仿真和流程管理模式的研究及实践

本文基于机械仿真领域的实际业务流程和企业要求。针对传统仿真数据与流程管理的不便，提出了构建仿真数据与流程管理系统的解决方案。通过对 HTML5 开发、APDL 批处理模式以及流程管理机制等核心技术的研究，实现了基于 B/S 架构的仿真数据与流程管理系统。本文的主要工作总结如下：（1）深入研究分析了当前机械领域仿真数据和流程管理系统的研究现状，并根据委托企业的要求进行了多角度的需求分析。基于需求对系统进行了总体设计和详细设计，并通过编写代码实现了各模块功能。最后，对系统进行了针对测试用例的功能测试，并利用自动化测试工具 Apache Benchmark 进行了压力测试。（2）研究了仿真工程的建模方式，并对整个执行过程施行了有效控制。其中，本文以 ANSYS 仿真软件为例，通过构建接口将 APDL 代码导入软件，并实现其批处理模式求解计算。

第一章 绪论

为了解决上述问题，有效地积累仿真经验，提高企业仿真水平，本文提出建立仿真数据与流程管理系统，通过该系统确保对所有仿真相关数据实现有效管理。此外，管理员在仿真活动开始之前预先设计仿真流程模板，并通过有效的方法执行。然后，将特定问题的仿真过程形成知识并积累起来，并应用于新的仿真工程，从而大大避免了出现过去错误的几率。如图 1.1 所示，是在机械领域实际生产中一种常见的基于仿真的设计的流程框架结构。初，经过 CAD 设计生成产品 CAD 设计的模型，接着继续分析该 CAD 产品模型，并生成相关的 CAE 分析性能结果文件与数据。依据分析结果，专家来评断整个产品设计是否符合性能标准等要求。若性能标准能符合所有要求，则完成了 CAE分析的阶段。若无法满足要求，就需修改 CAD 模型并重复整个过程，直到满足所有性能指标。针对上述整个过程的仿真数据和仿真流程。近年来，国内外许多高校和商业企业对仿真管理平台进行了一些研究[6]。西北工业大学贺朝霞为复杂的机械产品协同仿真环境设计了数据管理系统，并建立技术框架来对仿真过程进行建模和对仿真分析过程中生成的各种数据文档进行分析和分类[7]。清华大学岳英超对高速动车组的协同仿真平台进行了研究，提出了协同的仿真平台体系结构，并详细阐述了平台的关键技术[8]。清华大学王克明研究了复杂产品的协同设计和仿真技术，侧重于产品的设计需求，深入阐述了以 HLA 为规范的协同仿真模式[9]

第二章 系统需求分析和总体框架设计

2.1 系统业务描述

本文以某企业项目需求为基础，需要对企业目前所进行的常见机械产品仿真工程进行建模，并依据部门、个人权限对企业内大量多种类型的仿真数据进行组织管理，并要求最终实现企业内仿真知识积累和重用。仿真工程管理模块功能是整个系统的核心功能，该系统最基础的目标就是实现多流程仿真任务的自动提交、调用高性能的计算资源、对仿真结果实现可视化管理等操作。仿真操作人员可以根据需要创建新的仿真工程，新建结束后生成相应工程的 BOM树，为每个节点分配负责人并添加仿真所需的必要条件后，提交至服务器端，当服务器端检测到有新的仿真任务且判断所需仿真条件充足后，调用对应的仿真软件进行相应仿真，仿真结束后对结果数据文件实现分类存储和可视化显示。用例如下图 2.2 所示：在机械产品设计和开发的仿真期间将产生大量的各种类型仿真数据[17]。因此要求系统具有仿真数据管理功能，确保仿真数据能够进行集中处理，缩短查找大量仿真数据的时间，实现数据的快速采集、积累和重用仿真历史数据。

2.2 系统需求分析

本系统提供数据管理功能。仿真结果文件的集中存储和管理是通过统一的网络数据库和文件服务器实现的，每个仿真文件依照仿真对象树保存，并且为其提供基本的数据管理操作，例如创建、更新、查询、移动、复制、移除、批量下载等。该系统还提供了丰富的数据检索方法，以确保可以有效地利用这些仿真结果文件；提供了权限控制功能，以确保这些仿真数据的稳定性和安全性；此外，提供了数据版本控制功能，以确保数据的可追溯性。用例如下图 2.3 所示：

第三章 系统详细设计与实现......................................23

3.1 仿真工程管理模块.......................................... 23

3.2仿真数据管理模块.......................................... 27

3.3第四章 系统关键技术与难点 ..................................... 53

4.1 仿真流程相似性判定算法 ............................. 53

4.2仿真数据安全管理技术 ................................. 66

第五章 系统运行与测试 ............................................. 69

5.1 测试环境 ....... 69

5.2 功能测试 ....... 69

第五章 系统运行与测试

5.1 测试环境

仿真流程管理测试部分主要可以分为以下两个内容：其一是操作人员根据仿真作业规划和仿真计算资源情况，进行仿真作业的队列管理，并允许管理者进行作业优先级的控制；其二是操作人员根据仿真作业进行统计汇总，通过点击不同的查询功能并输入不同的查询条件测试能否生成相应的图表，主要包括按照人员工作量统计查询测试、按照小组工作量统计查询测试和按照仿真类型统计查询测试等。如表 5.4 所示为仿流程管理的测试用例表：仿真资源库的测试包括仿真流程模板库、仿真报告模板库、仿真参数库、模型库、规范库和知识库的测试。由于除流程模板库外，其他几种类似，所以这里只对流程模板库和模型库管理设计测试用例。性能测试指的是通过模拟系统实际的被访问环境[52]，对系统的入口点进行压力测试[53]。通过模拟任意数目的请求来访问服务器端的某项资源，并实时将服务器端对于各个请求的平均响应时长和每秒钟响应的个数记录下来，是分析服务器端能承受多大负载性能的重要决定因素。

5.2 功能测试 

在本文中，使用 Apache Benchmark 对系统的入口点进行测试。这里，系统按照1000 个请求进行测试，通过不同的并发用户数来对系统的每秒处理请求个数和平均等待时间进行详细记录，并将其通过折线图直观变现出来，如下图 5.20 所示：通过以上性能测试结果图可以看出当请求数量为 1000，并发用户数大于 450后，系统性能才会明显降低，依据企业要求和实际情况已完全满足用户需求。本章首先介绍了整个系统的测试环境，并在此基础上设计了具体的测试用例，对系统具有的仿真工程管理模块、仿真数据管理模块、仿真流程管理模块、系统配置和仿真门户管理模块以及仿真资源库管理模块进行了功能测试。经过测试，系统运行良好，测试的最终结果满足系统设计研发时的需求。

参考文献