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仿真環境，具有硬件在回路仿真系統的技術特征，它涉及流程級穩態與動態模擬、軟件與硬件實時接口技術、自動控制技術、人工智能技術和工程安全技術，根據物料平衡、能量平衡原則，模擬工業現場。借助建模與仿真技術，能夠及時并行地模擬出設備生產過程乃至整個流程的各種條件下可能出現的各種情況，預測、檢測、評價工藝方案的優劣，并提出優化方案，從而更加有效、經濟、柔性地組織生產，增強決策與控制水平，達到生產質量的最優化、生產效率的最大化。
在虛擬工廠的構建中需要集成各種數據，包括現場采集的實時數據、仿真模型的數據、實時數據庫的信息，以及CRM等管理數據。以前對這些數據集成的方式主要分為孤立的數據組織方式和自然演化的數據組織方式，這些數據組織方式都是針對具體的應用而建立的，缺乏全局性和擴展性。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，提出了具有自組織、自配置的數據集成云計算平臺，為虛擬工廠三維云端的數據展示和操控，提供了一個強兼容性、高可擴展性和經濟的數據集成平臺。
2 相關工作
2．1云計算技術
根據美國國家標準與技術研究院(mst)的定義，云計算是一種利用互聯網實現隨時隨地、按需、便捷地訪問共享資源池(如計算設施、存儲設備、應用程序等)的計算模式。計算機資源服務化是云計算重要的表現形式，它為用戶屏蔽了數據中心管理、大規模數據處理、應用程序部署等問題。通過云計算，用戶可以根據其業務負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，在提高服務質量的同時降低運維成本。云計算通過將所有資源虛擬化、服務化，將這些虛擬資源聚集在一個虛擬資源池中，再根據業務應用的需求進行資源分配、和組合，以實現資源的扁平化管理和組合。云計算的特征主要表現為以下3點。
(1)彈性伸縮
云計算可以根據訪問用戶的多少，增減相應的IT資源，使得IT資源的規模可以動態伸縮，滿足應用和用戶規模變化的需要。
(2)快速部署
云計算模式具有極大的靈活性，足以適應各個開發和部署階段的各種類型和規模的應用程序。提供者可以根據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用服務。所請求的資源來自“云”，而不是固定的有形實體。應用在“云”中某處運行，但實際上用戶無須了解，也不必考慮應用運行的具體位置。
根據云計算的定義，可分為3種類型，如圖1所示。
(1)云軟件，也稱為軟件即服務(Software as aService，SaaS)，它主要提供服務化的應用軟件，如CRM、ERP、字處理等應用軟件。
(2)云平臺，也稱為平臺即服務(Plateform aS aService，PaaS)，它主要提供服務開發工具和基礎軟件，如數據庫、分布式操作系統等。
(3)云設備，也稱為基礎設施即服務(Infrastructure as a Service．IaaS)，它主要提供虛擬化和服務化的計算機資源，包括服務器、網絡設備、存儲設備等硬件設施，它是云計算的數據中心。在IaaS層，虛擬技術是最為關鍵的技術，常用的開源虛擬技術有KVM和Xen等。
圖1 云計算類型
2．2面向服務的架構
云計算提供了一個通用平臺用以集成和調整不同業務的流程與系統，快速、靈活地交付新的系統。云計算本身就是一個大的系統集成環境，一個融合了底層IaaS中間層PaaS到上層SaaS的一整套服務集，能為企業提供從底層基礎設施的集成到中間層應用平臺的集成再到應用層的應用集成全套的集成服務，但前提是這個集成需要在企業擁有清晰完善的基于服務架構的rr框架的背景下才能最高效的發揮作用。
面向服務的架構(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構成的靈活抽象的分布式IT架構模式，允許軟件以服務的方式提供給合適的安全授權用戶使用。數據和功能以可重用的并且使用標準格式描述的、抽象的服務形式提供，底層實現的具體細節被屏蔽。服務之間以松耦合的形式互聯和互操作，從而完成特定的業務需求。相互通信的服務之間具有靈活的松散耦合關系，資源具有較高的可重用性、開放性和互操作性。因此SOA使得企業能夠迅速地應對業務變化。
面向服務的體系結構中的角色包括：服務使用者、服務提供者和服務注冊中心。
(1)服務使用者：服務使用者可以是一個應用程序，也可以是需要一個服務的另一個服務。它根據需求向服務注冊中心進行服務的查詢，通過傳輸綁定服務，并且執行服務功能。服務使用者根據接口契約來執行服務。
(2)服務提供者：服務提供者是一個可通過網絡尋址的實體，它接受和執行來自使用者的請求。它將自己的服務和接口契約發布到服務注冊中心，以便服務使用者可以發現和訪問該服務。
(3)服務注冊中心：服務注冊中心是服務發現的支持者。它包含一個可用服務的存儲庫，并允許感興趣的服務使用者查找服務提供者接口。
3 虛擬工廠云計算平臺架構模型
在化工過程虛擬工廠中，基于虛擬現實技術構建的三維云端為用戶提供了三維場景內的工廠漫游、自主瀏覽，并提供交互操作環境，使得用戶有身臨真實現場的感覺。其中的交互操作環境隨著操作對象和業務的不同，對數據的集成提出了復雜多變的要求，而云計算能夠提供極為靈活的資源，其獨特的技術設計擁有無限的可擴展性，正可以滿足虛擬工廠復雜的業務組合需求。云計算可以根據需要快速聚集資源，并通過向某項任務分派多個服務器而逐步壯大，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零星的、周期性或臨時性的工作，還可以通過服務組合實現彈性、自管理和高擴展性的應用系統集成。
面對化工過程虛擬工廠中數量巨大的軟硬件資源和復雜多變的業務擴展需求，云計算平臺需要一個不同于以往系統集成的架構。通常系統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化業務應用，但是此種方式會使得系統越來越復雜，難以擴展。為了讓虛擬工廠云計算平臺具有很強的可擴展性，將云計算平臺架構設計為扁平的3層結構，如圖2所示。
圖2 云計算平臺架構模
(1)元服務資源層
在元服務資源層，通過虛擬化和服務化，在從IaaS層到SaaS層將所有的硬件設備、網絡設備、存儲設備、操作系統、數據庫和應用軟件全部抽象轉變為服務資源，將原本類型眾多的復雜資源統一為一種資源類型，以此簡化了系統集成的對象，也降低了服務組合的復雜度。
(2)邏輯服務資源層
在邏輯服務資源層，針對化工過程行業的特點，將元服務資源層細顆粒度的原始服務資源組合為粗顆粒度的業務邏輯服務，使其具有一定的自管理、自修復、自部署能力，為應用服務層提供高效的可重用服務資源。
(3)應用服務層。
在應用服務層，根據具體的業務應用，利用SOA的服務組合策略，將邏輯服務資源層自治的、平臺獨立的、松散耦合且可重用的服務作為基本元素，快速、低成本地構建可互操作的、可進化的分布式軟件應用，使其能夠靈活快速地應對化工過程虛擬工廠業務的頻繁變化。
4 云計算平臺應用案例
在乙烯工業生產中，裂解爐是核心裝置之一，具有舉足輕重的地位嘲。在對乙烯設備進行仿真時，為了提高生產效率和裂解爐的設計與改進，需要利用流體力學計算軟件Fluent計算裂解爐內煙氣流速、溫度及組成等物理量的分布情況。在利用Fluent進行計算時，要進行反復迭代，一臺計算機往往無法在較短的時間內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，采用云計算技術構建一個可彈性擴展、收縮的Fluent并行環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的特點，使用了虛擬現實技術、云計算技術及WebService等技術，以綠色化、服務化和智能化為重要目標，實現建模、控制、優化方法與技術的一體化集成。虛擬工廠的整體架構如圖3所示。
圖3 化工過程虛擬工廠架構
分為2個部分：一個是以三維虛擬現實技術為基礎的三維云端，另一個是以云計算技術為基礎的化工云計算平臺。云計算平臺采用開源的云計算系統OpenStack，通過KVM虛擬機技術，構建了一個可動態擴展，將硬件和軟件虛擬化、服務化的云計算環境。
在云計算平臺中，以虛擬機的方式來實現乙二醇、乙烯、聚酯和FrA的動態模型載體，根據動態模型的規模，可以將動態模型分為多個子模型部署在多個虛擬機上，通過云平臺內的虛擬VLAN網絡實現相互間的通訊和數據交互。
當乙烯三維云端通過Web Service向云計算平臺發出裂解爐模擬和優化數據的業務請求后，由于云平臺中對應的應用業務服務由包含裂解爐流體力學Fluent計算服務的幾個服務組成，應用服務層將此任務分解為對應的幾個子任務，并提交給各自對應的子服務執行。裂解爐流體力學Fluent計算服務接收到計算服務請求后，在云計算平臺內通過KVM虛擬機技術虛擬出初始節點數為4的4個Fluent計算節點，并在此4個計算節點上開始進行計算。同時，云平臺性能負載監控服務對當前在4個計算節點上運行的任務進行負載監控和評估，當發現負載過重時，則向Fluent計算服務發出計算資源擴展請求，由Fluent計算服務根據計算集群的資源利用情況，虛擬出更多的Fluent計算節點，加入到當前的裂解爐流體力學計算中來，以此到達計算服務能力的彈性擴展。當計算任務完成后，計算結果在聚合處理后再通過WebService將數據提交給乙烯動態模型，在乙烯動態模型中驗證其有效性。通過三維云端與乙烯動態模型之間基于Web Service的數據通訊方式，可以在乙烯三維云端實時的查看優化后的結果。同時，將沒有計算任務安排的Fluent計算節點從云平臺中清除，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，體現了云計算平臺在化工過程虛擬工廠中的重要作用。
5 結論
云計算技術已經在很多領域得到了應用，基于云計算的服務在化工行業中也受到越來越多的關注。通過云計算平臺的構建，進一步完善和推進了化工過程虛擬工廠的建設，對化工生產過程的建模、控制和優化技術具有重要的現實意義，這項技術地不斷完善和應用不僅可以產生可觀的經濟效益，還可以形成具有自主知識產權的石油化工軟件產品。
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本文標題：化工過程虛擬工廠云計算平臺構建的技術研究
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