CN113536501A - 基于云计算的分布式数值仿真综合分析平台及其构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于云计算的分布式数值仿真综合分析平台及其构建方法。该平台包括：流程控制器，所述流程控制器通过SpringCloud EUREKA注册中心，实现对子组件的发现和注册，实现子组件的动态注册；业务组件，所述业务组件采用FMI标准接口，且每个所述业务组件都继承相同的接口，所述接口包括输入接口、输出接口和脚本命令接口；工具组件，所述工具组件包含格式处理服务器、图形处理服务器、日志处理服务器以及脚本处理服务器。本发明将通过分布式云计算技术，通过对数值仿真设计体系的理解和相关研究，创建了一套自主设计体系建设的云上协同仿真办公平台和架构设计方法，可以大幅度减少实验验证次数、节约研发费用，并减少研发周期。

Description

基于云计算的分布式数值仿真综合分析平台及其构建方法

技术领域

本发明属于数值仿真系统软件架构设计领域，特别是B/S架构下的分布式协同仿真综合分析平台及其构建方法。

背景技术

重型燃气轮机技术是“卡脖子”的核心关键技术，因此自主设计体系是我国重型燃气轮机研发能力建设的核心内容。随着设计技术与IT技术的迅速发展，世界上主要的航空公司先后都建立了自己的航空发动机设计仿真平台，如空客公司联合航空发动机公司建立了CRESCENDO项目，罗罗的数据系统及流程完全集成平台，在燃气轮机方面，SIEMENS、GE、安萨尔、三菱都建立了自己的设计仿真平台。在国内，由北航仿真中心牵头开发了我国第一代航空发动机数值仿真平台CANSSF,但在重型燃气轮机领域，自主设计仿真平台建设，基本属于空白。

我国经过多年的开发，已经初步建立了支撑330MW级F级重型燃气机概念设计的设计体系，已拥有了包括燃气轮机总体性能、总体结构、压气机、燃烧室、透平等部件或系统设计与仿真工具软件，但还不足以支撑产品的全过程研制。部分工具的有效性还需后续实验验证。目前的设计与仿真工具，还没有集成起来，还处于零散和各自独立的状态，数据流转换需要设计人员手动转换，工作量异常庞大，庞大的数据难以有效管理，版本易于混乱，效率低下，很难实现多学科的融合和优化设计。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种基于云计算的分布式数值仿真综合分析平台及其构建方法。本发明将通过分布式云计算技术，通过对数值仿真设计体系的理解和相关研究，创建了一套自主设计体系建设的云上协同仿真办公平台和架构设计方法，可以大幅度减少实验验证次数、节约研发费用，并减少研发周期。

本发明所采用的技术方案为：基于云计算的分布式数值仿真综合分析平台，包括：

流程控制器，所述流程控制器通过SpringCloud EUREKA注册中心，实现对子组件的发现和注册，实现子组件的动态注册；

业务组件，所述业务组件采用FMI标准接口，且每个所述业务组件都继承相同的接口，所述接口包括输入接口、输出接口和脚本命令接口；

工具组件，所述工具组件包含格式处理服务器、图形处理服务器、日志处理服务器以及脚本处理服务器。

作为一种可选的技术方案，该平台还包括：

算法单元封装模块，用于将不同学科的研究算法或是求解方法封装成独立的算法单元；

耦合模块，用于业务组件与算法单元的耦合，配置为通过统一的数据接口适配器将统一的数据格式转换为算法单元的输入格式，然后将其添加到对应的业务组件中，实现业务组件和算法单元的耦合，形成不同学科的独立仿真服务组件；

数据流形成模块，用于将不同学科的独立仿真服务组件串联成一个数据流，通过设定的仿真流程，由流程控制器将不同学科独立仿真服务组件中的算法单元融合，形成规定的数据流。

作为一种可选的技术方案，该平台还包括：

协同通讯模块，所述协同通讯模块基于TCP协议的stock双工通讯手段，将客户端和服务器建立双工通讯，通过对不同服务组件定义的ID和用户的特有ID，实现在并发的情况下与服务器动态的建立通过发布/订阅的接口；

消息队列模块，配置为采用独立的界面流队列和数据流队列，并通过脚本技术予以同步和异步控制；

双缓存模块，配置为采用客户端和服务器双缓存机制。

本发明还公开了基于云计算的分布式数值仿真综合分析平台的构建方法，包括平台和平台模块构建步骤、多学科耦合仿真体系构建步骤以及平台协同工作构建步骤，其中，所述平台和平台模块构建步骤包括：

构建平台的流程控制器，所述流程控制器通过SpringCloud EUREKA注册中心，实现对子组件的发现和注册，实现子组件的动态注册；

构建业务组件，所述业务组件采用FMI标准接口，且每个所述业务组件都继承相同的接口，所述接口包括输入接口、输出接口和脚本命令接口；

构建工具组件，所述工具组件包含格式处理服务器、图形处理服务器、日志处理服务器以及脚本处理服务器。

作为一种可选的技术方案，所述多学科耦合仿真体系构建步骤包括：

封装算法单元，将不同学科的研究算法或是求解方法封装成独立的算法单元；

通过统一的数据接口适配器将统一的数据格式转换为算法单元的输入格式，然后将其添加到对应的业务组件中，实现业务组件和算法单元的耦合，形成不同学科的独立仿真服务组件；

将不同学科的独立仿真服务组件串联成一个数据流，通过设定的仿真流程，由流程控制器将不同学科独立仿真服务组件中的算法单元融合，形成规定的数据流。

作为一种可选的技术方案，所述平台协同工作构建步骤包括：

采用基于TCP协议的stock双工通讯手段，将客户端和服务器建立双工通讯，通过对不同服务组件定义的ID和用户的特有ID，实现在并发的情况下与服务器动态的建立通过发布/订阅的接口；

采用独立的界面流队列和数据流队列，并通过脚本技术予以同步和异步控制；

采用客户端和服务器双缓存机制。

本发明的有益效果为：通过本发明的方法, 创建了一套自主设计体系建设的B/S协同仿真办公平台，极大的减少实验验证次数、节约研发费用，减少研发周期、并保证了仿真数据的版本管理和安全性。

附图说明

图1是基于云计算的分布式数值仿真综合分析平台的架构图。

图2是基于云计算的分布式数值仿真综合分析平台的构建方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步阐述。

实施例

如图1所示，基于云计算的分布式数值仿真综合分析平台，包括：

流程控制器，所述流程控制器通过SpringCloud EUREKA注册中心，实现对子组件的发现和注册，实现子组件的动态注册；

业务组件，所述业务组件采用FMI标准接口，且每个所述业务组件都继承相同的接口，所述接口包括输入接口、输出接口和脚本命令接口；

工具组件，所述工具组件包含格式处理服务器、图形处理服务器、日志处理服务器以及脚本处理服务器。

作为一种可选的技术方案，该平台还包括：

算法单元封装模块，用于将不同学科的研究算法或是求解方法封装成独立的算法单元；

耦合模块，用于业务组件与算法单元的耦合，配置为通过统一的数据接口适配器将统一的数据格式转换为算法单元的输入格式，然后将其添加到对应的业务组件中，实现业务组件和算法单元的耦合，形成不同学科的独立仿真服务组件；

数据流形成模块，用于将不同学科的独立仿真服务组件串联成一个数据流，通过设定的仿真流程，由流程控制器将不同学科独立仿真服务组件中的算法单元融合，形成规定的数据流。

作为一种可选的技术方案，该平台还包括：

协同通讯模块，所述协同通讯模块基于TCP协议的stock双工通讯手段，将客户端和服务器建立双工通讯，通过对不同服务组件定义的ID和用户的特有ID，实现在并发的情况下与服务器动态的建立通过发布/订阅的接口；

消息队列模块，配置为采用独立的界面流队列和数据流队列，并通过脚本技术予以同步和异步控制；

双缓存模块，配置为采用客户端和服务器双缓存机制。

如图2所示，本发明还公开了基于云计算的分布式数值仿真综合分析平台的构建方法，包括平台和平台模块构建步骤、多学科耦合仿真体系构建步骤以及平台协同工作构建步骤，其中，所述平台和平台模块构建步骤包括：

构建平台的流程控制器，所述流程控制器通过SpringCloud EUREKA注册中心，实现对子组件的发现和注册，实现子组件的动态注册；

构建业务组件，所述业务组件采用FMI标准接口，且每个所述业务组件都继承相同的接口，所述接口包括输入接口、输出接口和脚本命令接口；

构建工具组件，所述工具组件包含格式处理服务器、图形处理服务器、日志处理服务器以及脚本处理服务器。

作为一种可选的技术方案，所述多学科耦合仿真体系构建步骤包括：

封装算法单元，将不同学科的研究算法或是求解方法封装成独立的算法单元；

通过统一的数据接口适配器将统一的数据格式转换为算法单元的输入格式，然后将其添加到对应的业务组件中，实现业务组件和算法单元的耦合，形成不同学科的独立仿真服务组件；

将不同学科的独立仿真服务组件串联成一个数据流，通过设定的仿真流程，由流程控制器将不同学科独立仿真服务组件中的算法单元融合，形成规定的数据流。

作为一种可选的技术方案，所述平台协同工作构建步骤包括：

采用基于TCP协议的stock双工通讯手段，将客户端和服务器建立双工通讯，通过对不同服务组件定义的ID和用户的特有ID，实现在并发的情况下与服务器动态的建立通过发布/订阅的接口；

采用独立的界面流队列和数据流队列，并通过脚本技术予以同步和异步控制；

采用客户端和服务器双缓存机制。

为了更好地理解本实施例，下面对本实施例方案进行进一步地说明。

为解决重型燃气轮机在传统开发模式下存在的低效、易于重复、数据繁杂和难以版本控制等诸多问题，特别是难以实现多学科的优化设计。本发明将通过分布式云计算技术，通过对数值仿真设计体系的理解和相关研究，创建了一套自主设计体系建设的云上协同仿真办公平台和架构设计方法，可以大幅度减少实验验证次数、节约研发费用，减少研发周期。

基于云计算的分布式的数值仿真综合分析平台构建方法如下：

1、平台和平台模块构建。平台采用面向服务(SOA)的体系架构，将核心服务(如设计流程、工具软件)组件化，以web服务的方式对外提供，以实现远程、异地协同的工作模式。平台包含的组件有三种，分别为核心控制器、业务组件、工具组件。平台和平台模块构建的详细设计如下：

（1）构建平台流程控制器，流程控制器通过SpringCloud EUREKA注册中心，实现对子组件的发现和注册，实现组件的动态注册。核心控制器采用动态代理的方法，通过对子模块注册的url分配并指定且唯一的UUID，建立用户界面的操作模型并与之配对。因此用户在界面上操作的每一个模块，都携带有其唯一识别的ID,并在用户的每一步交互操作携带。

（2）构建业务组件，采用FMI(function mockup interface)标准接口，同时每个业务组件都继承相同的接口，包含输入接口(包含属性有输入源类型、输入数据格式、输入数据)、输出接口(包含属性有接收源类型、输出数据格式、输出数据 )、状态接口(包含组件状态更新)以及脚本命令接口(命令类型、命令者、命令)。输入接口是平台指定的服务模块数据入口，入口接口由平台界面通过类型匹配，由后端代理接口调度并执行数据的获取操作。

（3）构建工具服务，工具组件包含格式处理服务器、图形处理服务器、日志处理服务器和脚本处理服务器。

2、多学科耦合仿真体系的构建。由于重型燃气轮机的设计和仿真是一项非常复杂、涉及多学科的多物理场耦合问题。在实际应用中，需要多个部门人员的协同作业，涉及到众多的计算机软件、代码、复杂的数据和传递。因此解决这一问题，本发明采用如下方法：

（1）算法单元封装。算法单元指代码块或EXE，采用最小原子化思想，将不同学科的研究算法或是求解方法封装成独立的算法单元。

（2）由于不同的算法单元有特有的数据输入格式，因此将封装的算法单元再通过统一的数据接口适配器(将统一的数据格式转换为算法单元特有的输入格式)，然后将其添加到数值仿真综合分析平台下的一个业务组件中，实现服务组件和算法单元的耦合。

（3）由服务组件和算法单元耦合的模块，是基于某种学科的独立仿真服务组件，因此本发明定义了一种基于可视化技术进行仿真流程的创建，将不同学科的服务组件串联成一个可行的数据流，通过人工在客户端设定的仿真流程，由平台流程控制器将不同学科的算法单元融合，形成特定的数据流。

3、平台协同工作的构建。

（1）协同通讯技术。本发明采用了基于TCP协议的stock双工通讯手段。将客户端和服务器建立双工通讯，通过对不同服务组件定义的ID和用户的特有ID，实现在并发的情况下与服务器动态的建立通过发布/订阅的接口。

（2）消息队列( MQ ) 在分布式协同仿真环境中，数据的一致性和操作的有序性是必须要解决的难题。普通的消息队列在大并发、大吞吐量的系统中存在多种问题。本发明在解决仿真系统中的这一问题时，采用独立的界面流队列和数据流队列，并通过脚本技术予以同步和异步控制，给与客户端流畅的体验。

（3）仿真数据的双缓存模型。在仿真环境下，巨大的数据量和数据的安全性是仿真系统最重要的一点之一，因此本发明抛弃了传统B/S架构的数据获取方式，采用客户端和服务器双缓存机制，如下：

①客户端以懒汉模式创建了与服务器数据结构相同的数据缓冲区，每当客户端的操作或是响应，都先由客户端进行数据检索和更新，并保证客户端数据过程的事务性。

②客户端数据获取时，总会先向客户端缓冲区获取数据，若数据缓冲无数据，则向服务器请求数据并缓存。

③客户端数据上传时，总是先更新客户端本地缓冲数据，再采用AOP思想通过监听数据变化后更新服务器数据。这个过程是不必须的，为了保证仿真数据的完整和安全性，客户端采用缓存数据完全满足仿真过程的所有数据，因此即使在服务器异常或者断开的情况下，依然可以在客户端执行仿真业务和数据本地持久化。

④异常情况的数据处理。假设仿真服务器故障，在前后端双缓存的作用下，系统可以将客户端的数据进行本地持久化，并生成系统特有的数据文件。在网络环境安全正常时，用户将本地数据上传，进而与服务器数据进行合并操作，合并将让用户选择以那部分为结果数据。这个选择可以是整体数据，也可以是部分数据。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于云计算的分布式数值仿真综合分析平台，其特征在于，包括：

流程控制器，所述流程控制器通过SpringCloud EUREKA注册中心，实现对子组件的发现和注册，实现子组件的动态注册；

业务组件，所述业务组件采用FMI标准接口，且每个所述业务组件都继承相同的接口，所述接口包括输入接口、输出接口和脚本命令接口；

工具组件，所述工具组件包含格式处理服务器、图形处理服务器、日志处理服务器以及脚本处理服务器。

2.根据权利要求1所述的基于云计算的分布式数值仿真综合分析平台，其特征在于，该平台还包括：

算法单元封装模块，用于将不同学科的研究算法或是求解方法封装成独立的算法单元；

耦合模块，用于业务组件与算法单元的耦合，配置为通过统一的数据接口适配器将统一的数据格式转换为算法单元的输入格式，然后将其添加到对应的业务组件中，实现业务组件和算法单元的耦合，形成不同学科的独立仿真服务组件；

数据流形成模块，用于将不同学科的独立仿真服务组件串联成一个数据流，通过设定的仿真流程，由流程控制器将不同学科独立仿真服务组件中的算法单元融合，形成规定的数据流。

3.根据权利要求1所述的基于云计算的分布式数值仿真综合分析平台，其特征在于，该平台还包括：

协同通讯模块，所述协同通讯模块基于TCP协议的stock双工通讯手段，将客户端和服务器建立双工通讯，通过对不同服务组件定义的ID和用户的特有ID，实现在并发的情况下与服务器动态的建立通过发布/订阅的接口；

消息队列模块，配置为采用独立的界面流队列和数据流队列，并通过脚本技术予以同步和异步控制；

双缓存模块，配置为采用客户端和服务器双缓存机制。

4.基于云计算的分布式数值仿真综合分析平台的构建方法，其特征在于：包括平台和平台模块构建步骤、多学科耦合仿真体系构建步骤以及平台协同工作构建步骤，其中，所述平台和平台模块构建步骤包括：

构建平台的流程控制器，所述流程控制器通过SpringCloud EUREKA注册中心，实现对子组件的发现和注册，实现子组件的动态注册；

构建业务组件，所述业务组件采用FMI标准接口，且每个所述业务组件都继承相同的接口，所述接口包括输入接口、输出接口和脚本命令接口；

构建工具组件，所述工具组件包含格式处理服务器、图形处理服务器、日志处理服务器以及脚本处理服务器。

5.根据权利要求4所述的基于云计算的分布式数值仿真综合分析平台的构建方法，其特征在于，所述多学科耦合仿真体系构建步骤包括：

封装算法单元，将不同学科的研究算法或是求解方法封装成独立的算法单元；

通过统一的数据接口适配器将统一的数据格式转换为算法单元的输入格式，然后将其添加到对应的业务组件中，实现业务组件和算法单元的耦合，形成不同学科的独立仿真服务组件；

将不同学科的独立仿真服务组件串联成一个数据流，通过设定的仿真流程，由流程控制器将不同学科独立仿真服务组件中的算法单元融合，形成规定的数据流。

6.根据权利要求4所述的基于云计算的分布式数值仿真综合分析平台的构建方法，其特征在于，所述平台协同工作构建步骤包括：

采用基于TCP协议的stock双工通讯手段，将客户端和服务器建立双工通讯，通过对不同服务组件定义的ID和用户的特有ID，实现在并发的情况下与服务器动态的建立通过发布/订阅的接口；

采用独立的界面流队列和数据流队列，并通过脚本技术予以同步和异步控制；

采用客户端和服务器双缓存机制。

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