基于云计算的电磁问题并行计算方法

天津工业大学天津市电工电能新技术重点实验室的研究人员金亮、邱运涛、杨庆新、牛萍娟、祝丽花，在2016年第22期《电工技术学报》上撰文，针对电工装备性能分析与优化所需的易用高性能计算问题，使用云计算技术搭建了弹性集群，实现了典型电磁问题在弹性集群中的并行计算。

使用虚拟化技术将计算机资源整合为资源池，搭建并部署了可实现弹性计算的云平台及并行计算所需的弹性集群。计算节点通过千兆路由器相连，节点之间使用SSH通信协议。选取感应电机和变压器作为计算案例，使用Fortran编写静磁场计算程序。对云计算的并行架构OpenMpi与MapReduce进行了分析研究，使用OpenMpi并行化方法实现了数百万计算节点的并行计算。并通过与商业软件计算结果的对比验证了计算的正确性。

研究结果表明，可在云计算的弹性集群上使用OpenMpi实现大规模并行计算。相比超级计算机提供的并行计算方案，本文使用云计算建立的弹性机群具有便捷、按需、可配置的优点，这为高性能计算提供了一种更易获取、易用的解决方法，为开展复杂真实机构的集成计算提供了高性能计算的理论和实践依据。

《国家自然科学基金“十二五”发展规划纲要》明确提出重视新技术与新工艺、新器件与新结构等应用方面的前沿研究，开展复杂真实机构的集成计算理论与方法研究。

《中国制造2025》对新型高性能电工材料的发展与电工装备的研发制造提出新的要求，需要考虑其磁性材料的磁特性和磁致伸缩特性[1,2]及装备的制造工艺与性能优化，因而具有计算规模大、计算复杂程度高的特点。因此电工材料发展与电工装备研发制造所需的数值计算方法、大规模科学计算和智能设计方法，成为国内外的研究热点。

传统的电工装备设计与性能分析常采用的电磁场解析法、场路结合法的计算精度无法满足设计要求，可实现高精度计算的电磁场有限元分析法存在所需计算资源多的现实需求[3,4]。针对有限元分析法的大规模计算，不少国内外学者进行了相关的探索研究，主要采取的方法有并行计算和分布式计算[5]。

2006年管建和等对有限元电磁法勘探研究使用分布式并行计算（DistributedParallel Computing, DPC），利用局域网上闲置CPU资源协同实现高性能计算[6]。2009年叶茂等提出基于Beowulf集群模型，利用普通物理PC和以太网，通过Linux系统搭建基于MPICH2的并行计算集群[7]。2010年王海涛等综合分析了基于Linux集群的并行计算方法，并对其进行了性能测试[8]。传统超级计算机并行计算和分布式计算仍存在难扩展、不易移植、信息集成和共享困难、成本高和计算资源不易获得等问题。

为了应对复杂电磁数值模拟带来的诸多挑战，高速公有云和万兆私有云的弹性计算成为一种可行的解决方案。2010年G. Mateescu等提出了面向高性能计算的混合云计算体系

[9]。2012年I. Ari

等设计并实现了云计算平台下针对有限元分析的计算服务体系，重点关注了在多核和多节点计算资源上的线性、非线性结构分析计算负载下的性能特点[10]。

华中科技大学建立了稀疏矩阵向量乘法、共轭梯度法等数值计算的MapReduce编程模型并实现了相关的验证计算[11]。2015年中科院陈国良院士团队提出的高性能云计算新思想[12]，是解决大规模科学计算问题的新方法。

基于云计算的并行计算或高性能计算研究方兴未艾[13]，在电磁计算领域中并行计算环境的效能分析、并行设计方法的研究尚不多见，如何应用电工装备的电磁数值模拟成为急需解决和研究的问题。

本文使用云计算的虚拟化技术将工作站资源整合为虚拟资源池形成小型私有云[14]。将虚拟资源池划分为两部分，两台Win7操作系统；9台Linux系统，搭建并行计算集群[15]。经测试表明在云计算的虚拟资源环境中，可同时正常运行Windows、Linux操作系统，并获得隔离的计算环境。

对比分析并行编程模型OpenMpi与MapReduce的并行实现原理，经过研究发现MapReduce适于编写大规模数据集型应用程序[16]，而OpenMpi更适合编写大规模计算集型应用程序[17]。选取感应电机、变压器等作为对比的典型计算案例，采用OpenMpi并行模式编写了并行程序，并在并行计算集群中实现对两者的电磁场计算。

通过两个案例不同计算规模的电磁场计算，验证了云计算平台可实现典型电工装备的数百万级计算节点的并行计算。

图

1 云计算的有限元并行计算原理

结论

本文在云计算的弹性集群中，实现了一种OpenMpi编程框架的电磁场并行计算方法。使用云计算方法解决实际工程中电机、变压器等典型的电工装备性能优化设计所面临的大规模计算问题，基于OpenMpi实现了千万单元级的计算速率，满足科学计算的计算资源需求。

云计算和OpenMpi开源特性使其内核和实现方法易于修改和重复调用，这为电工装备性能分析和优化所需的大规模计算提供了一种自主、可控、高效能的解决方案，为大型电工装备真实模型的计算仿真分析奠定了理论和实践基础。