Tout bénéfice! Marier CAO et Intranet pour le meilleur de la performance à moindre coût. Andreas Blaszczyk, Harsh Karandikar, Giovanni Palli

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1 Tout bénéfice! Marier CAO et Intranet pour le meilleur de la performance à moindre coût Andreas Blaszczyk, Harsh Karandikar, Giovanni Palli Capables de construire en un temps record des prototypes virtuels, les systèmes de Conception Assistée par Ordinateur (CAO) 3D sont aujourd hui plébiscités par les professionnels du développement produit. Toutefois, les outils de modélisation et de simulation plus complexes, notamment ceux portant sur la thermomécanique et l électromagnétisme, exigent une infrastructure, un matériel et un savoir-faire qui font défaut à bien des équipes de développement. Ces outils pouvant aussi servir à d autres activités d ABB, le recours à un intranet pour y accéder partout dans le Groupe prend alors tout son sens. C est précisément ce que proposent aujourd hui les centres de recherche institutionnels d ABB, au plus grand bénéfice des différents pôles d activités du Groupe et de leurs clients. C es dernières années, le calcul numérique sur ordinateur est devenu partie intégrante du processus de développement des produits. L intérêt des concepteurs s est surtout focalisé sur l analyse numérique basée sur des modèles de produit en 3D, créés par des systèmes de CAO. Avec les outils de CAO modernes, quelques heures ou tout au plus quelques jours suffisent pour élaborer le prototype virtuel d un nouveau produit. Cette performance vaut également pour la simulation de phénomènes mécaniques, thermiques ou électromagnétiques, mais hélas dans un nombre limité de cas. A cela plusieurs raisons: Les modules d analyse avancée ne sont habituellement pas intégrés aux systèmes de CAO; il s agit d outils autonomes certes capables d importer des données CAO, mais en imposant souvent leurs propres procédures de prétraitement. Ces outils d analyse sont chers et associés à des matériels spécialisés haut de gamme. La maîtrise de procédures complexes, spécifiques à l outil mis en œuvre, est indispensable. Or cette compétence ne va pas de soi et son actualisation est à peine rentable pour une entreprise classique. Il Revue ABB 1/

2 faut souvent recourir à une aide extérieure, prodiguée par des experts en simulation. Pressés par les délais, les concepteurs rechignent souvent à s investir dans la simulation. Conséquence: même si toutes les ressources nécessaires sont à leur disposition, elles ne sont pas assez souvent utilisées pour rentabiliser leur installation et leur maintenance en local. Nombre de ces obstacles peuvent être levés en ayant accès à des ressources de simulation déportées et intégrées aux outils de conception locaux, via l intranet de l entreprise: une solution adoptée par ABB et sa démarche de réduction des coûts informatiques ou «LCC» (Low-Cost Computing), à laquelle se prête parfaitement l organisation du Groupe. Les nouvelles technologies Internet facilitent et optimisent la manipulation de ces ressources distantes. Les différentes unités d ABB peuvent externaliser leurs ressources de simulation aux centres de recherche du Groupe, faisant ainsi l économie de dizaines de milliers de dollars par an et de la mise en place de l infrastructure locale, tout en restant au fait des techniques de simulation les plus pointues. Les huit centres de recherche d ABB, répartis dans le monde entier, détiennent précisément ce type d expertise, d ores et déjà indispensable à leurs projets de haut vol. Cette solution touche également les clients d ABB, en particulier ceux qui achètent des produits de haute technicité, spécifiquement adaptés à leurs besoins. L usage de services de simulation avancée fiabilise ainsi l offre ABB et en accélère la conception. C est autant de gagné sur les délais! Les fondements techniques de l intranet ABB Un environnement de simulation sur intranet s articule autour d un certain nombre de briques technologiques. La gestion «flottante» des licences La gestion de licences en réseau est devenue le standard de fait de l exploitation de logiciels sous licence (www.globetrotter.com). Seule, une entreprise n utilise des logiciels d analyse numérique que quelques fois dans l année: d où l intérêt d en partager la licence avec d autres entreprises. Chez ABB, ces licences logicielles sont d ordinaire détenues par les centres de recherche qui les exportent aux activités du Groupe intéressées. Ce partage est surtout d intérêt pour les systèmes de pré et post-traitement tels que les programmes complémentaires de CAO (par ex., les modules d analyse de Pro/ENGINEER comme Pro/MESH et Pro/FEM-POST, voire Pro/E lui-même). On peut alors faire de la simulation sans avoir à acquérir ni à maintenir le logiciel. Les mises à jour peuvent s effectuer dans les unités ABB, en coopération avec les centres de recherche, sans passer par l éditeur. Ce type d exploitation est également envisageable pour quantité de logiciels d analyse par éléments finis du commerce (solveurs). Encore faut-il respecter certaines contraintes matérielles. Le partage d application en temps réel Les concepteurs qui effectuent des simulations n ont que ponctuellement besoin de l aide des experts de la spécialité officiant dans les centres de recherche. Celle-ci, qui se concrétise normalement par une assistance téléphonique, a tout récemment bénéficié de l utilisation d outils coopératifs temps réel comme Notes Sametime de Lotus (www.lotus.com) et le progiciel OneSpace édité par CoCreate (www.cocreate.com). Le premier est spécialiste du partage d application, utile au support de modules d analyse interactifs, et le second, du travail collaboratif synchronisé nécessitant la co-visualisation et la co-édition de modèles 3D complets ainsi que la manipulation et l annotation 36 Revue ABB 1/2002

3 des résultats de simulation au format VRML (Virtual Reality Modeling Language). L accès aux applications sur Internet Une intéressante technologie d accès à toutes les applications Windows et Unix par navigateur Web est offerte par les logiciels Nfuse et MetaFrame de Citrix (www.citrix.com). Celle-ci apporte un «plus» considérable, tant en termes de performance que d économie, à l accès distant à tous les outils de simulation qui ne s inspirent pas des technologies Internet (Web et Java), ne permettent pas le partage de licence ou réclament des performances matérielles faisant défaut aux machines clientes. Cette technologie autorise l hébergement centralisé des applications et leur publication sur un portail. Le protocole de déport d interface utilisateur ICA (Independent Computing Architecture), indépendant de l architecture informatique, permet à des outils de simulation graphique interactive d être également accessibles par le navigateur Web et d être exploités efficacement sur un poste client. La vague Linux En quelques années, Linux est devenu la plate-forme Unix de prédilection des grands constructeurs de stations de travail et de supercalculateurs comme Silicon Graphics (SGI), HP et IBM. Ces derniers ont freiné le développement de leurs propres systèmes d exploitation et processeurs en faisant de Linux et des processeurs Intel les briques de base de leurs nouvelles architectures informatiques. Aussi Linux s impose-t-il désormais comme le système d exploitation industriel de référence et un concurrent économique de Windows, surtout sur le marché des serveurs exigeant stabilité et haute disponibilité (www.redhat.com). En contrepartie, les logiciels du commerce ne tournent pas tous sous Linux! C est le cas, par exemple, de plusieurs progiciels de mécanique structurelle non parallèle ainsi que de systèmes de CAO n existant que pour Unix ou Windows. Toutefois, le système libre et ouvert Linux dispose d un sérieux atout face au géant Windows: il peut être modifié et enrichi à volonté, tant par l utilisateur que le constructeur. D où son adoption par Intel pour son tout nouveau processeur 64 bits Itanium. Du coup, deux stations de travail couplant Linux et Itanium, la Silicon Graphics 750 (www.sgi.com) et la Hewlett Packard i2000 (www.hp.com) figurent au catalogue de ces fabricants, qui garantissent le support des distributions Linux. Leurs machines font figure de solutions performantes et économiques pour les applications d analyse en ingénierie. Espérons que le futur proche verra la judicieuse combinaison de grappes PC sous Linux et Windows pour offrir un environnement convenant à toutes les applications numériques utilisées chez ABB. L architecture en grappe Depuis la fin de la décennie 90, la plateforme la plus efficace et la plus économique pour des applications de calcul avancé est constituée de grappes ou clusters PC (www.beowulf.org). L essor fulgurant de l architecture en grappe se confirme dans le dernier classement du Top 500, organisme indépendant d information sur les 500 supercalculateurs les plus puissants du monde (www.top500.org). Au niveau mondial, les plus grosses installations de grappes, bâties sur des serveurs Itanium IBM (320 processeurs) et sur des serveurs IBM Netfinity (1024 processeurs), affichent des performances atteignant 2 téraflops et occupent respectivement la 34 ème et la 41 ème places du Top 500. C est à ABB, partenaire de l Université Technique de Munich, que l on doit la première grappe PC utilisant Red Hat; à l heure actuelle, une grappe Linux de 18 processeurs est à l œuvre pour étayer l initiative LCC. Le réseau interne principal Revue ABB 1/

4 est basé sur Fast Ethernet. En outre, un réseau SCI hautes performances (interface de communication normalisée par l IEEE) a été installé (www.scali.com). Par rapport aux stations de travail multiprocesseurs classiques, cette solution a permis de réaliser de substantielles économies pour des applications en électromagnétisme et en dynamique des fluides. Les grappes Linux sont les machines favorites des universitaires et des chercheurs. Cet environnement matériel est en effet propice au développement d une grande variété d applications parallèles numériques en université. C est là une excellente occasion pour ABB de tirer parti des tout derniers progrès de la recherche universitaire. Dans le cadre d un partenariat entre ETH Zurich et ABB dans le domaine du calcul numérique, les scientifiques de Zurich ont mis au point un préconditionneur spécial pour le solveur de système linéaire itératif GMRES appliqué aux formulations de courants de Foucault. Ce logiciel a pu être immédiatement transféré dans la grappe d ABB pour résoudre le problème des pertes vagabondes dans les transformateurs de puissance. La répartition de charge Traditionnellement, l utilisation de la répartition de charge était réservée aux gros centres informatiques. Toutefois, la rapide progression des postes de travail et PC en grappe, dans les années 90, a ouvert cette technologie à la gestion de systèmes répartis hétérogènes. Chez ABB, les travaux engagés dans ce sens, au milieu de cette même décennie, ont débouché sur l exploitation, dans l un de nos centres de recherche, du répartiteur de charge LSF (Load Sharing Facility) de l éditeur Platform Computing (www.platform.com) dans une grappe constituée de stations SGI et de PC sous Windows. Cette solution sera prochainement implantée dans des grappes mêlant Linux et Windows. Développement d un environnement de simulation à base de modèle La mise en place d environnements de simulation personnalisés passe par le développement de composants logiciels spécifiques. Un composant dédié, par exemple, à l interaction client-serveur entre la CAO et la «mécanique» informatique sur laquelle est bâtie l application dépend largement des procédures de simulation mises en œuvre par les concepteurs. Les outils de simulation, éléments d évaluation et contraintes de conception variant d une activité à l autre, il faut donc adapter ces composants logiciels à leur environnement changeant. La solution? Les représenter sous forme de modèles UML, dans le logiciel Rational Rose; complété par ArcStyler (www.iosoftware.com), ce produit phare de l Américain Rational (www.rational.com) fournit une plate-forme évolutive de développement d environnement de simulation par modèle, qui répond notamment aux deux objectifs suivants: Le modèle développé est rapidement extensible et réutilisable à d autres fins. Il se distingue fondamentalement par son code source en Java qui peut être automatiquement régénéré pour s adapter aux modifications du modèle; les portions de code écrites manuellement sont protégées et ne risquent pas d être perdues durant ce processus. La mise en œuvre est indépendante de la technologie employée. Avec le modèle Rose-ArcStyler, le code source peut être généré automatiquement, quelle que soit la technique d implémentation. Par exemple, l accès à distance aux ressources de simulation développées dans les centres de recherche repose à l heure actuelle sur le tandem Java/RMI (Remote Method Invocation), mais n empêche pas d autres modèles/cartouches dans ArcStyler de basculer automatiquement sur une autre architecture comme CORBA. Résultat: nous sommes indépendants de l évolution ultrarapide des technologies Internet et pouvons nous concentrer entièrement sur notre environnement de simulation. La visualisation 3D Plusieurs systèmes de post-traitement du commerce (par exemple, Pro/FEM-POST) n intègrent qu un sous-ensemble des fonctionnalités nécessaires à la visualisation tridimensionnelle des grandeurs spécifiques recensées dans les normes techniques ABB. Cette limitation nuit fortement à l analyse des résultats de simulation et à leur présentation aux clients d ABB; d où notre décision de travailler sur le langage de programmation VRML (www.vrml.org) qui permet de créer des modèles à partir des résultats de simulation et de les visualiser grâce à des navigateurs web classiques. Une formidable occasion de présenter le comportement physique et d autres caractéristiques des produits ABB sur le Net! Alléger la facture informatique : l initiative LCC L initiative LCC (Low-Cost Computing), lancée par nos centres de recherche, a pour double ambition : 38 Revue ABB 1/2002

5 1 Architecture de la démarche de réduction des coûts informatiques (LCC) de réaliser des portails ouvrant sur un choix d outils de simulation accessibles par simples navigateurs Internet. d intégrer les procédures complètes de simulation dans l environnement CAO de certaines «Business Units» d ABB, moyennant un accès à distance aux ressources et aux compétences informatiques les plus pointues. Le premier objectif s est concrétisé avec l offre portail de l éditeur Citrix. Les applications d analyse numériques sont intégrées, personnalisées et publiées sur le Web dans un format interactif, basé sur XML, sans codage supplémentaire. Les applications opérationnelles font l objet du prochain chapitre. Le deuxième objectif a pris la forme de portails fortement personnalisés et intégrés à l environnement CAO. Ceux-ci s appuient sur des modèles logiciels développés à cette fin, comprenant des composants spécifiques ABB comme l évaluation des critères de conception ou la visualisation en VRML, implémentés en Java. Un projet pilote destiné au marché des transformateurs de puissance est présenté ci-après. Ces deux cas sont bâtis sur une même technologie sous-jacente, côté serveur, à savoir des grappes de PC pilotées par le système de gestion des travaux. L architecture de l environnement de simulation développé sur un intranet est représentée en 1. Véritable trait d union entre l environnement de conception et l univers de la simulation, elle vise principalement à mettre les plus récents progrès de la simulation à portée de bureau d études, tout en se déchargeant de l informatique lourde et de la maintenance des solveurs numériques. 2 Portails de collaboration WCP généralistes Technologies Web CITRIX / XML 1 er exemple: le portail de Environnement CAO des pôles d activités d ABB Répartition de charge Architecture en grappe Linux Constituants de l initiative LCC Technologies de base de simulation et de calcul avancé d ABB collaboration «WCP» La paternité de ce portail informatique d ABB revient à notre centre de recherche de Milan. Son but: fournir l accès à des applications d ingénierie par un navigateur web. Inutile d installer un quelconque Portails CAO intégrés Technologies Java Rose/ArcStyler L architecture à trois niveaux du portail WCP Poste client Objectif Accessibilité totale Solution Navigateur(s) standard(s) Poste intermédiaire Objectif Interface utilisateur intuitive Solution Serveur Web + servlets Gestion flottante des licences Partage d application en temps réel Poste serveur Objectif Calcul avancé et fiabilité Solution Grappes + répartition de charge logiciel sur la machine cliente, hormis de petits programmes de navigation supplémentaires pour exploiter pleinement l interface graphique. Les services disponibles sont alors publiés sur WCP, à l aide de descripteurs XML, leur consultation étant réservée aux utilisateurs habilités. La Revue ABB 1/

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7 4 Exemple de modèle de transformateur de puissance (a) et de résultats de calcul diélectrique (b), réalisés par l activité «Transformateurs de puissance» de Bad Honnef (Allemagne) à l aide des ressources distantes du centre de recherche ABB de Ladenburg (Allemagne). tion diélectrique en 3D: le modèle CAO 3D d un transformateur est en effet créé à partir de la commande spécifique du client (Cf. exemple en 4a ). Le produit passant directement de la conception à la production, les concepteurs se doivent de garantir que les ultimes essais HT seront «bons du premier coup». La simulation diélectrique 3D permet d identifier et d étudier les points critiques de l appareil (Cf. exemple en 4b ). Partant de ces simulations, les ingénieurs peuvent quantifier le risque de défaillance du produit et le confronter aux directives de conception de l activité. Sans simulation, la conception s appuie sur le retour d expérience et la qualité du produit est étroitement liée aux compétences du responsable de la conception. L objectif de doter la conception des transformateurs de puissance d une simulation 3D ne date pas d hier. Dans les années 90, on a beaucoup cherché à développer une procédure de simulation performante permettant d améliorer le code Polopt d ABB de résolution par éléments de frontière et de l intégrer à Pro/ENGINEER. Pourtant, la mise en pratique de cette nouvelle procédure resta lettre morte. Une situation aujourd hui révolue avec l initiative LCC et, en particulier, les exigences fixées par l activité Transformateurs de puissance: Un spécialiste CAO, s appuyant sur une documentation claire et à jour, peut effectuer le pré et post-traitement de l analyse dans Pro/ENGINEER, sans compétence particulière en simulation. A terme, il pourra disposer d une assistance téléphonique confiée à un expert. Le solveur et le matériel correspondant, installés dans un centre de recherche, doivent être accessibles à distance, les unités d ABB étant dénuées de tout logiciel ou matériel de simulation. Ce solveur distant est directement lancé depuis Pro/ENGI- NEER. Les concepteurs doivent pouvoir évaluer et visualiser les critères de conception spécifiques à leur projet sur leurs CAO, à partir des données du solveur stockées sur un ordinateur distant. Toute la procédure de simulation est facile d emploi et transparente au néophyte; elle doit permettre de calculer des structures, même complexes, en l espace de quelques jours. Ces exigences ont débouché sur la mise en place d un modèle client-serveur 5. Fait marquant, ce modèle est intégré au système de CAO; il fait appel à un poste client spécialisé, dit de «soumission de travaux», pour transférer les données en provenance et à destination de la CAO, démarrer le solveur hébergé sur le serveur et suivre le déroulement des calculs. L accès aux données utilisateur, côté serveur, est géré par un client proxy, sorte de mandataire dialoguant à la fois avec le poste client de soumission de travaux et celui chargé de l évaluation et de la visualisation. Ce dernier assure notamment l analyse des critères de conception, sur la base des données distantes, la conversion Revue ABB 1/

8 5 Architecture client-serveur permettant d accéder à des ressources distantes, intégrées à la CAO et à l évaluation/visualisation des critères de conception Client: station de travail CAO Windows NT/2000 Serveur: grappe de PC multiprocesseurs sous LINUX Session ProEngineer Poste client de soumission de travaux démarré par ProE Données de travaux en cours éées par le solveur Poste client d évaluation ères & de visualisation Solveur Evaluation des critères Conversion VRML Documentation Base de données: utilisateurs, mots de passe, projets, travaux Client proxy: contrôle du contexte de la session en cours Gestion de session en VRML et l accès à la documentation la plus récente. L architecture de la figure 5 s est concrétisée par un modèle UML basé sur les outils de modélisation Rational Rose et ArcStyler, son code source étant généré pour Java et son protocole RMI. L un des atouts décisifs de cette solution réside dans le réemploi du modèle qu ABB destine non seulement aux transformateurs de puissance mais aussi à la conception diélectrique dans l ensemble du Groupe (y compris les appareillages MT et HT). Cette installation pilote est déjà opérationnelle pour les transformateurs de puissance. Bilan L accès à distance aux ressources informatiques du Groupe donne un second souffle à la conception ABB: l utilisation d outils d analyse numérique progresse en performance et en rentabilité; l acquisition et la maintenance de logiciels et de matériels coûteux, par chaque unité d ABB, deviennent inutiles, puisqu on peut désormais centraliser leur hébergement et les proposer aux ingénieurs ABB via l intranet. L initiative LCC d ABB conduit les centres de recherche du Groupe à jouer un nouveau rôle dans le processus de développement: explorer et adapter les plus récents outils de simulation pour les mettre «à portée de souris» des concepteurs. En fait, il ne s agit pas seulement de développer et de mettre en place des solutions d accès sur Internet, mais aussi d intégrer la simulation à l univers de la CAO tout en facilitant le quotidien des concepteurs. Mieux encore, ce nouvel environnement s avère «tout bénéfice» pour le client, les produits ABB étant conçus d emblée pour allier ergonomie, facilité d installation, simplicité d emploi et de maintenance. Auteurs Dr Andreas Blaszczyk Dr Harsh Karandikar Centre de recherche ABB DE Ladenburg Allemagne Dr Giovanni Palli Centre de recherche ABB IT Sesto San Giovanni (MI) Italie 42 Revue ABB 1/2002

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