日益发展的轨道交通装备市场，对产品研发的快速、原创提出了更高的要求。中国南车基于产品研发仿真分析需求，决定采用先进的云计算技术，建设南车协同仿真公共服务平台，旨在优化整合已建成的南车仿真中心仿真分析资源，实现各子公司间仿真分析协同、知识共享。本文首先描述建设中国南车协同仿真公共服务平台的必要性，并结合云计算的技术特点，开展协同仿真公共服务平台的体系结构和功能模块的研究与设计。该应用的成功实现，为企业利用云计算技术开展信息化技术应用提供了一种方法和设计思路。

一、引言

随着世界经济持续增长，市场竞争日益激烈，用户需求不断趋向多样化，企业间关联程度越来越密切，要求企业行动必须快捷、灵敏，对产品的快速创新、快速上市、快速变型设计、模块化/平台化设计等都提出了更高的要求。机车车辆的传统设计方式，从设计到试验、运行考核，所用周期太长，不能满足国际市场对新造产品的要求，为了缩短设计周期，必须开展仿真分析，提升设计手段。中国南车于2008年开始协同仿真平台建设，重点建设了以轨道交通货车、内燃机车、电力机车和动车四个仿真中心，经过二年时间的建设，基本建成并投入运用，加快了产品的科技创新步伐。

为提高中国南车各子公司仿真分析应用水平，提升中国南车产品原创能力，充分利用和发挥四个仿真中心的资源和作用。本文利用先进的具有前瞻性、扩展性的信息技术，优化整合四个仿真中心提供的高性能计算和仿真软件资源，面向所有子公司提供仿真分析服务，从而搭建基于云计算的协同仿真公共服务平台。

二、云计算

1.云计算定义

20世纪60年代，John McCarthy就提出了“或许有一天计算可以成为公共服务”的设想。随着计算机技术和网络技术的发展，尤其是近些年来出现的云计算的技术和理念，正逐步将这种设想演变为现实。云计算（Cloud Computing）作为一种新兴的商业计算模型，它将IT相关的能力以服务的方式提供给用户，允许用户在不了解提供服务的技术、没有相关知识以及设备操作能力的情况下，通过Internet获取所需要的服务。这种服务可以是IT和软件、Internet相关的，也可以是任意其他的服务，它具有超大规模、虚拟化、可靠安全等独特功效，是一种动态的、易扩展的、虚拟化的获取计算资源的计算方式，用户不需了解云中基础设施的细节，不必具有相应的专业知识，也无需进行直接地控制。计算任务分布在大量计算机构成的资源池中，使各种应用系统能够根据需要获取计算资源、存储空间和软件服务等。

狭义的云计算，从IT的角度出发，它指的是通过网络按照需求获取I T资源（硬件、平台、软件），并且这些资源是易扩展的；提供这些资源的网络称为“云”，用户可以随时随地从“云”中获取自身需要的资源，并且可以方便使用和扩展，只需按照使用量付费即可。

广义的云计算，主要从服务角度出发，它指的是通过网络按照需求获取服务，并且这个服务是易扩展的。服务可以使基础设施、硬件、软件或者互联网应用，也可以是其他任意服务。

2.云计算的服务层次

云计算可描述在从硬件到应用程序的任何传统层级提供的服务，云计算可分成三个层次提供服务：基础设施即服务（Infrastructure as Service），平台即服务（Platformas Service），软件即服务（Software as Service）。

（1）基础设施即服务（IaaS）。

基础设施即服务（IaaS），是指企业或个人可以使用云计算技术来远程访问计算资源，这包括计算、存储以及应用虚拟化技术所提供的相关功能。无论是最终用户、SaaS提供商还是PaaS提供商都可以从基础设施服务中获得应用所需的计算能力，但却无需对支持这一计算能力的基础I T软硬件付出相应的原始投资成本。

（2）平台即服务（PaaS）。

平台即服务（PaaS），是指将一个完整的计算机平台，包括应用设计、应用开发、应用测试和应用托管，都作为一种服务提供给客户。在这种服务模式中，客户不需要购买硬件和软件，只需要利用PaaS平台，就能够创建、测试和部署应用和服务，与基于数据中心的平台进行软件开发相比，费用要低得多，这是PaaS的最大价值所在。

（3）软件即服务（SaaS）。

软件即服务（SaaS），是指用户获取软件服务的一种新形式。它不需要用户将软件产品安装在自己的电脑或服务器上，而是按某种服务水平协议（SLA）直接通过网络向专门的提供商获取自己所需要的、带有相应软件功能的服务。本质上而言，软件即服务就是软件服务提供商为满足用户某种特定需求而提供其消费的软件的计算能力。

三、基于云计算的协同仿真公共服务平台研究与设计

随着协同仿真平台建成投用，以及在高速动车组、电力和内燃机车、货车产品研发创新方面所带来的影响，南车其他企业认识到协同仿真应用给企业原始创新和提高企业核心竞争力带来的优势，提出了扩展仿真学科建设、积极应用仿真资源、将南车的仿真应用从机车、客车、货车、动车、城轨拓展到关键零部件和新产业方面的需求。为了进一步深化和分享协同仿真平台建设成果，完善中国南车仿真学科体系建设，达到资源共享、资金节约的目标，有必要建设中国南车集团协同仿真公共服务平台。

1.协同仿真公共服务平台建设的必要性

（1）仿真分析应用的培训尚未覆盖集团一级子公司。

在建设协同仿真分析平台的同时，四个分中心同步开展了一系列的仿真分析应用培训和仿真分析模板开发，为仿真分析应用和仿真分析人才培养打下了基础。但其他一级子公司在仿真分析技术的培训和仿真分析人才方面较为欠缺，不利于集团仿真分析技术的共享和应用。

（2）仿真分析数据的安全性需进一步提高。

仿真分析与仿真验证是企业研发过程的重要环节，是企业研发自主创新能力的体现。各子公司都非常重视仿真分析与仿真验证数据的安全，有必要在集团仿真分析资源共享平台基础上，加强对仿真数据的安全性研究。

（3）仿真分析资源的集中管理和共享。

目前集团已建成动车、电力机车、内燃机车和货车四个仿真分中心，基于互联网络的远程调用仿真分析应用模块，只能共享某个分中心的仿真资源，不能共享整个南车包括将来仿真学科体系扩展的资源，为充分发挥已有仿真资源的作用，有必要加强集团内仿真资源的统一管理，统一分配，真正达到资源共享。

（4）整体提升集团公司的研发自主创新能力。

协同仿真分析和试验验证的统一规划和资源共享将持续优化集团协同仿真分析平台，加强流程管理、数据管理和仿真模板建设，纳入南车仿真公共服务平台建设，可以整体提升集团公司的研发自主创新能力。

2.基于云计算的协同仿真公共服务平台的体系架构

根据云计算这一新兴技术所带来的资源整合、集中服务、协作交流等新理念，中国南车设计基于云计算技术的协同仿真公共服务平台，可满足南车产品研发仿真设计过程中的资源共享、知识管理与协作交流。基于云计算的协同仿真公共服务平台采用B/S架构模式，主要由云计算服务端和仿真工程师客户端两部分组成，系统的体系架构如图1所示。

平台的云计算服务端包括底层的基础设施以及构建在这个基础平台上的各应用程序，主要由南车下属的动车、电力机车、内燃机车、货车四个仿真中心提供的高性能计算小型机、HPC计算集群服务器、许可证服务器、HPC调度服务器、工作站调度服务器、工作站存储服务器、各仿真中心的存储设备，以及南车总部的许可证服务器、许可证统一管理服务器、协同仿真公共服务平台WEB服务器和HPC多集群调度服务器组成。

平台的客户端通过W e b浏览器访问协同仿真公共服务平台Web服务器，访问平台提供的基础设施服务、平台服务以及各种仿真分析工具。

3.基于云计算的协同仿真公共服务平台的功能架构

协同仿真公共服务平台系统设计是提供三层服务的功能架构。第一层为基础设施即服务IaaS层，由小型机、PC服务器、工作站和存储设备通过虚拟化的技术搭建整个平台的基础设施，提供用户高性能计算、数据存储和备份等基础服务；第二层为平台即服务层PaaS，由9个系统模块即平台门户、云数据安全管理、平台系统管理、仿真软件许可管理、高性能计算资源管理、仿真经验库、仿真规范标准库、仿真应用在线培训和仿真应用论坛组成；第三层为软件即服务SaaS，该层提供多学科的仿真分析工具集，包含有Ansys、Fluent、Fe-Safe、Simpack、Star ccm+等软件。平台的功能架构如图2所示。

（1）高性能计算服务。

现代CAE计算对系统级多体耦合计算和多物理场耦合计算提出了更高的要求，将整个分析对象的完整系统（如整机、整车）或影响系统性能的所有物理因素一次性纳入计算范畴。因此，高性能计算成为CAE发展的方向。中国南车建立了动车、电力机车、内燃机车及货车四个高性能计算中心，建成的高性能计算中心为南车的动车、机车、货车产品研发中的大规模计算工作带来了明显的效益。为充分提升南车整体的研发水平，南车其他子企业通过协同仿真公共服务平台，调用四个高性能计算中心的高性能计算资源，开展产品的大规模仿真计算。

（2）平台门户。

平台门户是访问协同仿真公共服务平台的统一入口，实现了各功能模块之间的数据同步，实现对系统基础信息的管理，可以对用户进行统一管理，融合各系统的主体功能，随需配置，按需使用，同时还提供了转向各个功能模块的导航菜单，方便用户进行仿真软件许可调用、高性能计算任务提交、过程监控和资源监控的动态显示，同时支持个性化设置以及图表展示。

（3）云数据安全管理。

在协同仿真公共服务平台上开展各企业仿真活动所产生的数据，是企业发展的最关键数据种类之一，需要全方位的信息安全措施，包括在制度和安全技术措施方面。为确保平台数据的安全，采用了加密的网络传输、加密的文件系统、合理的备份容灾；采用PGP系统加密技术，对文件进行加密，那样只有密码才能解密；采用南车内部的统一账户认证方案；采用高端3D桌面资源和HPC资源产生的数据自动加密；建立云计算相关安全制度。

（4）仿真软件许可管理。

采用FlexNet Manager + Platform License Scheduler方案，实现4家仿真中心和集团总部的License资源的统一调度。管理南车集团总部及下属企业License Server上的商业软件的许可证，FlexNet Manager实时搜集南车下属企业所有CAE软件license Server中许可证license feature的使用详细信息，并记录到集团总部的管理数据库中，根据各CAE软件的使用情况，调整各企业license Server可共享的license feature及数量。借助FlexNet Manager工具不断优化CAE软件的许可证的共享策略，充分利用南车集团的CAE软件license资源，在保证满足集团研发需求的同时，有效保护集团在CAE软件上的投资。

（5）高性能计算资源管理。

采用Platform LSF MultiCluster方案，实现南车集团下属四家仿真中心各自的高性能计算负载均衡和作业调度，同时通过转发调度和租约调度两种模式，实现南车集团四家仿真中心高性能集群之间的资源共享。所有用户登录位于集团总部的门户提交计算任务，由Platform LSF MultiCluster根据既定的调度策略，将计算任务分配到四家仿真中心的某个HPC计算资源中的空闲资源来进行高性能并行计算。

（6）仿真经验库。

目前南车集团下属各企业在产品研发的过程中，都要进行仿真分析，各企业在仿真应用方面既有重叠又有差异，同时仿真应用水平各有专长，为提高各个公司的仿真应用水平，把好的经验和成果在集团内部共享，在公共服务平台中建立仿真经验库，各个公司把自己所擅长的分析或者好的项目成果、有借鉴意义的仿真分析算例，提交到仿真经验库中，供其他各单位参考借鉴。

（ 7 ） 仿真规范标准库。

在平台中开辟仿真规范标准库专栏，将各家子公司已总结和制定的大量仿真分析的规图2 基于云计算的协同仿真公共服务平台功能架构图范和标准上传到网上共享，并且仿真规范标准库也会不断丰富完善。仿真规范标准库为仿真业务人员提供在线浏览、资料下载、查询等功能，为各下属公司的仿真业务管理人员提供用户、权限等系统管理功能和资料组织维护、资料上传、删除等数据维护功能。

（8）仿真应用在线培训。

为提高仿真人员业务水平，避免因人员更新换代而使技术流失，同时避免重复培训、节约培训经费，在公共服务平台中建立仿真应用培训专栏，对于相关的培训资料、培训视频进行统一管理，有权限的用户可以登录系统，在系统直接查找相关的培训资料，对于有视频的培训可以进行在线教学，从而提高仿真业务人员的水平，节约公司培训成本。

（9）仿真应用论坛。

建设专业的仿真应用论坛，可以给整个南车集团下属企业所有的仿真应用人员提供专门的交流平台。大量的信息和资源在仿真应用论坛积存，用户能够将自己的经验和经历进行分享，也能通过求助和检索等功能轻松获取所需的信息，从而激发仿真应用人员的仿真分析兴趣，方便其对仿真过程中出现的问题进行交流、探讨。

（10）多学科仿真分析工具集。

以各公司产品数字样机为基础，统一学科仿真工具，建立多学科仿真工具系统。该系统涵盖线性及非线性强度分析、疲劳和断裂分析装卸料分析、振动噪声分析、系统动力学性能及刚柔耦合分析、纵向动力学分析、空气动力学分析、流体和流固耦合分析、焊接工艺分析、冲压分析、铸造分析、计算和试验相关性分析等学科，并在后续的不断应用中完善，形成学科完善、功能齐全的仿真分析体系。

四、结语

通过采用云计算的技术，在中国南车搭建并应用协同仿真公共服务平台，整合已建成四家仿真中心的高性能计算、仿真软件资源，提供给南车所有产品仿真工程师应用，形成一片真正的南车仿真云，将会为南车的产品研发，提升仿真应用水平，缩短产品研发周期，减少设计风险，进一步提升中国南车集团产品的原创能力。