CAD/CAE軟件在云計算平臺的研究與應(yīng)用
傳統(tǒng)的計算機輔助設(shè)計/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)計分析過程中所涉及到的軟硬件資源，已經(jīng)變成了一個亟待解決的問題。
傳統(tǒng)的計算機輔助設(shè)計/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)計分析過程中所涉及到的軟硬件資源，已經(jīng)變成了一個亟待解決的問題。而云計算技術(shù)的飛速發(fā)展為CAD/CAE設(shè)計分析提供了一個很好的平臺。本文介紹了在云計算平臺實現(xiàn)CAD/CAE技術(shù)的基本思路及工作原理，對比分析了云計算平臺上使用CAD/CAE技術(shù)與普通CAD/CAE模式的優(yōu)缺點，最后，闡述了企業(yè)在云計算平臺上推廣CAD/CAE軟件時需要注意的問題以及建議。
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，從房屋橋梁到隧道大壩，幾乎所有的制造業(yè)都離不開計算機輔助分析技術(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的周期這三個方面有著非常顯著的應(yīng)用。普通CAE的分析流程見圖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個步驟：前處理、數(shù)據(jù)上傳、核心計算、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)需要來回地在本地PC服務(wù)器和計算中心存儲陣列上傳輸移動，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分析帶來了以下問題：
（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間需要花費很多，從而也對整個企業(yè)局域網(wǎng)造成了很大的壓力。
（2）難以管理、資源浪費、數(shù)據(jù)易泄露
數(shù)據(jù)在不同存儲媒介上的傳輸拷貝，難免會造成一個文件拷貝多次的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致磁盤容量被重復(fù)占用，不利于管理的同時也造成了資源的浪費，而且因為數(shù)據(jù)可以被任意下載到本地機，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)容易泄露。
（3）投資成本高
因為前后處理對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、云計算
云計算主要是將信息永久地存儲在云中的服務(wù)器上，在使用信息時只是在客戶端進(jìn)行緩存，而客戶端可以是桌面機、筆記本、手持設(shè)備等。
2、CAD
計算機輔助設(shè)計（CAD-ComputerAidedDesign），利用計算機及其圖形設(shè)備幫助設(shè)計人員進(jìn)行設(shè)計工作。
3、CAE
計算機輔助工程CAE(ComputerAidedEngineering），指用計算機輔助求解分析復(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在云計算平臺上的應(yīng)用
1、CAD/CAE在云計算平臺上部署的基本思路
通過將CAD設(shè)計/CAE分析所需要的圖形工作站、高性能計算資源、高性能存儲以及所需要的CAD/CAE軟件都部署在云端，而地端用戶只需要一臺普通的終端電腦，無需安裝專業(yè)的CAD設(shè)計軟件和CAE分析軟件，也無需強大的圖形處理功能，僅通過網(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，或者提交計算到高性能計算服務(wù)器進(jìn)行分析。具體部署方案見圖2所示：
圖2CAD/CAE在云計算平臺上的部署方案
2、CAD/CAE在云計算平臺上工作的基本原理
CAD/CAE云計算平臺的基本原理是通過在云端的圖形服務(wù)器上，圖像被優(yōu)化壓縮后通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)揭粋€或多個遠(yuǎn)程客戶端，而地端用戶只需要通過移動鼠標(biāo)和敲擊鍵盤把相應(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，就無需將整個模型送到地端客戶機，從而降低了對地端客戶機的可視化資源的要求，在地端客戶在使用過程中，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在云計算平臺上的工作流程
因為云計算平臺的所有應(yīng)用軟件和管理軟件都集中部署在該平臺上，即專業(yè)的CAD設(shè)計軟件和CAE前后處理軟件都只安裝在云端有限的幾臺圖形工作站上，而地端客戶機上沒有任何軟件，因此CAD/CAE設(shè)計分析人員可以通過任意一臺普通的PC甚至筆記本電腦通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程參與到CAD/CAE設(shè)計分析過程中，通過在web界面選擇相應(yīng)的CAD/CAE設(shè)計分析軟件后，即可進(jìn)行CAD設(shè)計和CAE分析，整個過程中的所有數(shù)據(jù)都產(chǎn)生在云端工作站上。
這樣CAE分析流程就可以簡化為以下三個步驟：
（1）前處理：在本地普通的桌面環(huán)境下，遠(yuǎn)程利用云端機房內(nèi)的圖形服務(wù)節(jié)點，進(jìn)行網(wǎng)格剖分、邊界和初始條件的設(shè)置，產(chǎn)生的計算輸入文件直接存放在集中的存儲上；
（2）核心計算：在云端圖形服務(wù)器上直接提交計算任務(wù)到高性能計算服務(wù)器或者集群，高性能計算服務(wù)器或者計算集群節(jié)點直接從集中的存儲上讀取數(shù)據(jù)，運算完畢后直接將結(jié)果數(shù)據(jù)保存在集中存儲上；
（3）后處理：在本地普通的桌面環(huán)境下，遠(yuǎn)程利用云端機房內(nèi)的圖形服務(wù)節(jié)點，直接從集中存儲上讀取數(shù)據(jù)，進(jìn)行后處理分析。
4、云計算平臺的優(yōu)點
CAD/CAE設(shè)計分析軟件在云計算平臺上的應(yīng)用有以下優(yōu)勢：
（1）使用簡單方便、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Web瀏覽器，即可隨時隨地在云平臺中使用CAD/CAE軟件進(jìn)行工作，而且因為模型數(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)約了分析時間。
（2）集中管理、統(tǒng)一配置、使用安全
因為所有數(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所有客戶端和應(yīng)用進(jìn)行統(tǒng)一管理和維護(hù)。另外，因為用戶終端傳遞的只是最終運行的圖像，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就可以滿足要求，大大延長了使用周期，間接降低了電子垃圾的產(chǎn)生數(shù)量。而且因為瘦終端功耗很低，同時，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）多部門用戶之間的軟件安全隔離
針對不同部門使用軟件的不同，授予其不同的應(yīng)用軟件的訪問權(quán)限，從而不會造成資源浪費。
5、云計算平臺的缺點
目前，云計算還是一項發(fā)展中的技術(shù)，在很多行業(yè)中還沒有得到大規(guī)模地應(yīng)用，所以在推廣云計算平臺時還需要考慮以下一些問題：
（1）初期投入成本較高
在使用云計算平臺初期，涉及到高配置的云工作站服務(wù)器、共享集群存儲系統(tǒng)、云端網(wǎng)絡(luò)以及云平臺軟件等方面的購置，因此需要投入大量的資金。
（2）計算量過大服務(wù)器易發(fā)生崩潰、影響正常工作
對于CAE軟件來說，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)行計算操作，必須要連接專業(yè)的高性能計算服務(wù)器才行，否則當(dāng)計算量很大時會使服務(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)險增大。
應(yīng)用云計算平臺后，可以有效地解決客戶端的安全問題，但是企業(yè)的核心數(shù)據(jù)資源存儲轉(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)險必然增大。
（4）對網(wǎng)絡(luò)帶寬有一定要求
在工作時間，由于用戶同時使用云客戶端辦公，通過網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，所以應(yīng)用云計算平臺對網(wǎng)絡(luò)有著較高的要求。
（5）使用習(xí)慣問題
由于云計算平臺界面與傳統(tǒng)的PC界面存在較大差異，因此，用戶在界面使用習(xí)慣上需要有一個熟悉的過程。
四、CAD/CAE在云計算平臺上推廣應(yīng)用的建議
因為云計算平臺存在利弊因素，所以企業(yè)在推廣云計算平臺之前，需要參考以下幾點建議：
（1）先采用部門試點的方式，待試點使用云計算平臺成熟后再推廣到整個公司乃至整個企業(yè)；
（2）對于企業(yè)中一些資源比較有限的單機版軟件可以安裝在云計算平臺上使其浮動起來，以便充分利用軟件資源；
（3）動態(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)
云計算平臺作為未來IT架構(gòu)的發(fā)展趨勢，將會在未來幾年在各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用，瘦客戶機將逐步取代傳統(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，降低運維成本。因此企業(yè)需基于自身的特點，充分認(rèn)識云計算平臺的優(yōu)缺點，因地制宜地開展云計算平臺部署及應(yīng)用。
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