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电工装备性能分析的云计算关键问题研究

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摘要

第一章 绪论

1.1 课题背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 高性能电磁材料研究现状

1.2.2 科学计算领域中计算方式研究现状

1.2.3 云计算在工程领域应用的发展现状

1.3 本文结构

第二章 典型云计算平台部署

2.1 云计算平台

2.1.1 云计算架构

2.1.2 云计算特征及服务形式

2.1.3 云计算与传统高性能计算对比

2.1.4 云计算虚拟化技术

2.2 典型云计算平台VMware部署

2.2.1 VMware vSphere虚拟化平台

2.2.2 云计算虚拟化ESXi 6.0环境部署

2.2.3 云计算环境中部署操作系统

2.2.4 云计算虚拟集群搭建

2.3 本章小结

第三章 云计算资源性能测试与管理

3.1 虚拟化资源与物理资源性能测试对比研究

3.1.1 测试环境介绍

3.1.2 测试资源申请与测试工具

3.1.3 CPU处理器性能测试

3.1.4 内存性能测试

3.1.5 网络性能测试

3.1.6 磁盘性能测试

3.2 虚拟机集群计算性能测试

3.3 云平台资源管理机制

3.3.1 虚拟资源的创建

3.3.2 虚拟机迁移与备份

3.4 本章小结

第四章 典型电磁问题的云计算实现

4.1 有限元云计算仿真系统设计

4.1.1 有限元仿真计算系统

4.1.2 有限元云计算仿真计算系统与并行计算

4.2 云计算集群并行模型对比

4.3 基于云计算的OpenMpi并行算法

4.3.1 并行计算架构

4.3.2 OpenMpi算法原理及容错机制

4.4 典型电磁案例的云计算实现

4.4.1 感应电机计算案例描述

4.4.2 变压器计算案例描述

4.4.3 涡流电场计算案例描述

4.4.4 案例并行程序编写

4.4.5 典型计算案例的计算结果对比分析

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 本论文研究总结

5.2 前景展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果发表的学术论文

附录

致谢

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摘要

电工装备制造业乃至传统装备制造业大都是依赖于“经验制造”,因此产品设计成品率低,资源浪费严重,设计周期较长成为制造业的常见问题。《中国制造2025》是互联网时代下对中国传统制造业进行改革升级的重要指导方向,是融合互联网、大数据、云计算等高新技术为一体的智能制造设计标准。
  针对电工装备智能制造的实现是以高性能计算作为基础并将面临大规模计算的问题,分析了传统高性能计算在普适计算方面具有成本昂贵、维护难度高、作业排队等待时间长的问题,引入了动态可扩展、灵活易取、即付即用的云计算技术,提出了电磁场有限元仿真与云计算技术相结合的设计思想,搭建了有限元云计算仿真系统。
  首先采用VMware vSphere虚拟化技术,整合5台服务器资源形成虚拟资源池。使用linux系统redhat6.0搭建了9节点的弹性计算集群。对云计算平台的特点进行了深入分析,给出一套行之有效的云计算性能测试方案,并对相同资源配置的虚拟机与物理实体机,从CPU、内存、网络、磁盘、集群计算能力、整体测评等几个方面进行对比测试,测试结果表明云计算虚拟资源在性能方面存在一定的损失。研究分析了云计算资源的管理机制,包括虚拟资源申请创建流程、虚拟资源的迁移、备份方法,实现了并行计算集群从实验室工作站到服务器的成功迁移,证明虚拟资源迁移、备份的灵活性高于传统的高性能计算(HPC)。
  其次对比分析了MapReduce、MPI、OpenMpi不同云计算技术的并行计算架构,选取适合大规模计算密集型的OpenMpi并行编程模型,研究了OpenMpi的消息传递机制。编写了基于Fortran的典型电磁计算案例-感应电机、变压器、国际电磁问题Team7并行计算程序,对比分析了电工装备电磁计算问题在云计算环境中不同计算节点下不同计算规模的计算时间与计算效率分布图。针对大规模计算多计算节点的任务不均衡问题,给出了计算任务调度、计算容错机制的解决方案。
  研究结果表明,典型电工装备的大规模有限元仿真计算可在云计算平台部署的弹性计算集群中实现并行化。相比传统高性能计算的并行计算方法,本文的云计算弹性计算集群具有投入成本低、动态可分配、按需索取的优点,为传统纯粹制造业转型升级智能制造产业发展提供了一种灵活、便捷的新型高性能计算方案。

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