楊大為，張　娜，肖安洪，何騰蛟，劉　東

(中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都　610041)

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基于三維遠(yuǎn)程可視化技術(shù)的前后處理設(shè)計(jì)平臺(tái)解決方案研究

楊大為，張娜，肖安洪，何騰蛟，劉東

(中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610041)

摘要:介紹了在新應(yīng)用需求下，通過將集群技術(shù)、圖形調(diào)節(jié)和遠(yuǎn)程桌面等多項(xiàng)技術(shù)整合，形成基于三維遠(yuǎn)程可視化技術(shù)的設(shè)計(jì)平臺(tái)完整解決方案，方案具備設(shè)備集中管理、資源統(tǒng)籌調(diào)配和服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)提供等應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，為科研設(shè)計(jì)任務(wù)中涉及的結(jié)構(gòu)建模、前/后處理等設(shè)計(jì)階段提供相應(yīng)的計(jì)算資源支撐。

關(guān)鍵詞:三維可視化;計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì);計(jì)算機(jī)輔助工程;虛擬桌面

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及應(yīng)用的迅速發(fā)展，CAD與CAE等新技術(shù)亦得以迅猛發(fā)展。現(xiàn)階段，CAD、CAE已經(jīng)在電子、造船、航空、機(jī)械、建筑、核科學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，這不僅極大地縮短了設(shè)計(jì)和分析的周期，同時(shí)通過仿真模擬，可對(duì)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行前期驗(yàn)證，找出產(chǎn)品最佳解決方案，降低材料消耗和成本，為后期制造或生產(chǎn)取得巨大的經(jīng)濟(jì)效益［1］。

為滿足設(shè)計(jì)需要，通常情況下，設(shè)計(jì)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(duì)底層設(shè)計(jì)平臺(tái)計(jì)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(dān)下述軟件的運(yùn)行和計(jì)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(jié)構(gòu)建模、大裝配方案設(shè)計(jì)以及方案評(píng)審和成果匯報(bào)等。

2) CAE前后處理方面。

主要使用ICEM CFD，用于三維模型的網(wǎng)格劃分，實(shí)現(xiàn)物理方程的離散化。

CFX PRE用于求解過程的邊界化設(shè)置。

由于采用傳統(tǒng)技術(shù)手段，受到條件限制，因此無法實(shí)現(xiàn)對(duì)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(yīng)用軟件安裝后，以臺(tái)式機(jī)的形式分派給指定的設(shè)計(jì)人員，這樣的運(yùn)行管理模式存在以下弊端［2］:

1)機(jī)器與人員綁定，資源浪費(fèi)嚴(yán)重。

圖形工作站的CPU、內(nèi)存和圖卡等部件均屬高端配置，據(jù)設(shè)備日常運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，用戶獨(dú)占模式下的設(shè)備平均負(fù)載率僅為峰值負(fù)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(shè)計(jì)資源，特別是顯卡資源，導(dǎo)致資源浪費(fèi)［3］。

同時(shí)，一臺(tái)高端圖形工作站的采購成本往往超過10萬元，昂貴的價(jià)格大大提高了設(shè)計(jì)成本，限制了工作站的采購臺(tái)數(shù)。大多數(shù)設(shè)計(jì)人員仍使用普通PC機(jī)作為大型三維圖形處理軟件的運(yùn)行載體，其運(yùn)行效果可想而知。這忙閑不均的運(yùn)行狀況，對(duì)于項(xiàng)目實(shí)施和設(shè)計(jì)質(zhì)量均造成潛在的影響。

2)缺乏集中管理手段，部署運(yùn)行困難。

鑒于圖形工作站資源緊缺性，在該階段設(shè)計(jì)任務(wù)完成后，使用人需按項(xiàng)目要求移交至其他人員。信息部門須協(xié)助設(shè)計(jì)人員，將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)導(dǎo)出，更改計(jì)算機(jī)配置，如登錄帳戶、環(huán)境變量和網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)人為疏忽，造成異常操作。

同時(shí)由于缺乏監(jiān)控手段，對(duì)分散使用的圖形工作站運(yùn)行情況無法進(jìn)行及時(shí)獲取。一方面，無法向領(lǐng)導(dǎo)層提供準(zhǔn)確的運(yùn)行信息，實(shí)現(xiàn)資源的統(tǒng)一調(diào)配。另一方面，當(dāng)工作站硬件或軟件出現(xiàn)異常時(shí)無法及時(shí)響應(yīng)，導(dǎo)致故障最終發(fā)生，從而影響項(xiàng)目的整體進(jìn)度。

3)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分散，存在安全隱患。

工作站上的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)僅存儲(chǔ)于本地磁盤之上。分散的存儲(chǔ)模式，使得自動(dòng)化備份手段難以有效實(shí)施。同時(shí)硬件損壞、病毒爆發(fā)等事件難以避免，導(dǎo)致設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)及成果文件的丟失或破壞，為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全性和完整性帶來了隱患。

綜上所述，傳統(tǒng)部署和運(yùn)行模式已經(jīng)不能滿足未來設(shè)計(jì)平臺(tái)的應(yīng)用要求。隨著近幾年集群、虛擬化和基于以太網(wǎng)的高質(zhì)量圖形壓縮傳輸技術(shù)的迅速發(fā)展，基于三維遠(yuǎn)程可視化技術(shù)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(gè)角度出發(fā)，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求，對(duì)該設(shè)計(jì)平臺(tái)的解決方案進(jìn)行詳細(xì)闡述。

2.1硬件層實(shí)現(xiàn)

三維遠(yuǎn)程可視化設(shè)計(jì)平臺(tái)的硬件拓?fù)浼軜?gòu)如圖1所示。

圖1　硬件拓?fù)浼軜?gòu)

在本文中設(shè)計(jì)平臺(tái)的硬件部分主要包含以下幾部分內(nèi)容:

1)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。

雖然設(shè)計(jì)人員與三維設(shè)計(jì)工作站群集的數(shù)據(jù)交互完全由以太網(wǎng)作為傳輸載體，但是考慮到千兆以太網(wǎng)接入目前已經(jīng)普遍實(shí)現(xiàn)，同時(shí)結(jié)合圖像調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的使用，以太網(wǎng)硬件設(shè)備可完全滿足上層業(yè)務(wù)的需求，因此無需對(duì)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架部分進(jìn)行升級(jí)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(shè)計(jì)人員工位處的物理設(shè)備進(jìn)行回收，統(tǒng)一放置于中心機(jī)房，同時(shí)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行功能分區(qū)。

圖1中，在圖形工作站集群的右側(cè)，該部分設(shè)備利用虛擬化技術(shù)，將設(shè)備資源進(jìn)行邏輯劃分，實(shí)現(xiàn)多用戶對(duì)一臺(tái)工作站硬件資源的復(fù)用，該部署模式適合三維模型局部建?；蜉p量級(jí)網(wǎng)格劃分等設(shè)計(jì)工作的開展。在圖形工作站集群的左側(cè)，該部分工作站采用物理機(jī)上直接安裝應(yīng)用的部署模式，保證上層應(yīng)用可最大效率地利用底層硬件提供的圖形渲染和計(jì)算能力。這部分設(shè)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(chǔ)系統(tǒng)。

在存儲(chǔ)系統(tǒng)方面，改變傳統(tǒng)模式下模型數(shù)據(jù)在工作站本地磁盤存儲(chǔ)的訪問存儲(chǔ)模式。搭建數(shù)據(jù)中心，利用SAN、NAS等多種存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，上層配合相應(yīng)的文件系統(tǒng)，為圖形工作站集群提供塊、卷和文件級(jí)不同類型的文件訪存模式。數(shù)據(jù)中心的訪存模式不僅極大提高了數(shù)據(jù)交互的速率，更方便設(shè)計(jì)的整體備份和安全防護(hù)，為數(shù)據(jù)訪存的安全性提供了技術(shù)保證。

2.2軟件層實(shí)現(xiàn)

三維遠(yuǎn)程可視化設(shè)計(jì)平臺(tái)軟件層的邏輯架構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2　軟件層邏輯架構(gòu)

1)設(shè)計(jì)用戶訪問門戶。

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

2)遠(yuǎn)程三維可視化技術(shù)。

該模塊為遠(yuǎn)程三維可視化提供基礎(chǔ)功能實(shí)現(xiàn)。通過該模塊，用戶可以在低端的桌面機(jī)上使用遠(yuǎn)端圖形工作站的CPU、內(nèi)存、顯卡等完成大型三維交互設(shè)計(jì)［4］。該模塊支持基于Linux或基于Windows虛擬機(jī)的三維桌面訪問和共享，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)端工作站和顯卡的共享。除此之外，該模塊針對(duì)遠(yuǎn)程桌面會(huì)話提供相應(yīng)的運(yùn)行、管理接口，方便管理員的日常運(yùn)行維護(hù)。

3)作業(yè)調(diào)度系統(tǒng)。

作業(yè)調(diào)度系統(tǒng)為管理員提供基于任務(wù)優(yōu)先級(jí)或基于負(fù)載均衡等多種調(diào)度策略，以此提高計(jì)算資源的利用率。

4)管理應(yīng)用網(wǎng)關(guān)。

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

5)報(bào)表系統(tǒng)。

利用報(bào)表系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)聯(lián)機(jī)在線分析解決方案，實(shí)現(xiàn)在線、接近實(shí)時(shí)的統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表功能。同時(shí)報(bào)表系統(tǒng)支持異構(gòu)的多集群報(bào)表分析，可以將高性能計(jì)算集群和工作站集群數(shù)據(jù)統(tǒng)一收集并生成統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表。管理員利用上述數(shù)據(jù)可完成平臺(tái)級(jí)實(shí)時(shí)監(jiān)控、運(yùn)行狀態(tài)分析等操作，為全網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中資源的統(tǒng)籌調(diào)配提供數(shù)據(jù)參考。

6)配置管理系統(tǒng)接口。

為實(shí)現(xiàn)前處理、仿真數(shù)值計(jì)算、后處理等設(shè)計(jì)過程中計(jì)算數(shù)據(jù)的順利遷移，滿足多學(xué)科聯(lián)合設(shè)計(jì)的要求，在軟件層的實(shí)現(xiàn)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(gòu)化的系統(tǒng)進(jìn)行耦合。所有中間數(shù)據(jù)文件，均通過入庫/出庫操作，完成各個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的交付。這樣不僅滿足統(tǒng)一平臺(tái)的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)通過配置管理工具的使用，為工程設(shè)計(jì)過程中的質(zhì)量控制提供了完整的技術(shù)支撐。

2.3設(shè)計(jì)流程實(shí)現(xiàn)

上述軟、硬件層僅為設(shè)計(jì)平臺(tái)提供了必需的計(jì)算資源和技術(shù)支撐。只有結(jié)合自身業(yè)務(wù)實(shí)際需求，定制相應(yīng)的設(shè)計(jì)流程，才可充分發(fā)揮該設(shè)計(jì)平臺(tái)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，為科研工程項(xiàng)目的開展提供技術(shù)保證。

圖3是設(shè)計(jì)用戶訪問該平臺(tái)的一個(gè)全過程展示，其主要包含以下幾個(gè)步驟:

圖3　訪問流程示例

1)任務(wù)提交。

用戶通過局域網(wǎng)絡(luò)，登錄三維遠(yuǎn)程設(shè)計(jì)平臺(tái)的門戶網(wǎng)站，在功能列表中，選擇所需的設(shè)計(jì)軟件，同時(shí)設(shè)定該軟件運(yùn)行所需參數(shù)并上傳數(shù)據(jù)文件。

2)任務(wù)調(diào)度和會(huì)話創(chuàng)建。

Web門戶服務(wù)器會(huì)將用戶提交數(shù)據(jù)打包后轉(zhuǎn)發(fā)至調(diào)度系統(tǒng)，調(diào)度系統(tǒng)將根據(jù)管理員實(shí)現(xiàn)編輯定義的調(diào)度策略文件，通知桌面會(huì)話管理系統(tǒng)，為設(shè)計(jì)用戶創(chuàng)建相應(yīng)的桌面會(huì)話，等待運(yùn)行資源就緒，即可調(diào)度分配。

3)資源分配和任務(wù)運(yùn)行。

作業(yè)任務(wù)由調(diào)度系統(tǒng)成功創(chuàng)建后，位于服務(wù)器端的工作站集群系統(tǒng)將會(huì)根據(jù)作業(yè)所需的運(yùn)行資源進(jìn)行系統(tǒng)遍歷，以確認(rèn)任務(wù)是否可以立即執(zhí)行。若運(yùn)行資源均滿足，則啟動(dòng)該任務(wù);否則掛起或注銷該任務(wù)。同時(shí)，針對(duì)科研生產(chǎn)過程中時(shí)常出現(xiàn)的突發(fā)情況，系統(tǒng)提供手動(dòng)操作接口，臨時(shí)終止或掛起某些桌面任務(wù)，將資源緊急回收后，為指定任務(wù)提供資源支撐。

4)任務(wù)返回。

任務(wù)的創(chuàng)建結(jié)果將返回給設(shè)計(jì)用戶。若該任務(wù)為三維遠(yuǎn)程桌面會(huì)話，則承擔(dān)三維模型處理的工作站與設(shè)計(jì)用戶終端之間，在局域網(wǎng)中將建立圖像數(shù)據(jù)的“直傳”隧道，保證傳輸?shù)母咝浴?/p>

3　結(jié)束語

現(xiàn)階段，隨著CAD、CAE等先進(jìn)設(shè)計(jì)軟件的大規(guī)模應(yīng)用，科研工程項(xiàng)目對(duì)其依賴性也與日俱增。高性能計(jì)算求解、結(jié)構(gòu)建模或前、后處理等設(shè)計(jì)階段，彼此依附，關(guān)系緊密。正因如此，需要一整套設(shè)計(jì)方案將上述環(huán)節(jié)進(jìn)行融合，為設(shè)計(jì)人員提供完整的訪問和使用流程，切實(shí)解決施工設(shè)計(jì)階段底層的平臺(tái)支撐。

通過對(duì)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(shè)計(jì)平臺(tái)的建設(shè)需求，包括工作站的集中管理、標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)接口的提供、三維模型設(shè)計(jì)等一站式處理。后期可基于該系統(tǒng)平臺(tái)，以二次開發(fā)為手段，深化設(shè)計(jì)平臺(tái)與單位主流業(yè)務(wù)的融合，只有因地制宜不斷進(jìn)行技術(shù)改造，才能充分發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢(shì)為科研人員提供有力的技術(shù)支持和平臺(tái)保障。

參考文獻(xiàn):

［1］張軍華，臧勝濤，單聯(lián)瑜，等.高性能計(jì)算的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)［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(jì)算平臺(tái)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(jì)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(dòng)力研究設(shè)計(jì)院工程師，碩士，主要從事核動(dòng)力裝置軟件研發(fā)及高性能計(jì)算技術(shù)應(yīng)用工作。

收稿日期:2015－05－11

中圖分類號(hào):TP311.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):2095－509X(2015) 06－0063－04