賴翔

仿真技術(shù)綜合了跨學(xué)科、跨專業(yè)等多應(yīng)用領(lǐng)域的信息技術(shù)、數(shù)學(xué)思想，以計算機(jī)為工具，依托系統(tǒng)模型對假想或?qū)嶋H的系統(tǒng)開展研究測試，被廣泛應(yīng)用于各類復(fù)雜產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計中。本文根據(jù)航空發(fā)動機(jī)設(shè)計仿真的特點(diǎn)，對高性能計算在此場景下的應(yīng)用特征進(jìn)行了探索，提出了解決仿真需求的技術(shù)途徑。

一、 航空發(fā)動機(jī)仿真計算特點(diǎn)

航空發(fā)動機(jī)仿真，涉及了內(nèi)流氣動熱力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料等多個學(xué)科的相關(guān)技術(shù)，其依托高性能計算基礎(chǔ)資源并利用CAD/CAE等專業(yè)應(yīng)用軟件，實(shí)現(xiàn)對航空發(fā)動機(jī)整機(jī)、部件以及系統(tǒng)的高效率、高保真耦合數(shù)值模擬。其仿真計算過程可分為前處理、求解、后處理三個階段。

（一）前處理。前處理的主要工作是進(jìn)行幾何模型、網(wǎng)格模型的建立。首先參照實(shí)物狀態(tài)進(jìn)行建模，然后對照幾何模型設(shè)定計算域并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后配置求解前的各邊界條件、初場等，完成計算參數(shù)的設(shè)定。

（二）求解。求解主要是利用計算機(jī)CPU對仿真模型進(jìn)行分析，計算各個網(wǎng)格單元結(jié)構(gòu)，預(yù)測模型的變化特性、趨勢等。其主要包含結(jié)構(gòu)分析、流體動力學(xué)分析、電磁場分析以及多物理場的耦合分析等。

（三）后處理。后處理的主要工作是處理期望的求解結(jié)果，通常利用殘差圖、云圖等相關(guān)特性圖進(jìn)行輔助分析，提取求解結(jié)果中的關(guān)鍵數(shù)值。

二、 航空發(fā)動機(jī)仿真算力需求分析

根據(jù)航空發(fā)動機(jī)仿真計算的特點(diǎn)，各階段對硬件資源的需求不同，高性能計算資源的配置將直接影響仿真計算的效率表現(xiàn)。前處理、后處理階段涉及的仿真應(yīng)用屬于GPU密集型，需要使用大量的圖形資源，對顯卡的圖形處理性能有著較高的要求;求解階段為數(shù)學(xué)方程計算，以CPU計算為主，結(jié)合GPU輔助加速等方式實(shí)現(xiàn)數(shù)值分析，對CPU的主頻、核心數(shù)、內(nèi)存容量以及磁盤讀寫速度都有著極高的要求，不同求解方式對于硬件資源的需求都略有差異。

（一）前后處理需求分析

前處理階段與后處理階段對于計算資源需求類似。以一個網(wǎng)格量達(dá)到億級、文件大小30GB的三維模型為例，在工作站上（CPU6核、內(nèi)存64GB、硬盤4TB、顯存8GB）進(jìn)行前處理工作，模型可縮放拖拽但不流暢，設(shè)備顯卡、內(nèi)存負(fù)載較高。求解完成后，進(jìn)行速度變量處理、切面分析等后處理操作，設(shè)備CPU單核負(fù)載已達(dá)99%，內(nèi)存使用量約50GB.顯卡GPU利用滿載，詳見圖1、圖2所示。

由此分析可知，在航空發(fā)動機(jī)仿真設(shè)計的前后處理階段，對CPU單核處理性能、內(nèi)存大小、顯存緩存均有著十分高的性能要求，配套的高性能計算基礎(chǔ)資源必須滿足以上幾個方面的需求。

（二）求解需求分析

在求解階段，常用的CAE仿真計算類型有流體計算、隱式有限元計算、顯式有限元計算等。流體計算可用于模擬仿真發(fā)動機(jī)內(nèi)部實(shí)際的流體流動情況，其原理是用數(shù)值方法求解代數(shù)方程組以獲取流場解;有限元計算是基于有限元模型完成有關(guān)的數(shù)值計算，其基于區(qū)域分解法來實(shí)現(xiàn)計算過程的并行化處理，主要包括隱式求解和顯式求解兩類。

流體計算。流體計算利用流體力學(xué)中經(jīng)典的數(shù)學(xué)思想與計算方法，依托大量高性能的計算機(jī)資源，通過并行處理等技術(shù)，完成數(shù)學(xué)模型的快速求解。流體計算軟件商業(yè)化程度很高，較為流行的商業(yè)軟件包括：CFX. Fluent等。各類軟件大多具備較強(qiáng)的并行擴(kuò)展能力，可加快網(wǎng)格模型的求解效率，其原理是將求解模型分解成多個區(qū)域，每個區(qū)域分配一定的CPU資源開展計算，多個區(qū)域之間通過并行計算實(shí)現(xiàn)整個問題的高效求解。劃分越多的CPU資源，計算效率將會明顯提升。

隱式有限元計算。隱式求解通常用于結(jié)構(gòu)靜力學(xué)、動力學(xué)分析，其通常采用共享內(nèi)存并行和分布式內(nèi)存并行的方式進(jìn)行計算，要求節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存容量大、磁盤IO速度快，對于單進(jìn)程的讀寫帶寬也有著較高的要求。該類計算對資源的需求和流體計算有著明顯的區(qū)別，當(dāng)采用更多核數(shù)計算時會一定程度上提高并行效率，但并行效果不如流體計算，而伴隨而來的問題則是存儲讀寫帶寬大幅增加。此類計算適合在單節(jié)點(diǎn)內(nèi)運(yùn)行，須保證節(jié)點(diǎn)的CPU單核性能、內(nèi)存容量、單線程讀寫性能以及鏈路聚合帶寬。

顯式有限元計算。顯式求解通常用于計算變形、包容性驗(yàn)證等動力學(xué)問題。相較于隱式求解，顯式解法對內(nèi)存、磁盤IO和通信延遲的要求要低一些，對硬件平臺的可擴(kuò)展性適配較好。相較于流體計算，整體對資源的需求類似，但在內(nèi)存容量方面需求更大。

三、高性能計算應(yīng)用技術(shù)研究

研究航空發(fā)動機(jī)仿真計算需求的主要目的是為了能夠更深刻、更詳細(xì)的了解業(yè)務(wù)與計算力的需求關(guān)系，以及計算力是如何解決業(yè)務(wù)問題的。透徹的需求分析，能夠在高性能計算技術(shù)運(yùn)用時，更加準(zhǔn)確、合理的提出架構(gòu)設(shè)計、集群硬件選型以及相關(guān)軟件系統(tǒng)的應(yīng)用，最終形成覆蓋航空發(fā)動機(jī)仿真計算業(yè)務(wù)全過程的高性能計算平臺。通過上述研究，本文對航空發(fā)動機(jī)設(shè)計仿真的資源需求進(jìn)行了匯總，如表1所示。

通過深入研究航空發(fā)動機(jī)仿真計算的類型與特點(diǎn)，對算力資源需求展開詳細(xì)分析，明確了高性能計算平臺基礎(chǔ)運(yùn)行環(huán)境的選型配置將直接決定仿真計算的效率，共性的服務(wù)器配置無法有效滿足全部業(yè)務(wù)需求。因此，在開展面向航空發(fā)動機(jī)仿真特點(diǎn)的高性能計算應(yīng)用時，須重點(diǎn)考慮計算、網(wǎng)絡(luò)、存儲、管理、圖形等多類資源的規(guī)劃配置，總結(jié)為以下幾點(diǎn)：

在計算資源規(guī)劃上，始終要保證以仿真業(yè)務(wù)需求為核心，計算資源建議由高密度節(jié)點(diǎn)、大內(nèi)存節(jié)點(diǎn)等多形態(tài)節(jié)點(diǎn)組成，形成差異化的高性能計算資源池，滿足仿真計算各階段不同類型計算資源的需求，保證資源利用的最大化。

在網(wǎng)絡(luò)資源規(guī)劃上，將網(wǎng)絡(luò)劃分為計算和管理網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)行業(yè)應(yīng)用特點(diǎn)，計算網(wǎng)絡(luò)推薦采用低延遲、大帶寬的Infiniband網(wǎng)絡(luò)，管理網(wǎng)絡(luò)則采用核心接入的二層以太網(wǎng)架構(gòu)模式，并將業(yè)務(wù)管理網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備管理網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立建設(shè)。

在存儲資源規(guī)劃上，根據(jù)仿真計算類型等業(yè)務(wù)需求，采用可擴(kuò)展的并行存儲，配置并行文件系統(tǒng)。架構(gòu)設(shè)計以一級存儲（存儲）加二級存儲（備份）的運(yùn)行方式，重點(diǎn)提升存儲聚合帶寬、單線程讀寫速度，擴(kuò)容存儲容量，滿足各類仿真計算類型的存儲應(yīng)用需求。

在管理資源規(guī)劃上，配置冗余的管理/登錄服務(wù)器搭載作業(yè)調(diào)度、仿真應(yīng)用軟件，按需開展統(tǒng)計報表、集群管理等系統(tǒng)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)高性能計算平臺統(tǒng)一運(yùn)維，保證高性能計算平臺的穩(wěn)定、高效運(yùn)行。

在圖形資源規(guī)劃上，集中配置圖形服務(wù)器或工作站。通過靈活的資源池劃分與作業(yè)調(diào)度策略，實(shí)現(xiàn)有限元計算、前后處理、三維設(shè)計等多態(tài)仿真在集中資源池的”云化”應(yīng)用，全面提升設(shè)備使用效率，形成一套完整的面向航空發(fā)動機(jī)仿真計算全過程應(yīng)用的高性能圖形資源池。

四、結(jié)語

本文主要介紹了高性能計算在航空發(fā)動機(jī)設(shè)計仿真中的應(yīng)用思路，分析了本行業(yè)的仿真業(yè)務(wù)特點(diǎn)以及對算力資源的差異化需求，最終形成了適用于航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域、具備行業(yè)特征的高性能計算應(yīng)用實(shí)踐，在行業(yè)內(nèi)具有一定的借鑒價值。

作者單位：中國航發(fā)湖南動力機(jī)械研究所

圖2給出的是制絲車間移動管理系統(tǒng)的設(shè)計架構(gòu)圖。

四、系統(tǒng)功能應(yīng)用

目前，基于Andriod的移動管理系統(tǒng)在南陽卷煙廠制絲車間廣泛投入應(yīng)用，效果良好。移動管理系統(tǒng)通過服務(wù)層下發(fā)工單，PLC系統(tǒng)接收工單，控制車間生產(chǎn);監(jiān)控系統(tǒng)通過PLC地址，實(shí)時展示現(xiàn)場生產(chǎn)狀況，同時反饋給移動管理系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了移動管理系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)與PLC控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)聯(lián)通。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能如下所示：

實(shí)現(xiàn)了手機(jī)移動端與制絲車間PLC控制系統(tǒng)的信息交互，移動端通過WebService和Socket通信，將生產(chǎn)工單和工藝參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)下發(fā)至車間PLC系統(tǒng)，控制生產(chǎn);通過OPC數(shù)采服務(wù)和HTTP通信，實(shí)時獲取車間各條生產(chǎn)線的生產(chǎn)進(jìn)度以及各個工藝段工藝指標(biāo)實(shí)時值。

解決了生產(chǎn)調(diào)度人員和車間巡檢人員在巡檢過程中，無法隨時隨地掌握各條生產(chǎn)線生產(chǎn)進(jìn)度的矛盾。通過移動管理系統(tǒng)，巡檢人員根據(jù)各條線的生產(chǎn)進(jìn)度，完成時間，科學(xué)制定排產(chǎn)計劃，減少因換班或者換批造成的時間貽誤，提高生產(chǎn)效率。

解決了車間檢查人員無法通過拍照、錄視頻的方式反饋車間問題的矛盾。維修人員以往通過紙質(zhì)記錄檢查問題，檢查過程低效，描述問題不全面，造成設(shè)備維修保養(yǎng)的延誤。通過移動終端，檢查人員可以拍照或者錄視頻，詳細(xì)描述問題，制定維修計劃，發(fā)送手機(jī)短信通知維修人員，提高維修效率。

實(shí)現(xiàn)了制絲車間生產(chǎn)統(tǒng)計結(jié)果實(shí)時反饋，以往生產(chǎn)結(jié)束后，換班人員無法及時獲取當(dāng)天批次的合格率、CPK等統(tǒng)計結(jié)果。通過移動管理系統(tǒng)，可以隨時查看當(dāng)天各批次的質(zhì)量統(tǒng)計結(jié)果，及時發(fā)現(xiàn)工藝標(biāo)準(zhǔn)中存在的問題并修改，提高車間生產(chǎn)的工藝質(zhì)量水平。

五、 結(jié)語

南陽卷煙廠移動終端管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了車間生產(chǎn)過程隨時隨地掌握，生產(chǎn)統(tǒng)計結(jié)果及時反饋，工藝檢查全面完善，設(shè)備申報維修高效便捷，有效地提高了車間的生產(chǎn)效率和工藝管理水平。隨著“機(jī)器自學(xué)習(xí)”、 “數(shù)據(jù)挖掘”等大數(shù)據(jù)算法的廣泛應(yīng)用，將移動終端系統(tǒng)與大數(shù)據(jù)應(yīng)用相融合，實(shí)現(xiàn)制絲生產(chǎn)關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)自適應(yīng)優(yōu)化調(diào)整，提高煙絲品質(zhì)，是制絲車間移動管理系統(tǒng)未來的研究方向。通過大數(shù)據(jù)、移動終端系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能生產(chǎn)，為打造煙草行業(yè)智慧工廠而努力。

作者單位：河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司南陽卷煙廠