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        超大規(guī)模三維數(shù)據(jù)并行處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法

        2021-06-16 14:21:52畢姍姍劉軍肖紅燕
        電子技術(shù)與軟件工程 2021年5期
        關(guān)鍵詞:切片彩色調(diào)度

        畢姍姍 劉軍 肖紅燕

        (山東山大華天軟件有限公司 山東省濟(jì)南市 250000)

        1 3D打印云平臺的研究現(xiàn)狀

        近幾年,國內(nèi)外涌現(xiàn)了一大批基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的3D 打印云平臺,主要分成兩類:第一類是致力于提供3D 打印最新行業(yè)動態(tài)的3D 打印資訊平臺,在國內(nèi),南極熊網(wǎng)在這方面具有代表性;第二類則是3D打印云服務(wù)平臺,借助云端無界無形、聯(lián)通包容的性質(zhì),解決了廠商分布分散、設(shè)備移動不便、設(shè)備購買價格昂貴等問題,整合了3D 打印產(chǎn)業(yè)上中下游資源,將下游的材料和中游的設(shè)備進(jìn)行封裝,使用戶能夠接觸的到就是不同類型的3D 打印服務(wù),用戶將可以享受到更加便捷、更低成本的3D 打印使用體驗。

        在3D 打印技術(shù)上,國內(nèi)的發(fā)展起步比較晚,雖然在近幾年發(fā)展迅速,但在3D 打印云平臺領(lǐng)域仍落后于國外,特別是面向大眾的消費(fèi)級3D 打印云平臺,雖然國外已出現(xiàn)如3DPrinterOS 的3D 打印云平臺,但其實(shí)現(xiàn)技術(shù)并不對外開放。

        2 消費(fèi)級3D打印云平臺應(yīng)用和制造模式探究

        云制造作為一種新的生產(chǎn)模式,是大數(shù)據(jù)、云計算、互聯(lián)網(wǎng)、智能制造和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)運(yùn)用于工業(yè)制造領(lǐng)域并進(jìn)一步向流通、消費(fèi)等領(lǐng)域拓展的產(chǎn)物,是工業(yè)化與信息化深度融合。運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)營銷模式,促進(jìn)工業(yè)化與信息化深度融合,發(fā)展智能制造,促進(jìn)制造業(yè)提檔升級,這是云制造的重要內(nèi)涵。智能制造是制造業(yè)向高端發(fā)展的集中體現(xiàn),也是云制造的核心內(nèi)容。

        對于傳統(tǒng)集中智能制造的模式來說,雖可以大規(guī)模生產(chǎn),保證供應(yīng)鏈的產(chǎn)量和配置,但在靈活應(yīng)對客戶需求方面卻是令人擔(dān)憂。而消費(fèi)級3D 打印云平臺的分布式智能制造的創(chuàng)新方式和模型架構(gòu),正好利用了大數(shù)據(jù)分析與運(yùn)算,創(chuàng)新生產(chǎn),整合資源,需求化地進(jìn)行分配生產(chǎn),具體有以下兩種模式。

        2.1 全價值供應(yīng)鏈下的3D打印云平臺分布式智能制造創(chuàng)新模型的建立

        對傳統(tǒng)集中智能制造模式做進(jìn)一步改進(jìn)與挖掘,設(shè)計出全價值供應(yīng)鏈下的3D 打印云平臺分布式智能制造創(chuàng)新模式,與前者相比該模式創(chuàng)新如下:

        (1)3D 打印云平臺分布式制造代替了大規(guī)模集中制造;

        (2)系統(tǒng)化的生產(chǎn)物流轉(zhuǎn)變成為最后一公里的產(chǎn)品配送物流;

        根據(jù)表1可以看出:無論在前代過程還是在前代+回代過程,本方法均比LDU三角分解法和因子表法要快。在形成因子表的前代過程中,由于本方法利用了Y陣元素的對稱性省去大量非對角元素的計算,因此比LDU三角分解法快約55%~70%,比因子表法要快約45%。在前代+回代過程,由于本方法利用E陣元素結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)省去大量零元素的無效計算,因此比LDU三角分解法要快約65%~75%,比因子表法要快約60%。

        (3)零部件供應(yīng)商和產(chǎn)品庫存逐漸消失;

        (4)通過搜索引擎和眾包的推廣,網(wǎng)絡(luò)平臺公眾中的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)者可以充分參與企業(yè)技術(shù)孵化和創(chuàng)新研究。

        2.2 跨界融合技術(shù)變革下的3D打印云平臺分布式智能制造創(chuàng)新模式的建立

        隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)挖掘等新興技術(shù)產(chǎn)業(yè)深度融入各行業(yè)領(lǐng)域,企業(yè)的業(yè)務(wù)邊界變得模糊不清,這種改變將深度影響高興企業(yè)的生產(chǎn)與制造模式,甚至重構(gòu)企業(yè)內(nèi)涵和組織架構(gòu)。在這一大變局下,企業(yè)勢必將進(jìn)行跨界融合,進(jìn)行多領(lǐng)域多范圍的創(chuàng)新合作,基于此,在全價值供應(yīng)鏈模式的基礎(chǔ)上再提出一種可跨界融合技術(shù)變革模式的 3D 打印分布式制造方式。該模式下,虛擬 VR 決策層替代了企業(yè)實(shí)際的決策管理層,而工商一體化的產(chǎn)品自制轉(zhuǎn)變?yōu)橥獍a(chǎn)品制造模式。

        3 消費(fèi)級3D打印云平臺的關(guān)鍵技術(shù)

        針對深入落實(shí)創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略和制造強(qiáng)國戰(zhàn)略中“拓寬社會資源與大眾創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新對接通道”的需求,以“互聯(lián)網(wǎng)+3D 打印+創(chuàng)新創(chuàng)意”的消費(fèi)服務(wù)新模式為主線,消費(fèi)級3D 打印云平臺旨在突破3D 打印直接建模、超大規(guī)模三維數(shù)據(jù)并行處理、3D 打印物體精準(zhǔn)彩色上色、三維模型知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)等核心關(guān)鍵技術(shù)。其中,針對消費(fèi)級3D 打印應(yīng)用的并發(fā)性高的特點(diǎn),超大規(guī)模三維數(shù)據(jù)并行處理技術(shù)旨在攻克超大規(guī)模3D 數(shù)據(jù)并行處理資源預(yù)測及優(yōu)化調(diào)度技術(shù),實(shí)現(xiàn)處理請求與資源需求的快速匹配,形成3D 打印在線處理云服務(wù)平臺基礎(chǔ)軟件框架,且具備萬人以上同時在線的支撐能力。

        圖1

        圖2

        4 超大規(guī)模三維數(shù)據(jù)并行處理技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

        在超大規(guī)模三維數(shù)據(jù)并行處理技術(shù)與工具的研究過程中,以超大規(guī)模三維數(shù)據(jù)的并行處理和切片技術(shù)為主線,需要先開展智能調(diào)度技術(shù)和彩色切片技術(shù)的研究,然后實(shí)現(xiàn)云服務(wù)平臺基礎(chǔ)架構(gòu)的研究。其中,在智能調(diào)度技術(shù)方面,擬建立針對三維數(shù)據(jù)并行處理任務(wù)的性能預(yù)測模型,形成基于統(tǒng)計學(xué)習(xí)的智能化資源供給和調(diào)度方法,并引入應(yīng)用行為感知的自適應(yīng)負(fù)載評估與自動化容器編排技術(shù),實(shí)現(xiàn)資源調(diào)節(jié)功能從基于規(guī)則的單向自動化處理模式轉(zhuǎn)變?yōu)橹R驅(qū)動的反饋?zhàn)哉{(diào)節(jié)模式,充分提升軟件過程的智能化水平,支持超大規(guī)模三維數(shù)據(jù)并行處理的持續(xù)高效運(yùn)行環(huán)境。在并行彩色切片技術(shù)方面,彩色切片是實(shí)現(xiàn)設(shè)計模型向生產(chǎn)指令轉(zhuǎn)換的重要橋梁,通過可打印性檢查與修復(fù)技術(shù)確保模型可打印,通過紋理、微結(jié)構(gòu)識別與切片,實(shí)現(xiàn)模型描述信息向打印路徑信息的轉(zhuǎn)換,通過并行切片技術(shù),切實(shí)提高切片效率。最后,基于已有的云計算和云制造平臺研究成果,構(gòu)建高并發(fā)、彈性擴(kuò)展、支持容器和容器編排的3D 打印在線處理云服務(wù)平臺架構(gòu),實(shí)現(xiàn)在線建模、切片引擎、智能調(diào)度引擎、色彩校正等工具的集成,形成3D 打印在線處理云服務(wù)軟件平臺,為3D 打印創(chuàng)新創(chuàng)意平臺應(yīng)用示范提供基礎(chǔ)架構(gòu)和軟件支撐。

        4.1 彩色3D打印切片技術(shù)

        彩色3D 打印切片技術(shù)的研究以技術(shù)流程為驅(qū)動,首先對模型的可打印性做檢查分析,對影響打印的缺陷模型進(jìn)行修復(fù);其次計算初始切片路徑,識別凹凸紋理、微結(jié)構(gòu),并修正初始切片路徑;最后對切片路徑賦予顏色信息,根據(jù)3D 打印描述數(shù)據(jù)規(guī)范,輸出打印路徑文件,驅(qū)動打印機(jī)進(jìn)行彩色模型3D 打印。其實(shí)施路線圖如圖1 所示。

        (1)對彩色3D 打印需求進(jìn)行調(diào)研,明確數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換格式、精度、范圍需求,調(diào)研3D 打印機(jī)對打印模型數(shù)據(jù)的要求,明確數(shù)據(jù)處理需求,調(diào)研模型可打印性檢查修復(fù)需求,調(diào)研基礎(chǔ)彩色切片技術(shù)需求,調(diào)研分析凹凸紋理識別、微結(jié)構(gòu)識別以及打印路徑修復(fù)的數(shù)據(jù)、精度、功能、性能等需求。

        (2)對彩色3D 打印切片涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)。設(shè)計3D打印數(shù)據(jù)格式規(guī)范方案、可打印性檢查與修復(fù)方案、彩色模型切片方案、凹凸紋理及微結(jié)構(gòu)切片方案等。

        (3)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計方案,對上述關(guān)鍵技術(shù)與算法模塊開展研發(fā)工作。

        (4)對研發(fā)的彩色3D 打印切片進(jìn)行實(shí)際數(shù)據(jù)收集、測試;集成到任務(wù)3 研發(fā)的軟件系統(tǒng)平臺中,完成并行彩色3D 打印切片工具的研發(fā)和集成。

        4.2 面向超大規(guī)模計算場景的智能調(diào)度并行處理技術(shù)

        面向超大規(guī)模計算場景的智能調(diào)度并行處理技術(shù)以數(shù)據(jù)并行處理平臺為基礎(chǔ),圍繞云計算與數(shù)據(jù)并行處理技術(shù),首先構(gòu)建支持3D 打印任務(wù)提交與執(zhí)行的基礎(chǔ)云平臺;然后基于運(yùn)行時監(jiān)測與日志數(shù)據(jù)對3D 打印任務(wù)進(jìn)行性能建模,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)驅(qū)動的容量規(guī)劃模型;其次面向超大規(guī)模計算場景支持3D 打印任務(wù)的智能調(diào)度,實(shí)現(xiàn)調(diào)度目標(biāo)靈活可變的智能調(diào)度框架;最后基于機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測3D打印任務(wù)的負(fù)載行為,實(shí)現(xiàn)資源在線優(yōu)化機(jī)制。本研究的實(shí)施路線圖如圖2 所示。

        (1)基于云計算技術(shù)與數(shù)據(jù)并行處理技術(shù),實(shí)現(xiàn)基于容器虛擬化技術(shù)的面向3D 打印并行處理任務(wù)的基礎(chǔ)云平臺,支持3D 打印任務(wù)的并行執(zhí)行,支持任務(wù)的完整生命周期管理,提供可視化操作界面、可擴(kuò)展編程接口、系統(tǒng)監(jiān)測日志、故障診斷工具等基礎(chǔ)服務(wù)。

        (2)對3D 打印任務(wù)進(jìn)行預(yù)處理和模型分析,調(diào)研3D 打印任務(wù)不同于其他主流大數(shù)據(jù)分析任務(wù)的特性,研究資源需求分析的性能模型、資源細(xì)粒度調(diào)節(jié)機(jī)制和智能化資源調(diào)度策略,并據(jù)此建立容量規(guī)劃模型、智能調(diào)度框架和資源在線優(yōu)化機(jī)制。

        (3)根據(jù)前期調(diào)研和分析結(jié)果,進(jìn)行功能模塊的設(shè)計與研發(fā),實(shí)現(xiàn)上述路線圖中的系統(tǒng),在研發(fā)過程中設(shè)計單元測試用例以保障代碼質(zhì)量。

        (4)對功能模塊進(jìn)行集成,在測試環(huán)境中部署系統(tǒng),并通過版本的不斷迭代更新完善整個系統(tǒng)。

        4.3 3D 打印在線處理云服務(wù)平臺架構(gòu)研究

        面向3D 打印在線處理過程中超大規(guī)模三維模型的并行處理、并行峰值時擴(kuò)展新的計算資源以及超大規(guī)模并行調(diào)度等的需求,開展3D 打印在線處理云服務(wù)平臺架構(gòu)研究,基于已有的云計算和云制造平臺研究成果,構(gòu)建高并發(fā)、彈性擴(kuò)展、支持容器和容器編排的3D 打印在線處理云服務(wù)平臺架構(gòu),為3D 打印創(chuàng)新創(chuàng)意平臺應(yīng)用示范提供基礎(chǔ)架構(gòu)和支撐。

        5 結(jié)論

        消費(fèi)級3D 打印云平臺將有效降低3D 打印制造技術(shù)應(yīng)用門檻,打通萬眾創(chuàng)新與3D 打印制造的對接通道。超大規(guī)模三維數(shù)據(jù)并行處理技術(shù)通過研究凹凸紋理、彩色信息、微結(jié)構(gòu)等描述數(shù)據(jù)的識別和切片處理技術(shù),實(shí)現(xiàn)描述信息向打印信息的轉(zhuǎn)換;通過研究并行真彩色切片引擎,切實(shí)提升切片性能。通過研究3D 打印云服務(wù)中底層資源的細(xì)粒度管理控制功能,突破超大規(guī)模計算場景中資源智能調(diào)度和任務(wù)并行處理技術(shù),支持基于在線學(xué)習(xí)的資源動態(tài)調(diào)節(jié)和負(fù)載均衡機(jī)制等,基于超大規(guī)模三維數(shù)據(jù)并行處理技術(shù)的實(shí)現(xiàn),消費(fèi)級3D 打印云平臺將為搭建高并發(fā)、彈性擴(kuò)展的3D 打印軟件云平臺架構(gòu)提供技術(shù)基礎(chǔ)。

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