超融合技術(shù)在天然氣調(diào)控中心的應(yīng)用

顧鶴麟 張博春 汪凱 聶磊

摘要：在天然氣管道智能化、管網(wǎng)智能化建設(shè)的進(jìn)程中，為實現(xiàn)全面感知、實時監(jiān)測、超前預(yù)警、系統(tǒng)融合數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制、大數(shù)據(jù)的存儲及分析服務(wù)等功能部署在天然氣調(diào)控中心，隨著數(shù)據(jù)量級及系統(tǒng)類型的數(shù)量驟增，各類服務(wù)器、工作站等計算機(jī)設(shè)備數(shù)量成幾何級數(shù)增長，這對調(diào)控中心資源統(tǒng)籌利用、高效使用、綜合性能、可靠性、先進(jìn)性、靈活性的要求度越來越高。開始借鑒其他行業(yè)先進(jìn)性的數(shù)據(jù)中心管理經(jīng)驗，超融合技術(shù)方案作為IT行業(yè)內(nèi)較為成熟的技術(shù)代表，可以為油氣調(diào)控中心的數(shù)據(jù)服務(wù)基礎(chǔ)建設(shè)提供一個良好的參考方案。本文以討論一個典型天然氣調(diào)控中心的超融合數(shù)據(jù)平臺設(shè)計為例，展示超融合技術(shù)與常規(guī)架構(gòu)之間的區(qū)別及其優(yōu)勢所在。

關(guān)鍵詞：超融合;天然氣調(diào)控中心;管網(wǎng);虛擬化

1.前言

進(jìn)入21世紀(jì)，以人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等為標(biāo)志的第四次工業(yè)革命孕育興起，開啟了智能時代的序幕。中國管道企業(yè)緊緊抓住這一發(fā)展機(jī)遇，積極探索實踐智能管道、智慧管網(wǎng)的發(fā)展道路。在這一過程中，油氣調(diào)度中心作為油氣管道“大腦”，被賦予更多的責(zé)任和更高的要求。

現(xiàn)如今，調(diào)控中心對管道、場站、閥室的工藝運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控已無法滿足管網(wǎng)的“智慧”管理的要求，大量新型傳感器及現(xiàn)場分析設(shè)備被應(yīng)用于管道行業(yè)現(xiàn)場，用于代替人對設(shè)施現(xiàn)場感知，除裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)外，更加全面的周邊態(tài)勢感知數(shù)據(jù)通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，匯集到調(diào)控中心，在調(diào)控中心進(jìn)行集中展示、存儲、處理和分析，為油氣管網(wǎng)的生產(chǎn)運(yùn)行決策提供數(shù)據(jù)支撐。

為了滿足調(diào)控中心對更加強(qiáng)大的采集、運(yùn)算、分析管網(wǎng)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的能力的要求，充分提高調(diào)控中心的算力以及數(shù)據(jù)服務(wù)的高可靠性保障，IT行業(yè)被廣泛采用的超融合技術(shù)逐漸被引入調(diào)控中心數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)建設(shè)項目中。

2.調(diào)控中心需求分析

廣東省網(wǎng)已建天然氣管道1550公里，“十四五”期間還將規(guī)劃建設(shè)和收購管道1807公里，到“十四五”末公司管道總里程將達(dá)到3357公里，承接省內(nèi)各氣源項目約30個，用戶達(dá)到90家以上，形成沿海進(jìn)口LNG、陸上跨省管道天然氣、海上天然氣等多主體、多氣源互補(bǔ)的供氣格局。廣東省網(wǎng)調(diào)控中心是集生產(chǎn)監(jiān)控平臺、應(yīng)急管理平臺、工程管理平臺、可視化展示平臺為一體的大數(shù)據(jù)中心，全面監(jiān)控廣東省網(wǎng)的生產(chǎn)運(yùn)行。廣東省網(wǎng)調(diào)控中心將以“節(jié)能、降本、增效”為中心，以優(yōu)化運(yùn)行、設(shè)備提效為重點(diǎn)，對廣東省網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度、集中監(jiān)視、遠(yuǎn)程控制、應(yīng)急指揮，并運(yùn)用人工智能、邊緣計算和大數(shù)據(jù)技術(shù)，對生產(chǎn)運(yùn)行、工程建設(shè)、安全管理等信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集、處理、應(yīng)用，建成高度集成化、信息化、自動化、智能化的運(yùn)營中心，完成廣東省網(wǎng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，進(jìn)一步提高廣東省網(wǎng)信息化水平和管理能力，保障廣東省網(wǎng)“安全、平穩(wěn)、高效”運(yùn)行。

為實現(xiàn)智慧化管網(wǎng)目標(biāo)，前提之一就是實現(xiàn)天然氣調(diào)控中心的“全面感知”，為此，管道、場站、閥室內(nèi)工藝設(shè)備的額運(yùn)行狀態(tài)均采用遠(yuǎn)傳儀表采集，并且與各類自控系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成控制回路，通過復(fù)雜的控制邏輯滿足“無人值守”、“一鍵啟?！?、“自動分輸”等技術(shù)要求的實現(xiàn)。同時在主要工藝設(shè)備監(jiān)控之外，大量新的智能技術(shù)被應(yīng)用于裝置現(xiàn)場，例如：計量遠(yuǎn)程運(yùn)維、PLC智能診斷、管道光纖預(yù)警、激光云臺可燃?xì)怏w檢查、高后果區(qū)AI視頻監(jiān)視、智能陰保、智慧工地管理等，相關(guān)數(shù)據(jù)均需要被采集到天然氣調(diào)控中心進(jìn)行集中存儲、處理及綜合展示。下面以廣東省天然氣管網(wǎng)調(diào)控中心為例，描述其數(shù)據(jù)服務(wù)規(guī)模。

2.1.工藝過程監(jiān)控

SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。SCADA服務(wù)器布置于天然氣調(diào)控中心，用于集中采集天然氣管道及站場閥室運(yùn)行數(shù)據(jù)，并進(jìn)行動態(tài)展示，生產(chǎn)運(yùn)行人員可以通過SCADA系統(tǒng)向站場、閥室下發(fā)命令。

SCADA系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)與閥室RTU（Remote Terminal Unite）單元、站場PCS（Process Control System）系統(tǒng)保持通信，通過MODBUS TCP/ IEC104等協(xié)議實時采集并監(jiān)控現(xiàn)場工藝設(shè)備。為保障SCADA系統(tǒng)的穩(wěn)定性，其工業(yè)以太網(wǎng)通信鏈路、歷史服務(wù)器、實時服務(wù)器均采用熱冗余配置，設(shè)置有專用工程師站及滿足生產(chǎn)運(yùn)行監(jiān)控操作的若干臺操作員站、打印機(jī)等設(shè)備。

2.2.資產(chǎn)管理平臺

對于影響現(xiàn)場正常生產(chǎn)運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備，例如自控系統(tǒng)，工業(yè)以太網(wǎng)通信設(shè)備等，天然氣調(diào)控中心需考慮建立相應(yīng)的設(shè)備診斷管理平臺，采集此類設(shè)備的動態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，對設(shè)備可能存在的故障隱患、故障發(fā)生時間進(jìn)行預(yù)測。在天然氣調(diào)控中心通常建有的設(shè)備診斷平臺包含：

●PLC/RTU遠(yuǎn)程診斷與維護(hù)系統(tǒng);

●網(wǎng)絡(luò)設(shè)備管理系統(tǒng);

●計量遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)。

隨著管網(wǎng)智能化建設(shè)的深入，更多的系統(tǒng)將被部署在天然氣氣調(diào)控中心，例如：視頻分析平臺、管道完整性平臺、項目建設(shè)管理平臺、數(shù)字孿生平臺、工藝建模平臺、資產(chǎn)管理平臺等。每套系統(tǒng)均需要在調(diào)控中心布置獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備以及一定數(shù)量的操作站、工程師站、打印機(jī)等設(shè)備。

可以預(yù)測的將來，如果繼續(xù)按照常規(guī)天然氣氣管網(wǎng)調(diào)控中心數(shù)據(jù)中心建設(shè)模式，數(shù)據(jù)中心將容納數(shù)十套不同品牌的服務(wù)器，其中運(yùn)行著不同版本類型的操作系統(tǒng)，不同規(guī)格和授權(quán)的數(shù)據(jù)庫軟件。其運(yùn)行維護(hù)難度將越來越大。

2.3.工控安全管理

隨著不同用途的平臺投用，打通各系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)“孤島”，實現(xiàn)不同系統(tǒng)之間的“協(xié)作”的需求就會越來越多，隨之而來的問題就是工業(yè)信息安全管理。

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，工業(yè)信息安全問題日益獲得重視，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)安全相關(guān)法律法規(guī)要求，作為天然氣管網(wǎng)控制核心的調(diào)控中心應(yīng)設(shè)有統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)安全管理平臺、態(tài)勢感知、工控漏洞掃描及管理系統(tǒng)、安全運(yùn)維管理系統(tǒng)等。

2.4.第三方系統(tǒng)支持

油氣調(diào)控中心主要負(fù)責(zé)不僅是保障現(xiàn)場設(shè)備的安全平穩(wěn)運(yùn)行，同時也為物資、維修、計劃、調(diào)度等公司管理部門提供生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)，管網(wǎng)運(yùn)行企業(yè)通常建有MES、ERP等生產(chǎn)管理系統(tǒng)，天然氣調(diào)控中心各類系統(tǒng)為之提供數(shù)據(jù)服務(wù)。為保證工業(yè)信息安全并降低重復(fù)調(diào)用帶來的系統(tǒng)高負(fù)載，調(diào)控中心通常建有中間數(shù)據(jù)服務(wù)器及網(wǎng)絡(luò)安全管理設(shè)備。中間數(shù)據(jù)服務(wù)器將調(diào)控中心各系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)一歸集到一套數(shù)據(jù)庫中，作為統(tǒng)一的對外接口，中間數(shù)據(jù)服務(wù)器發(fā)布的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備單向發(fā)布到企業(yè)生產(chǎn)管理系統(tǒng)中。

3.傳統(tǒng)調(diào)控中心系統(tǒng)架構(gòu)的不足

如果按照傳統(tǒng)調(diào)控中心應(yīng)用的架構(gòu)，調(diào)度中心建立的每個系統(tǒng)的硬件資源及網(wǎng)絡(luò)資源都是相對獨(dú)立的，有些系統(tǒng)資源在80%的日常運(yùn)行情況下只使用了30%以下，有些系統(tǒng)資源運(yùn)行在高負(fù)荷的70%以上，各系統(tǒng)之間負(fù)荷經(jīng)常出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象。這種模式導(dǎo)致了資源使用效率低下、不穩(wěn)定性增強(qiáng)。傳統(tǒng)以業(yè)務(wù)單元為導(dǎo)向建立所需的服務(wù)器、存儲、網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)架構(gòu)設(shè)施，如下圖所示：

這種架構(gòu)主要問題表現(xiàn)在：

●各個系統(tǒng)服務(wù)器的物理分布不集中，每項業(yè)務(wù)都有自己獨(dú)立運(yùn)行的服務(wù)器;

●服務(wù)器系統(tǒng)的環(huán)境比較復(fù)雜，表現(xiàn)為設(shè)備數(shù)量多，故障點(diǎn)多，產(chǎn)品不統(tǒng)一，缺乏規(guī)范性，運(yùn)維管理的工作量和難度大;

●各個系統(tǒng)重復(fù)投資和建設(shè)，建設(shè)成本高，技術(shù)上沒有統(tǒng)一規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn);

●沒有實現(xiàn)資源共享，服務(wù)器資源使用率低，難以集中管理和使用;

●不能根據(jù)實際需要和業(yè)務(wù)變化動態(tài)調(diào)整資源和快速擴(kuò)展，系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)展性差;

●部分服務(wù)器存在單點(diǎn)故障隱患，有些服務(wù)器的高可用性配置不合理，造成資源閑置狀態(tài)和成本過高。

4.超融合技術(shù)應(yīng)用

為了應(yīng)對規(guī)模越來越大的數(shù)據(jù)中心建設(shè)需求，本案例借鑒IT行業(yè)成熟的超融合技術(shù)，探討實現(xiàn)天然氣調(diào)度中心資源的統(tǒng)一管理，靈活調(diào)度，提高基礎(chǔ)架構(gòu)橫向擴(kuò)展便捷，實現(xiàn)能夠滿足可擴(kuò)展要求的超融合工業(yè)云架構(gòu)。目的是希望建設(shè)后的平臺將為管網(wǎng)企業(yè)實現(xiàn)高性能、高標(biāo)準(zhǔn)、高可用、高彈性、低成本和低風(fēng)險的自主可控全分布式超融合工業(yè)云架構(gòu)。

4.1.超融合技術(shù)簡介

超融合技術(shù)是指在同一套單元設(shè)備（x86服務(wù)器）中不僅僅具備計算、網(wǎng)絡(luò)、存儲和服務(wù)器虛擬化等資源和技術(shù)，而且還包括緩存加速、重復(fù)數(shù)據(jù)刪除、在線數(shù)據(jù)壓縮、備份軟件、快照技術(shù)等元素，而多節(jié)點(diǎn)可以通過網(wǎng)絡(luò)聚合起來，實現(xiàn)模塊化的無縫橫向擴(kuò)展（scale-out），形成統(tǒng)一的資源池。

超融合是針對傳統(tǒng)架構(gòu)的改良換代，具體優(yōu)點(diǎn)如下：

●物理融合及管理融合：超融合架構(gòu)把服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)及存儲進(jìn)行了融合，并且搭載在統(tǒng)一管理平臺上進(jìn)行維護(hù)，而傳統(tǒng)架構(gòu)則是全部分離的。

●存儲架構(gòu)：超融合采用分布式存儲，傳統(tǒng)架構(gòu)使用集中式存儲。

●網(wǎng)絡(luò)：超融合使用萬兆以太網(wǎng)，而傳統(tǒng)架構(gòu)多使用光纖交換機(jī)。

●可靠性方面：可以看出可靠性方面，超融合架構(gòu)的優(yōu)勢非常大，但其實這里的優(yōu)勢都是分布式存儲本身應(yīng)該具備的。

●性能方面：超融合在性能方面的架構(gòu)優(yōu)勢非常明顯，當(dāng)然代價就是消耗計算資源，所以計算資源的消耗是檢驗超融合專業(yè)性的一個重要因素。

●擴(kuò)展性方面：超融合的架構(gòu)是擴(kuò)展能力強(qiáng)，擴(kuò)容簡單快速，系統(tǒng)復(fù)雜度不會隨擴(kuò)容增加而增加。

●部署運(yùn)維方面：相對傳統(tǒng)架構(gòu)，超融合布局，維護(hù)簡單，能夠在一定程度上智能運(yùn)維。

4.2.典型天然氣調(diào)控中心超融合設(shè)計方案

為了滿足調(diào)度中心對工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的管理需求、算力要求、存儲要求，在生產(chǎn)網(wǎng)內(nèi)布置超融合平臺，該平臺設(shè)計由服務(wù)器、交換機(jī)、瘦客戶端等部分組成。

服務(wù)器用于搭建超融合管道運(yùn)行平臺，可采用若干臺服務(wù)器硬件搭建統(tǒng)一的硬件基礎(chǔ)平臺，將全部硬件資源建立統(tǒng)一的“運(yùn)算池”、“存儲池”、“通信池”，由上層管理平臺進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)用和分配。從池中選取符合性能要求的資源建立虛擬化主機(jī)，運(yùn)行指定的操作系統(tǒng)，用于安裝各類運(yùn)行監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集及網(wǎng)絡(luò)安全等軟件。

為保證針對總體硬件基礎(chǔ)平臺的要求，對常規(guī)油氣調(diào)控中心運(yùn)行系統(tǒng)的性能要求進(jìn)行分析匯總。經(jīng)過計算得出，總的資源占用情況為：

CPU：70核

內(nèi)存：164G

硬盤：42.8T

根據(jù)計算結(jié)果，超融合平臺可通過設(shè)置4臺高性能服務(wù)器、服務(wù)器存儲硬盤、2臺萬兆交換機(jī)及若干痩客戶端構(gòu)成超融合平臺的硬件資源池及網(wǎng)絡(luò)連接。

超融合平臺的每臺服務(wù)器上都安裝虛擬化軟件，該軟件用于在單個物理服務(wù)器實體上，生成多個虛擬服務(wù)器，而每一個虛擬服務(wù)器，從功能、性能和操作方式上，等同于傳統(tǒng)的單臺物理服務(wù)器，在每個虛擬服務(wù)器上，再安裝配置Windows或Linux操作系統(tǒng)，部署應(yīng)用軟件，對外提供業(yè)務(wù)訪問，從而大大提高資源利用率，降低成本，增強(qiáng)了系統(tǒng)和應(yīng)用的可用性，提高系統(tǒng)的靈活性和快速響應(yīng)，實現(xiàn)了服務(wù)器超融合架構(gòu)的整合。

4.3.超融合技術(shù)設(shè)計方案的優(yōu)勢

●計算虛擬化

通過虛擬化技術(shù)將一臺物理計算機(jī)虛擬為多臺邏輯計算機(jī)。在一臺物理計算機(jī)上同時運(yùn)行多個邏輯計算機(jī)，每個邏輯計算機(jī)可運(yùn)行不同的操作系統(tǒng)，并且應(yīng)用程序都可以在相互獨(dú)立的空間內(nèi)運(yùn)行而互不影響，從而顯著提高計算機(jī)的工作效率。

●存儲資源池

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)存儲系統(tǒng)采用集中的存儲服務(wù)器存放所有數(shù)據(jù)，是可靠性和安全性的焦點(diǎn)，不能滿足大規(guī)模存儲應(yīng)用的需要。超融合工業(yè)云采用了可擴(kuò)展的分布式存儲系統(tǒng)，利用多臺存儲服務(wù)器分擔(dān)存儲負(fù)荷，它不但提高了系統(tǒng)的可靠性、可用性，還易于擴(kuò)展，降低存儲采購成本。分布式存儲系統(tǒng)不僅為虛擬主機(jī)提供塊存儲也為對象存儲提供存儲能力。同時分布式存儲系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)的多個實時副本，保證用戶數(shù)據(jù)的安全。

●網(wǎng)絡(luò)虛擬化

網(wǎng)絡(luò)虛擬化以軟件方式完整再現(xiàn)了物理網(wǎng)絡(luò)。虛擬網(wǎng)絡(luò)不僅可以提供與物理網(wǎng)絡(luò)相同的功能特性和性能保證，而且還具有虛擬化的運(yùn)維優(yōu)勢和硬件獨(dú)立性，包括快速調(diào)配、無中斷部署、自動維護(hù)等。網(wǎng)絡(luò)虛擬化將邏輯網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備和服務(wù)（邏輯端口、交換機(jī)、路由器、防火墻、負(fù)載平衡器和VPN 等）提供給已連接的工作負(fù)載。應(yīng)用在虛擬網(wǎng)絡(luò)上的運(yùn)行與在物理網(wǎng)絡(luò)上完全相同。

●系統(tǒng)高可用性

由于工業(yè)應(yīng)用的特殊性，工業(yè)控制系統(tǒng)所在的計算環(huán)境需要保證極高的可用性。超融合運(yùn)算平臺需要具備足夠的冗余要求，平臺的虛擬化資源需要具備自動化故障轉(zhuǎn)移功能，部分核心控制系統(tǒng)的可用性要求，需要達(dá)到>99.999%的容錯等級，超融合平臺可以滿足可用性要求。

5.結(jié)論

本文以典型天然氣調(diào)控中心數(shù)據(jù)中心建設(shè)為例，描述了一種采用超融合技術(shù)建設(shè)的設(shè)計思路。通過超融合技術(shù)在調(diào)控中心建立工業(yè)云平臺，極大的減少了各類系統(tǒng)的硬件資源浪費(fèi)，降低了硬件設(shè)備的復(fù)雜程度及相應(yīng)的運(yùn)維復(fù)雜程度，可以幫助企業(yè)更加搭建更加高效、可靠、靈活的數(shù)據(jù)服務(wù)架構(gòu)。

在討論超融合技術(shù)優(yōu)勢的同時，我們也應(yīng)該注意到，超融合技術(shù)作為新引入工業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)，目前應(yīng)用于油、氣管網(wǎng)的案例還不夠豐富，油氣調(diào)控中心對高并發(fā)的工業(yè)數(shù)據(jù)的實時性要求極高，在大規(guī)模油氣管網(wǎng)調(diào)控中心的應(yīng)用上尚需一定時間的摸索及驗證。