航空計算技術工業(yè)軟件云化研究

徐 瑞，楊 永，胡春馨，郭文彬

(航空工業(yè)西安航空計算技術研究所,陜西 西安 710065)

0 引言

當前全球的數(shù)字化轉型浪潮方興未艾,而在以航空制造業(yè)為典型的工業(yè)領域中伴隨著工業(yè)技術與信息技術的融合,工業(yè)軟件的應用成為推動工業(yè)研發(fā)體系數(shù)字化轉型升級發(fā)展的重點。工業(yè)軟件作為面向特定行業(yè)、特定設備和特定場景的定制化仿真軟件,是領域機理、仿真知識、和工程經(jīng)驗的集成,通過知識的復用,提升工業(yè)研發(fā)能力,打造數(shù)字化工業(yè)研發(fā)體系。工業(yè)軟件的一種定義是以工業(yè)知識為核心,以CPS(賽博物理系統(tǒng))形式運行,為工業(yè)品帶來高附加值的,用以工業(yè)控制的一類軟件[1]。工業(yè)軟件主要包括兩類軟件。一類是產(chǎn)品或者工業(yè)設備內(nèi)的嵌入式軟件,通過軟件的計算數(shù)據(jù)輸出給設備控制器的方式來輔助機器進行精準操作。另一類是通過軟件構造數(shù)字化模型,數(shù)字化仿真場景等,形成計算機輔助技術(CAX)等研發(fā)和管理軟件,包括CAD、CAE、CAM等軟件,進而為產(chǎn)品研發(fā)和管理數(shù)字化升級打下基礎[2]。從內(nèi)容出發(fā),工業(yè)軟件作為工業(yè)知識的承載容器,工業(yè)知識是工業(yè)軟件的核心內(nèi)容,因此工業(yè)軟件的范疇不僅僅是傳統(tǒng)的IT架構層軟件,而是包含工業(yè)技術和工業(yè)知識積累的軟件。

在研發(fā)設計領域,CAE類工業(yè)軟件的應用提升了航空工業(yè)向研發(fā)創(chuàng)新、技術創(chuàng)新的升級轉型。仿真計算依托于工業(yè)軟件的實施而存在,主要應用在工業(yè)生產(chǎn)中覆蓋生產(chǎn)設計和生產(chǎn)制造[3]。CFD技術作為研究和解決空氣動力學問題的重要技術手段之一,在氣動布局研究、氣動新技術研究、新概念武器探索,具有不可替代的作用,CFD技術對提高飛行器設計質(zhì)量、縮短研制周期、降低研制成本、減少研制風險具有重要意義。CFD等典型仿真計算軟件的應用成為航空輔助工程領域設計的重要工具,起到簡化仿真操作、降低仿真難度的作用。傳統(tǒng)的CFD軟件面向高性能計算環(huán)境,部署在大型計算中心的服務器上,通過計算得出可視化的最優(yōu)結果,從而輔助工程人員設計驗證。CFD軟件需要計算資源的大量支持,過去技術人員主要把精力放在優(yōu)化模型,網(wǎng)格之上,通過模型和網(wǎng)格的優(yōu)化節(jié)省計算資源。而云計算作為新一代服務提供方式,提供了計算資源的按需訪問。大部分的CFD軟件作為商業(yè)軟件,需要商業(yè)授權訪問,軟件的授權訪問價格昂貴,導致研發(fā)設計部門不能足額配置所需軟件。而云計算作為一種新的服務提供方式,提供軟件資源的按需訪問。因此工業(yè)軟件云計算技術應用是需求驅動、技術進步和商業(yè)模式轉變共同促進的結果。計算資源通過云的方式加速聯(lián)結,在工業(yè)軟件領域提供可以彈性擴展的計算服務,并且可以進一步提供創(chuàng)新型服務。本文即針對工業(yè)軟件云化技術這一課題進行研究探討。

1 基礎架構虛擬化技術

虛擬化技術是云計算的關鍵基礎技術,也是云計算研究的基礎。虛擬化技術通過對一組類似資源提供一個通用的抽象接口集,從而隱藏屬性和操作之間的差異,并允許通過一種通用的方式來查看并維護資源。虛擬化技術為IT基礎架構提供了彈性化運營能力,但是應用軟件多樣性、許可證機制復雜性以及應用業(yè)務系統(tǒng)自身的邏輯獨立性,往往導致單一型虛擬化技術難以全面整合企業(yè)計算資源。因此在工業(yè)軟件云化技術應用方面,需要囊括多種類型的虛擬化基礎架構,以多樣化的企業(yè)計算資源利用為目標,實現(xiàn)更廣泛的平臺兼容性,重點打造基于超算中心的虛擬化技術。

集群計算通過將一定數(shù)量的計算機個體進行網(wǎng)絡互聯(lián)并且共同工作,統(tǒng)一納管CPU、GPU、FPGA、ASIC類計算資源,形成統(tǒng)一、完整的計算資源池,進而實現(xiàn)大規(guī)模的并行計算、數(shù)據(jù)分析,并通過負載均衡配置操作實現(xiàn)高可用性。集群計算技術的導入,可以幫助企業(yè)從計算性能、應用規(guī)模層面提升計算資源核心能力。集群計算技術為企業(yè)IT 基礎架構提升了數(shù)字化高效生產(chǎn)能力,可以針對工業(yè)軟件并行計算、數(shù)據(jù)分析、深度學習類的計算應用提供廣泛兼容性。整個計算資源平臺虛擬化架構設計如圖1所示。

圖1 計算資源虛擬化平臺架構設計

工業(yè)軟件除了在計算資源方面需要虛擬化技術的支持,在存儲資源方面,同樣需要虛擬化技術的支撐。工業(yè)軟件在應用過程中,同時產(chǎn)生并存儲大量的結構化和非結構化數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)作為企業(yè)的核心資產(chǎn),關聯(lián)的存儲設備及管理系統(tǒng)是企業(yè)計算資源中不可或缺的重要組成部分,承擔著企業(yè)核心級非結構化數(shù)據(jù)的創(chuàng)建、修改、復制、分發(fā)、存檔、重用、保護、恢復、刪除等管理職能。不同類型的軟件需要不同性能的存儲設備提供后臺支持,而不同類型、不同廠家的存儲設備具備差異較大的文件系統(tǒng)以及管理機制,存儲管理工作的碎片化傾向愈發(fā)嚴重。存儲資源虛擬化技術面向多樣化存儲基礎架構,抽象提煉數(shù)據(jù)基本管理接口,面向不同模型,不同應用數(shù)據(jù)管理需求,提供統(tǒng)一的存儲資源管控能力,進而實現(xiàn)不同學科應用統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型處理能力,同一數(shù)據(jù)模型計算流程之間數(shù)據(jù)交互能力。

2 服務化技術

航空計算仿真技術依托于工業(yè)軟件而存在。CFD類計算求解器軟件在執(zhí)行仿真計算過程中,需要輸入網(wǎng)格文件,參數(shù)模板文件,中間數(shù)據(jù)交換文件,最后再以數(shù)據(jù)輸出文件的方式將仿真計算結果向用戶進行展示。傳統(tǒng)的軟件使用過程中,在大型計算中心部署腳本文件調(diào)用CFD求解器軟件,并且在相應的計算流程節(jié)點通過調(diào)用相應的輸入?yún)?shù)和輸入文件,完成仿真計算過程。這種傳統(tǒng)的CFD軟件架構基于緊耦合單體式軟件架構技術,而隨著數(shù)字化業(yè)務的發(fā)展,未來的CFD軟件架構需要考慮多學科聯(lián)合求解架構,涉及多學科聯(lián)合仿真計算。因此需要建立起一套面向多學科應用的軟件架構體系,而軟件服務化APP作為封裝了不同業(yè)務領域知識的新型軟件架構,通過軟件復用和知識封裝技術,以服務的方式完成特定功能的求解。整個軟件的服務架構如圖2所示。

圖2 云化軟件服務架構

通過這種基于云計算服務化的軟件仿真計算,在統(tǒng)一的云平臺系統(tǒng)中,應用人員針對不同學科的計算數(shù)據(jù)都被保存在同一套工業(yè)軟件平臺系統(tǒng)中,系統(tǒng)也自然而然的獲得了基于多學科應用的數(shù)據(jù)挖掘能力和服務調(diào)用行為分析的潛在能力。一方面系統(tǒng)通過對不同學科應用的數(shù)據(jù)進行挖掘分析,提取知識,建立基于數(shù)據(jù)的智能設計。另一方面系統(tǒng)針對企業(yè)核心計算資源的利用行為相關數(shù)據(jù)進行記錄、存儲、整理、分析以及挖掘,全面評估資源利用率、資源緊張度、節(jié)點計算生產(chǎn)效率,為計算資源生產(chǎn)績效提供參考依據(jù),進一步提升數(shù)字化云平臺的效率。

3 容器調(diào)度技術

工業(yè)軟件作為運行于工業(yè)計算領域的軟件,需要強大的計算能力,因為運行于云端,而容器技術作為云端服務提供的載體,通過與工業(yè)軟件組件的結合,對外提供服務。在云端,通過將工業(yè)軟件的不同組件進行服務化拆分,以服務運行的方式對外提供功能,因此用戶對組件的服務調(diào)用,組件之間的服務調(diào)用導致整個軟件的復雜度呈指數(shù)級上升。而容器技術作為服務提供的載體,具備自動管理擴展多個應用服務的能力,并且可以根據(jù)計算過程中,對計算資源的監(jiān)控,自動彈性擴充容器數(shù)量,滿足計算需求。工業(yè)軟件存在功能升級、遠程監(jiān)控的需要,軟件服務的提供方式也從以往需求分析、設計編碼、測試上線的瀑布模型轉變?yōu)榭焖夙憫?、持續(xù)交付的敏捷開發(fā)模式,因此需要以高度自動化的方式來運行提供服務。在容器集群規(guī)劃中,將承載微服務的Docker容器部署于Kubernetes集群體系中,利用其Master組件(Apis、Scheduler、Etcd)和多個Node節(jié)點組件(Kubelet、Kube-Proxy)及分布式存儲系統(tǒng)保障容器群集的高效、穩(wěn)定服務。將整個系統(tǒng)模塊分為運行在Node節(jié)點上的容器服務和運行在Master節(jié)點上的用于組成集群級別的控制管理服務。整個容器調(diào)度體系架構如圖3所示。

圖3 容器調(diào)度技術框架

CFD類工業(yè)軟件在云端服務運行過程中,不僅需要開發(fā)匹配超算的軟件容器化和軟件編排能力,還需要兼容各種類型的超算編程應用。因此還需要進一步研究不同種類容器之間的轉換技術,通信技術。容器應用與各類容器編排工具Kubernetes、Kubeflow、Argo的對接能力,實現(xiàn)大的超算資源的自動編排,從而支持通過編排調(diào)度工具部署超算平臺的多節(jié)點MPI任務,面向科學計算的MPI應用開發(fā),最后達到面向智能計算的典型分布式深度學習的模型開發(fā)能力,和基于服務的面向云計算的應用編排能力。

4 結論

通過對航空計算工業(yè)軟件云化研究,為工業(yè)云平臺的設計規(guī)劃做出了積極的方向探索。工業(yè)軟件的云化設計面向工業(yè)研發(fā)應用需求,提供了虛擬應用、高性能計算、工程數(shù)據(jù)管理和行業(yè)解決方案等多種服務能力,通過服務方式提供工程應用,用戶無需安裝任何應用軟件,僅需通過Web平臺頁面方式即可啟用設計軟件,操作體驗與本地應用保持高度一致。高性能計算方面,用戶在平臺頁面填寫參數(shù)并上傳模型文件,系統(tǒng)解析后自動生成作業(yè)提交腳本文件,并提交至集群調(diào)度系統(tǒng),即可進行大規(guī)模求解計算。工程數(shù)據(jù)管理方面,用戶可在線管理產(chǎn)品設計及仿真數(shù)據(jù),企業(yè)用戶組可建立共享目錄,組內(nèi)員工可分級共享,幫助企業(yè)用戶組實現(xiàn)在線協(xié)同設計及仿真。通過集成多學科求解器軟件提供應用服務,實現(xiàn)平臺自動生成計算腳本、準備計算模型并進行快速求解計算,用戶方便直接獲取計算報告或仿真效果圖。

工業(yè)軟件云化技術研究還可以實現(xiàn)技術創(chuàng)新及運營模式創(chuàng)新。通過整合超大規(guī)模計算資源,可以提供強大的工業(yè)研發(fā)計算能力,覆蓋CAD二維及三維設計、CAE 前后處理及求解計算等主流應用,為用戶提供了高彈性、按需收費的在線研發(fā)應用服務。通過設計可定制化CAE 仿真應用模板,降低高端研發(fā)軟件應用門檻,改變傳統(tǒng)的計算資源服務形式,升級為在線化研發(fā)設計知識服務,幫助用戶轉型升級資源服務擴展升級為知識服務。改變了傳統(tǒng)工業(yè)研發(fā)的數(shù)據(jù)生產(chǎn)方式,工程技術人員不再受限于客戶端的軟件種類以及計算能力,可以在任何地點打開任意研發(fā)軟件,自主獲取云端設計數(shù)據(jù),隨時開展研發(fā)、設計、分享以及相關討論,打造智慧研發(fā)模式。