风洞设计管理一体化平台研发
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作者:郑娟 康金锋 汤瀑
[摘 要]针对风洞设计管理中存在的问题，提出了集科研项目管理、多专业协同设计与仿真、产品及数据管控为一体的风洞设备设计管理一体化平台。该平台以统一的业务模型为主线，打通项目管理要素与风洞研制各执行节点间数据、工具之间的关联关系；运用知识工程技术，研发设计规范智能自检工具，提高风洞设计质量和设计效率；采用基于工程中间件技术的柔性底层架构，使管理流程、设计工具可随时间推移而不断优化、升级；运用虚拟桌面和仿真计算一体化技术，整合虚拟化和高性能计算资源，提高硬件资源的利用率。
[关键词]风洞设计；异构集成；业务模型；规范化设计；虚拟化
doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2019.02.076
[中图分类号]TP391.72 [文献标识码]A [文章编号]1673-0194（2019）02-0-03
0 引 言
風洞是飞行器的“摇篮”，属于国家战略资源。风洞研制涉及气动、结构、测量等众多专业人员的分工协作，存在多个“V”字形多重迭代的嵌套。目前，大多数风洞研制单位仍采用各专业单独设计、单独仿真、单独优化的研发模式。这种设计和仿真工具的孤岛状态造成各类设计、仿真数据互相独立，数据流衔接主要依赖人工完成，效率低、可靠性差，难以支持高效的并行研发流程机制。而且，基于CAX商用软件的风洞设计环境缺少项目管理功能，导致项目的执行和监控主要依赖协调会，设计过程不可见、不可控、不可溯。此外，针对三维建模、大型装配的需要，需配置多套高性能的直通GPU、vGPU进行系统操作；针对仿真求解器的需要，需配置高性能的计算平台以提高其运算速度。这些硬件资源并不是全天候满负荷工作，存在较大的资源浪费。为解决上述问题，本文基于国产商用集成软件SYSWARE构建了风洞设计管理一体化平台，将原有分立的CAX环境转化为集成化、综合化、规范化的集成设计与仿真环境，同时采用虚拟桌面和仿真计算一体化技术，整合利用各类服务器资源，以提高硬件资源的利用率。
1 平台总体架构
根据风洞研制的过程与特点，建立了科研项目管理、多专业协同设计与仿真、设计数据及产品管理的三维度立体化功能体系（如图1），提供“面向设备研制全生命周期的纵向协同”和“面向多学科设计与仿真的横向协同”的两种管控能力。
科研项目管理实现从立项论证、可行性研究到加工调试全过程的闭环管理与动态控制，提供多项目的规划、集中管控和综合监控分析功能；提供单项目全要素（计划、流程、进度、成本、人员、装备、质量、风险、沟通协同）、全过程的协同管控。
多专业协同设计与仿真以NX软件为核心，集成Fluent、Sysnoise、MSC Adams、Zemax和AMESim等各类仿真软件，建立基于全三维的气动、机械、电气、测控、液压等多专业的协同设计与仿真环境，实现TOP-DOWN全三维协同设计、功能仿真、性能仿真，实现基于三维数字样机的零部件、部段级、系统级的优化仿真和整体性能预估，打通三维模型在风洞等大型设备设计全过程的传递和应用。产品及数据管控建立集成化的风洞共享信息模型，实现对设备技术指标、几何参数等结构化数据以及技术报告、工程计算文件、仿真分析文件、调试数据等非结构数据的统一组织、管理、使用和维护；实现风洞工程设计知识、设计规范标准及文献资料的管理应用，为设计人员提供有价值的知识在线推送，最终将其转换为设计知识库。
2 平台软件设计的关键技术
2.1 基于统一业务模型的集成策略
为了实现研发活动中的项目管理要素、设计数据、仿真数据之间的集成和应用，平台构建了以统一业务模型为核心的项目、流程、数据一体化管理和运行框架。一个典型的风洞设计业务模型如图2所示，分为任务层、主体层、执行机制层、工具层和状态层等。其中，任务层记录了任务的内容；主体层记录任务的执行主体；执行机制层记录任务的执行逻辑；工具层记录完成任务所需的工具；状态层记录任务的执行状态；输入/输出表用于建立与外部环境的数据交互关系。此外，任务还与外部的任务支持（人、财、物以及经验、标准等）、任务消息（触发任务运行，包括外部传来的控件消息和硬件消息等）、任务约束（时间、资源等各方面的约束）等信息存在联系。
基于此任务模型，依据风洞产品结构BOM实现项目管理中各级工作任务形成和细分。一旦某特定任务节点同某个设计流程相关联，通过项目管理接口就可以直接从项目任务库中获得该关联任务的ID，通过ID就可以直接提取该任务的相关信息，如计划开始时间、计划结束时间、参与人员、输入＼输出数据集等信息，并将这些信息直接赋给对应的流程属性。
2.2 规范化三维设计环境
为了减少设计过程中的人为细小差错，提高设计质量和设计效率，平台在多专业协同设计与仿真环境中，根据现有的军标、行业经验等，制定了《NX三维建模规范》《NX装配建模规范》以及关键风洞部段《建模流程规范》。同时，引入知识工程技术，自主研发了结构模型检查控件、装配检查工具及工程图检查控件，将各类设计规范内嵌于NX环境中，通过知识脚本进行模型的自动判断及实例化应用，自动检查所设计零件、装配件、二维图纸，重点检查是否遵循设计规范、属性是否填写、图层是否正确、引用集是否正确、装配是否进行过间隙分析等。
2.3 柔性软件底层架构
为了使平台具有高度可扩展性的柔性底层架构，以适应系统功能的不断完善和深化，该平台采用全新的“框架内核+专用业务组件”底层架构。“框架内核”即为平台基础的信息化系统运行与开发环境，提供平台运行所需的任务管理、数据管理、工具管理、知识管理等核心业务服务。在此基础上建立面向风洞设备研制过程的任务模型及组件（设计、仿真、试验、审批等）、数据模型及组件（各种表单、方案、参数、文件、模型等）、科研类模板及组件（力学分析、流体计算、热分析、光学仿真、电磁设计仿真等），这些模型及组件将作为集成开发平台的专用业务组件，可以根据实际工作的需要替换、删减或增配。 同时，平台采用工程中间件技术将各种组件转换为基于XML统一中性任务模型，然后根据业务逻辑将中性业务模型进行关联和融合，形成流程、规范、数据、知识等服务。由于工程中间件的技术中性，使得各种流程、规范、数据、知识可以不依赖于特定的工具，从而可以更好地流动、关联和融合，能够快速响应平台功能升级与完善。
3 平台硬件设计关键技术
3.1 整合硬件资源
在平台硬件部署中，引入了虚拟桌面和仿真计算一体化技术统一调度和管理虚拟化服务器、高性能计算节点和图形服务器。图形服务器提供远程三维设计、前后处理和数字化装配服务，支持16个三维设计用户和一个大装配用户。大装配用户对显卡资源要求极高。因此，每台图形服务器配的1块GRID K2和1块QUADIRO K6000，采用vGPU显卡虚拟化技术，将K2显卡划分为16虚拟显卡，供三维设计用户使用；同时使用显卡穿透技术将K600显卡映射穿透到大装配虚拟机中，使大装配用户能够直接使用物理显卡资源。
目前，以英伟达通用图形处理器（GPGPU或GPU）为代表浮点性能上升到Teraflop级的水平，可以将计算流体力学、计算结构力学分析等传统CPU处理的应用移植到GPU上。因此，在平台硬件环境运行中，在晚上和放假的时，将空闲图形服务器上的虚拟机挂起，加入高性能计算集群中进行仿真计算；上班时间将图形服务器高性能计算作业挂起，运行虚拟化应用。这种“CPU+GPU”的弹性计算模式，能够有效提高图形服务器的利用率，在一定程度上缓解了高性能计算集群的压力。
3.2 抑制启动风暴
在平台虚拟桌面初始启动时，操作系统和应用需要从磁盘读取大量的数据以加载和执行，十分消耗资源。每天上班时期，大量的登录活动将引发启动风暴，主要表现为界面卡顿、业务响应缓慢、桌面操作存在较大延迟。为此，平台采用存储双活实时双副本技术，对存储空间架构进行调整优化，通过两台I/O服务器分别承载来自双活存储的多个卷空间，提供给虚拟桌面集群使用，以分担存储I/O的负荷，保证虚拟桌面系统的I/O性能均衡；通过分级存储功能提升热点数据的读写速度；同时在服务器下挂载独立硬盘，将虚拟机镜像存储其中，虚拟机启动时由服务器直接自硬盘读取系统，简化数据访问路径，降低虚拟桌面启动时的I/O节点压力和带宽消耗。
4 结 语
风洞设备设计管理一体化平台以规范化的数字化研发流程为引导，实现了风洞研发过程、项目要素、设计产品与数据的立体化管控。从平台研发以及运行效益来看，基于工程中间件的柔性软件底层架构能够提高平台软件架构的柔性，使平臺更加易于维护和扩充；统一的业务模型以及标准、规范化的业务环境能够确保设计任务的高效、设计数据的唯一和共享，便于设计知识的积累、传承与利用；虚拟桌面和仿真计算一体化等技术策略的应用能够充分利用虚拟桌面服务器和图形服务器的空闲计算能力，缓解高性能计算集群的压力，实现虚拟桌面服务器和图形服务器利用率的最大化。
主要参考文献
[1]杨洪胜.基于CATIA的高速风洞模型——天平三维协同开发设计平台方案研究[J].气动研究与发展，2011（12）.
[2]俞雪永，陈丹，王云武，等.基于云计算的虚拟桌面环境规划与研究[J].计算机时代，2015（9）.
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