1 引言

    化工過程虛擬工廠(Virtual Plant，VP)是一種面向石油化工集成化的實時動態(tài)仿真環(huán)境，具有硬件在回路仿真系統(tǒng)的技術(shù)特征，它涉及流程級穩(wěn)態(tài)與動態(tài)模擬、軟件與硬件實時接口技術(shù)、自動控制技術(shù)、人工智能技術(shù)和工程安全技術(shù)，根據(jù)物料平衡、能量平衡原則，模擬工業(yè)現(xiàn)場。借助建模與仿真技術(shù)，能夠及時并行地模擬出設(shè)備生產(chǎn)過程乃至整個流程的各種條件下可能出現(xiàn)的各種情況，預(yù)測、檢測、評價工藝方案的優(yōu)劣，并提出優(yōu)化方案，從而更加有效、經(jīng)濟(jì)、柔性地組織生產(chǎn)，增強決策與控制水平，達(dá)到生產(chǎn)質(zhì)量的最優(yōu)化、生產(chǎn)效率的最大化。

    在虛擬工廠的構(gòu)建中需要集成各種數(shù)據(jù)，包括現(xiàn)場采集的實時數(shù)據(jù)、仿真模型的數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)庫的信息，以及CRM等管理數(shù)據(jù)。以前對這些數(shù)據(jù)集成的方式主要分為孤立的數(shù)據(jù)組織方式和自然演化的數(shù)據(jù)組織方式，這些數(shù)據(jù)組織方式都是針對具體的應(yīng)用而建立的，缺乏全局性和擴(kuò)展性。這極大的限制了資源利用的有效性、靈活性和廉價性。因此，本文作者針對化工過程虛擬工廠的建設(shè)，提出了具有自組織、自配置的數(shù)據(jù)集成云計算平臺，為虛擬工廠三維云端的數(shù)據(jù)展示和操控，提供了一個強兼容性、高可擴(kuò)展性和經(jīng)濟(jì)的數(shù)據(jù)集成平臺。

2 相關(guān)工作

    2．1云計算技術(shù)

    根據(jù)美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(mst)的定義，云計算是一種利用互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)隨時隨地、按需、便捷地訪問共享資源池(如計算設(shè)施、存儲設(shè)備、應(yīng)用程序等)的計算模式。計算機資源服務(wù)化是云計算重要的表現(xiàn)形式，它為用戶屏蔽了數(shù)據(jù)中心管理、大規(guī)模數(shù)據(jù)處理、應(yīng)用程序部署等問題。通過云計算，用戶可以根據(jù)其業(yè)務(wù)負(fù)載快速申請或釋放資源，并以按需支付的方式對所使用的資源付費，在提高服務(wù)質(zhì)量的同時降低運維成本。云計算通過將所有資源虛擬化、服務(wù)化，將這些虛擬資源聚集在一個虛擬資源池中，再根據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用的需求進(jìn)行資源分配、和組合，以實現(xiàn)資源的扁平化管理和組合。云計算的特征主要表現(xiàn)為以下3點。

    (1)彈性伸縮

    云計算可以根據(jù)訪問用戶的多少，增減相應(yīng)的IT資源，使得IT資源的規(guī)�？梢詣討B(tài)伸縮，滿足應(yīng)用和用戶規(guī)模變化的需要。

    (2)快速部署

    云計算模式具有極大的靈活性，足以適應(yīng)各個開發(fā)和部署階段的各種類型和規(guī)模的應(yīng)用程序。提供者可以根據(jù)用戶的需要及時部署資源，最終用戶也可以按需選擇。

    (3)資源抽象

    最終用戶不必知道云上應(yīng)用的具體物理資源位置，同時云計算支持用戶在任意位置使用各種終端獲取應(yīng)用服務(wù)。所請求的資源來自“云”，而不是固定的有形實體。應(yīng)用在“云”中某處運行，但實際上用戶無須了解，也不必考慮應(yīng)用運行的具體位置。

    根據(jù)云計算的定義，可分為3種類型，如圖1所示。

    (1)云軟件，也稱為軟件即服務(wù)(Software as aService，SaaS)，它主要提供服務(wù)化的應(yīng)用軟件，如CRM、ERP、字處理等應(yīng)用軟件。

    (2)云平臺，也稱為平臺即服務(wù)(Plateform aS aService，PaaS)，它主要提供服務(wù)開發(fā)工具和基礎(chǔ)軟件，如數(shù)據(jù)庫、分布式操作系統(tǒng)等。

    (3)云設(shè)備，也稱為基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(Infrastructure as a Service．IaaS)，它主要提供虛擬化和服務(wù)化的計算機資源，包括服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、存儲設(shè)備等硬件設(shè)施，它是云計算的數(shù)據(jù)中心。在IaaS層，虛擬技術(shù)是最為關(guān)鍵的技術(shù)，常用的開源虛擬技術(shù)有KVM和Xen等。

圖1 云計算類型

    2．2面向服務(wù)的架構(gòu)

    云計算提供了一個通用平臺用以集成和調(diào)整不同業(yè)務(wù)的流程與系統(tǒng)，快速、靈活地交付新的系統(tǒng)。云計算本身就是一個大的系統(tǒng)集成環(huán)境，一個融合了底層IaaS中間層PaaS到上層SaaS的一整套服務(wù)集，能為企業(yè)提供從底層基礎(chǔ)設(shè)施的集成到中間層應(yīng)用平臺的集成再到應(yīng)用層的應(yīng)用集成全套的集成服務(wù)，但前提是這個集成需要在企業(yè)擁有清晰完善的基于服務(wù)架構(gòu)的rr框架的背景下才能最高效的發(fā)揮作用。

    面向服務(wù)的架構(gòu)(Service-Oriented Architecture，SOA)是一種由彼此之間可通信的具有特定功能的服務(wù)構(gòu)成的靈活抽象的分布式IT架構(gòu)模式，允許軟件以服務(wù)的方式提供給合適的安全授權(quán)用戶使用。數(shù)據(jù)和功能以可重用的并且使用標(biāo)準(zhǔn)格式描述的、抽象的服務(wù)形式提供，底層實現(xiàn)的具體細(xì)節(jié)被屏蔽。服務(wù)之間以松耦合的形式互聯(lián)和互操作，從而完成特定的業(yè)務(wù)需求。相互通信的服務(wù)之間具有靈活的松散耦合關(guān)系，資源具有較高的可重用性、開放性和互操作性。因此SOA使得企業(yè)能夠迅速地應(yīng)對業(yè)務(wù)變化。

    面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)中的角色包括：服務(wù)使用者、服務(wù)提供者和服務(wù)注冊中心。

    (1)服務(wù)使用者：服務(wù)使用者可以是一個應(yīng)用程序，也可以是需要一個服務(wù)的另一個服務(wù)。它根據(jù)需求向服務(wù)注冊中心進(jìn)行服務(wù)的查詢，通過傳輸綁定服務(wù)，并且執(zhí)行服務(wù)功能。服務(wù)使用者根據(jù)接口契約來執(zhí)行服務(wù)。

    (2)服務(wù)提供者：服務(wù)提供者是一個可通過網(wǎng)絡(luò)尋址的實體，它接受和執(zhí)行來自使用者的請求。它將自己的服務(wù)和接口契約發(fā)布到服務(wù)注冊中心，以便服務(wù)使用者可以發(fā)現(xiàn)和訪問該服務(wù)。

    (3)服務(wù)注冊中心：服務(wù)注冊中心是服務(wù)發(fā)現(xiàn)的支持者。它包含一個可用服務(wù)的存儲庫，并允許感興趣的服務(wù)使用者查找服務(wù)提供者接口。

3 虛擬工廠云計算平臺架構(gòu)模型

    在化工過程虛擬工廠中，基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建的三維云端為用戶提供了三維場景內(nèi)的工廠漫游、自主瀏覽，并提供交互操作環(huán)境，使得用戶有身臨真實現(xiàn)場的感覺。其中的交互操作環(huán)境隨著操作對象和業(yè)務(wù)的不同，對數(shù)據(jù)的集成提出了復(fù)雜多變的要求，而云計算能夠提供極為靈活的資源，其獨特的技術(shù)設(shè)計擁有無限的可擴(kuò)展性，正可以滿足虛擬工廠復(fù)雜的業(yè)務(wù)組合需求。云計算可以根據(jù)需要快速聚集資源，并通過向某項任務(wù)分派多個服務(wù)器而逐步壯大，并且可以在不需要時收縮、休眠或消失。因此，云計算不僅可以適應(yīng)零星的、周期性或臨時性的工作，還可以通過服務(wù)組合實現(xiàn)彈性、自管理和高擴(kuò)展性的應(yīng)用系統(tǒng)集成。

    面對化工過程虛擬工廠中數(shù)量巨大的軟硬件資源和復(fù)雜多變的業(yè)務(wù)擴(kuò)展需求，云計算平臺需要一個不同于以往系統(tǒng)集成的架構(gòu)。通常系統(tǒng)集成采用的方式是分層管理，依賴不斷增加的層級來逐步細(xì)化業(yè)務(wù)應(yīng)用，但是此種方式會使得系統(tǒng)越來越復(fù)雜，難以擴(kuò)展。為了讓虛擬工廠云計算平臺具有很強的可擴(kuò)展性，將云計算平臺架構(gòu)設(shè)計為扁平的3層結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 云計算平臺架構(gòu)模

    (1)元服務(wù)資源層

    在元服務(wù)資源層，通過虛擬化和服務(wù)化，在從IaaS層到SaaS層將所有的硬件設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、存儲設(shè)備、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用軟件全部抽象轉(zhuǎn)變?yōu)榉��?wù)資源，將原本類型眾多的復(fù)雜資源統(tǒng)一為一種資源類型，以此簡化了系統(tǒng)集成的對象，也降低了服務(wù)組合的復(fù)雜度。

    (2)邏輯服務(wù)資源層

    在邏輯服務(wù)資源層，針對化工過程行業(yè)的特點，將元服務(wù)資源層細(xì)顆粒度的原始服務(wù)資源組合為粗顆粒度的業(yè)務(wù)邏輯服務(wù)，使其具有一定的自管理、自修復(fù)、自部署能力，為應(yīng)用服務(wù)層提供高效的可重用服務(wù)資源。

    (3)應(yīng)用服務(wù)層。

    在應(yīng)用服務(wù)層，根據(jù)具體的業(yè)務(wù)應(yīng)用，利用SOA的服務(wù)組合策略，將邏輯服務(wù)資源層自治的、平臺獨立的、松散耦合且可重用的服務(wù)作為基本元素，快速、低成本地構(gòu)建可互操作的、可進(jìn)化的分布式軟件應(yīng)用，使其能夠靈活快速地應(yīng)對化工過程虛擬工廠業(yè)務(wù)的頻繁變化。

4 云計算平臺應(yīng)用案例

    在乙烯工業(yè)生產(chǎn)中，裂解爐是核心裝置之一，具有舉足輕重的地位嘲。在對乙烯設(shè)備進(jìn)行仿真時，為了提高生產(chǎn)效率和裂解爐的設(shè)計與改進(jìn)，需要利用流體力學(xué)計算軟件Fluent計算裂解爐內(nèi)煙氣流速、溫度及組成等物理量的分布情況。在利用Fluent進(jìn)行計算時，要進(jìn)行反復(fù)迭代，一臺計算機往往無法在較短的時間內(nèi)完成此種類型的計算。為了盡可能地提高計算的效率，通常采用并行計算的方法。由于計算資源不是無限的，要既縮短并行計算的時間又提高計算資源的利用率，采用云計算技術(shù)構(gòu)建一個可彈性擴(kuò)展、收縮的Fluent并行環(huán)境是一個可行的方法。

    基于云計算的虛擬工廠針對化工流程工業(yè)的特點，使用了虛擬現(xiàn)實技術(shù)、云計算技術(shù)及WebService等技術(shù)，以綠色化、服務(wù)化和智能化為重要目標(biāo)，實現(xiàn)建模、控制、優(yōu)化方法與技術(shù)的一體化集成。虛擬工廠的整體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 化工過程虛擬工廠架構(gòu)

    分為2個部分：一個是以三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)為基礎(chǔ)的三維云端，另一個是以云計算技術(shù)為基礎(chǔ)的化工云計算平臺。云計算平臺采用開源的云計算系統(tǒng)OpenStack，通過KVM虛擬機技術(shù)，構(gòu)建了一個可動態(tài)擴(kuò)展，將硬件和軟件虛擬化、服務(wù)化的云計算環(huán)境。

    在云計算平臺中，以虛擬機的方式來實現(xiàn)乙二醇、乙烯、聚酯和FrA的動態(tài)模型載體，根據(jù)動態(tài)模型的規(guī)模，可以將動態(tài)模型分為多個子模型部署在多個虛擬機上，通過云平臺內(nèi)的虛擬VLAN網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)相互間的通訊和數(shù)據(jù)交互。

    當(dāng)乙烯三維云端通過Web Service向云計算平臺發(fā)出裂解爐模擬和優(yōu)化數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)請求后，由于云平臺中對應(yīng)的應(yīng)用業(yè)務(wù)服務(wù)由包含裂解爐流體力學(xué)Fluent計算服務(wù)的幾個服務(wù)組成，應(yīng)用服務(wù)層將此任務(wù)分解為對應(yīng)的幾個子任務(wù)，并提交給各自對應(yīng)的子服務(wù)執(zhí)行。裂解爐流體力學(xué)Fluent計算服務(wù)接收到計算服務(wù)請求后，在云計算平臺內(nèi)通過KVM虛擬機技術(shù)虛擬出初始節(jié)點數(shù)為4的4個Fluent計算節(jié)點，并在此4個計算節(jié)點上開始進(jìn)行計算。同時，云平臺性能負(fù)載監(jiān)控服務(wù)對當(dāng)前在4個計算節(jié)點上運行的任務(wù)進(jìn)行負(fù)載監(jiān)控和評估，當(dāng)發(fā)現(xiàn)負(fù)載過重時，則向Fluent計算服務(wù)發(fā)出計算資源擴(kuò)展請求，由Fluent計算服務(wù)根據(jù)計算集群的資源利用情況，虛擬出更多的Fluent計算節(jié)點，加入到當(dāng)前的裂解爐流體力學(xué)計算中來，以此到達(dá)計算服務(wù)能力的彈性擴(kuò)展。當(dāng)計算任務(wù)完成后，計算結(jié)果在聚合處理后再通過WebService將數(shù)據(jù)提交給乙烯動態(tài)模型，在乙烯動態(tài)模型中驗證其有效性。通過三維云端與乙烯動態(tài)模型之間基于Web Service的數(shù)據(jù)通訊方式，可以在乙烯三維云端實時的查看優(yōu)化后的結(jié)果。同時，將沒有計算任務(wù)安排的Fluent計算節(jié)點從云平臺中清除，以釋放資源。

    通過上面針對乙烯三維云端應(yīng)用的案例，充分展示了云計算平臺的彈性伸縮和快速部署能力，體現(xiàn)了云計算平臺在化工過程虛擬工廠中的重要作用。

5 結(jié)論

    云計算技術(shù)已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到了應(yīng)用，基于云計算的服務(wù)在化工行業(yè)中也受到越來越多的關(guān)注。通過云計算平臺的構(gòu)建，進(jìn)一步完善和推進(jìn)了化工過程虛擬工廠的建設(shè)，對化工生產(chǎn)過程的建模、控制和優(yōu)化技術(shù)具有重要的現(xiàn)實意義，這項技術(shù)地不斷完善和應(yīng)用不僅可以產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益，還可以形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的石油化工軟件產(chǎn)品。

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本文標(biāo)題：化工過程虛擬工廠云計算平臺構(gòu)建的技術(shù)研究

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