基于三維遠程可視化技術的前后處理設計平臺解決方案研究

楊大為，張　娜，肖安洪，何騰蛟，劉　東

(中國核動力研究設計院核反應堆系統(tǒng)設計技術重點實驗室，四川成都　610041)

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基于三維遠程可視化技術的前后處理設計平臺解決方案研究

楊大為，張娜，肖安洪，何騰蛟，劉東

(中國核動力研究設計院核反應堆系統(tǒng)設計技術重點實驗室，四川成都610041)

摘要:介紹了在新應用需求下，通過將集群技術、圖形調節(jié)和遠程桌面等多項技術整合，形成基于三維遠程可視化技術的設計平臺完整解決方案，方案具備設備集中管理、資源統(tǒng)籌調配和服務標準提供等應用優(yōu)勢，為科研設計任務中涉及的結構建模、前/后處理等設計階段提供相應的計算資源支撐。

關鍵詞:三維可視化;計算機輔助設計;計算機輔助工程;虛擬桌面

隨著計算機技術及應用的迅速發(fā)展，CAD與CAE等新技術亦得以迅猛發(fā)展?，F階段，CAD、CAE已經在電子、造船、航空、機械、建筑、核科學等各個領域中得到了廣泛應用，這不僅極大地縮短了設計和分析的周期，同時通過仿真模擬，可對設計模型進行前期驗證，找出產品最佳解決方案，降低材料消耗和成本，為后期制造或生產取得巨大的經濟效益［1］。

為滿足設計需要，通常情況下，設計單位常采購高性能工作站，以滿足CAD建模和CAE前后處理軟件對底層設計平臺計算資源的需求。其大致配置見表1。

表1　高性能工作站配置

該工作站主要承擔下述軟件的運行和計算處理過程。

1) CAD方面。

主要使用UG、CATIA和INVENTOR用于各組成部分三維結構建模、大裝配方案設計以及方案評審和成果匯報等。

2) CAE前后處理方面。

主要使用ICEM CFD，用于三維模型的網格劃分，實現物理方程的離散化。

CFX PRE用于求解過程的邊界化設置。

由于采用傳統(tǒng)技術手段，受到條件限制，因此無法實現對工作站硬件和軟件的集中管理。工作站在信息部門完成操作系統(tǒng)和應用軟件安裝后，以臺式機的形式分派給指定的設計人員，這樣的運行管理模式存在以下弊端［2］:

1)機器與人員綁定，資源浪費嚴重。

圖形工作站的CPU、內存和圖卡等部件均屬高端配置，據設備日常運行數據分析，用戶獨占模式下的設備平均負載率僅為峰值負載的30%。這清楚表明，單一用戶往往不能充分利用高端圖形工作站的設計資源，特別是顯卡資源，導致資源浪費［3］。

同時，一臺高端圖形工作站的采購成本往往超過10萬元，昂貴的價格大大提高了設計成本，限制了工作站的采購臺數。大多數設計人員仍使用普通PC機作為大型三維圖形處理軟件的運行載體，其運行效果可想而知。這忙閑不均的運行狀況，對于項目實施和設計質量均造成潛在的影響。

2)缺乏集中管理手段，部署運行困難。

鑒于圖形工作站資源緊缺性，在該階段設計任務完成后，使用人需按項目要求移交至其他人員。信息部門須協(xié)助設計人員，將設計數據導出，更改計算機配置，如登錄帳戶、環(huán)境變量和網絡接入等。上述部署過程涉及多方人員，其過程多為手工操作，過于繁瑣，不僅工作量巨大，而且極有可能出現人為疏忽，造成異常操作。

同時由于缺乏監(jiān)控手段，對分散使用的圖形工作站運行情況無法進行及時獲取。一方面，無法向領導層提供準確的運行信息，實現資源的統(tǒng)一調配。另一方面，當工作站硬件或軟件出現異常時無法及時響應，導致故障最終發(fā)生，從而影響項目的整體進度。

3)數據存儲分散，存在安全隱患。

工作站上的設計數據僅存儲于本地磁盤之上。分散的存儲模式，使得自動化備份手段難以有效實施。同時硬件損壞、病毒爆發(fā)等事件難以避免，導致設計數據及成果文件的丟失或破壞，為數據存儲的安全性和完整性帶來了隱患。

綜上所述，傳統(tǒng)部署和運行模式已經不能滿足未來設計平臺的應用要求。隨著近幾年集群、虛擬化和基于以太網的高質量圖形壓縮傳輸技術的迅速發(fā)展，基于三維遠程可視化技術的圖形工作站集群解決方案為上述問題的解決提供了可能。

2　解決方案

本文從硬件層、軟件層和使用流程3個角度出發(fā)，結合實際應用需求，對該設計平臺的解決方案進行詳細闡述。

2.1硬件層實現

三維遠程可視化設計平臺的硬件拓撲架構如圖1所示。

圖1　硬件拓撲架構

在本文中設計平臺的硬件部分主要包含以下幾部分內容:

1)網絡互聯(lián)。

雖然設計人員與三維設計工作站群集的數據交互完全由以太網作為傳輸載體，但是考慮到千兆以太網接入目前已經普遍實現，同時結合圖像調節(jié)和數據壓縮技術的使用，以太網硬件設備可完全滿足上層業(yè)務的需求，因此無需對網絡構架部分進行升級或改造。

2)圖形工作站集群。

在圖形工作站方面，在本方案中將原有分散部署于設計人員工位處的物理設備進行回收，統(tǒng)一放置于中心機房，同時根據實際情況進行功能分區(qū)。

圖1中，在圖形工作站集群的右側，該部分設備利用虛擬化技術，將設備資源進行邏輯劃分，實現多用戶對一臺工作站硬件資源的復用，該部署模式適合三維模型局部建?；蜉p量級網格劃分等設計工作的開展。在圖形工作站集群的左側，該部分工作站采用物理機上直接安裝應用的部署模式，保證上層應用可最大效率地利用底層硬件提供的圖形渲染和計算能力。這部分設備適合大型三維模型的裝載，如完整裝配流程方案的演示。

3)存儲系統(tǒng)。

在存儲系統(tǒng)方面，改變傳統(tǒng)模式下模型數據在工作站本地磁盤存儲的訪問存儲模式。搭建數據中心，利用SAN、NAS等多種存儲結構，上層配合相應的文件系統(tǒng)，為圖形工作站集群提供塊、卷和文件級不同類型的文件訪存模式。數據中心的訪存模式不僅極大提高了數據交互的速率，更方便設計的整體備份和安全防護，為數據訪存的安全性提供了技術保證。

2.2軟件層實現

三維遠程可視化設計平臺軟件層的邏輯架構示意圖如圖2所示。

圖2　軟件層邏輯架構

1)設計用戶訪問門戶。

軟件層提供了一個可定制的、簡單易用的統(tǒng)一訪問門戶。通過與作業(yè)調度軟件及應用軟件的集成，最終用戶可通過瀏覽器訪問諸如三維設計、仿真計算等多種軟件資源，大大降低了應用人員使用的復雜性，提高了程序運行的安全性、可管理性。

2)遠程三維可視化技術。

該模塊為遠程三維可視化提供基礎功能實現。通過該模塊，用戶可以在低端的桌面機上使用遠端圖形工作站的CPU、內存、顯卡等完成大型三維交互設計［4］。該模塊支持基于Linux或基于Windows虛擬機的三維桌面訪問和共享，從而實現對遠端工作站和顯卡的共享。除此之外，該模塊針對遠程桌面會話提供相應的運行、管理接口，方便管理員的日常運行維護。

3)作業(yè)調度系統(tǒng)。

作業(yè)調度系統(tǒng)為管理員提供基于任務優(yōu)先級或基于負載均衡等多種調度策略，以此提高計算資源的利用率。

4)管理應用網關。

考慮到生產環(huán)境中存在大量種類繁多的軟、硬件資源，通過應用網關的部署，軟、硬件資源在后期集成時，均需遵守該網關的協(xié)議接口進行訪問。這屏蔽了各資源之間的差異性，保證異構資源在同一平臺能夠無縫集成，確保集群系統(tǒng)和分布式應用的正確實施。

5)報表系統(tǒng)。

利用報表系統(tǒng)提供的數據聯(lián)機在線分析解決方案，實現在線、接近實時的統(tǒng)計分析報表功能。同時報表系統(tǒng)支持異構的多集群報表分析，可以將高性能計算集群和工作站集群數據統(tǒng)一收集并生成統(tǒng)計分析報表。管理員利用上述數據可完成平臺級實時監(jiān)控、運行狀態(tài)分析等操作，為全網絡環(huán)境中資源的統(tǒng)籌調配提供數據參考。

6)配置管理系統(tǒng)接口。

為實現前處理、仿真數值計算、后處理等設計過程中計算數據的順利遷移，滿足多學科聯(lián)合設計的要求，在軟件層的實現中，利用PDM等配置管理系統(tǒng)提供的二次開發(fā)接口，將底層異構化的系統(tǒng)進行耦合。所有中間數據文件，均通過入庫/出庫操作，完成各個節(jié)點數據的交付。這樣不僅滿足統(tǒng)一平臺的設計要求，同時通過配置管理工具的使用，為工程設計過程中的質量控制提供了完整的技術支撐。

2.3設計流程實現

上述軟、硬件層僅為設計平臺提供了必需的計算資源和技術支撐。只有結合自身業(yè)務實際需求，定制相應的設計流程，才可充分發(fā)揮該設計平臺的技術優(yōu)勢，為科研工程項目的開展提供技術保證。

圖3是設計用戶訪問該平臺的一個全過程展示，其主要包含以下幾個步驟:

圖3　訪問流程示例

1)任務提交。

用戶通過局域網絡，登錄三維遠程設計平臺的門戶網站，在功能列表中，選擇所需的設計軟件，同時設定該軟件運行所需參數并上傳數據文件。

2)任務調度和會話創(chuàng)建。

Web門戶服務器會將用戶提交數據打包后轉發(fā)至調度系統(tǒng)，調度系統(tǒng)將根據管理員實現編輯定義的調度策略文件，通知桌面會話管理系統(tǒng)，為設計用戶創(chuàng)建相應的桌面會話，等待運行資源就緒，即可調度分配。

3)資源分配和任務運行。

作業(yè)任務由調度系統(tǒng)成功創(chuàng)建后，位于服務器端的工作站集群系統(tǒng)將會根據作業(yè)所需的運行資源進行系統(tǒng)遍歷，以確認任務是否可以立即執(zhí)行。若運行資源均滿足，則啟動該任務;否則掛起或注銷該任務。同時，針對科研生產過程中時常出現的突發(fā)情況，系統(tǒng)提供手動操作接口，臨時終止或掛起某些桌面任務，將資源緊急回收后，為指定任務提供資源支撐。

4)任務返回。

任務的創(chuàng)建結果將返回給設計用戶。若該任務為三維遠程桌面會話，則承擔三維模型處理的工作站與設計用戶終端之間，在局域網中將建立圖像數據的“直傳”隧道，保證傳輸的高效性。

3　結束語

現階段，隨著CAD、CAE等先進設計軟件的大規(guī)模應用，科研工程項目對其依賴性也與日俱增。高性能計算求解、結構建?；蚯?、后處理等設計階段，彼此依附，關系緊密。正因如此，需要一整套設計方案將上述環(huán)節(jié)進行融合，為設計人員提供完整的訪問和使用流程，切實解決施工設計階段底層的平臺支撐。

通過對本文解決方案的逐一闡述，可以清晰看出，該方案符合通用設計平臺的建設需求，包括工作站的集中管理、標準服務接口的提供、三維模型設計等一站式處理。后期可基于該系統(tǒng)平臺，以二次開發(fā)為手段，深化設計平臺與單位主流業(yè)務的融合，只有因地制宜不斷進行技術改造，才能充分發(fā)揮技術優(yōu)勢為科研人員提供有力的技術支持和平臺保障。

參考文獻:

［1］張軍華，臧勝濤，單聯(lián)瑜，等.高性能計算的發(fā)展現狀及趨勢［J］.石油地球物理勘探，2010，45(6) :918－925.

［2］曹連雨，龔道童.曙光CAE高性能計算平臺解決方案［EB/ OL］.(2010－01－02)［2015－05－07］.http: / /http: / /wenku.baidu.com/view/c1f48af34693daef5ef73d5b.html.

［3］IBM，Inc.HPC高性能計算和3D桌面云解決方案［EB/OL］.(2013－06－12)［2015－05－07］.http: / /wenku.baidu.com/ view/6dc45e812cc58bd63186bdf7.html.

［4］NICE，Inc.Remote Visualization［EB/OL］.(2015－03－18) ［2015－05－07］.http: / /www.nice－software.com/solutions/ remote－visualization.

Research on the technical solution of 3D visualization of design platform

YANG Dawei，ZHANG Na，XIAO Anhong，HE Tengjiao，LIU Dong
(State Key Laboratory of Reactor System Design Technology，Nuclear Power Institute of China，Sichuan Chengdu，610041，China)

Abstract:Combining the constantly growing digital application patterns，it integrates cluster technology，graphics and many technologies such as remote desktop adjustment，proposes a solution for 3D visualization design platform.This platform provides many application advantages such as the centralized equipment management，allocate resource and service standards，supports the computing resources of research process for structure model，pre/post－processing.

Key words:3D visualization technique; CAD; CAE; virtualization desktop

DOI:10.3969/j.issn.2095－509X.2015.06.016

作者簡介:楊大為(1983—)，男，四川宜賓人，中國核動力研究設計院工程師，碩士，主要從事核動力裝置軟件研發(fā)及高性能計算技術應用工作。

收稿日期:2015－05－11

中圖分類號:TP311.5

文獻標志碼:A

文章編號:2095－509X(2015) 06－0063－04