鄭娟 康金鋒 湯瀑

[摘 要]針對風洞設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)同設計與仿真、產品及數(shù)據(jù)管控為一體的風洞設備設計管理一體化平臺。該平臺以統(tǒng)一的業(yè)務模型為主線，打通項目管理要素與風洞研制各執(zhí)行節(jié)點間數(shù)據(jù)、工具之間的關聯(lián)關系；運用知識工程技術，研發(fā)設計規(guī)范智能自檢工具，提高風洞設計質量和設計效率；采用基于工程中間件技術的柔性底層架構，使管理流程、設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，整合虛擬化和高性能計算資源，提高硬件資源的利用率。

[關鍵詞]風洞設計；異構集成；業(yè)務模型；規(guī)范化設計；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

風洞是飛行器的“搖籃”，屬于國家戰(zhàn)略資源。風洞研制涉及氣動、結構、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)風洞研制單位仍采用各專業(yè)單獨設計、單獨仿真、單獨優(yōu)化的研發(fā)模式。這種設計和仿真工具的孤島狀態(tài)造成各類設計、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商用軟件的風洞設計環(huán)境缺少項目管理功能，導致項目的執(zhí)行和監(jiān)控主要依賴協(xié)調會，設計過程不可見、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，本文基于國產商用集成軟件SYSWARE構建了風洞設計管理一體化平臺，將原有分立的CAX環(huán)境轉化為集成化、綜合化、規(guī)范化的集成設計與仿真環(huán)境，同時采用虛擬桌面和仿真計算一體化技術，整合利用各類服務器資源，以提高硬件資源的利用率。

1 平臺總體架構

根據(jù)風洞研制的過程與特點，建立了科研項目管理、多專業(yè)協(xié)同設計與仿真、設計數(shù)據(jù)及產品管理的三維度立體化功能體系（如圖1），提供“面向設備研制全生命周期的縱向協(xié)同”和“面向多學科設計與仿真的橫向協(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、質量、風險、溝通協(xié)同）、全過程的協(xié)同管控。

多專業(yè)協(xié)同設計與仿真以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)同設計與仿真環(huán)境，實現(xiàn)TOP-DOWN全三維協(xié)同設計、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估，打通三維模型在風洞等大型設備設計全過程的傳遞和應用。產品及數(shù)據(jù)管控建立集成化的風洞共享信息模型，實現(xiàn)對設備技術指標、幾何參數(shù)等結構化數(shù)據(jù)以及技術報告、工程計算文件、仿真分析文件、調試數(shù)據(jù)等非結構數(shù)據(jù)的統(tǒng)一組織、管理、使用和維護；實現(xiàn)風洞工程設計知識、設計規(guī)范標準及文獻資料的管理應用，為設計人員提供有價值的知識在線推送，最終將其轉換為設計知識庫。

2 平臺軟件設計的關鍵技術

2.1 基于統(tǒng)一業(yè)務模型的集成策略

為了實現(xiàn)研發(fā)活動中的項目管理要素、設計數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)之間的集成和應用，平臺構建了以統(tǒng)一業(yè)務模型為核心的項目、流程、數(shù)據(jù)一體化管理和運行框架。一個典型的風洞設計業(yè)務模型如圖2所示，分為任務層、主體層、執(zhí)行機制層、工具層和狀態(tài)層等。其中，任務層記錄了任務的內容；主體層記錄任務的執(zhí)行主體；執(zhí)行機制層記錄任務的執(zhí)行邏輯；工具層記錄完成任務所需的工具；狀態(tài)層記錄任務的執(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)交互關系。此外，任務還與外部的任務支持（人、財、物以及經驗、標準等）、任務消息（觸發(fā)任務運行，包括外部傳來的控件消息和硬件消息等）、任務約束（時間、資源等各方面的約束）等信息存在聯(lián)系。

基于此任務模型，依據(jù)風洞產品結構BOM實現(xiàn)項目管理中各級工作任務形成和細分。一旦某特定任務節(jié)點同某個設計流程相關聯(lián)，通過項目管理接口就可以直接從項目任務庫中獲得該關聯(lián)任務的ID，通過ID就可以直接提取該任務的相關信息，如計劃開始時間、計劃結束時間、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的流程屬性。

2.2 規(guī)范化三維設計環(huán)境

為了減少設計過程中的人為細小差錯，提高設計質量和設計效率，平臺在多專業(yè)協(xié)同設計與仿真環(huán)境中，根據(jù)現(xiàn)有的軍標、行業(yè)經驗等，制定了《NX三維建模規(guī)范》《NX裝配建模規(guī)范》以及關鍵風洞部段《建模流程規(guī)范》。同時，引入知識工程技術，自主研發(fā)了結構模型檢查控件、裝配檢查工具及工程圖檢查控件，將各類設計規(guī)范內嵌于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用，自動檢查所設計零件、裝配件、二維圖紙，重點檢查是否遵循設計規(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

為了使平臺具有高度可擴展性的柔性底層架構，以適應系統(tǒng)功能的不斷完善和深化，該平臺采用全新的“框架內核+專用業(yè)務組件”底層架構。“框架內核”即為平臺基礎的信息化系統(tǒng)運行與開發(fā)環(huán)境，提供平臺運行所需的任務管理、數(shù)據(jù)管理、工具管理、知識管理等核心業(yè)務服務。在此基礎上建立面向風洞設備研制過程的任務模型及組件（設計、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（力學分析、流體計算、熱分析、光學仿真、電磁設計仿真等），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將各種組件轉換為基于XML統(tǒng)一中性任務模型，然后根據(jù)業(yè)務邏輯將中性業(yè)務模型進行關聯(lián)和融合，形成流程、規(guī)范、數(shù)據(jù)、知識等服務。由于工程中間件的技術中性，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、關聯(lián)和融合，能夠快速響應平臺功能升級與完善。

3 平臺硬件設計關鍵技術

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統(tǒng)一調度和管理虛擬化服務器、高性能計算節(jié)點和圖形服務器。圖形服務器提供遠程三維設計、前后處理和數(shù)字化裝配服務，支持16個三維設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，每臺圖形服務器配的1塊GRID K2和1塊QUADIRO K6000，采用vGPU顯卡虛擬化技術，將K2顯卡劃分為16虛擬顯卡，供三維設計用戶使用；同時使用顯卡穿透技術將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、計算結構力學分析等傳統(tǒng)CPU處理的應用移植到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器高性能計算作業(yè)掛起，運行虛擬化應用。這種“CPU+GPU”的彈性計算模式，能夠有效提高圖形服務器的利用率，在一定程度上緩解了高性能計算集群的壓力。

3.2 抑制啟動風暴

在平臺虛擬桌面初始啟動時，操作系統(tǒng)和應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)啟動風暴，主要表現(xiàn)為界面卡頓、業(yè)務響應緩慢、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，對存儲空間架構進行調整優(yōu)化，通過兩臺I/O服務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 語

風洞設備設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，實現(xiàn)了風洞研發(fā)過程、項目要素、設計產品與數(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能夠提高平臺軟件架構的柔性，使平臺更加易于維護和擴充；統(tǒng)一的業(yè)務模型以及標準、規(guī)范化的業(yè)務環(huán)境能夠確保設計任務的高效、設計數(shù)據(jù)的唯一和共享，便于設計知識的積累、傳承與利用；虛擬桌面和仿真計算一體化等技術策略的應用能夠充分利用虛擬桌面服務器和圖形服務器的空閑計算能力，緩解高性能計算集群的壓力，實現(xiàn)虛擬桌面服務器和圖形服務器利用率的最大化。

主要參考文獻

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