1 引言
化工过程虚拟工厂(Virtual Plant，VP)是一种面向石油化工集成化的实时动态仿真环境，具有硬件在回路仿真系统的技术特征，它涉及流程级稳态与动态模拟、软件与硬件实时接口技术、自动控制技术、人工智能技术和工程安全技术，根据物料平衡、能量平衡原则，模拟工业现场。借助建模与仿真技术，能够及时并行地模拟出设备生产过程乃至整个流程的各种条件下可能出现的各种情况，预测、检测、评价工艺方案的优劣，并提出优化方案，从而更加有效、经济、柔性地组织生产，增强决策与控制水平，达到生产质量的最优化、生产效率的最大化。
在虚拟工厂的构建中需要集成各种数据，包括现场采集的实时数据、仿真模型的数据、实时数据库的信息，以及CRM等管理数据。以前对这些数据集成的方式主要分为孤立的数据组织方式和自然演化的数据组织方式，这些数据组织方式都是针对具体的应用而建立的，缺乏全局性和扩展性。这极大的限制了资源利用的有效性、灵活性和廉价性。因此，本文作者针对化工过程虚拟工厂的建设，提出了具有自组织、自配置的数据集成云计算平台，为虚拟工厂三维云端的数据展示和操控，提供了一个强兼容性、高可扩展性和经济的数据集成平台。
2 相关工作
2．1云计算技术
根据美国国家标准与技术研究院(mst)的定义，云计算是一种利用互联网实现随时随地、按需、便捷地访问共享资源池(如计算设施、存储设备、应用程序等)的计算模式。计算机资源服务化是云计算重要的表现形式，它为用户屏蔽了数据中心管理、大规模数据处理、应用程序部署等问题。通过云计算，用户可以根据其业务负载快速申请或释放资源，并以按需支付的方式对所使用的资源付费，在提高服务质量的同时降低运维成本。云计算通过将所有资源虚拟化、服务化，将这些虚拟资源聚集在一个虚拟资源池中，再根据业务应用的需求进行资源分配、和组合，以实现资源的扁平化管理和组合。云计算的特征主要表现为以下3点。
(1)弹性伸缩
云计算可以根据访问用户的多少，增减相应的IT资源，使得IT资源的规模可以动态伸缩，满足应用和用户规模变化的需要。
(2)快速部署
云计算模式具有极大的灵活性，足以适应各个开发和部署阶段的各种类型和规模的应用程序。提供者可以根据用户的需要及时部署资源，最终用户也可以按需选择。
(3)资源抽象
最终用户不必知道云上应用的具体物理资源位置，同时云计算支持用户在任意位置使用各种终端获取应用服务。所请求的资源来自“云”，而不是固定的有形实体。应用在“云”中某处运行，但实际上用户无须了解，也不必考虑应用运行的具体位置。
根据云计算的定义，可分为3种类型，如图1所示。
(1)云软件，也称为软件即服务(Software as aService，SaaS)，它主要提供服务化的应用软件，如CRM、ERP、字处理等应用软件。
(2)云平台，也称为平台即服务(Plateform aS aService，PaaS)，它主要提供服务开发工具和基础软件，如数据库、分布式操作系统等。
(3)云设备，也称为基础设施即服务(Infrastructure as a Service．IaaS)，它主要提供虚拟化和服务化的计算机资源，包括服务器、网络设备、存储设备等硬件设施，它是云计算的数据中心。在IaaS层，虚拟技术是最为关键的技术，常用的开源虚拟技术有KVM和Xen等。
图1 云计算类型
2．2面向服务的架构
云计算提供了一个通用平台用以集成和调整不同业务的流程与系统，快速、灵活地交付新的系统。云计算本身就是一个大的系统集成环境，一个融合了底层IaaS中间层PaaS到上层SaaS的一整套服务集，能为企业提供从底层基础设施的集成到中间层应用平台的集成再到应用层的应用集成全套的集成服务，但前提是这个集成需要在企业拥有清晰完善的基于服务架构的rr框架的背景下才能最高效的发挥作用。
面向服务的架构(Service-Oriented Architecture，SOA)是一种由彼此之间可通信的具有特定功能的服务构成的灵活抽象的分布式IT架构模式，允许软件以服务的方式提供给合适的安全授权用户使用。数据和功能以可重用的并且使用标准格式描述的、抽象的服务形式提供，底层实现的具体细节被屏蔽。服务之间以松耦合的形式互联和互操作，从而完成特定的业务需求。相互通信的服务之间具有灵活的松散耦合关系，资源具有较高的可重用性、开放性和互操作性。因此SOA使得企业能够迅速地应对业务变化。
面向服务的体系结构中的角色包括：服务使用者、服务提供者和服务注册中心。
(1)服务使用者：服务使用者可以是一个应用程序，也可以是需要一个服务的另一个服务。它根据需求向服务注册中心进行服务的查询，通过传输绑定服务，并且执行服务功能。服务使用者根据接口契约来执行服务。
(2)服务提供者：服务提供者是一个可通过网络寻址的实体，它接受和执行来自使用者的请求。它将自己的服务和接口契约发布到服务注册中心，以便服务使用者可以发现和访问该服务。
(3)服务注册中心：服务注册中心是服务发现的支持者。它包含一个可用服务的存储库，并允许感兴趣的服务使用者查找服务提供者接口。
3 虚拟工厂云计算平台架构模型
在化工过程虚拟工厂中，基于虚拟现实技术构建的三维云端为用户提供了三维场景内的工厂漫游、自主浏览，并提供交互操作环境，使得用户有身临真实现场的感觉。其中的交互操作环境随着操作对象和业务的不同，对数据的集成提出了复杂多变的要求，而云计算能够提供极为灵活的资源，其独特的技术设计拥有无限的可扩展性，正可以满足虚拟工厂复杂的业务组合需求。云计算可以根据需要快速聚集资源，并通过向某项任务分派多个服务器而逐步壮大，并且可以在不需要时收缩、休眠或消失。因此，云计算不仅可以适应零星的、周期性或临时性的工作，还可以通过服务组合实现弹性、自管理和高扩展性的应用系统集成。
面对化工过程虚拟工厂中数量巨大的软硬件资源和复杂多变的业务扩展需求，云计算平台需要一个不同于以往系统集成的架构。通常系统集成采用的方式是分层管理，依赖不断增加的层级来逐步细化业务应用，但是此种方式会使得系统越来越复杂，难以扩展。为了让虚拟工厂云计算平台具有很强的可扩展性，将云计算平台架构设计为扁平的3层结构，如图2所示。
图2 云计算平台架构模
(1)元服务资源层
在元服务资源层，通过虚拟化和服务化，在从IaaS层到SaaS层将所有的硬件设备、网络设备、存储设备、操作系统、数据库和应用软件全部抽象转变为服务资源，将原本类型众多的复杂资源统一为一种资源类型，以此简化了系统集成的对象，也降低了服务组合的复杂度。
(2)逻辑服务资源层
在逻辑服务资源层，针对化工过程行业的特点，将元服务资源层细颗粒度的原始服务资源组合为粗颗粒度的业务逻辑服务，使其具有一定的自管理、自修复、自部署能力，为应用服务层提供高效的可重用服务资源。
(3)应用服务层。
在应用服务层，根据具体的业务应用，利用SOA的服务组合策略，将逻辑服务资源层自治的、平台独立的、松散耦合且可重用的服务作为基本元素，快速、低成本地构建可互操作的、可进化的分布式软件应用，使其能够灵活快速地应对化工过程虚拟工厂业务的频繁变化。
4 云计算平台应用案例
在乙烯工业生产中，裂解炉是核心装置之一，具有举足轻重的地位嘲。在对乙烯设备进行仿真时，为了提高生产效率和裂解炉的设计与改进，需要利用流体力学计算软件Fluent计算裂解炉内烟气流速、温度及组成等物理量的分布情况。在利用Fluent进行计算时，要进行反复迭代，一台计算机往往无法在较短的时间内完成此种类型的计算。为了尽可能地提高计算的效率，通常采用并行计算的方法。由于计算资源不是无限的，要既缩短并行计算的时间又提高计算资源的利用率，采用云计算技术构建一个可弹性扩展、收缩的Fluent并行环境是一个可行的方法。
基于云计算的虚拟工厂针对化工流程工业的特点，使用了虚拟现实技术、云计算技术及WebService等技术，以绿色化、服务化和智能化为重要目标，实现建模、控制、优化方法与技术的一体化集成。虚拟工厂的整体架构如图3所示。
图3 化工过程虚拟工厂架构
分为2个部分：一个是以三维虚拟现实技术为基础的三维云端，另一个是以云计算技术为基础的化工云计算平台。云计算平台采用开源的云计算系统OpenStack，通过KVM虚拟机技术，构建了一个可动态扩展，将硬件和软件虚拟化、服务化的云计算环境。
在云计算平台中，以虚拟机的方式来实现乙二醇、乙烯、聚酯和FrA的动态模型载体，根据动态模型的规模，可以将动态模型分为多个子模型部署在多个虚拟机上，通过云平台内的虚拟VLAN网络实现相互间的通讯和数据交互。
当乙烯三维云端通过Web Service向云计算平台发出裂解炉模拟和优化数据的业务请求后，由于云平台中对应的应用业务服务由包含裂解炉流体力学Fluent计算服务的几个服务组成，应用服务层将此任务分解为对应的几个子任务，并提交给各自对应的子服务执行。裂解炉流体力学Fluent计算服务接收到计算服务请求后，在云计算平台内通过KVM虚拟机技术虚拟出初始节点数为4的4个Fluent计算节点，并在此4个计算节点上开始进行计算。同时，云平台性能负载监控服务对当前在4个计算节点上运行的任务进行负载监控和评估，当发现负载过重时，则向Fluent计算服务发出计算资源扩展请求，由Fluent计算服务根据计算集群的资源利用情况，虚拟出更多的Fluent计算节点，加入到当前的裂解炉流体力学计算中来，以此到达计算服务能力的弹性扩展。当计算任务完成后，计算结果在聚合处理后再通过WebService将数据提交给乙烯动态模型，在乙烯动态模型中验证其有效性。通过三维云端与乙烯动态模型之间基于Web Service的数据通讯方式，可以在乙烯三维云端实时的查看优化后的结果。同时，将没有计算任务安排的Fluent计算节点从云平台中清除，以释放资源。
通过上面针对乙烯三维云端应用的案例，充分展示了云计算平台的弹性伸缩和快速部署能力，体现了云计算平台在化工过程虚拟工厂中的重要作用。
5 结论
云计算技术已经在很多领域得到了应用，基于云计算的服务在化工行业中也受到越来越多的关注。通过云计算平台的构建，进一步完善和推进了化工过程虚拟工厂的建设，对化工生产过程的建模、控制和优化技术具有重要的现实意义，这项技术地不断完善和应用不仅可以产生可观的经济效益，还可以形成具有自主知识产权的石油化工软件产品。
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本文标题：化工过程虚拟工厂云计算平台构建的技术研究
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