曾 宇 王 潔 吳錫興 鄧朝暉

1.北京市科學技術研究院，北京，100089 2.北京大學，北京，100871

3.首都師范大學，北京，100089 4.中國機械工程學會生產工程協(xié)會，北京，100102

5.湖南科技大學，湘潭，411201

0 引言

云計算是推動經濟發(fā)展和產業(yè)升級的引擎。云計算能創(chuàng)造新的經濟模式，帶動現(xiàn)代服務業(yè)與文化創(chuàng)意等相關產業(yè)的發(fā)展。通過與云計算相關企業(yè)的創(chuàng)新和服務能力的有機整合，并依托新的商業(yè)模式，云計算可為區(qū)域經濟體帶來巨大市場和產業(yè)倍增效應，并借助互聯(lián)網、3G等新興技術的迅速發(fā)展，形成更大的網絡市場規(guī)模。區(qū)域經濟體借助云計算可促進產業(yè)整體向高端集聚，衍生出新的創(chuàng)業(yè)和就業(yè)群體，形成產業(yè)人力資源分流，助力產業(yè)結構調整。

以美國為首的西方發(fā)達國家在20世紀80年代就加大了信息化建設的投入，以促進工業(yè)的轉型發(fā)展，如美國先后建立了圣地亞哥超級計算中心（SDSC）、美國國家超級計算應用中心（NCSA）、匹茲堡超級計算中心（PSC）、勞倫斯·利弗莫爾國家研究所（LLNL）、美國阿貢國家實驗室（ANL）、美國橡樹嶺國家實驗室（ORNL）等，這些機構先后服務于工業(yè)、生物、制藥、國防等領域［1］。美國國家超算中心在20世紀80年代開始的私營企業(yè)計劃（private sector program），為美國500強工業(yè)企業(yè)開發(fā)了創(chuàng)新的硬件和軟件設施、虛擬原型制作技術、可視化技術、網絡技術、數(shù)據(jù)挖掘技術等，維持了美國工業(yè)在隨后全球經濟中的競爭優(yōu)勢［2］。俄亥俄州超算中心從2004年開始一直在倡導藍領計算（blue collar computing）。藍領計算將高性能計算應用于工業(yè)領域，基于虛擬建模和仿真技術改進產品生產工藝，縮短產業(yè)開發(fā)時間，降低開發(fā)成本，提升了企業(yè)的競爭優(yōu)勢［3］。超級計算中心就是當前云計算中心的前身，從某些方面來說，超級計算就是云計算的一種形式，可以說，云計算等信息技術及平臺在西方工業(yè)化大國扮演了十分關鍵的角色。這些大國對云計算相關領域的科研、產業(yè)投入力度巨大，而且投入具有持續(xù)性、時間跨度長等特點。云計算等新一代信息技術對經濟建設的貢獻度正在不斷提高，形成了技術創(chuàng)新的良性循環(huán)［4］。

當前，我國通過自身生產要素比較優(yōu)勢成為新的國際制造業(yè)中心。以制造業(yè)為主導的產業(yè)結構顯示了中國工業(yè)化加速發(fā)展階段的產業(yè)特征，這種結構促進了中國現(xiàn)階段的高速增長。但一方面，工業(yè)產業(yè)結構的畸形化和低勞動生產率對中國的可持續(xù)發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)；另一方面，中國工業(yè)化發(fā)展沒有通過經濟和社會的關聯(lián)性帶動第二、第三產業(yè)的共同發(fā)展，相反，第一產業(yè)不斷萎縮，第三產業(yè)停留在一個較低的水平上，致使第二產業(yè)的發(fā)展失去強大的基礎和服務。生產性服務業(yè)涵蓋了信息、金融、物流等諸多行業(yè)，在中國的發(fā)展尚未成熟。因此，當前以云計算推動我國制造業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展尤為迫切［5］。本文在分析工業(yè)云計算的需求基礎上，結合北京區(qū)域工業(yè)云平臺的前期應用實踐，提出了一種工業(yè)云計算平臺的體系架構?；鉀Q方案及服務?；谶@些方案和服務，工業(yè)用戶可進行快速有效的仿真模擬，降低設計與制造成本，提高原材料的利用率，從而大幅縮短企業(yè)產品升級換代周期，改善產品性能，大幅提升工業(yè)企業(yè)的自主創(chuàng)新效率，并推動企業(yè)核心競爭優(yōu)勢的提升。

1 工業(yè)云計算需求分析

用信息化改造第二產業(yè)的一個重要內容就是用信息技術改造制造業(yè)的生產工藝。信息技術是通過不斷向制造業(yè)滲透擴散來改造傳統(tǒng)生產工藝的。同時，信息技術也促進了傳統(tǒng)制造業(yè)的管理現(xiàn)代化。中小型工業(yè)企業(yè)在提升企業(yè)創(chuàng)新能力時往往要面臨工業(yè)計算軟件及平臺搭建、計算機建模和仿真技術、高端研發(fā)人員的培養(yǎng)等諸多問題，這些問題將直接影響生產成本和生產效率。云計算是生產性服務業(yè)的重要工具，是一種商業(yè)模式的創(chuàng)新。基于SaaS（software as a service）模式的云計算服務，工業(yè)用戶可通過各種客戶端設備的瘦客戶界面（如網頁瀏覽器、基于網頁的電子郵件）使用相應的工業(yè)應用軟件。另外，工業(yè)用戶可以基于PaaS（platform as a service）模式采用工業(yè)云計算運營商支持的編程語言和工具編寫好自己的應用程序，然后放到云計算平臺上運行。在提升企業(yè)信息化服務能力方面，工業(yè)用戶可以基于SaaS模式獲得低廉的ERP、CRM等企業(yè)信息

2 工業(yè)云計算平臺體系結構及關鍵技術

2.1 體系結構

工業(yè)云計算平臺采用CPU＋GPU混合異構架構，實現(xiàn)芯片級、基礎架構級和系統(tǒng)級三級節(jié)能設計，采用核心—邊緣兩層高可用冗余Fat－tree非阻塞（non－blocking）網絡拓撲結構，40Gb／s 4xInfiniband QDR網絡互聯(lián)，其網絡拓撲結構如圖1所示。平臺用戶管理采用NIS（network information service），文件系統(tǒng)采用 NFS（network file system）共享部署；GPU節(jié)點采用雙啟動多操作系統(tǒng)，應用軟件部署在共享存儲上，計算節(jié)點部署Xen、KVM（kernel－based virtual machine）等虛擬機。

工業(yè)云體系架構（圖2）分為基礎設施即服務層IaaS（infrastructure as a service）、平臺即服務層PaaS、軟件即服務層SaaS，以及面向工業(yè)制造領域的行業(yè)應用云服務，如焊接云、切削云、磨削云、精加工云等。基礎設施即服務層IaaS涵蓋了基礎設施和基礎服務。基礎設施包括計算資源、存儲資源、設計資源、仿真資源、生產資源、試驗資源、管理資源、集成資源以及能力資源等，體現(xiàn)為制造資源和制造能力兩種形態(tài)?；A服務包括基于基礎設施之上的服務，通過感知、虛擬化、服務化中間件而全面整合資源層所提供的基礎設施，通過資源管理和協(xié)同中間件為上層的資源利用所提供的重要支撐服務，如數(shù)據(jù)存儲服務、計算服務、負載均衡服務、備份服務等。平臺即服務層PaaS基于相關工業(yè)云計算API，提供服務發(fā)布／發(fā)現(xiàn)、智能匹配、整合／協(xié)同、運行／容錯、交易／管理、監(jiān)控／評估等各項核心功能。平臺基于高效能工業(yè)云計算服務門戶，實現(xiàn)獨立完成某階段制造任務、協(xié)同完成某階段制造任務、協(xié)同完成跨階段制造任務。

2.2 關鍵技術

2.2.1 虛擬化技術

依據(jù)中小制造企業(yè)創(chuàng)新設計和協(xié)同制造的特點，工業(yè)云計算平臺以虛擬化技術為主要支撐，對平臺的軟硬件及虛擬機等各類資源進行服務化管理，以滿足靈活管理和高效利用的需要，主要包括：①資源統(tǒng)一管理，即利用作業(yè)調度、資源調度和虛擬機技術實現(xiàn)對物理機、物理存儲、物理交換機的動態(tài)分配，對虛擬服務器、虛擬交換機及虛擬存儲的產生和變更，以及對所有資源的動態(tài)部署和動態(tài)回收；②應用模板化，即根據(jù)不同用戶群的需求定制不同的虛擬機模板，并通過虛擬機池動態(tài)地使用這些模板，實現(xiàn)操作系統(tǒng)、應用軟件資源的動態(tài)遷移，最大化地利用物理機資源，實現(xiàn)應用與硬件資源、虛擬資源的映射管理；③應用軟件資源云服務化研究，即利用對基于FlexLM浮動許可證的調度來實現(xiàn)商業(yè)應用軟件服務的動態(tài)分配，提供開發(fā)接口以實現(xiàn)擴展應用軟件的服務功能。

圖1 工業(yè)云計算平臺網絡拓撲結構

圖2 工業(yè)云體系架構

工業(yè)云計算平臺對虛擬計算環(huán)境進行動態(tài)評估，并基于計算系統(tǒng)虛擬化技術實現(xiàn)在線遷移、動態(tài)擴容，一部分集群中部署虛擬化中間件，以此為基礎按需動態(tài)地構建虛擬計算節(jié)點，形成虛擬計算資源，由虛擬機管理模塊統(tǒng)一管理；另一部分集群中直接安裝仿真分析等高性能工程計算軟件，在上面部署監(jiān)控代理，形成物理計算資源，由物理機管理模塊統(tǒng)一管理。服務化中間件根據(jù)需要，既可以部署到物理計算節(jié)點上，又可以部署到虛擬計算節(jié)點上，為部署和監(jiān)控工具軟件的接口服務和仿真分析等軟件的計算提供服務。對各類生產資源的感知信息經感知中間件融合之后，通過Web服務方式向上層傳輸。各類型服務均由服務動態(tài)管理模塊統(tǒng)一管理。軟件資源有的直接部署在物理計算資源上，供作業(yè)調度／管理模塊進行調用；有的部署在虛擬機模板中，按需動態(tài)地加載，以虛擬交互應用的方式向外發(fā)布。

2.2.2 前后臺交互技術

工業(yè)對計算的需求主要包含以下環(huán)節(jié)：CAD建模設計、模型離散化和初始化、CAE仿真論證、仿真結果可視化、CAM仿真制造加工。

CAD建模設計環(huán)節(jié)是工業(yè)計算仿真模擬流程中最具創(chuàng)造力、交互最復雜的階段，這個環(huán)節(jié)的特點是計算量不大，人機交互復雜頻繁。模型離散化和初始化環(huán)節(jié)中，用戶需要干預網格劃分來確保自動劃分結構的準確性，網格劃分的執(zhí)行時間通常按照分鐘和小時來計量。CAE仿真論證環(huán)節(jié)中，工業(yè)用戶采用CAE軟件對設計模型進行渲染和仿真論證。對上一環(huán)節(jié)產生的離散數(shù)據(jù)利用有限元和有限差分方法來模擬其變化，模擬過程因需要反復迭代和求解大量的方程，計算量非常大，因此通常需要利用大型機來加速計算。計算后的數(shù)據(jù)較原始模型的數(shù)據(jù)量增大200～500倍。仿真結果可視化環(huán)節(jié)中，將上述數(shù)據(jù)通過可視化處理后，以多種類型的圖像和動畫方式進行展示。CAM仿真制造加工環(huán)節(jié)依據(jù)用戶輸入的NC代碼、工藝模塑和刀具模型，采用CAM軟件計算出有關工件變化、刀具狀況、加工效率等信息，為進行產品的可制造性評價和優(yōu)化打下基礎。該環(huán)節(jié)的特點是計算量不大，交互也不復雜。雖然很多工業(yè)計算軟件囊括了設計、離散化、計算、后處理、仿真制造全流程，但是不同階段呈現(xiàn)出明顯不同的交互特征。CAD建模設計環(huán)節(jié)的用戶需對模型進行不斷操作，使其具有強交互特征；離散化和初始化環(huán)節(jié)中的網格劃分通常由軟件自動完成，但是用戶需對自動生成的網格進行檢查與干預，屬于中等強度的交互；計算模擬可在后臺計算，通常不需要人工干預，屬于弱交互；而后處理階段用戶需要按照不同的維度檢查仿真結果，屬于中等強度的交互；仿真制造屬于中等強度的交互。對于強交互的情況可采用遠程桌面的控制方式，用戶直接操縱云端的工業(yè)計算軟件，這就避免了對復雜交互的應用的封裝；對于弱交互的情況可采用Web封裝的方式，用戶通過瀏覽器即可簡便地使用其服務；對于中等強度交互的情況可先期采用遠程桌面的控制方式，后期根據(jù)用戶的需求對部分功能進行Web封裝。工業(yè)云計算平臺服務控制流程圖如圖3所示。

圖3 工業(yè)云計算平臺服務控制流程

2.2.3 可靠性技術

檢查點技術是一種傳統(tǒng)的系統(tǒng)級容錯技術，其特點是在系統(tǒng)規(guī)模增大時生成檢查點的時間和空間的開銷線性增大。工業(yè)云計算平臺采用多層次系統(tǒng)級魯棒性技術，該技術采用全檢查點技術、故障預測技術、故障時檢查點與進程遷移技術相結合的方式，降低檢查點生成的頻率，同時根據(jù)故障進行一些預測，在保證系統(tǒng)可靠性的前提下降低容錯的開銷。系統(tǒng)級檢查點技術通過透明的方式保存和恢復進程的狀態(tài)，包括進程間通信和交互的狀態(tài)的處理。故障分析與故障預測根據(jù)生產性系統(tǒng)中的故障數(shù)據(jù)，總結部件故障的規(guī)律，研究相應的故障診斷與預測方法。故障前檢查點與遷移技術是根據(jù)故障預測和監(jiān)測結果，在故障發(fā)生或可能發(fā)生前進行單個進程的相關操作。

3 系統(tǒng)開發(fā)與應用實例

工業(yè)云計算服務門戶系統(tǒng)的Web容器采用Tomcat來實現(xiàn)，Web的應用服務采用Struct2開發(fā)（Java語言），用戶瀏覽器通過下載Extjs組件來生成和渲染UI交互界面。用戶與門戶系統(tǒng)通過Https協(xié)議進行交互。門戶系統(tǒng)與支撐管理服務之間采用SOAP協(xié)議進行通信，其中認證系統(tǒng)采用耶魯大學的CAS認證系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用Mysql。支撐管理層的各類服務主要采用Java或者Python語言開發(fā)。支撐管理層與資源管理層之間采用相應系統(tǒng)提供的內部接口通信，如在數(shù)據(jù)服務節(jié)點上安裝Lustre客戶端，支撐服務使用標準的文件操作接口即可對Lustre文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行各類操作；在作業(yè)管理服務的節(jié)點上安裝LSF客戶端（或者提供LSF API的庫），直接調用LSF客戶端程序，即可將用戶請求發(fā)送到LSF作業(yè)管理系統(tǒng)上；支撐服務通過SOAP協(xié)議即可訪問Eucalyptus提供的各類虛擬機管理服務。應用服務運行在虛擬機上或者高性能計算節(jié)點上，用戶通過NX遠程桌面皆可訪問特定的虛擬機，或者由門戶系統(tǒng)將工程計算作業(yè)推送到后臺系統(tǒng)上運算并返回狀態(tài)及結果。系統(tǒng)開發(fā)結構關系圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)開發(fā)結構關系圖

工業(yè)云計算服務平臺可廣泛應用于工業(yè)設計及工程計算領域，如加工工藝分析、裝配工藝分析、模具設計優(yōu)化、機械零部件設計與性能分析、車輛等復雜機電設備性能及裝配工藝分析與設計、工程電磁兼容性分析、圖形渲染、虛擬裝配、虛擬焊接等諸多領域。在近兩年的運行中，該平臺已成功應用于北京長城華冠汽車公司的汽車碰撞仿真項目、中國京冶工程技術有限公司的鋼結構虛擬裝配仿真項目、北京生命科學研究所的生物計算研究項目等十幾個項目。例如，在基于CAE的鋼結構虛擬裝配的項目中，利用CAE技術模擬仿真各種工程材料的性能，通用虛擬裝配技術驗證裝配設計和操作的正確與否，以便及早發(fā)現(xiàn)裝配中的問題，對模型進行修改，并通過可視化顯示裝配過程。可以說，工業(yè)云計算服務平臺不僅能縮短企業(yè)產品升級換代周期、降低設計與制造成本、提高產品性能，還能為各種規(guī)模的企業(yè)提供虛擬產品設計與性能仿真的共享平臺。

4 結束語

中國經濟增長的本質特征就是工業(yè)化，工業(yè)化的本質就是產業(yè)結構的調整優(yōu)化和經濟效率的提升，包括兩個方面，一是量的層面，即指工業(yè)部門在各產業(yè)之間的產值份額迅速提高，二是質的層面，即指所有產業(yè)部門的勞動生產率和全要素生產率的全面提升，也即經濟效率的提升。只有從這兩個方面進行推進，我們才能真正實現(xiàn)中國的經濟增長［6］。云計算平臺實現(xiàn)了資源集中，客戶能夠使用的資源規(guī)模極大但所需成本低、獲取途徑多，并且可按需定制。另外，云計算平臺緊緊地耦合了資源的聚集使用模式，使得計算資源保持較高的利用率，節(jié)約了社會投資。當前，我們抓住云計算發(fā)展的戰(zhàn)略機遇期，將其積極導入工業(yè)產業(yè)中，以云計算推動工業(yè)產業(yè)創(chuàng)新能力的發(fā)展，加快傳統(tǒng)制造業(yè)的改造和升級，發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢，實現(xiàn)社會生產力和技術的跨越式發(fā)展，可以說顯得尤為迫切。

［1]Meuer H W.The TOP500Project：Looking Back over 15Years of Supercomputing Experience［EB／OL］.［2011－06－12］.http：／／www.top500.org／files／TOP500＿Looking＿back＿HWM.pdf

［2]Giles M.Private Sector Program［EB／OL］.［2011－06－12］.http：／／www.ncsa.illinois.edu／AboutUs／Directorates／psp.html.

［3]Ohil Super Computer Center.OSC and Blue Collar Computing Overview［EB／OL］.［2011－06－12］.http：／／osc－edu／bluecollarcomputing／docs／BccGeneralPreso.ppt.

［4]曾宇.工業(yè)云計算的實踐和思考［N］.科技日報，2010－03－01：05.

［5]曾宇.云計算，助推產業(yè)大發(fā)展［N］.人民日報，2010－08－11：23.

［6]劉偉，張輝.中國經濟增長中的產業(yè)結構變遷和技術進步［J］.經濟研究，2008（11）：4－15.