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中航工业高性能计算和网格应用系统

2012/3/1    来源:万方数据    作者:魏金钟  白文  田志民  邓志      
关键字:高性能计算  网格计算  计算流体力学  计算气动弹性  数字  
简要介绍了网格计算在航空工业的应用情况,提出了中航工业高性能计算和网格应用系统AVICGrid的总体框架,及其在飞机高精度大规模气动计算、气动弹性优化设计和数字化装配等三个典型应用方向的网格实现技术,实现了AVICGrid原型系统,为通过网格计算技术提供全行业高性能计算服务打下基础。

  根据中国航空工业集团公司(简称中航工业)发展战略,要在中国航空研究院建设国内一流、国际先进的大型高性能计算中心和集团公司级别的计算流体力学(CFD)研究与应用中心等前沿公共基础技术共享平台,提升中航工业整体竞争力。可见,中航工业对高性能计算的需求巨大,而通过网格计算技术,可以有效整合中航工业高性能计算资源和数据资源,减少整体购置和运行维护费用,提高资源利用率,提升整体能力。

  网格计算是20世纪90年代由Ian Foster、Carl Kesselman和 Steve Tuecke等人提出的一个分布式计算模型,其核心思想是将高速互联网、高性能计算机、大型数据库、传感器、远程设备等融为一体,为用户提供更多的资源、功能和交互性。在发达国家的航空领域,网格技术被放在战略发展的地位,已得到了高度的重视并取得了很大的发展,跨地域多厂所网格计算及优势能力互补的IT应用模式也已全面得以应用。

  1、网格计算技术在航空业的应用概况

  NASA信息动力网格(IPG)是一个集成分布在不同地理位置的计算机、数据库和仪器设备的高性能计算和数据网格,其目标是要大幅度增强NASA科学与工程界解决问题的能力,IPG主要用于参数研究、多学科研究和数据挖掘等领域。一个成功的应用范例是将Cart3D和Overflow等CFD计算软件的作业运行过程自动化地集成在原型软件系统AeroDB,在三天之内,利用位于4个不同地点的13个计算资源,完成了超过1000个Cart3D计算作业和100个Overflow计算作业。

  美国波音公司、洛克希德?马丁公司在飞机数字化设计及网格应用方面处于国际前列。利用企业高速网络环境下的高性能分布式计算设施和分布数据管理系统,建立了企业级网格应用系统。在联合攻击战斗机(JSF)项目中全面推行网格环境下的数字化设计与制造系统,在缩短研发周期、降低成本方面发挥了重要作用。欧洲空中客车公司正在整合大量的传统异构系统,其基本思路是整合分散的飞机设计任务,监视和分析软硬件的使用情况并对其进行优化,需要更新机器或升级软件,减少甚至消除依靠个人主观判断导致的投资浪费,降低IT的总体拥有成本。

  德国宇航院(DLR)建有AeroGrid网格计算系统,目标是要在航空科研机构、工业部门和相关的高等院校之间构建一个稳定可靠的、持续的和适用的协同工作基础设施。研究的重点是要保证数据和软件的可追溯性和一致性。通过对发动机内流计算软件TRACE的多单位联合开发和发动机部件的多单位联合设计进行了演示验证。

  欧盟计算流体力学网格FlowGrid的目标是通过组建网格基础架构,以及开发、部署和共享软件、计算资源和知识,建立一个CFD虚拟组织,以革新在不同地理位置和机构的计算资源上建立的CFD仿真模式。

  我国国家科技部 “863”计划重大专项支持的“ 中国国家网格(CNGrid)”是聚合了高性能计算和事务处理能力的新一代信息基础设施的试验床。通过资源共享、协同工作和服务机制,有效支持科学研究、资源环境、先进制造和信息服务等应用。CNGrid装备了自主研制的面向网格的高性能计算机,集成了分布在全国8个省市10个网格结点上的计算、存储、软件和应用服务等多种资源,构成了一个开放的网格环境。通过自主开发的网格软件CNGrid GOS,支撑网格环境的运行和应用网格的开发建设。在资源环境、科学研究、服务业和制造业等领域,成功建立了10多个重要的行业应用网格。

  欧盟第六框架计划支持的BRIDGE项目目标是在中欧之间建立一个可进行分布式工作流操作和访问分布式存储仓库的跨网格平台,在该平台上运行基于服务的分布式工作流的多学科优化系统,演示中欧合作设计、模拟与数据访问能力。具体算例是一个包括气动、噪声和结构等专业在内的飞机着陆过程中的高升力低噪声襟翼设计问题。

  中航工业在“十五”期间由国家“863”计划资助开展了航空制造网格研究,在网格应用方面进行了探索,建成了一个局部的高性能计算网格环境和跨企业的数据网格平台,建立了分布式License管理系统,实现了主要CAE软件资源的共享 ;开发了一个基于网格的飞机结构拓扑优化系统,采用遗传算法解决飞机设计的拓扑优化问题 ;实现了从单机运行数字样机(DMU)简单组件干涉检查向基于机群的DMU多零件部件预装配和干涉检查转变。在我国航空工业领域,不少单位也在单位内开始网格技术应用探索。多个主机设计所采用网格技术管理并调度本单位高性能计算资源,重点实现基于策略的高性能计算作业调度管理与机群负载均衡管理、基于策略的CAX软件许可证调度管理及高性能计算软硬件资源管理等。

  2、AVICGrid总体框架

  中航工业高性能计算和网格应用系统AVICGrid总体框架(见图1)遵循“四横两纵”的构建方式。自底至顶,依次为物理资源层、操作系统层、网格核心服务层和应用层,同时提供面向整个网格环境的监控管理及安全机制。
 

AVICGrid总体框架

图1 AVICGrid总体框架

  物理资源层整合各个厂所提供的高性能计算设施、浮动License、数据等资源 ;在操作系统层,依托CNGridGOS支持各个厂所级的计算、数据、软件资源共享,同时基于虚拟化技术实现底层硬件资源虚拟化共享;在网格核心服务层,依托CNGrid GOS,提供面向整个行业的计算资源调度服务、浮动License管理、数据共享服务以及计费服务等,支撑行业典型应用系统的构建;应用层是在核心服务层之上构建气动计算、气动弹性优化设计和数字化装配等三类典型应用系统。

  监控管理机制为整个网格环境的日常生产运行提供有效的支持,安全机制确保平台各类资源的私密性。根据职责和权限将用户区分为厂所用户、网格用户、资源提供者和网格管理员等四类。厂所用户是指各个厂所现有的用户,直接使用厂所自有的高性能计算、数据资源、浮动License资源等 ;网格用户是指在航空业内通过全机干涉检查系统、CFD计算系统及多学科多目标优化系统使用网格环境资源的典型应用用户 ;资源提供者为各个厂所现有的管理员,负责将厂所自有资源配置到网格环境中 ;网格管理员负责全局范围内资源的监控管理和配置等任务。

责任编辑:熊东旭
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