列車調(diào)度指揮系統(tǒng)綠色化研究

伴隨著鐵路調(diào)度指揮系統(tǒng)逐步開通運營，運輸相關(guān)部門的要求也在不斷變化。為了滿足最終用戶的需求，以更低的費用提供更好的性能，供貨方提供了更快的服務(wù)器、更海量的存儲器和更靈活的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。這些規(guī)模日趨龐大的新組件在提供更強性能的同時，也成為耗電和占地“大戶”。當各級數(shù)據(jù)中心由于供電或場地限制而無法有效容納新服務(wù)器、存儲和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備時，新功能就無法實現(xiàn)，系統(tǒng)升級出現(xiàn)瓶頸，因此如何解決數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)無限擴充的困擾將成為當務(wù)之急。

解決問題的出路只能是系統(tǒng)“綠色化”，通過采用逐漸成熟的綠色化技術(shù)，將系統(tǒng)應(yīng)用程序和硬件基礎(chǔ)架構(gòu)隔離，減少數(shù)字足跡，改善系統(tǒng)各部件的利用率，降低系統(tǒng)模塊實際消耗的電量和空間需求，同步提高系統(tǒng)總體可用性。

1 信息系統(tǒng)綠色化概述

隨著人們對節(jié)能和效率的不斷重視，信息系統(tǒng)也興起了“綠色”潮流:綠色計算、綠色存儲、綠色數(shù)據(jù)中心等等，不一而足。而伴隨著云計算和虛擬化技術(shù)的出現(xiàn)，建立綠色數(shù)據(jù)中心將成為系統(tǒng)整體綠色化的終極目標。

1.1 綠色數(shù)據(jù)中心的內(nèi)涵

根據(jù)美國環(huán)保局2007年4月公布的一份報告顯示，目前服務(wù)器能耗占全球總能耗的1%，并估計在接下來的5年內(nèi)，服務(wù)器能耗將增加1倍。IDC2006年9月的報告也顯示:IT設(shè)備能耗支出的增長比IT設(shè)備采購支出的增長快4倍。隨著能耗的不斷增長，數(shù)據(jù)中心的成本隨之攀高。如今，若將服務(wù)器的能耗成本與相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施成本 (包括數(shù)據(jù)中心發(fā)電機、電源和空調(diào)系統(tǒng))加在一起，則一臺服務(wù)器的電源與散熱總成本將是服務(wù)器購買成本的2倍。顯然，不斷攀升的能耗成本，催高了數(shù)據(jù)中心運營成本。

因此，綠色數(shù)據(jù)中心有了它存在的理由。它是IT技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，也是IT應(yīng)用發(fā)展的必然。綠色數(shù)據(jù)中心是基于社會發(fā)展和環(huán)保節(jié)能的角度而提出的一種新觀點，代表一整套的系統(tǒng)框架和設(shè)計理念。其中包括地理位置、環(huán)境、物理建筑、基礎(chǔ)設(shè)施、員工、系統(tǒng)搭建和維護等眾多元素。簡單地說，綠色數(shù)據(jù)中心就是指設(shè)備、照明、電力與電腦系統(tǒng)均遵循最大能源節(jié)約，及最低環(huán)境影響的設(shè)計重點。綠色數(shù)據(jù)中心的構(gòu)建與執(zhí)行，必須符合先進的技術(shù)與策略。此外，綠色數(shù)據(jù)中心還意味著數(shù)據(jù)中心設(shè)備更能節(jié)約空間，提高空間利用率，還能讓數(shù)據(jù)中心內(nèi)的支撐系統(tǒng)接地更安全，電氣連接和布線更可靠，并能降低內(nèi)部環(huán)境空氣污染、噪音污染、電磁干擾和輻射污染。在降低企業(yè)能耗成本、提高資源利用率和工作效率，以及保護環(huán)境等方面，可以起到十分重要的作用。

1.2 綠色數(shù)據(jù)中心的實施難度

由于數(shù)據(jù)中心的支撐系統(tǒng)和運行環(huán)境涉及的專業(yè)領(lǐng)域非常廣泛，涵蓋了電力、電子、計算機、機械、化工、熱能等方面，而一般企業(yè)客戶技術(shù)人員的知識結(jié)構(gòu)往往比較單一，加上工具和手段等方面的限制，因此很多企業(yè)用戶往往無法獨立實施。而且，測評過程中免不了要對系統(tǒng)和設(shè)備進行操作，一旦操作不當，必然會對數(shù)據(jù)中心機房帶來風險。如果數(shù)據(jù)中心機房在測試評估過程中出現(xiàn)了任何系統(tǒng)故障，都將給企業(yè)帶來巨大的損失，從而嚴重擾亂企業(yè)實施綠色數(shù)據(jù)中心的信心和規(guī)劃步驟。

此外，很多企業(yè)從傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心向綠色數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)變或者遷移的過程中，還會面臨來自各方面的壓力和問題。

1．新技術(shù)應(yīng)用造成的壓力。綠色數(shù)據(jù)中心的實現(xiàn)能夠給企業(yè)成本的降低帶來立竿見影的效果，但是全面實現(xiàn)綠色數(shù)據(jù)中心卻還需要結(jié)合與綠色IT密切相關(guān)的低功耗芯片技術(shù)、虛擬化技術(shù)、刀片技術(shù)、電源與散熱節(jié)能技術(shù)等;同時，也需要利用虛擬化技術(shù)實現(xiàn)服務(wù)器和存儲性能的最大發(fā)揮，在能源管理方面也需要進行大膽創(chuàng)新。

2．風險和安全控制問題。隨著數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備的不斷增加，以及企業(yè)業(yè)務(wù)量的迅速遞增，IT系統(tǒng)復(fù)雜性不斷提升，業(yè)務(wù)運營所承擔的風險也不斷加強，安全隱患的威脅也會越來越多。

1.3 綠色數(shù)據(jù)中心的實施步驟

實施綠色數(shù)據(jù)中心的首要步驟，就是對企業(yè)自身的實際需求和應(yīng)用范圍進行綜合評估，并在此基礎(chǔ)上，為綠色數(shù)據(jù)中心的實施制定科學(xué)、合理的長遠規(guī)劃。制定規(guī)劃時，需要考慮以下議題:節(jié)能環(huán)保、虛擬化與集中管理、最佳樓面執(zhí)行方法、引進和采用先進技術(shù)和管理理念。

實施綠色數(shù)據(jù)中心的第2個步驟則是按綠色原則建設(shè)，注重數(shù)據(jù)中心的整體成本和環(huán)保措施，主要步驟如下。

1．數(shù)據(jù)中心要配置機房專用的精密空調(diào)，做好整體監(jiān)控，能夠根據(jù)機房環(huán)境溫度和濕度的變化，隨時對空調(diào)進行調(diào)節(jié)。

2．數(shù)據(jù)中心要建設(shè)專用的送風通道。數(shù)據(jù)中心的設(shè)備由于能耗大，發(fā)熱量也大，下送風方式效果最好，因此必須在機房設(shè)置地板，建立專用的下送風通道。

3．要進行專門的規(guī)劃。最好能對機房進行全面的規(guī)劃，根據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展的需要分步實施。只有這樣，機房的建設(shè)才會正規(guī)，才不會出現(xiàn)電源線纜發(fā)熱的情況。

4．安裝并使用能耗監(jiān)測工具。目前，有不少廠家紛紛推出了此類工具。比如Avocent公司的電源管理軟件Dsview 3 Power Manager和IBM的Power Executive軟件，前者可以幫助用戶實時監(jiān)測數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備的能耗和能源使用情況，后者則可幫助客戶通過智能技術(shù)，有效管理數(shù)據(jù)中心電力消耗，從而可以確定實際能耗和系統(tǒng)溫度。

此外，綠色數(shù)據(jù)中心的建設(shè)不僅僅是服務(wù)器、存儲等設(shè)備的節(jié)能環(huán)保，其本身的軟件同樣也是實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心綠色節(jié)能環(huán)保的主要手段。軟件可以改變數(shù)據(jù)中心中數(shù)據(jù)系統(tǒng)的架構(gòu)，從而減少服務(wù)器以及服務(wù)器中各種硬件設(shè)備，壓縮數(shù)字足跡，由此實現(xiàn)綠色數(shù)據(jù)中心的目標。

2 TDCS綠色化分析

我國鐵路調(diào)度指揮管理采用以行車調(diào)度為核心，站、段為基礎(chǔ)，實行鐵道部和鐵路局兩級調(diào)度指揮管理的體制。從部分鐵路局TDCS使用情況的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，相比其他信息管理系統(tǒng)，TDCS系統(tǒng)在快速發(fā)展的同時，存在著維護、電力、占地空間、環(huán)境壓力進一步加大的問題，現(xiàn)以一個TDCS路局中心為例，詳細介紹如下。

1．電力成本巨大。按 1臺 P5服務(wù)器(5.0GHz CPU，32GB內(nèi)存，6個PCICards)每日耗電50度計算，中心每日大約耗電15000度，加上冷卻用電 (一般和設(shè)備用電為1:1)，按照北京工業(yè)用電均價0.6元/度，中心一年電力花費約600萬元。

2．升級空間有限。中心現(xiàn)有機房面積為3000m2，現(xiàn)已使用70%。如果實現(xiàn)TDCS向CTC全面升級，硬件配置標準符合鐵道部運基信號［2009］676號文，達到既有線CTC基本要求，現(xiàn)有機房無法滿足要求。

3．維護異常復(fù)雜。路局中心配備200多臺各類主機和30多種應(yīng)用程序，相應(yīng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)以G計算，平日正常更新異常頻繁，這些需求極大困擾了系統(tǒng)維護人員。

鑒于以上問題，鐵路調(diào)度指揮系統(tǒng)這樣的大型系統(tǒng)有必要考慮構(gòu)建系統(tǒng)綠色數(shù)據(jù)中心，研究在新技術(shù)條件下，更好地優(yōu)化鐵路調(diào)度指揮系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，最大程度地降低系統(tǒng)能源消耗，大幅度提升空間綜合利用率。

3 TDCS綠色化實施方案

1．硬件配置。放棄原有設(shè)計中小型機和多型號PC服務(wù)器共存的結(jié)構(gòu)，改用目前比較流行的刀片中心構(gòu)架，將多個獨立的刀片服務(wù)器封裝，同時共享電力、冷卻、KVM等通用基礎(chǔ)模塊?？稍谡加每臻g大幅減少的前提下，實現(xiàn)系統(tǒng)對硬件資源的細粒度分配，為中心機群提供可擴展和模塊化的方法，并實現(xiàn)在高度整合的密集環(huán)境下，系統(tǒng)和工作負載的快速部署和再供應(yīng)。

整合的方式需要根據(jù)現(xiàn)有系統(tǒng)各類服務(wù)器使用狀態(tài)確定，采用一對一的遷移或整合，從現(xiàn)存的大型服務(wù)器到刀片服務(wù)器 (如數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、對外信息共享服務(wù)器)，或?qū)⒍鄠€未完全利用的物理服務(wù)器整合成一個刀片上的虛擬機 (如應(yīng)用服務(wù)器、前置服務(wù)器)。

此外，硬件的密集整合會導(dǎo)致在特定的占地空間內(nèi)電力和冷卻需求激增，出現(xiàn)熱島現(xiàn)象，這需要機房空調(diào)子系統(tǒng)的特殊布置。

2．系統(tǒng)軟件。通過業(yè)務(wù)基礎(chǔ)架構(gòu)虛擬化，將現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)化為內(nèi)部云系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部IT資源的共享。在傳統(tǒng)操作系統(tǒng)下增加新的軟件層，對底層實際硬件操作由新增模塊接管，傳統(tǒng)系統(tǒng)所需的資源由虛擬層來提供。

通過技術(shù)比選，確定使用VMare的云操作系統(tǒng)VMware vSphere4和桌面虛擬化工具VMware view4，建立系統(tǒng)所需的虛擬服務(wù)器和瘦客戶機架構(gòu)，實現(xiàn)系統(tǒng)整體的仿真 (與既有技術(shù)和程序的共存)、抽象 (物理資源的透明化管理)、分割(應(yīng)用系統(tǒng)、用戶和其他實體的隔離)、聚合 (應(yīng)用軟件、操作系統(tǒng)或服務(wù)器的合并)和供應(yīng) (新模塊的快速部署)。

此外，虛擬化也是一個架構(gòu)多方平衡、互相協(xié)調(diào)和彼此隔離的工作，必須重點防范系統(tǒng)整合過度，即重視系統(tǒng)虛擬集成過度，造成資源沖突、功能瓶頸和性能不穩(wěn)定，對可用性產(chǎn)生負面影響，導(dǎo)致多點故障激增的現(xiàn)象。

3．應(yīng)用軟件。數(shù)據(jù)生命周期是指從數(shù)據(jù)創(chuàng)建開始，一直到用戶不再需要該數(shù)據(jù)，并將它從存儲器中刪除為止的這段時間，它關(guān)聯(lián)著數(shù)據(jù)足跡的變化，也就影響了系統(tǒng)的整體使用效率。對應(yīng)到TDCS，主要有運輸和電務(wù)2類信息，呈現(xiàn)短期(24h)使用頻繁，中期(1個季度)偶爾查詢，長期(1年以上)基本廢棄無用的現(xiàn)象，建議在應(yīng)用軟件設(shè)計中，使用分層存儲技術(shù)，即根據(jù)數(shù)據(jù)使用頻繁程度，將中心數(shù)據(jù)按內(nèi)存、陣列、磁帶、光盤的存儲模式，實現(xiàn)對應(yīng)數(shù)據(jù)生命周期的分級存儲。

4 總結(jié)

研究從系統(tǒng)集成商的角度出發(fā)，在使用成熟綠色化技術(shù)的同時，分析系統(tǒng)自身特色，從硬件架構(gòu)和軟件流程著手，制定了鐵路調(diào)度指揮系統(tǒng)的全面解決方案。本設(shè)計方案可滿足最終用戶的需求，但與現(xiàn)有鐵道部運基信號［2009］676號文要求和既有維護規(guī)則有一定的差異，需要在后續(xù)研究中逐步解決。

［1］ Greg Schulz.綠色虛擬數(shù)據(jù)中心［M］.北京:人民郵電出版社，2010，1．

［2］ 鐵道部運輸局.鐵路列車調(diào)度指揮系統(tǒng)［M］.北京:中國鐵道出版社，2006.

(責任編輯:溫志紅)