Авторы: М. В. Гусев, А. А. Кечков, А. Р. Арутюнян, канд. техн. наук, Институт проблем безопасного развития атомной энергетики РАН, Москва, Россия.
Распространенными проблемами, с которыми сталкиваются инженерные подразделения предприятий при проведении расчетных обоснований, являются обеспечение хранения и управления данными моделирования и организация процессов проведения самих обоснований в сложных и масштабных проектах, требующих организации коллективной работы нескольких подразделений. Одним из способов решения подобных проблем является внедрение информационных систем управления данными и процессами расчетных обоснований. Описан программный продукт такого класса — Системная оболочка, разрабатываемая в рамках проектного направления «Прорыв» для предприятий атомной отрасли и позволяющая учитывать их особенности и стандарты при проведении расчетных обоснований. Приведено обоснование подхода к реализации, описаны функциональная схема Системной оболочки и взаимодействие основных ее подсистем, а также представлены результаты разработки первой версии Системной оболочки и ключевые преимущества, которые обеспечивает ее использование.
Ключевые слова: расчетный код, управление данными, управление процессами, расчетное обоснование, мультифизичный расчет, реакторы на быстрых нейтронах.
В 2011 г. государственная корпорация «Росатом» запустила проект «Прорыв», консолидирующий проекты по разработке реакторов большой мощности на быстрых нейтронах (РУ БН), технологий замкнутого ядерного топливного цикла, а также разработку новых видов топлива и материалов. Разработку таких сложных объектов, как реакторы, и вывод их на новый уровень конкурентоспособности и обеспечения безопасности невозможно представить без использования технологий численного моделирования и аппаратно-вычислительных систем, позволяющих максимально приблизить точность расчетных моделей к реальным характеристикам рассчитываемых объектов и процессов. Поэтому в качестве одного из поддерживающих направлений разработок в рамках проекта «Прорыв» выделен частный проект «Разработка интегрированных систем кодов нового поколения для разработки и обоснования безопасности ядерных реакторов, проектирования АЭС, создания технологий и объектов ядерного топливного цикла», кратко «Коды нового поколения».
Целью проекта «Коды нового поколения» является обеспечение конструкторов, проектантов, технологов и эксплуатирующих организаций АЭС с РУ БН расчетными кодами нового поколения, необходимыми для выполнения проектно-конструкторских работ и обоснования безопасности разрабатываемых технологических решений.
В то же время процесс создания инновационных продуктов и технологий с постоянным стремлением уменьшения времени на разработку и снижения затрат и одновременным повышением качества расчетных обоснований невозможен без использования обширной базы знаний в области компетенции инженерных расчетных подразделений и без применения современных инструментов управления процессами расчетов и самими данными моделирования.
В данной статье описаны подходы и реализации в рамках проектного направления «Прорыв» системы управления расчетными данными и обеспечения коллективной работы и автоматизации процессов расчетных обоснований. Разрабатываемая система обеспечивает сквозной цикл проведения расчетных обоснований, позволяет интегрировать в свой состав как разрабатываемые расчетные коды нового поколения, так и любые другие коды и расчетные системы, удовлетворяющие требованиям интеграции, запускать и выполнять мониторинг состояния расчетов на вычислительных ресурсах различного уровня с использованием оптимально унифицированных средств подготовки входных данных и постобработки результатов расчетов.
Постановка задачи в части организации процессов расчетных обоснований
Значительная сложность объектов и процессов атомной энергетики и потребность в максимально точном их анализе неизбежно приводят к постоянно увеличивающемуся числу проводимых расчетов, повышению сложности информации, используемой при моделировании, и необходимости постоянного взаимодействия всех участников расчетных обоснований. В части организации процессов проведения расчетных обоснований на первый план выходят задачи обеспечения коллективной работы, накопления и использования баз знаний проведенных расчетов, сквозной интеграции проектно-конструкторских решений с данными инженерных расчетов [1].
Постоянное развитие и применение средств высокопроизводительных вычислений, с одной стороны, значительно ускоряют процесс проведения сложных расчетов, с другой — требуют наличия у инженеров-расчетчиков серьезных навыков по работе с различными вычислительными ресурсами. Дополнительной проблемой является неоднородность архитектуры, способов и вариантов запуска применяемых на предприятиях расчетных кодов (решателей), систем подготовки входных данных (препроцессоров) и обработки результатов расчетов (постпроцессоров). Соответственно, необходимо максимально упростить и унифицировать технологию проведения расчетного обоснования с использованием различных расчетных систем, пре/постпроцессоров на различных ресурсах.
Кроме того, большую роль при обосновании безопасности объектов атомной энергетики играет проведение связанных мультифизичных расчетов, позволяющих проводить многокритериальную оценку объектов, комплексно анализируя практически весь спектр протекающих взаимозависимых процессов. При этом можно выделить два основных направления развития связанных расчетов: разработка интегральных расчетных кодов нового поколения и организация связанных расчетов с использованием существующих расчетных кодов.
Для решения перечисленных и ряда других задач в рамках частного проекта «Коды нового поколения» разрабатывается информационная автоматизированная система — Системная оболочка (СО) — для обеспечения численного моделирования РУ на основе кодов нового поколения, обеспечивающая:
- организацию централизованного, защищенного и упорядоченного хранения и доступа к базе всех расчетных данных;
- автоматизацию бизнес-процессов проведения расчетных обоснований на современном технологическом уровне;
- организацию единой информационной среды для проведения расчетных обоснований с использованием различных расчетных кодов (коммерческих CAE-систем, расчетных кодов нового поколения, проектных кодов) и соответствующих средств подготовки входных данных и визуализации результатов расчета.
В части организации общей информационной среды СО должна являться единой точкой доступа ко всем расчетным данным, функциям по управлению расчетами с использованием различных расчетных кодов, функциям по подготовке входных данных и обработке результатов расчетов.
Данная информационная система, в первую очередь, предназначена для обеспечения работ по выполнению расчетных обоснований в рамках предприятий ГК «Росатом» научноисследовательских институтов и учреждений, участвующих в проекте «Прорыв»: ОАО «ОКБМ Африкантов», ОАО «НИКИЭТ», ОАО «Атомпроект», ОАО «ВНИИНМ», ИБРАЭ РАН, ФГУП «ГНЦ РФ — ФЭИ», НИЦ «Курчатовский институт», ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», ФГУП «РФЯЦ-ВНИИТФ» и др.
Подход к реализации
Мировые практика и опыт показывают, что для решения задач по управлению расчетными данными и процессами расчетных обоснований принято использовать специализированное программное обеспечение — SPDM-системы (англ. Simulation Process and Data Management) [2], которые предоставляют механизмы работы с расчетными данными (файлами) и их атрибутивной составляющей, а также имеют базовые инструменты для взаимодействия с внешними программными приложениями (например, решателями и пре/постпроцессорами) и вычислительными ресурсами различного уровня.
На начало 2014 г. рынок SPDM-систем был представлен в основном системами крупных зарубежных производителей: Ansys EKM (компания ANSYS Inc.), SimManager (компания MSC Software Corporation), Teamcenter for Simulation (компания Siemens PLM Software) и др. Открытых программных продуктов (open source) такого класса не представлено.
В силу этого, а также отсутствия отечественных аналогов в области SPDM-систем логичным видится подход с использованием коммерческой зарубежной SPDM-системы в качестве базовой программной платформы для реализации функциональных и технических требований к СО. Данный подход также обусловлен опытом применения подобных систем и инициативами в отечественной промышленности, в том числе и в атомной отрасли.
Разработка системы "с нуля" является нецелесообразной из-за большой трудоемкости (невозможности разработки в отведенные сроки, первая версия СО должна была быть разработана в течение 2014 г.), больших рисков по качеству возможных результатов разработки и большой стоимости работ.
В результате комплексного сравнительного анализа SPDM-систем по различным (техническим, организационным, экономическим) критериям в качестве базовой платформы СО в рамках проекта «Прорыв» выбрана система ANSYS EKM, предоставляющая пользователям возможность работы с "тонким" клиентом через web-интерфейс в рамках клиент-серверной архитектуры. Ключевыми преимуществами ANSYS EKM в сравнении с конкурирующими продуктами стали наличие опыта внедрения и инициатив на предприятиях атомной отрасли РФ (в том числе у главных конструкторов реакторных установок в проекте «Прорыв» — ОАО «ОКБМ Африкантов» и ОАО «НИКИЭТ») и сравнительно низкая стоимость консультационных услуг.
Основные технические решения
Структурная схема
СО (рис. 1) как автоматизированная система включает в себя следующие основные компоненты:
- автоматизированные рабочие места (АРМ) пользователей;
- сервер приложений, сервер баз данных, хранилище данных;
- серверы визуализации и вычислительные ресурсы.
Вся работа пользователя выполняется через web-браузер. Взаимодействуя с сервером приложений ANSYS EKM (предоставляющим пользовательский интерфейс и управляющим связями между остальными компонентами), пользователь имеет возможность работать с данными, запускать расчетные коды на счет и пре/постпроцессоры на удаленных серверах или локально на своем рабочем месте (персональном компьютере).
Рисунок 1. Структурная схема СО
Сервер баз данных предназначен для хранения информации об объектах, помещаемых в СО, их атрибутивной информации и взаимосвязях. Хранилище данных используется для хранения всех файлов с данными, которые находятся под управлением СО. Доступ к данным пользователь получает только через сервер приложений, с учетом его прав доступа.
Основное назначение сервера визуализации — предоставление возможности удаленного запуска на нем (из интерфейса СО) приложений с графическим интерфейсом (например, пре- и постпроцессоров), требующих для своей работы значительных вычислительных и графических ресурсов. Взаимодействие происходит путем инициации запуска конкретного приложения на выбранном сервере визуализации и создания сессии удаленного доступа (VNC-сессии) с компьютера пользователя на выбранный сервер визуализации. При этом поддерживаются возможности передачи данных в приложение напрямую из хранилища СО и сохранения результатов работы на сервере.
Подобная схема представляет следующие преимущества по сравнению с запуском приложения на локальном компьютере пользователя:
- ускорение обработки данных за счет использования специально выделенных для данных задач высокопроизводительных графических станций;
- снижение технических требований к персональным компьютерам пользователей;
- значительное снижение сетевого трафика — передача данных большого объема происходит между сервером визуализации и хранилищем данных, которые архитектурно связаны друг с другом по высокоскоростным каналам передачи данных (трафик данных между компьютером пользователем и сервером визуализации минимален);
- сохранение возможности параллельного выполнения различных задач за счет использования удаленной визуализации, не нагружая свой компьютер.
Работа с различными вычислительными ресурсами организована на уровне передачи данных по SSH-протоколу и взаимодействия с менеджерами ресурсов (планировщиками задач), установленными на них. Разработанная технология взаимодействия обеспечивает автоматическую постановку задач в очередь, контроль статуса выполнения задач на вычислительных ресурсах непосредственно из интерфейса СО, а также автоматизированную передачу входных данных и сохранение промежуточных результатов и результатов расчета в СО.
Функциональная структура
В соответствии с Техническим заданием и Техническим проектом, в СО выделено пять основных функциональных подсистем, представленных на рис. 2:
- подсистема хранения и управления данными;
- подсистема интеграции;
- подсистемы препроцессинга;
- подсистема процессинга;
- подсистема постпроцессинга.
Рисунок 2. Функциональная структура СО
Подсистема хранения и управления данными
Данная подсистема предназначена в первую очередь для реализации информационной модели хранения и управления расчетными данными в СО. К основным группам функций подсистемы относятся:
- организация структуры хранения данных в соответствии с требованиями пользователей;
- хранение и управление версиями данных (исходными данными, файлами пре- и постпроцессинга и результатами расчетов);
- управление зависимостями между данными для прослеживаемости различных вариантов расчетов;
- управление жизненным циклом и правами доступа к расчетным данным на соответствующих этапах ЖЦ;
- управление потоками работ (workflow) для автоматизации процессов проведения расчетных обоснований.
Подсистема хранения и управления данным посредством организации информационного обмена обеспечивает взаимодействие между всеми остальными функциональными частями СО.
Кроме того, при внедрении на конкретном предприятии может быть организован обмен информацией с использующейся системой управления данными об изделиях (PLM/PDM-системой). Со стороны PLM/PDM-системы могут передаваться постановки задач, геометрические модели и другие необходимые для расчета исходные данные. Обратно из СО могут передаваться ключевые результаты расчетов, отчетные материалы по результатам выполнения постпроцессинга.
Подсистема интеграции
Основное назначение подсистемы интеграции — это обеспечение включения в состав СО как самих расчетных кодов, так и дополнительных пре/постпроцессоров без участия разработчиков СО. Для обеспечения интеграции и использования в рамках СО разработаны специальные требования к РК и пре/постпроцессорам.
Архитектура СО и технология ее взаимодействия с расчетными кодами изначально разрабатывались с учетом предъявления к ним минимальных требований для интеграции. В общем случае к расчетным кодам предъявляются следующие интеграционные требования:
- поставка в виде *.zip-архива с исполняемым файлом;
- наличие скрипта для запуска расчетного кода;
- наличие скрипта для компиляции и исходные файлы, при необходимости компиляции расчетного кода непосредственно на кластерах при запуске расчетов (опционально).
Перечисленные требования позволяют включать в состав СО как разрабатываемые коды нового поколения, так и другие, уже эксплуатируемые проектные коды.
В отличие от расчетных кодов, пре/постпроцессоры чаще всего требуют процедуры инсталляции либо на специальных общих серверах визуализации, либо на персональных компьютерах пользователей СО. Общие требования к пре/постпроцессорам для их интеграции в состав СО:
- поставка программного комплекса в достаточном для инсталляции виде;
- реализация дополнительных элементов GUI (меню, кнопки) для чтения/записи данных непосредственно из/в хранилище СО.
Подсистемы пре- и постпроцессинга
Подсистемы пре- и постпроцессинга представляют собой библиотеки (наборы) подключаемых пре- и постпроцессоров, реализующих функциональные требования по подготовке входных данных и расчетных моделей для расчетных кодов и постобработки результатов расчетов соответственно.
В качестве пре/постпроцессоров могут выступать различные программные продукты собственной разработки, программы с открытым кодом (open source) и, в некоторых случаях, коммерческие системы.
Пополнение библиотек производится через подсистему интеграции, в которой производится регистрация настроек, обеспечивающих запуск пре/постпроцессоров непосредственно из СО и их работу на рабочих местах пользователей и удаленных серверах визуализации.
Для полной интеграции с СО в пре/постпроцессор должны быть добавлены функции для обмена данными с хранилищем СО и их представление в графическом интерфейсе пользователя. Это выполняется за счет встраивания в интерфейс приложения пунктов меню/кнопок, которые должны по определенным правилам вызывать унифицированный обработчик для взаимодействия с СО, предоставляемый разработчиками СО.
Подсистема процессинга
Подсистема процессинга обеспечивает запуск расчетных кодов как на удаленных вычислительных ресурсах (рабочих станциях, серверах, кластерах) посредством взаимодействия с использующимися на них планировщиками задач, так и на локальных компьютерах пользователей. В части поддержки связанных расчетов предлагается два подхода. Первый — поддержка внешних специализированных управляющих модулей и библиотек, таких как SMART_LM (разработка ИБРАЭ РАН), SMM (разработка ФГУП «РФЯЦ ВНИИЭФ») и др. В этом случае в СО интегрируется связанный расчетный код совместно с управляющим модулем. Управляющий модуль обеспечивает взаимодействие от дельных расчетных кодов и организацию обмена данными между ними в рамках связанного расчета. СО обеспечивает подготовку и передачу входных файлов, управление вычислительными ресурсами и сохранение результатов расчета.
Второй вариант предполагает создание различных сценариев с помощью средств управления потоками работ, последовательного и параллельного запуска расчетных кодов с автоматическим обменом данными на уровне файлов. Для корректного взаимодействия в рамках такого связанного расчета должны быть согласованы используемые расчетными кодами форматы данных, либо разработаны и интегрированы в состав СО специализированные конвертеры данных. Данный вариант обеспечивает реализацию связанного расчета без доработки самих расчетных кодов.
Структура хранения данных
СО может использоваться как система уровня предприятия, так и как система более высокого уровня, обеспечивая взаимодействие нескольких предприятий. В зависимости от этого определяется схема развертывания СО (всех компонентов) на физических ресурсах, структура хранения данных и бизнес-процессы (потоки работ), закладываемые в СО.
Если СО позиционируется как система уровня предприятия, структура хранения данных в СО определяется исходя из организации процессов проведения расчетных обоснований конкретного предприятия. Если СО используется как глобальная среда для нескольких предприятий, то структура хранения данных должна учитывать как общую информационную модель проведения расчетных обоснований, так и особенности каждого предприятия.
Можно выделить следующие факторы, влияющие на режим использования СО и структуру хранения данных:
- структурная схема предприятия и его подразделений;
- организация проектной работы на предприятии;
- регламенты проведения расчетных обоснований;
- устоявшиеся схемы работы при проведении расчетных обоснований;
- регламенты хранения и доступа к данным;
- политики безопасности.
В силу вышесказанного реализовано условное разделение структуры хранения данных в СО на две части: общую структуру и произвольную структуру данных. Общая структура данных определяет верхнеуровневую иерархию хранения данных и выделяет отдельные области или направления расчетных обоснований. В качестве примера элементов общей структуры могут выступать организационная структура пред приятия (дирекция, управление, отдел и т. д.), отдельные масштабные проекты.
Произвольная часть определяет структуру хранения в рамках конкретных расчетных обоснований и их групп и определяется непосредственно пользователями.
СО позволяет не только структурировать хранимую документацию, но повышает пользовательскую дисциплину в плане контроля над исполнением регламентов и внутренних стандартов проведения расчетов и управления документооборотом.
Достигнутые результаты
В 2014 г. разработана первая версия СО, в рамках которой реализовано большинство предъявляемых требований к СО и отработаны на реальных примерах описанные в данной статьей технические решения (в том числе проведена интеграция в состав нескольких расчетных кодов и пре/постпроцессоров). В соответствии с РД 50.34.698-90 разработана вся необходимая рабочая документация на СО:
- общее описание;
- описание ПО;
- руководство пользователя;
- руководство администратора;
- руководство по интеграции внешних приложений (расчетных кодов и пре/постпроцессоров) в состав СО.
Заключение
В статье представлено описание разработки первой версии Системной оболочки, обеспечивающей поддержку процессов проведения расчетных обоснований в рамках организаций, участвующих в проектном направлении «Прорыв». Приведены требования к Системной оболочке, дано описание основных технических решений и общий сценарий ее использования. Ключевыми преимуществами первой версии Системной оболочки являются:
- поддержка сквозного цикла проведения расчета — пользователь имеет доступ ко всем расчетным кодам и пре/постпроцессорам через единую точку доступа, ему не нужно думать, где установлены или расположены коды, откуда взять данные, где запустить пре/постпроцессор или расчет, как передать данные на удаленные ресурсы, как скомпилировать код и т. д. — все это делается автоматизировано за счет средств СО;
- управление расчетными данными с разграничением прав доступа, учетом версий и взаимосвязей между ними — пользователь в удобной графической форме всегда может увидеть, на каких версиях входных данных, с использованием каких версий расчетных кодов были получены результаты расчета;
- простая и удобная работа с вычислительными ресурсами, в том числе с вычислитель ными кластерами — механизмы взаимодействия реализуются средствами СО и скрыты от пользователей;
- автоматизированное сохранение промежуточных и конечных результатов расчета в хранилище СО — пользователям не потребуется регулярно подключаться к удаленному вычислительному ресурсу и просматривать формирующиеся там данные, по завершению расчета пользователь получит уведомление по электронной почте;
- СО является инструментом для хранения самих расчетных кодов, реализована возможность учета и контроля используемых версий расчетных кодов;
- возможность наращивания функциональности системы за счет обеспечения возможности простой и быстрой интеграции в состав СО дополнительных расчетных кодов (без их модификации) и пре/постпроцессоров без участия разработчиков СО.
Косвенными преимуществами внедрения и использования СО на предприятиях для разработчиков кодов являются:
- упрощение обучения и разработки руководства пользователя по работе с новыми расчетными кодами за счет унификации технологии запуска пре/постпроцессоров и расчетных кодов в составе СО;
- сокращение временных и финансовых ресурсов за счет отказа от разработки для каждого расчетного кода собственных коннекторов для обеспечения возможности проведения расчетов на удаленных вычислительных ресурсах.
Литература
1. Эффективное управление данными инженерного анализа в процессе разработки новых изделий // «Аэрокосмическая отрасль». 2008. № 8. 2 Павлов С., Береза Ю. К вопросу о классификации MCAE-систем // «CAD/CAM/CAE Observe». 2009. № 1.
Скачать статью можно по ссылке.