超融合技術在天然氣調控中心的應用

顧鶴麟 張博春 汪凱 聶磊

摘要：在天然氣管道智能化、管網智能化建設的進程中，為實現全面感知、實時監測、超前預警、系統融合數據采集、遠程控制、大數據的存儲及分析服務等功能部署在天然氣調控中心，隨著數據量級及系統類型的數量驟增，各類服務器、工作站等計算機設備數量成幾何級數增長，這對調控中心資源統籌利用、高效使用、綜合性能、可靠性、先進性、靈活性的要求度越來越高。開始借鑒其他行業先進性的數據中心管理經驗，超融合技術方案作為IT行業內較為成熟的技術代表，可以為油氣調控中心的數據服務基礎建設提供一個良好的參考方案。本文以討論一個典型天然氣調控中心的超融合數據平臺設計為例，展示超融合技術與常規架構之間的區別及其優勢所在。

關鍵詞：超融合;天然氣調控中心;管網;虛擬化

1.前言

進入21世紀，以人工智能、大數據、云計算、物聯網等為標志的第四次工業革命孕育興起，開啟了智能時代的序幕。中國管道企業緊緊抓住這一發展機遇，積極探索實踐智能管道、智慧管網的發展道路。在這一過程中，油氣調度中心作為油氣管道“大腦”，被賦予更多的責任和更高的要求。

現如今，調控中心對管道、場站、閥室的工藝運行數據進行監控已無法滿足管網的“智慧”管理的要求，大量新型傳感器及現場分析設備被應用于管道行業現場，用于代替人對設施現場感知，除裝置運行數據外，更加全面的周邊態勢感知數據通過工業物聯網技術，匯集到調控中心，在調控中心進行集中展示、存儲、處理和分析，為油氣管網的生產運行決策提供數據支撐。

為了滿足調控中心對更加強大的采集、運算、分析管網現場數據的能力的要求，充分提高調控中心的算力以及數據服務的高可靠性保障，IT行業被廣泛采用的超融合技術逐漸被引入調控中心數據中心的基礎建設項目中。

2.調控中心需求分析

廣東省網已建天然氣管道1550公里，“十四五”期間還將規劃建設和收購管道1807公里，到“十四五”末公司管道總里程將達到3357公里，承接省內各氣源項目約30個，用戶達到90家以上，形成沿海進口LNG、陸上跨省管道天然氣、海上天然氣等多主體、多氣源互補的供氣格局。廣東省網調控中心是集生產監控平臺、應急管理平臺、工程管理平臺、可視化展示平臺為一體的大數據中心，全面監控廣東省網的生產運行。廣東省網調控中心將以“節能、降本、增效”為中心，以優化運行、設備提效為重點，對廣東省網進行統一調度、集中監視、遠程控制、應急指揮，并運用人工智能、邊緣計算和大數據技術，對生產運行、工程建設、安全管理等信息和數據進行匯集、處理、應用，建成高度集成化、信息化、自動化、智能化的運營中心，完成廣東省網數字化轉型，進一步提高廣東省網信息化水平和管理能力，保障廣東省網“安全、平穩、高效”運行。

為實現智慧化管網目標，前提之一就是實現天然氣調控中心的“全面感知”，為此，管道、場站、閥室內工藝設備的額運行狀態均采用遠傳儀表采集，并且與各類自控系統、執行機構組成控制回路，通過復雜的控制邏輯滿足“無人值守”、“一鍵啟停”、“自動分輸”等技術要求的實現。同時在主要工藝設備監控之外，大量新的智能技術被應用于裝置現場，例如：計量遠程運維、PLC智能診斷、管道光纖預警、激光云臺可燃氣體檢查、高后果區AI視頻監視、智能陰保、智慧工地管理等，相關數據均需要被采集到天然氣調控中心進行集中存儲、處理及綜合展示。下面以廣東省天然氣管網調控中心為例，描述其數據服務規模。

2.1.工藝過程監控

SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系統，即數據采集與監視控制系統。SCADA服務器布置于天然氣調控中心，用于集中采集天然氣管道及站場閥室運行數據，并進行動態展示，生產運行人員可以通過SCADA系統向站場、閥室下發命令。

SCADA系統通過工業以太網與閥室RTU（Remote Terminal Unite）單元、站場PCS（Process Control System）系統保持通信，通過MODBUS TCP/ IEC104等協議實時采集并監控現場工藝設備。為保障SCADA系統的穩定性，其工業以太網通信鏈路、歷史服務器、實時服務器均采用熱冗余配置，設置有專用工程師站及滿足生產運行監控操作的若干臺操作員站、打印機等設備。

2.2.資產管理平臺

對于影響現場正常生產運行的關鍵設備，例如自控系統，工業以太網通信設備等，天然氣調控中心需考慮建立相應的設備診斷管理平臺，采集此類設備的動態運行數據并進行分析，對設備可能存在的故障隱患、故障發生時間進行預測。在天然氣調控中心通常建有的設備診斷平臺包含：

●PLC/RTU遠程診斷與維護系統;

●網絡設備管理系統;

●計量遠程診斷系統。

隨著管網智能化建設的深入，更多的系統將被部署在天然氣氣調控中心，例如：視頻分析平臺、管道完整性平臺、項目建設管理平臺、數字孿生平臺、工藝建模平臺、資產管理平臺等。每套系統均需要在調控中心布置獨立的數據庫服務器、應用服務器，網絡通信設備以及一定數量的操作站、工程師站、打印機等設備。

可以預測的將來，如果繼續按照常規天然氣氣管網調控中心數據中心建設模式，數據中心將容納數十套不同品牌的服務器，其中運行著不同版本類型的操作系統，不同規格和授權的數據庫軟件。其運行維護難度將越來越大。

2.3.工控安全管理

隨著不同用途的平臺投用，打通各系統之間數據“孤島”，實現不同系統之間的“協作”的需求就會越來越多，隨之而來的問題就是工業信息安全管理。

隨著工業互聯網的發展，工業信息安全問題日益獲得重視，根據網絡安全相關法律法規要求，作為天然氣管網控制核心的調控中心應設有統一網絡安全管理平臺、態勢感知、工控漏洞掃描及管理系統、安全運維管理系統等。

2.4.第三方系統支持

油氣調控中心主要負責不僅是保障現場設備的安全平穩運行，同時也為物資、維修、計劃、調度等公司管理部門提供生產運行數據，管網運行企業通常建有MES、ERP等生產管理系統，天然氣調控中心各類系統為之提供數據服務。為保證工業信息安全并降低重復調用帶來的系統高負載，調控中心通常建有中間數據服務器及網絡安全管理設備。中間數據服務器將調控中心各系統數據統一歸集到一套數據庫中，作為統一的對外接口，中間數據服務器發布的數據通過網絡安全設備單向發布到企業生產管理系統中。

3.傳統調控中心系統架構的不足

如果按照傳統調控中心應用的架構，調度中心建立的每個系統的硬件資源及網絡資源都是相對獨立的，有些系統資源在80%的日常運行情況下只使用了30%以下，有些系統資源運行在高負荷的70%以上，各系統之間負荷經常出現不平衡現象。這種模式導致了資源使用效率低下、不穩定性增強。傳統以業務單元為導向建立所需的服務器、存儲、網絡等基礎架構設施，如下圖所示：

這種架構主要問題表現在：

●各個系統服務器的物理分布不集中，每項業務都有自己獨立運行的服務器;

●服務器系統的環境比較復雜，表現為設備數量多，故障點多，產品不統一，缺乏規范性，運維管理的工作量和難度大;

●各個系統重復投資和建設，建設成本高，技術上沒有統一規范和標準;

●沒有實現資源共享，服務器資源使用率低，難以集中管理和使用;

●不能根據實際需要和業務變化動態調整資源和快速擴展，系統的靈活性和擴展性差;

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

4.超融合技術應用

為了應對規模越來越大的數據中心建設需求，本案例借鑒IT行業成熟的超融合技術，探討實現天然氣調度中心資源的統一管理，靈活調度，提高基礎架構橫向擴展便捷，實現能夠滿足可擴展要求的超融合工業云架構。目的是希望建設后的平臺將為管網企業實現高性能、高標準、高可用、高彈性、低成本和低風險的自主可控全分布式超融合工業云架構。

4.1.超融合技術簡介

超融合技術是指在同一套單元設備（x86服務器）中不僅僅具備計算、網絡、存儲和服務器虛擬化等資源和技術，而且還包括緩存加速、重復數據刪除、在線數據壓縮、備份軟件、快照技術等元素，而多節點可以通過網絡聚合起來，實現模塊化的無縫橫向擴展（scale-out），形成統一的資源池。

超融合是針對傳統架構的改良換代，具體優點如下：

●物理融合及管理融合：超融合架構把服務器、網絡及存儲進行了融合，并且搭載在統一管理平臺上進行維護，而傳統架構則是全部分離的。

●存儲架構：超融合采用分布式存儲，傳統架構使用集中式存儲。

●網絡：超融合使用萬兆以太網，而傳統架構多使用光纖交換機。

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

●性能方面：超融合在性能方面的架構優勢非常明顯，當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性的一個重要因素。

●擴展性方面：超融合的架構是擴展能力強，擴容簡單快速，系統復雜度不會隨擴容增加而增加。

●部署運維方面：相對傳統架構，超融合布局，維護簡單，能夠在一定程度上智能運維。

4.2.典型天然氣調控中心超融合設計方案

為了滿足調度中心對工業現場數據的管理需求、算力要求、存儲要求，在生產網內布置超融合平臺，該平臺設計由服務器、交換機、瘦客戶端等部分組成。

服務器用于搭建超融合管道運行平臺，可采用若干臺服務器硬件搭建統一的硬件基礎平臺，將全部硬件資源建立統一的“運算池”、“存儲池”、“通信池”，由上層管理平臺進行統一調用和分配。從池中選取符合性能要求的資源建立虛擬化主機，運行指定的操作系統，用于安裝各類運行監控、數據采集及網絡安全等軟件。

為保證針對總體硬件基礎平臺的要求，對常規油氣調控中心運行系統的性能要求進行分析匯總。經過計算得出，總的資源占用情況為：

CPU：70核

內存：164G

硬盤：42.8T

根據計算結果，超融合平臺可通過設置4臺高性能服務器、服務器存儲硬盤、2臺萬兆交換機及若干痩客戶端構成超融合平臺的硬件資源池及網絡連接。

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

4.3.超融合技術設計方案的優勢

●計算虛擬化

通過虛擬化技術將一臺物理計算機虛擬為多臺邏輯計算機。在一臺物理計算機上同時運行多個邏輯計算機，每個邏輯計算機可運行不同的操作系統，并且應用程序都可以在相互獨立的空間內運行而互不影響，從而顯著提高計算機的工作效率。

●存儲資源池

傳統的網絡存儲系統采用集中的存儲服務器存放所有數據，是可靠性和安全性的焦點，不能滿足大規模存儲應用的需要。超融合工業云采用了可擴展的分布式存儲系統，利用多臺存儲服務器分擔存儲負荷，它不但提高了系統的可靠性、可用性，還易于擴展，降低存儲采購成本。分布式存儲系統不僅為虛擬主機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提供數據的多個實時副本，保證用戶數據的安全。

●網絡虛擬化

網絡虛擬化以軟件方式完整再現了物理網絡。虛擬網絡不僅可以提供與物理網絡相同的功能特性和性能保證，而且還具有虛擬化的運維優勢和硬件獨立性，包括快速調配、無中斷部署、自動維護等。網絡虛擬化將邏輯網絡連接設備和服務（邏輯端口、交換機、路由器、防火墻、負載平衡器和VPN 等）提供給已連接的工作負載。應用在虛擬網絡上的運行與在物理網絡上完全相同。

●系統高可用性

由于工業應用的特殊性，工業控制系統所在的計算環境需要保證極高的可用性。超融合運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移功能，部分核心控制系統的可用性要求，需要達到>99.999%的容錯等級，超融合平臺可以滿足可用性要求。

5.結論

本文以典型天然氣調控中心數據中心建設為例，描述了一種采用超融合技術建設的設計思路。通過超融合技術在調控中心建立工業云平臺，極大的減少了各類系統的硬件資源浪費，降低了硬件設備的復雜程度及相應的運維復雜程度，可以幫助企業更加搭建更加高效、可靠、靈活的數據服務架構。

在討論超融合技術優勢的同時，我們也應該注意到，超融合技術作為新引入工業領域的技術，目前應用于油、氣管網的案例還不夠豐富，油氣調控中心對高并發的工業數據的實時性要求極高，在大規模油氣管網調控中心的應用上尚需一定時間的摸索及驗證。