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第三章 软件定义企业新模式

第八节 核电工程设计云平台建设与运营实践

上海核工程研究设计院 程懿 刘磊
 

一、引言

        2013年4月,德国公布了《保障德国制造业的未来:关于实施“工业4.0”战略的建议》,简称德国“工业4.0”,其目的是借助发挥德国制造业的传统优势,掀起新一轮制造技术的革命性创新与突破。报告的推出立即引起全球的广泛关注,产生了巨大的国际影响,也有人称之为第四次工业革命。第四次工业革命有一个巨大的特征,它将工业制造和互联网技术紧密结合, 凭借互联网强大且高速的影响力对世界的每个角落产生颠覆性变化。
        在世界环境的影响下,根据中国特色,2015年我国政府发布了《中国制造2025》 ,提出要通过特殊政策和制度优势,突出创新驱动,依靠和发展高端装备制造业,打造中国品牌,形成中国创造,推出中国质量,完成由制造大国向制造强国的转变。有人称这是中国版的“工业4.0”规划,是中国建设世界制造强国的行动纲领。
        中国制造2025 的核心是通过创新发展高端制造业,核电制造作为“中国制造”走出国门的两大核心之一,在经过多年蛰伏后也将面临重大机遇和高速发展。无论是核电站建设规模、数量还是核电技术水平均有了显著提升,但由于福岛核电的巨大影响,导致中国乃至全球核电发展放缓,近年随着核电技术安全性的提升,相关法律、制度的完善,作为清洁能源的核电发展成为大势所趋,2015年3月,国务院总理李克强在政府工作报告中也提出了安全发展核电。因此,在加强技术研发、提高技术水准的前提下加大建设投资,进一步扩大核电发展规模,并逐步实现核电技术装备出口,积极推动“走出去”战略,将成为我国核电发展的重要趋势。
        目前核电技术已发展至第三代,第三代核电站的安全性和经济性都将明显优于第二代核电站,我国国家引进的美国非能动AP1000核电站以及广东核电集团公司引进的法国EPR核电站都属于第三代核电站,作为AP1000先进技术引进、消化、吸收和再创新的重要承载企业,上海核工程研究设计院(以下简称“核工院” )面临巨大挑战,为更好完成目标,结合中国制造2025的精神,核工院提出了建立数字化研发体系的目标,将传统设计和互联网、数字化进行有效结合,利用新技术推进研发和协同工作的效率,高效整合科研设计能力、数据资源和信息化资源,衔接核电产业链上下游关联企业,形成需求、设计、建设乃至运维的统一产业平台,逐步建设专业化的工具协同、数据共享、知识转移等“互联网+核电设计”服务能力。

二、项目概述

        作为互联网技术核心之一的云计算也在逐步影响到工业制造领域,各个工业云平台开始蓬勃发展,改变了原有的合作方式,创建了新的商业模式。而在核电设计领域,云计算如何适应高知识附加值,保障数据的知识产权,满足核电设计到建设、运维的产业链,目前在国内乃至全球都未有成熟案例。项目组决定利用云计算基础架构技术,为核工院以及核电工程产业上下游关联企业统一提供多层次、专业化、高质量的云计算服务,贯穿IaaS、PaaS、SaaS全体系服务层次,覆盖工具、数据、知识等多种计算资源维度,持续优化云计算平台调度技术、运营手段以及管理机制,逐步建设成为核电设计这一工业垂直领域的公共云计算服务平台。

云平台功能架构

图1 云平台功能架构

三、建设工作与平台架构

        核电工程设计云平台的建设工作重点关注SaaS层服务交付质量,细致研究IaaS层基础设施保障能力,自主设计PaaS层接口开放及外延服务。
        核电工程设计云平台的建设过程中,项目团队主要进行了以下工作:
        1)IT团队与工程设计专业部门密切配合,深入研究工业软件的能力与特性,量化考量计算资源规格需求,充分论证云平台移植可能性;
        2)IT团队与上海泛云信息科技有限公司(以下简称“泛云科技”)紧密协作,深度调研云计算基础架构技术,联合研发云平台管理系统;
        3)基于核工院和上海超级计算中心的良好合作关系,IT团队为云平台设计实现了二级计算资源供应体系,进一步提升云平台服务能力。
        核电工程设计云平台的总体架构设计如下图所示,并且经过持续的研究、论证、建设及优化工作,已经证明了该架构的实用性与先进性。

云平台组件、体系架构

图2 云平台组件、体系架构

        核电工程设计云平台提供三个层次的服务:
        1.IaaS
        IaaS层服务主要将虚拟OS、存储、网络进行封装,由用户申请动作触发IaaS服务流程,遵循基础架构资源供应规则,为用户提供统一的IT基础设施服务;保障IaaS层的资源可靠性、可扩展性和统一性,对底层硬件资源进行仔细研究,搭建最优的基础架构。
  • 云平台存储系统
        针对云平台中办公、设计和高性能计算资源的不同存储需求进行统一存储,在架构、权限上完全统一。
  • 云平台网络
        调研和测试业界主流网络产品和技术,确定满足云平台高带宽、高扩展性的虚拟化网络方案,并形成网络架构系统标准。
  • 云计算
        除对传统X86继续进行支持外,还重点加强了图形处理领域的支持,平衡虚拟化与物理图形处理器关系,以保障专业设计软件完全运行于云平台。
        2.PaaS
        PaaS层服务主要将基础架构调度接口进行封装,由第三方业务系统的请求行为触发PaaS服务流程,无缝集成工具、数据等资源,为第三方业务系统提供统一的计算资源调度及开发服务。
  • 服务调用接口
        定义云平台上所有发布服务的调用接口规范,便于实现与其他系统实现服务共享与集成。例如:定义云平台上Hadoop的调用接口规范,并在云平台上发布Hadoop服务。
  • 应用调用接口
        定义云平台上所有发布应用的调用接口规范,在资源中心上提供应用接口供其他平台调用。
  • 数据调用接口
        定义云平台上ESB的调用接口规范,实现与其他系统实现数据共享与集成。
        3.SaaS
        SaaS层服务主要将工业软件、OS桌面进行封装,为平台用户提供统一研发设计工作空间,平衡高端研发计算资源,优先满足重要项目需求,为用户提供一站式核电研发设计云端体验。

四、关键技术

        核电工程设计云平台的建设过程中,项目团队广泛研究了IT基础架构技术、专业化核电设计工具软件以及企业门户开发技术,归纳出以下关键技术:
        1.服务器虚拟化技术
        服务器虚拟化技术负责将服务器物理资源抽象成逻辑资源,让一台服务器变成几台甚至上百台相互隔离的虚拟服务器,让CPU、内存、磁盘、I/O等硬件变成可以动态管理的“资源池”,从而提高资源的利用率,简化硬件系统管理工作,实现服务器资源整合,让IT对业务的变化更具适应性。
        服务器虚拟化技术是核电工程设计云平台IaaS层的重要构件。核电工程设计云平台采用了多种类服务器虚拟化技术,组成了VMWare vSphere、Citrix XenServer、Microsoft HyperV混合型服务器虚拟化资源池。
        2.桌面/应用虚拟化技术
        桌面虚拟化是指将计算机的终端系统(也称作桌面)进行虚拟化,以达到桌面使用的安全性和灵活性,可以通过任何设备,在任何地点,任何时间通过网络访问指定桌面系统;应用虚拟是指采用类似虚拟终端的技术,把应用程序的人机交互逻辑与计算逻辑隔离,为用户提供如同运行本地应用程序一样的交互体验。
        桌面/应用虚拟化技术是核电工程设计云平台SaaS层的重要构件。核电工程设计云平台采用了多种类桌面/应用虚拟化技术,组成了Citrix XenDesktop/XenApp、VMWare View、Microsoft RDP混合型桌面/应用虚拟化资源池。
        3.高性能计算调度技术
        高性能计算是指将一定数量的计算机个体进行网络互联并共同工作,形成统一、完整的计算资源池,可以实现大规模的并行计算、数据分析,并通过配置操作实现高可用性。高性能计算调度技术的导入,可以帮助企业从计算性能、应用规模层面提升计算资源核心能力。
        针对核电工程设计工作中常用的数值仿真应用需求,核工院信息中心建设了高性能计算中心,并将其集成接入核电工程设计云平台作为集群计算应用子系统。
        4.GPU虚拟化技术
        GPU虚拟化就是将显卡进行切片,并将这些显卡时间片分配给虚拟机使用的过程。由于支持显卡虚拟化的显卡一般可以根据需要切分成不同规格的时间片,因此可以分配给多台虚拟机使用,其实现原理就是利用应用层接口虚拟化。API重定向是指在应用层进行拦截与GPU相关的应用程序编程接口,通过重定向(仍然使用GPU)的方式完成相应功能,再将执行结果返回应用程序。
        核电工程设计云平台目前主要采用NVIDIA公司的GPU虚拟化技术,结合桌面/应用虚拟化基础架构,为用户提供互联网带宽条件下的高清三维交付服务。
        5.GPU加速计算技术
        显卡厂商NVIDIA推出的GPU运算平台,可以大幅缩减数值仿真计算时间,提升计算工作效率,对于核电工程设计工作的促进作用明显。核电工程设计云平台引进Tesla系列GPU加速计算设备,并针对多款数值仿真软件进行了调试验证工作,并将其接入平台作为高端SaaS服务。
        6.工程软件许可证监控技术
        浮动式许可证是当前工业设计软件大量采用的授权控制技术,常见的许可证管理工具有Flexlm/FlexNet、LUM、RLM、SRM、Aladdin、Hasp 等等,可以实时管理相应软件授权的分发、生效及回收,在企业中具有非常广泛的应用。不同的应用软件依赖不同的许可证管理工具提供运维监控,因此较难实现完整而统一的计算资源管理界面。
        核电工程设计云平台引入许可证监控技术,针对不同类型的软件许可证提供差异化的监控功能实现,并且将应用软件许可证作为计算资源调度凭据,进而提升许可证利用效率。
        随着在线用户数和不同用户单位的增加,对云平台的日常运营要求日益提高,后期项目团队还将进一步研究,以提升云平台的用户体验。
  • 运营模式研究
        研究云平台上线后的运营模式, 探讨非我院用户的拓展方法, 最终形成云平台运营规范,详细定义用户申请、使用、计费流程以及对应的激励机制。
  • 数据采集中心
        研究云平台可能产生的价值数据,包括用户行为数据、用户经验反馈数据,高性能计算最佳参数配置等,形成数据采集方法和数据存放定义,并在资源中心建立数据采集中心,为大数据平台的知识中心提供基础数据。
  • 计费模式研究
        研究云平台用户的计费模式,制定计费标准、计费流程等规范。
  • 多租户研究
        研究云平台多租户技术,探讨与实现云平台如何于多用户的环节下共同使用相同的系统和软件,并确保各用户会话、权限和数据的隔离性。
  • 在线客服
        研究云平台运营后的技术支持模式,在线客服的可行性和运作方案。

五、运营情况与平台价值

        核电工程设计云平台从IaaS、PaaS和SaaS提供服务,并且具备资源统一调度、用户自助门户以及知识库等功能。

云平台功能模块图

图3 云平台功能模块图

        核电工程设计云平台自建成并投入运营以来,一直致力在两个方面拓展平台的覆盖范围:一是平台所涵盖的专业软件种类,包括专业设计软件和高性能计算软件;二是平台在核电产业链各环节中的覆盖率。目前,平台包括多种专业软件,提供服务内容涉及办公、设计以及数值仿真等,例如设计软件AutoCAD、MicroStation、Inventor、MathCAD、Naviswork Freedom2014、PDS、BIM、GT 29等,高性能计算软件ANSYS、FLUENT、CFX、MAAP、LS-DYNA、STAR-CCM+等;用户范围已覆盖到示范、海阳、三门和陆丰等多个项目现场的业主、建设方、设计方和监理方;平台日活跃用户数已经达到200+,日登录次数600+人次。
        云平台已逐步实现设计全数字化,并为多产业用户提供了同一协同工作平台,平台的设计模型在线浏览和修改将逐步替代传统的打印图纸;云平台投入使用,屏蔽了区域和终端影响,各产业用户将主要精力放在其专业处理上,不再为数据、资源、软件等烦恼;云平台使得数据在产业链多用户间的快速流转成为现实;云平台在确保数据安全的前提下,为核电工程用户提供了协同工作的平台,以研究设计为核心,贯穿上下游产业链,充分发挥了我院设计能力、数据和信息化资源的价值。