬桌面系統(tǒng)的I/O性能均衡；通過分級存儲功能提升熱點數(shù)據(jù)的讀寫速度；同時在服務(wù)器下掛載獨立硬盤，將虛擬機鏡像存儲其中，虛擬機啟動時由服務(wù)器直接自硬盤讀取系統(tǒng)，簡化數(shù)據(jù)訪問路徑，降低虛擬桌面啟動時的I/O節(jié)點壓力和帶寬消耗。

4 結(jié) 語

風(fēng)洞設(shè)備設(shè)計管理一體化平臺以規(guī)范化的數(shù)字化研發(fā)流程為引導(dǎo)，實現(xiàn)了風(fēng)洞研發(fā)過程、項目要素、設(shè)計產(chǎn)品與數(shù)據(jù)的立體化管控。從平臺研發(fā)以及運行效益來看，基于工程中間件的柔性軟件底層架構(gòu)能夠提高平臺軟件架構(gòu)的柔性，使平臺更加易于維護和擴充；統(tǒng)一的業(yè)務(wù)模型以及標準、規(guī)范化的業(yè)務(wù)環(huán)境能夠確保設(shè)計任務(wù)的高效、設(shè)計數(shù)據(jù)的唯一和共享，便于設(shè)計知識的積累、傳承與利用；虛擬桌面和仿真計算一體化等技術(shù)策略的應(yīng)用能夠充分利用虛擬桌面服務(wù)器和圖形服務(wù)器的空閑計算能力，緩解高性能計算集群的壓力，實現(xiàn)虛擬桌面服務(wù)器和圖形服務(wù)器利用率的最大化。

主要參考文獻

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