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第11届CIRP工业产品服务体系会议：超级计算驱动的先进制造业创新
摘要：为支持中国建设“制造强国”、打造“先进制造研发基地”的重大需求，天河工业云平台全面突破了信息平台的高性能、高集成度、高可用性等技术难题。TICP是云平台与高性能计算（high-performance computing，HPC）融合发展起来的一个功能强大的基因云平台，具有云计算和超级计算的优势。TICP以天河1A为基础，突破了超级计算在先进制造业中应用的困难，天河1A是2010年10月至2011年6月世界上速度最快的计算机，是世界上为数不多的Peta级超级计算机之一。通过使用天河1A，TICP是通用的，因为它能支持广泛的应用，同时保持着高水平的效率性、稳定性、安全性和良好的用户体验。TICP是由超级计算驱动的协同云平台，被批准为中国首批“工业云”之一，成为国家级“面向服务的制造业示范平台”。科技合作计划的主要目标是：（1）提高中小企业的研发效率；（2）培育新的经济增长点；（3）集聚国际技术团队。TICP是最热门的工业应用案例之一，培育了新的业务形式，为工业互联网平台的建设奠定了坚实的基础。
1简介
工业互联网是工业系统的集成，借助于大数据算法、超级计算、物联网，云平台、人工智能和网络。它是一个传统产业技术与新技术的深度融合，也是信息技术的产生[1-4]。同时，工业互联网也是工业信息化的制高点，新一轮产业竞争和制造业的重要载体[5，6]。德国将“高科技战略2020”列为未来十大工程之一，旨在引领工业领域新一代革命，开创柔性与个性化相结合的新时代工业4.0[7]，中国制造业正处于从信息化向信息化转型的关键时期制造业向智能制造转变[8]，我国先进制造业特别是中小企业存在以下问题和需求。
1.1信息化投资的成本太高。
信息化是提高企业核心竞争力的重要手段之一。然而，专业的设计师、昂贵的硬件和软件以及高性能的服务往往意味着数百万的采购费用[9]，这对大多数企业来说是一笔过高的支出，尤其是对于中小型企业而言。于是乎，高投入严重制约了先进制造业的发展进程。
1.2对信息共享平台的要求。
随着工业系统从物理空间向信息空间的不断扩展，工业数据采集的范围也在不断扩大。数据的种类和规模都在增加指数级。由于信息系统之间缺乏统一的标准，“信息孤岛”现象相当严重[10]，企业对高度集成的信息平台有着强烈的需求，以实现低成本、高可靠的存储和海量数据的共享。
1.3对协同制造的需求。
我国大多数企业都缺乏有效的联盟与协作，无法接近最大产能，因此企业在交货期、生产成本、质量控制等方面存在诸多问题[11,12]，企业需要一个中间服务平台来优化资源布局，实现产业链乃至产业网络中的业务协同。
1.4对标准零件库和技术团队的要求。
产品制造离不开行业标准和规范规格。通过利用标准的三维模型，用户可以大大减少费用和时间，同时降低误差水平[13]。此外，当用户在产品设计过程中遇到问题时，也需要专业的专家团队提供技术支持。
2天河产业云平台建设
TICP，基于天河1A超级计算机和天河酷睿计算平台，可提供高性能计算、云计算、大数据服务，等高端技术服务[14]，TICP的主要目标是构建面向行业的协同云服务月台。月台TICP主要为用户提供基础设施服务、供需对接、定制应用场景、标准件等图书馆。其主要结构内容如下所述。
2.1用户注册和登录
本模块为用户提供注册、用户登录、密码恢复等基本功能。
2.2会员中心
用户可以对自己的个人信息进行管理和修改，查看自己购买的子平台信息。
2.3稳定可靠的基础设施
TICP依托天河1A超级计算机、分布式存储集群、天河数据库集群、可视化资源池等基础设施，构建了稳定可靠的云主机、云硬盘、服务器、防火墙、网络、负载均衡等基础设施环境，如图1所示。采用虚拟机隔离、虚拟防火墙等措施，保证不同业务系统之间的隔离。同时，采用账户密码、数字证书和短信服务（SMS）认证等身份认证方式，有效增强了登录效果安全。安全中间层由Rest框架、web服务、网络存储服务、计算服务、存储服务，可视化服务和管理服务，通过异步请求将云服务与资源分离，以显著地减少花费的时间。
2.4 定制的应用场景
TICP提供各种定制平台，包括模拟云、渲染云、焊接云、采矿云、建筑云、工业大数据平台和企业信息化评估平台，如图3所示。TICP主要致力于构建汽车制造与装备制造的行业应用平台，旨在开发产品研发设计、制造流程优化、制造运营管理、维修管理等不同领域的行业应用。
2.5 标准工业图书馆
该模块包括行业标准件模型库、行业标准规范库、专利库和文档库。
2.6 Web应用安全防护系统
安全防护系统是整个系统的重要组成部分TICP之一，如图2所示，TICP的安全体系主要包括网络安全、数据安全、应用安全、控制安全和设备安全防护技术，用于应用程序的开发、部署、测试和运行过程。
2.7 RESTful应用程序接口
这种用户界面具有用户透明、权限独立、管理统一、访问简单、松散耦合的特点，为简单访问和松散耦合提供敏捷服务，为TICP的用户提供敏捷服务，这使得用户在不同平台之间的切换非常方便。
3 天河工业云平台架构及建设方案
3.1 TICP体系结构
云平台有一个几乎无穷无尽的资源池，客户可以动态地增加或减少资源的数量，以建立他们的工业解决方案。这样就可以在高峰营业时间进行实时响应，解决了硬件闲置时的软硬件性能瓶颈和设备老化问题。客户只需支付所消耗的资源，并在需要扩展或减少业务时启用或关闭云服务。他们不需要再购买物理硬件，这样可以节省大量的时间和高昂的费用。
TICP的通用分层体系结构如图3所示。TICP由六层组成：
（1）业应用层，为终端用户提供设备制造、石油勘探、航空航天、新能源、汽车制造等多种应用。
（2）软件即服务（SaaS）层，为用户提供各种定制场景。用户可以通过该层直接访问TICP的不同SaaS云服务。
（3）平台即服务（Platform-as-a-Service，PaaS）层，提供支持SaaS层的特殊接口。该层通过将特定技术和web逻辑封装到相关容器中，构建同步、认证、用户管理等云服务。
（4）基础设施即服务（LaaS）层，表示连接到天河基础设施环境的底层计算资源、分布式存储和可视化资源。
（5）天河基础设施层，即高性能计算、云计算、大数据平台和海量存储的集成。
（6） 数据采集层，为用户提供数据采集和边缘计算服务。
IaaS层可以提供大数据基础设施服务，包括数据预处理、数据存储、数据建模、数据分析和数据分析可视化。
PaaS层可以为用户提供平台级服务，如用户同步、统一认证、通信接口、可视化应用等，文件存储接口和计算任务接口。
SaaS层完成了供需对接、企业展示、标准产业库等基础服务，定制应用场景，以及产品研发、供应链、市场、战略等全生命周期的产品信息管理规划等过程，推动工业应用领域由单一设备，单一企业向全要素、全产业链先进制造领域拓展。
3.2 TICP 实施计划方案
（1）构建融合超级计算、云计算、大数据平台的基础设施环境。
天河1A超级计算机规模庞大，峰值性能超过每秒1万亿次。整个系统具有高度自治、高性能、高效率、高安全性和高可用性的显著特点。其综合技术已进入世界领先水平。天河云平台基于自主建设的开源项目，可以为工业云平台用户提供灵活的计算、存储、网络、桌面、安全、监控、负载均衡服务等资源，具有灵活性、安全性、高可靠性和高性能的特点。天河大数据平台基于Hadoop和Spark的分布式计算框架。
（2）构建先进制造研发信息集成平台。
基于超级计算、天河云平台和天河大数据平台的集成，开发了跨域计算和数据高效存取存储技术体系，解决了数据规模大、数据共享难、安全管理难的问题。TICP实现了对敏捷研发的多种信息化需求的基本支持。通过构建高弹性、高可用性的PaaS云平台的统一视图，可以实现先进制造多领域、多场景的协同设计与开发。
通过先进制造研发的信息化集成平台，构建了先进制造敏捷应用场景的协同环境，降低了超级计算机在制造中的使用门槛，大大提高了研发效率，开创了超级计算在工业领域应用的新阶段。
（3）开发定制的行业云平台。
在TICP的支持下，随着个性化工作体验和适应性功能迭代的叠加，针对特定应用场景开发的私有功能模板逐步完善，发展成为通用功能模板。
TICP还为先进制造、石油勘探、资产管理、新能源、航空航天、气动仿真、卡通渲染等领域开发了仿真云、渲染云、焊接云、采矿云和工业大数据分析平台，以及其他定制的应用场景，实现各种专业和知识的共享。
4.项目成果及应用案例
它有效地帮助先进制造企业特别是中小企业节约了设计研发费用，其直接经济效益超过1000万元，间接经济效益超过3000万元。此外，TICP还显著提高了各类服务的质量，促进了工业企业的升级和发展。
如图4所示，天河工业云平台为天合模具、TFTM、中船重工、长城汽车、中海福陆等企业提供产品协同设计开发服务，提升企业核心竞争力。
在TICP的帮助下，TFTM的整车空气动力学研发周期迅速缩短至原来的1/8，加速了国内城市SUV骏派D60向市场的推进，如表1所示，而锡模公司的生产速度则是原来的30倍。其他企业利用TICP每年将项目总成本降低1/10-1/5。
在TICP的帮助下，TFTM的整车空气动力学研发周期迅速缩短至原来的1/8，加速了国内城市SUV骏派D60向市场的推进，如表1所示，而锡模公司的生产速度则是原来的30倍。其他企业利用TICP每年将项目总成本降低1/10-1/5。
5.结论和今后的工作
TICP立足于响应国家“互联网 先进制造”的需求，解决中小企业存在的实际问题。TICP凭借可量化的按需自助和快速弹性的云服务模式，形成了一种多业务协同服务的模式。该平台能够有效聚集社会资源，为用户提供高性能、个性化的应用场景，为企业开放各类信息系统，实现数据共享，为用户提供实时行业大数据在线查询、比对等交易服务。TICP利用超级计算、云计算和大数据平台等基础设施，支持各种交叉行业应用的研发、部署、测试和运营，完成不同企业间的协同制造目标。通过建设行业标准件库、行业标准规范库等知识库服务，建立多学科团队，推动先进制造企业转型发展。TICP的研发提高了产品全生命周期的效率。
本研究报告了一个以云计算和超级计算为驱动力的先进制造业创新的产业应用案例，给出了天河工业云的体系结构和建设方案平台。因此，今后将调查以下问题：
（1） 升级天河工业云平台架构，向工业互联网平台转型。
（2） 在保证数据安全的前提下，实现不同云平台的数据共享，为不同类型的用户提供安全可靠的云服务。
（3） 进一步整合实体制造和网络，开发边缘计算平台，建立基于云平台的制造生态环境。
11th CIRP Conference on Industrial Product-Service Systems：
Innovation in Advanced Manufacturing Driven by Supercomputing
Abstract：
In order to support Chinarsquo;s major demand of constructing lsquo;Manufacturing Powerrsquo; and creating lsquo;Advanced Manufacturing Research and Development Basersquo;, Tianhe Industrial Cloud Platform (TICP) has comprehensively broken through the technical challenges such as high performance, high integration and high availability of information platform. TICP is a powerful genetic cloud-based platform as it is developed via the integration of cloud platform and high-performance computing (HPC), which means that TICP have the advantages of cloud computing and supercomputing. TI
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