CN105824991B - 一种面向航空应用协同设计的云平台及资源配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向航空应用协同设计的云平台及资源配置方法，该平台和方法在航空器分布式跨域高效协同设计验证中提供技术支撑和基础平台保障。该平台由3个模块组成：业务需求模块、资源映射模块和资源配置模块。该方法通过对业务需求定义、资源映射和资源配置3个过程实现；本发明具有资源按需透明使用，资源利用效率高的优点。

Description

一种面向航空应用协同设计的云平台及资源配置方法

技术领域

本发明涉及一种面向航空应用协同设计的云平台及资源配置方法，属于航空设计辅助技术领域。

背景技术

随着航空工业的快速发展，大型、复杂航空产品的设计开发已成当务之急，面向航空飞机的异地协同设计是航空飞机设计的理想手段，同时也是航空工业实现跨越式发展的必由之路。

目前在中国航空工业的协同设计领域，协同设计平台主要围绕满足航空设计主机厂所与参研单位在飞机研制过程中的协同工作需要，对以设计数据的管理与交换为核心的协同管理工作提供支持，而对航空器设计过程中各类用户按需定制个性化设计环境、资源的按需透明使用等缺少支持。目前在协同设计中没有整合利用参研单位的知识和信息资源，没有将应用于航空器设计整个生命周期的工具和资源集成在一起；没有构建型号统一的数据中心，没有建立单一数据源和统一工程信息中枢，不能同步访问分布在异地的信息；没有对协同设计过程中产生的数据进行严格控制，不能保证数据的一致性、有效性、完整性、安全性和可追溯性。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种面向航空应用协同设计的云平台与资源配置方法，集成航空器设计整个生命周期的工具和资源；构建型号统一的数据中心，用户可以同步访问分布在异地的信息；对协同设计过程中产生的数据进行严格控制；提高了数据的一致性、有效性、完整性、安全性和可追溯性，有效支撑航空器分布式跨域高效协同设计验证，为未来飞机协同设计的跨越式发展提供技术支撑和基础平台保障。

本发明的技术解决方案：一种面向航空应用协同设计的云平台，如图1所示包括：

业务需求模块：清晰、友好并且无二义性的定义一个业务需求，将航空协同设计中的业务构建一个业务需求树，按照产品开发周期对业务需求树进行按层次划分，在不同的周期阶段再按照业务属性的不同继续进行划分，直到划分到不可再分的业务原子为止。构建业务需求树，用户有什么样的需求就可以从业务树上摘取，将用户选择的业务需求和子业务需求进行参数传递，提供给资源映射模块进行调用；

资源映射模块：接收业务需求模块传递过来的业务需求叶子节点的信息，将这些业务需求叶子节点划分成资源节点的组合的形式，为这些资源节点做上标记，包括需要量化的资源、不需要量化的资源标记。由于航空协同设计业务人员并不能有效的估计出自己在工作过程中所需的计算资源，所以本模块基于以往航空协同设计业务数据建立可靠的数学模型来预测出不同业务对于计算资源需求的大小。然后，将映射的资源结果参数传递到资源配置模块进行配置；

资源配置模块：资源配置模块包括软件和数据配置以及硬件资源配置，根据资源映射模块传递来的参数，为用户分配具有相应计算资源的虚拟机，并且利用第三方开源工具Murano将航空应用等第三方应用程序和数据资源配置进虚拟机，向用户提供一个满足软件需求、数据需求以及用户对硬件需求的虚拟主机，并以页面的方式推送给用户。

统一的数据中心：利用OpenStack项目中的Swift存储模块构建统一的数据中心，通过标准公用服务接口API为其他模块提供数据资源。其中，为业务需求模块提供业务树进行选择；为资源映射模块提供硬件、软件和数据资源的参数信息；为资源配置模块提供统一的软件计算文件元数据。

所述的资源映射模块实现过程如下：

(1)初始化所有资源列表，分解资源需求和约束条件；

(2)将相应的资源需求和约束条件绑定；

(3)根据当前资源需求的第一条约束条件进行匹配查询；

(4)根据下一条约束条件匹配查询，若匹配成功则返回对应的资源列表，继续进行步骤(4)操作，若匹配不成功则将资源列表释放，并将当前约束条件作为第一条匹配条件转到步骤(3)操作。当所有约束条件匹配成功后转到步骤(5)操作；

(5)将匹配结果保存，并且转到下一条资源需求，进行步骤(2)操作；

(6)所有资源需求的约束已匹配完成，保存结果，传递给资源配置模块。

所述资源配置模块实现过程如下：

(1)接收资源映射模块所得到的资源需求，包括软件和数据参数以及硬件资源参数；

(2)软件和数据资源配置，包括：

(2.1)将软件和数据参数传递给Murano工具；

(2.2)Murano工具生成配置脚本传递给Nova模块进行配置；

(3)硬件资源配置，包括：

(3.1)将硬件资源参数传递给硬件资源预测工具；

(3.2)硬件资源预测工具采用多元线性预测分析模型，进行多个自变量，包括CPU频率、内存读写速度、硬盘读写速度、软件应用程序大小、文件大小、对文件操作的参数以及操作系统占用的内存，与因变量，包括内存大小、硬盘大小、CPU核数的相关性分析，建立预测模型。在该模型中，X₁,X₂,…,X₇为自变量，Y₁,Y₂,Y₃为因变量，多元线性回归模型为：

其中，b₁₀,b₂₀,b₃₀是常数项，b₁₁,b₁₂,…,b₃₇为回归系数。

在本发明中，采用多元线性回归预测法来预测应当分配的计算资源，使计算结果更准确，提高了资源的利用效率，减少了不必要的硬件开销。

(3.3)将硬件资源预测结果传递给Nova模块进行配置；

(4)将创建的能满足软件、数据和硬件需求的虚拟机工作环境返回给用户。

面向航空应用协同设计的云环境资源配置方法实现步骤如下：

(1)将航空协同设计中的业务构建一个业务需求树，按照产品开发周期对业务需求树进行按层次划分，在不同的周期阶段再按照业务属性的不同继续进行划分，直到划分到不可再分的业务原子，用户在业务树上摘取业务与子业务列表，传递给资源映射模块调用；

(2)建立业务—资源需求映射表，根据该映射表将用户选择的业务需求转化成相应的软件、数据、硬件资源需求的组合，针对每一个业务所对应的资源需求和约束，采用贪心法策略在资源列表中进行匹配，一步步寻找最优资源匹配方案，确定每个业务任务分配的计算资源，生成每个计算资源的软件、数据和硬件资源参数，将参数传递给资源配置模块调用；

(3)将软件、数据配置参数传递给Murano工具生成软件配置与数据信息导入的脚本文件，传递给Nova模块；将硬件资源参数传递给硬件资源预测工具，利用多元线性预测分析模型将硬件资源参数如CPU频率、内存读写速度、磁盘读写速度、软件应用程序大小、文件大小、对文件的操作类型、操作系统占用的内存以及硬盘大小来确定虚拟机计算资源，生成虚拟机配置脚本文件，传递给Nova模块；

(4)Nova模块根据传入的软件、数据与硬件资源的配置脚本文件创建符合用户需求的虚拟机，将虚拟机返回给用户。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)由于该协同设计平台整合了可以应用于航空器设计整个生命周期的信息、工具和资源，实现了计算资源的集中调配，使用户可以构建个性化的设计环境。

(2)由于该平台构建了型号统一的数据中心，可以统一访问各种信息、资源，不必再繁复地确定多种标准，避免了由于型号不统一导致的不便。

(3)由于该平台针对业务构建资源映射，构建多元线性预测模型预测虚拟机的计算资源，实现了资源的按需透明使用，提高了资源的利用效率，减少了不必要的硬件开销。

附图说明

图1为本发明系统的体系结构图；

图2为本发明系统中的资源映射模块实现过程；

图3为本发明系统中的资源配置模块实现过程；

图4为本发明系统中构建的部分业务需求树。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，先对一些基本概念进行一下解释说明。

OpenStack项目：由NASA和Rackspace合作研发的自由软件和开放源代码项目，本系统基于OpenStack项目进行研发。

Swift组件：OpenStack项目中的一个子项目，用于多种数据文件的共享存储，本系统利用Swift组件实现统一的数据中心。

Murano工具：OpenStack项目中的一个子项目，用于协助在虚拟机中安装应用程序及导入数据，本系统利用Murano工具实现在目标虚拟机中的软件和数据导入；

Nova模块：OpenStack项目中用于计算资源和虚拟机管理的子项目，本系统在生成目标计算资源的配置文件后，利用Nova模块创建相应的虚拟机。

下面结合附图对本发明进行详细说明

如图1所示，本发明面向航空应用协同设计的云平台由业务需求模块、资源映射模块和资源配置模块构成。

整个实现过程如下：

(1)将航空协同设计中的业务构建一个业务需求树，按照产品开发周期对业务需求树进行按层次划分，在不同的周期阶段在按照业务属性的不同在继续进行划分，直到划分不了到更小的业务原子，用户在业务树上摘取业务与子业务列表，传递给资源映射模块调用；

(2)根据各业务的特性，建立业务—资源需求映射表，如表1所示，根据该映射表将用户从业务树上选择的业务需求节点转化成相应的软件、数据、硬件资源需求的组合，将该过程描述为一个形式化的过程：BD＝{R,C,N}，其中BD表示业务需求，R表示资源，R＝{R₁,R₂,…,R_n}，C表示所有资源约束条件的集合，C＝{C₁,C₂,…,C_n}，每个C_i表示对应资源R_i的约束条件，C_i＝{c_i,n_i}，c_i表示具体的约束条件，n_i指资源R_i约束条件的个数，N表示资源数量。针对每一个业务所对应的资源需求和约束，将相应的资源需求和约束条件绑定，根据当前资源需求的约束条件进行逐条的匹配查询，若匹配成功则返回对应的资源列表，继续对之后的资源需求进行约束条件匹配操作，若匹配不成功则进行回溯继续匹配。当所有约束条件匹配成功后将匹配结果保存，并且转到下一条资源需求，采用贪心法策略在资源列表中进行匹配，一步步寻找最优资源匹配方案，确定每个业务任务分配的计算资源，生成每个计算资源的软件、数据和硬件资源参数，将参数传递给资源配置模块调用；

表1为本发明系统中构建的部分业务—资源需求映射表

子业务名称	所需硬件资源	所需软件资源	所需数据资源
				零部件设计	CPU，内存，硬盘	Catia	无
有限元分析	CPU，内存，硬盘	UG	UG文件
				市场预测	CPU，内存，硬盘	Office	文档
受力分析	CPU，内存，硬盘	Catia	Catia文件
				外观设计	CPU，内存，硬盘，显卡	3Dmarks	3Dmarks文件
总体设计	CPU，内存，硬盘	Catia	Catia文件
				工装设计	CPU，内存，硬盘	Catia	Catia文件

(3)将软件、数据配置参数传递给Murano工具生成软件配置与数据信息导入的脚本文件，传递给Nova模块；将硬件资源参数传递给硬件资源预测工具，利用多元线性预测分析模型将硬件资源参数如CPU频率、内存读写速度、磁盘读写速度、软件应用程序大小、文件大小、对文件的操作类型、操作系统占用的内存以及硬盘大小来确定虚拟机计算资源，生成虚拟机配置脚本文件，传递给Nova模块；

(4)Nova模块根据传入的软件、数据与硬件资源的配置脚本文件创建符合用户需求的虚拟机，将虚拟机返回给用户。

上述各模块的具体实现过程如下：

1.资源映射模块

该模块的实现过程如图2所示：

(1)初始化所有资源列表，分解资源需求和约束条件；

(2)将相应的资源需求和约束条件绑定；

(3)根据当前资源需求的第一条约束条件进行匹配查询；

(4)根据下一条约束条件匹配查询，若匹配成功则返回对应的资源列表，继续进行步骤(4)操作，若匹配不成功则将资源列表释放，并将当前约束条件作为第一条匹配条件转到步骤(3)操作。当所有约束条件匹配成功后转到步骤(5)操作；

(5)将匹配结果保存，并且转到下一条资源需求，进行步骤(2)操作；

(6)所有资源需求的约束已匹配完成，保存结果，传递给资源配置模块。

2.资源配置模块

该模块的实现过程如图3所示：

(1)接收资源映射模块所得到的资源需求，包括软件和数据参数以及硬件资源参数；

(2)软件和数据资源配置，包括：

(2.1)将软件和数据参数传递给Murano工具；

(2.2)Murano工具生成配置脚本传递给Nova模块进行配置；

(3)硬件资源配置，包括：

(3.1)将硬件资源参数传递给硬件资源预测工具；

(3.2)硬件资源预测工具采用多元线性预测分析模型，根据硬件资源参数中的CPU频率、内存读写速度、硬盘读写速度、软件应用程序大小、文件大小、对文件操作的参数、操作系统占用的内存以及硬盘大小等来预测应当分配的计算资源；

(3.3)将硬件资源预测结果传递给Nova模块进行配置；

(4)将得到的能满足软件、数据和硬件需求的虚拟机桌面返回给用户。

应用举例：以用户需要进行有限元分析这一业务需求为应用场景进行说明。首先用户从业务树勾选业务需求，选择“总装设计”中的“有限元分析”子业务，从云文件列表中选择进行有限元分析的文件“cantilever.part”，该文件是一个悬臂梁文件，设置进行分析的参数为“0.2mm”，提交之后系统根据任务需求构建资源需求。其中，硬件需求包括“CPU，内存，硬盘”，硬件需求约束为“CPU Cores：4核；内存大小：4.5GB；硬盘：29GB”，软件需求包括“Catia软件”，数据资源需求包括“cantilever.part文件”。随后系统将硬件资源需求和硬件约束传递给Nova组件，将软件需求、数据资源需求构建为相应格式调用Murano组件生成虚拟机实例创建脚本，依据硬件需求及约束创建虚拟机模板，在虚拟机模板基础上运行实例创建脚本，为生成的虚拟机部署Catia软件及cantilever.part文件。将生成的虚拟机以Web页面形式推送给用户，使用户得到满足执行任务要求的虚拟机，该虚拟机配置包括“CPU：4核，内存：4.5G，硬盘29GB，装有Catia软件，存有cantilever.part文件”。通过本系统，资源根据用户需求来进行细致划分，提高的资源的利用率。

本发明未详细描述的部分属于本领域公知技术。

Claims (3)

1.一种面向航空应用协同设计的云平台系统，其特征在于包括：

业务需求模块：清晰、友好并且无二义性的定义一个业务需求，将航空协同设计中的业务构建一个业务需求树，按照产品开发周期对业务需求树进行按层次划分，在不同的周期阶段再按照业务属性的不同继续进行划分，直到划分到不可再分的业务原子为止；构建业务需求树，用户根据需求从业务树上摘取，将用户选择的业务需求和子业务需求进行参数传递，提供给资源映射模块进行调用；

资源映射模块：接收业务需求模块传递过来的业务需求叶子节点的信息，将这些业务需求叶子节点划分成资源节点的组合的形式，为这些资源节点做上标记，包括需要量化的资源和不需要量化的资源；最后，将映射的资源结果参数传递到资源配置模块进行配置；

资源配置模块：资源配置模块包括软件和数据配置以及硬件资源配置，根据资源映射模块传递来的参数，为用户分配具有相应计算资源的虚拟机，并且利用第三方开源工具Murano将航空应用第三方应用程序和数据资源配置进虚拟机，向用户提供一个满足软件需求、数据需求以及用户对硬件需求的虚拟主机，并以页面的方式推送给用户；

所述的资源映射模块实现过程如下：

(1)初始化所有资源列表，分解资源需求和约束条件；

(2)将相应的资源需求和约束条件绑定；

(3)根据当前资源需求的第一条约束条件进行匹配查询；

(4)根据下一条约束条件匹配查询，若匹配成功则返回对应的资源列表，继续进行步骤(4)操作，若匹配不成功则将资源列表释放，并将当前约束条件作为第一条匹配条件转到步骤(3)操作，当所有约束条件匹配成功后转到步骤(5)操作；

(5)将匹配结果保存，并且转到下一条资源需求，进行步骤(2)操作；

(6)所有资源需求的约束已匹配完成，保存结果，传递给资源配置模块。

2.根据权利要求1所述的面向航空应用协同设计的云平台系统，其特征在于：所述的资源配置模块实现过程如下：

(1)接收资源映射模块所得到的资源需求，包括软件和数据参数以及硬件资源参数；

(2)软件和数据资源配置，包括：

(2.1)将软件和数据参数传递给Murano工具；

(2.2)Murano工具生成配置脚本传递给Nova模块进行配置；

(3)硬件资源配置，包括：

(3.1)将硬件资源参数传递给硬件资源预测工具；

(3.2)硬件资源预测工具采用多元线性预测分析模型，根据硬件资源参数中的CPU频率、内存读写速度、硬盘读写速度、软件应用程序大小、文件大小、对文件操作的参数、操作系统占用的内存以及硬盘大小来预测应当分配的计算资源；

(3.3)将硬件资源预测结果传递给Nova模块进行配置；

(4)将得到的能满足软件、数据和硬件需求的虚拟机桌面返回给用户。

3.面向航空应用协同设计的云平台资源配置方法，其特征在于步骤如下：

(1)将航空协同设计中的业务构建一个业务需求树，按照产品开发周期对业务需求树进行按层次划分，在不同的周期阶段再按照业务属性的不同继续进行划分，直到划分到不可再分的业务原子，用户在业务树上摘取业务与子业务列表，传递给资源映射模块调用；

(2)建立业务—资源需求映射表，根据该映射表将用户选择的业务需求转化成相应的软件、数据、硬件资源需求的组合，针对每一个业务所对应的资源需求和约束，采用贪心法策略在资源列表中进行匹配，一步步寻找最优资源匹配方案，确定每个业务任务分配的计算资源，生成每个计算资源的软件、数据和硬件资源参数，将得到的参数传递给资源配置模块调用；

(3)将软件、数据配置参数传递给Murano工具生成软件配置与数据信息导入的脚本文件，传递给Nova模块；将硬件资源参数传递给硬件资源预测工具，利用多元线性预测分析模型将硬件资源参数，包括CPU频率、内存读写速度、磁盘读写速度、软件应用程序大小、文件大小、对文件的操作类型、操作系统占用的内存以及硬盘大小来确定虚拟机计算资源，生成虚拟机配置脚本文件，传递给Nova模块；

(4)Nova模块根据传入的软件、数据与硬件资源的配置脚本文件创建符合用户需求的虚拟机，将虚拟机返回给用户。