CAD/CAE軟件在云計(jì)算平臺(tái)的研究與應(yīng)用

 傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/分析CAD/CAE技術(shù)已經(jīng)成為汽車企業(yè)研發(fā)和技術(shù)革新過(guò)程中不可或缺的力量，而隨著企業(yè)內(nèi)部大規(guī)模地使用CAD/CAE技術(shù)，如何高效地利用CAD/CAE設(shè)計(jì)分析過(guò)程中所涉及到的軟硬件資源，已經(jīng)變成了一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

 傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/分析（CAD/CAE）技術(shù)已經(jīng)成為汽車企業(yè)研發(fā)和技術(shù)革新過(guò)程中不可或缺的力量，而隨著企業(yè)內(nèi)部大規(guī)模地使用CAD/CAE技術(shù)，如何高效地利用CAD/CAE設(shè)計(jì)分析過(guò)程中所涉及到的軟硬件資源，已經(jīng)變成了一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。而云計(jì)算技術(shù)的飛速發(fā)展為CAD/CAE設(shè)計(jì)分析提供了一個(gè)很好的平臺(tái)。本文介紹了在云計(jì)算平臺(tái)實(shí)現(xiàn)CAD/CAE技術(shù)的基本思路及工作原理，對(duì)比分析了云計(jì)算平臺(tái)上使用CAD/CAE技術(shù)與普通CAD/CAE模式的優(yōu)缺點(diǎn)，最后，闡述了企業(yè)在云計(jì)算平臺(tái)上推廣CAD/CAE軟件時(shí)需要注意的問(wèn)題以及建議。

一、引言

 在大力推廣CAD/CAE技術(shù)的今天，從自行車到航天飛機(jī)，從房屋橋梁到隧道大壩，幾乎所有的制造業(yè)都離不開(kāi)計(jì)算機(jī)輔助分析技術(shù)，CAE的應(yīng)用在提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本和縮短新品投放市場(chǎng)的周期這三個(gè)方面有著非常顯著的應(yīng)用。普通CAE的分析流程見(jiàn)圖1所示。

圖1普通CAE分析流程

 普通的CAE分析流程主要包括5個(gè)步驟：前處理、數(shù)據(jù)上傳、核心計(jì)算、數(shù)據(jù)下載、后處理。在普通的CAE分析流程中，由于數(shù)據(jù)需要來(lái)回地在本地PC服務(wù)器和計(jì)算中心存儲(chǔ)陣列上傳輸移動(dòng)，尤其是后處理數(shù)據(jù)結(jié)果文件巨大，而這種不間斷地在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行大范圍遠(yuǎn)距離的大數(shù)據(jù)傳輸給傳統(tǒng)CAE分析帶來(lái)了以下問(wèn)題：

 （1）工作效率低、網(wǎng)絡(luò)壓力大

 隨著模型的變大，數(shù)據(jù)不斷地增加，在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臅r(shí)間需要花費(fèi)很多，從而也對(duì)整個(gè)企業(yè)局域網(wǎng)造成了很大的壓力。

 （2）難以管理、資源浪費(fèi)、數(shù)據(jù)易泄露

 數(shù)據(jù)在不同存儲(chǔ)媒介上的傳輸拷貝，難免會(huì)造成一個(gè)文件拷貝多次的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致磁盤(pán)容量被重復(fù)占用，不利于管理的同時(shí)也造成了資源的浪費(fèi)，而且因?yàn)閿?shù)據(jù)可以被任意下載到本地機(jī)，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)容易泄露。

 （3）投資成本高

 因?yàn)榍昂筇幚韺?duì)于圖形處理能力要求很高，尤其是后處理，通常數(shù)據(jù)文件非常大，每個(gè)分析人員都需要配置相當(dāng)高端的圖形卡才能滿足要求，從而導(dǎo)致企業(yè)增加額外的投資成本。

 二、定義介紹

 1、云計(jì)算

 云計(jì)算主要是將信息永久地存儲(chǔ)在云中的服務(wù)器上，在使用信息時(shí)只是在客戶端進(jìn)行緩存，而客戶端可以是桌面機(jī)、筆記本、手持設(shè)備等。

 2、CAD

 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD-ComputerAidedDesign），利用計(jì)算機(jī)及其圖形設(shè)備幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)工作。

 3、CAE

 計(jì)算機(jī)輔助工程CAE(ComputerAidedEngineering），指用計(jì)算機(jī)輔助求解分析復(fù)雜工程和產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，以及優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能等。

 三、CAD/CAE在云計(jì)算平臺(tái)上的應(yīng)用

 1、CAD/CAE在云計(jì)算平臺(tái)上部署的基本思路

 通過(guò)將CAD設(shè)計(jì)/CAE分析所需要的圖形工作站、高性能計(jì)算資源、高性能存儲(chǔ)以及所需要的CAD/CAE軟件都部署在云端，而地端用戶只需要一臺(tái)普通的終端電腦，無(wú)需安裝專業(yè)的CAD設(shè)計(jì)軟件和CAE分析軟件，也無(wú)需強(qiáng)大的圖形處理功能，僅通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)瀏覽器上選擇自己的應(yīng)用即可進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)，或者提交計(jì)算到高性能計(jì)算服務(wù)器進(jìn)行分析。具體部署方案見(jiàn)圖2所示：

圖2CAD/CAE在云計(jì)算平臺(tái)上的部署方案

 2、CAD/CAE在云計(jì)算平臺(tái)上工作的基本原理

 CAD/CAE云計(jì)算平臺(tái)的基本原理是通過(guò)在云端的圖形服務(wù)器上，圖像被優(yōu)化壓縮后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)揭粋€(gè)或多個(gè)遠(yuǎn)程客戶端，而地端用戶只需要通過(guò)移動(dòng)鼠標(biāo)和敲擊鍵盤(pán)把相應(yīng)指令發(fā)送到云端的圖形服務(wù)器上，云端的圖形服務(wù)器接收相應(yīng)指令后通過(guò)解析用戶的這些行為，將合適的圖像數(shù)據(jù)送給用戶，具體流程見(jiàn)圖3所示。圖像數(shù)據(jù)優(yōu)化處理后傳輸規(guī)模變小，就無(wú)需將整個(gè)模型送到地端客戶機(jī)，從而降低了對(duì)地端客戶機(jī)的可視化資源的要求，在地端客戶在使用過(guò)程中，其速度等同或接近圖形服務(wù)器端的速度，而且經(jīng)過(guò)優(yōu)化的圖像傳輸占用的網(wǎng)絡(luò)帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于模型數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸挕?/span>

圖3云端和地端數(shù)據(jù)交互流程

 3、CAD/CAE在云計(jì)算平臺(tái)上的工作流程

 因?yàn)樵朴?jì)算平臺(tái)的所有應(yīng)用軟件和管理軟件都集中部署在該平臺(tái)上，即專業(yè)的CAD設(shè)計(jì)軟件和CAE前后處理軟件都只安裝在云端有限的幾臺(tái)圖形工作站上，而地端客戶機(jī)上沒(méi)有任何軟件，因此CAD/CAE設(shè)計(jì)分析人員可以通過(guò)任意一臺(tái)普通的PC甚至筆記本電腦通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程參與到CAD/CAE設(shè)計(jì)分析過(guò)程中，通過(guò)在web界面選擇相應(yīng)的CAD/CAE設(shè)計(jì)分析軟件后，即可進(jìn)行CAD設(shè)計(jì)和CAE分析，整個(gè)過(guò)程中的所有數(shù)據(jù)都產(chǎn)生在云端工作站上。

 這樣CAE分析流程就可以簡(jiǎn)化為以下三個(gè)步驟：

 （1）前處理：在本地普通的桌面環(huán)境下，遠(yuǎn)程利用云端機(jī)房?jī)?nèi)的圖形服務(wù)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行網(wǎng)格剖分、邊界和初始條件的設(shè)置，產(chǎn)生的計(jì)算輸入文件直接存放在集中的存儲(chǔ)上；

 （2）核心計(jì)算：在云端圖形服務(wù)器上直接提交計(jì)算任務(wù)到高性能計(jì)算服務(wù)器或者集群，高性能計(jì)算服務(wù)器或者計(jì)算集群節(jié)點(diǎn)直接從集中的存儲(chǔ)上讀取數(shù)據(jù)，運(yùn)算完畢后直接將結(jié)果數(shù)據(jù)保存在集中存儲(chǔ)上；

 （3）后處理：在本地普通的桌面環(huán)境下，遠(yuǎn)程利用云端機(jī)房?jī)?nèi)的圖形服務(wù)節(jié)點(diǎn)，直接從集中存儲(chǔ)上讀取數(shù)據(jù)，進(jìn)行后處理分析。

 4、云計(jì)算平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)

 CAD/CAE設(shè)計(jì)分析軟件在云計(jì)算平臺(tái)上的應(yīng)用有以下優(yōu)勢(shì)：

 （1）使用簡(jiǎn)單方便、性能提高

 CAD/CAE軟硬件資源集中部署在云工作站服務(wù)器上，工程師不需要在本地安裝任何CAD/CAE軟件，只要網(wǎng)絡(luò)是通的，僅僅通過(guò)Web瀏覽器，即可隨時(shí)隨地在云平臺(tái)中使用CAD/CAE軟件進(jìn)行工作，而且因?yàn)槟Ｐ蛿?shù)據(jù)和結(jié)果都在云工作站中，因此避免了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，從而大大節(jié)約了分析時(shí)間。

 （2）集中管理、統(tǒng)一配置、使用安全

 因?yàn)樗袛?shù)據(jù)和應(yīng)用程序都集中在云工作站服務(wù)器上，管理員足不出戶就可對(duì)所有客戶端和應(yīng)用進(jìn)行統(tǒng)一管理和維護(hù)。另外，因?yàn)橛脩艚K端傳遞的只是最終運(yùn)行的圖像，因此，即使終端受損或是丟失，企業(yè)的應(yīng)用數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失從而增加了數(shù)據(jù)的安全性。

 （3）節(jié)約成本、節(jié)能減排

 云工作平臺(tái)的軟硬件資源共享使用，減少了軟硬件的投入，用戶客戶端為一般的瘦客戶機(jī)就可以滿足要求，大大延長(zhǎng)了使用周期，間接降低了電子垃圾的產(chǎn)生數(shù)量。而且因?yàn)槭萁K端功耗很低，同時(shí)，云工作站服務(wù)器的資源利用率又很高，因此也可以達(dá)到節(jié)省成本，節(jié)能減排的目的。

 （4）多部門(mén)用戶之間的軟件安全隔離

 針對(duì)不同部門(mén)使用軟件的不同，授予其不同的應(yīng)用軟件的訪問(wèn)權(quán)限，從而不會(huì)造成資源浪費(fèi)。

 5、云計(jì)算平臺(tái)的缺點(diǎn)

 目前，云計(jì)算還是一項(xiàng)發(fā)展中的技術(shù)，在很多行業(yè)中還沒(méi)有得到大規(guī)模地應(yīng)用，所以在推廣云計(jì)算平臺(tái)時(shí)還需要考慮以下一些問(wèn)題：

 （1）初期投入成本較高

 在使用云計(jì)算平臺(tái)初期，涉及到高配置的云工作站服務(wù)器、共享集群存儲(chǔ)系統(tǒng)、云端網(wǎng)絡(luò)以及云平臺(tái)軟件等方面的購(gòu)置，因此需要投入大量的資金。

 （2）計(jì)算量過(guò)大服務(wù)器易發(fā)生崩潰、影響正常工作

 對(duì)于CAE軟件來(lái)說(shuō)，可以在虛擬化桌面上進(jìn)行前后處理操作，但是如果要在進(jìn)行計(jì)算操作，必須要連接專業(yè)的高性能計(jì)算服務(wù)器才行，否則當(dāng)計(jì)算量很大時(shí)會(huì)使服務(wù)器發(fā)生崩潰，甚至癱瘓，從而導(dǎo)致所有賬戶均不可用，影響正常工作。

 （3）云工作站服務(wù)器風(fēng)險(xiǎn)增大。

 應(yīng)用云計(jì)算平臺(tái)后，可以有效地解決客戶端的安全問(wèn)題，但是企業(yè)的核心數(shù)據(jù)資源存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換到云工作站服務(wù)器上，云工作站服務(wù)器的安全風(fēng)險(xiǎn)必然增大。

 （4）對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬有一定要求

 在工作時(shí)間，由于用戶同時(shí)使用云客戶端辦公，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，所以應(yīng)用云計(jì)算平臺(tái)對(duì)網(wǎng)絡(luò)有著較高的要求。

 （5）使用習(xí)慣問(wèn)題

 由于云計(jì)算平臺(tái)界面與傳統(tǒng)的PC界面存在較大差異，因此，用戶在界面使用習(xí)慣上需要有一個(gè)熟悉的過(guò)程。

 四、CAD/CAE在云計(jì)算平臺(tái)上推廣應(yīng)用的建議

 因?yàn)樵朴?jì)算平臺(tái)存在利弊因素，所以企業(yè)在推廣云計(jì)算平臺(tái)之前，需要參考以下幾點(diǎn)建議：

 （1）先采用部門(mén)試點(diǎn)的方式，待試點(diǎn)使用云計(jì)算平臺(tái)成熟后再推廣到整個(gè)公司乃至整個(gè)企業(yè)；

 （2）對(duì)于企業(yè)中一些資源比較有限的單機(jī)版軟件可以安裝在云計(jì)算平臺(tái)上使其浮動(dòng)起來(lái)，以便充分利用軟件資源；

 （3）動(dòng)態(tài)調(diào)配云工作站服務(wù)器的內(nèi)存資源，以提高資源利用率。

 總結(jié)

 云計(jì)算平臺(tái)作為未來(lái)IT架構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)，將會(huì)在未來(lái)幾年在各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用，瘦客戶機(jī)將逐步取代傳統(tǒng)PC成為新的終端形式，從而有效提高企業(yè)數(shù)據(jù)的安全性，降低運(yùn)維成本。因此企業(yè)需基于自身的特點(diǎn)，充分認(rèn)識(shí)云計(jì)算平臺(tái)的優(yōu)缺點(diǎn)，因地制宜地開(kāi)展云計(jì)算平臺(tái)部署及應(yīng)用。

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