云計(jì)算在輸油氣管道SCADA系統(tǒng)上的應(yīng)用

吳琋瑛 徐方辰

1.中國(guó)石油管道建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)理部，北京 100101 2.中國(guó)石油西氣東輸管道公司，上海 200122

0 前言

隨著國(guó)內(nèi)輸油氣管道的大量建設(shè)，與之配套的SCADA系統(tǒng)逐漸暴露出服務(wù)器數(shù)量多、利用率低及不同品牌系統(tǒng)互不兼容等問(wèn)題，極大增加了運(yùn)行維護(hù)管理工作量和設(shè)備電源功耗等。因此，研究云計(jì)算在輸油氣管道SCADA系統(tǒng)上的應(yīng)用尤為重要。

1 目前輸油氣管道SCADA系統(tǒng)存在問(wèn)題

a）中國(guó)石油北京油氣調(diào)控中心往往需購(gòu)置大量服務(wù)器，包括實(shí)時(shí)服務(wù)器、歷史服務(wù)器，分別按照管道輸送介質(zhì)類型用來(lái)存儲(chǔ)天然氣管線、成品油管線和原油管線的SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)［1］。這些服務(wù)器按照設(shè)計(jì)要求配置熱備份［2］，且每臺(tái)可利用率要求最大不超過(guò)40%。隨著新建管道不斷增加，不但服務(wù)器購(gòu)置越來(lái)越多，且極大地增加了運(yùn)行維護(hù)管理工作量和設(shè)備電源功耗等。以天然氣管線服務(wù)器配置為例，基本每條管線都在主/備調(diào)控中心配置了用于本工程管理的實(shí)時(shí)服務(wù)器和歷史服務(wù)器，見(jiàn)圖1。

b）隨著管道工程近十年的大規(guī)模建設(shè)，油氣管道尤其是天然氣管道業(yè)務(wù)已成為中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司主營(yíng)業(yè)務(wù)，也是此后需加快發(fā)展的核心業(yè)務(wù)。因管道項(xiàng)目或建設(shè)時(shí)期等不同，一個(gè)站點(diǎn)往往有多條管道需不斷擴(kuò)建。如中衛(wèi)壓氣站，西氣東輸一線及二線、中衛(wèi)—貴陽(yáng)輸氣管線都經(jīng)過(guò)了該站，其站控因不同工程招標(biāo)不同而采用了不同廠家的系統(tǒng)，結(jié)果各線系統(tǒng)互不兼容，運(yùn)維人員要在不同的人機(jī)界面上操作和管理，加之西氣東輸三線也即將經(jīng)過(guò)這里，中衛(wèi)壓氣站將再次面臨該問(wèn)題［3］。

2 云計(jì)算簡(jiǎn)介

圖1 天然氣管道服務(wù)器配置現(xiàn)狀

云計(jì)算目前尚無(wú)統(tǒng)一定義。概言之，云計(jì)算是一種大規(guī)模分步式計(jì)算模式，通過(guò)云計(jì)算可形成一個(gè)抽象的、虛擬的、可動(dòng)態(tài)擴(kuò)展的資源池，該資源池可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)向用戶按需提供計(jì)算、存儲(chǔ)、開(kāi)發(fā)平臺(tái)和軟件等服務(wù)。

云計(jì)算的核心思想，是將大量用網(wǎng)絡(luò)連接的計(jì)算資源統(tǒng)一管理和調(diào)度，構(gòu)成一個(gè)計(jì)算資源池向用戶按需提供服務(wù)。其核心技術(shù)是將服務(wù)器虛擬化并將大量信息“分散處理”。服務(wù)器虛擬化可以理解為，以一臺(tái)服務(wù)器為中心，同時(shí)存在許多小服務(wù)器（理論上的服務(wù)器），它們由獨(dú)立的計(jì)算機(jī)構(gòu)成。雖然實(shí)際上只有一臺(tái)服務(wù)器，但通過(guò)虛擬化技術(shù)，能夠在一個(gè)物理服務(wù)器上生成多個(gè)虛擬服務(wù)器，并且對(duì)這些虛擬服務(wù)器進(jìn)行全面隔離。在云計(jì)算服務(wù)中采用虛擬化技術(shù)，使其在響應(yīng)多種用戶請(qǐng)求時(shí)，能夠?qū)①Y源分散進(jìn)行處理。分散處理是一種對(duì)用戶請(qǐng)求進(jìn)行快速分散處理的技術(shù)，接受服務(wù)器將用戶請(qǐng)求分解成多個(gè)小的處理文件，在多個(gè)虛擬服務(wù)器進(jìn)行分散處理，最后虛擬服務(wù)器將結(jié)果返回到應(yīng)答服務(wù)器，由它將處理結(jié)果回答給原始用戶。

云計(jì)算一般分為公有云和私有云。公有云通常指第三方提供商用用戶能夠使用的云，一般可通過(guò)因特網(wǎng)使用，如搜索引擎谷歌，就是運(yùn)用云計(jì)算在因特網(wǎng)上提供查詢服務(wù)。這種云計(jì)算實(shí)例很多，為當(dāng)今整個(gè)開(kāi)放的公有網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)。私有云是為一個(gè)用戶單獨(dú)使用而構(gòu)建的，因而能夠提供對(duì)數(shù)據(jù)、安全性和服務(wù)質(zhì)量的最有效控制，其可以控制商用用戶擁有的基礎(chǔ)設(shè)施及在此基礎(chǔ)設(shè)施上部署應(yīng)用程序的方式。私有云可部署在企業(yè)數(shù)據(jù)中心的防火墻內(nèi)，也可部署在一個(gè)安全的主機(jī)托管場(chǎng)所。

目前，云計(jì)算在國(guó)內(nèi)主要廣泛應(yīng)用在IT行業(yè)和一線地市政府。谷歌最早推出云計(jì)算應(yīng)用，是軟件即服務(wù)思想的典型體現(xiàn)，使全球用戶都能夠感受其硬件條件的優(yōu)勢(shì)。北京市政府的“祥云”工程已列入“十二五規(guī)劃”，投資計(jì)劃500億元，采用云計(jì)算發(fā)展智能電網(wǎng)、節(jié)能減排、移動(dòng)互聯(lián)、定位與導(dǎo)航服務(wù)、電子商務(wù)服務(wù)等新興業(yè)務(wù)。其中，電力系統(tǒng)已開(kāi)始了云計(jì)算的應(yīng)用研究，利用系統(tǒng)內(nèi)部廣域網(wǎng)建立私有電力云，通過(guò)電力云最大限度地整合電力系統(tǒng)現(xiàn)有的計(jì)算能力和存儲(chǔ)資源，構(gòu)建電網(wǎng)電能損耗、智能預(yù)警分析功能，并為系統(tǒng)提供超級(jí)計(jì)算能力。云存儲(chǔ)和計(jì)算資源的訪問(wèn)可以完全由電力系統(tǒng)自己控制，而不是由公有云計(jì)算服務(wù)商提供，以保證數(shù)據(jù)安全。中國(guó)海洋石油總公司在2009年就開(kāi)始對(duì)其數(shù)據(jù)中心的數(shù)百臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行了虛擬化技術(shù)應(yīng)用，通過(guò)虛擬化技術(shù)虛擬出多臺(tái)服務(wù)器，改變了過(guò)去1個(gè)應(yīng)用就需要1臺(tái)服務(wù)器的狀況，真實(shí)的服務(wù)器數(shù)量大大減少，有利于散熱與節(jié)能［4］。

3 云計(jì)算的應(yīng)用

3.1 服務(wù)器虛擬化

將已有的每臺(tái)服務(wù)器分拆為多臺(tái)虛擬服務(wù)器，按照計(jì)算任務(wù)劃分成若干部分，比如CPU池，內(nèi)存池，存儲(chǔ)資源池等，打破單服務(wù)器單任務(wù)的模式；通過(guò)添加虛擬化層，將1臺(tái)物理服務(wù)器安裝多個(gè)操作系統(tǒng)和應(yīng)用，使得物理資源可以作為資源池靈活按需發(fā)配。比如，在A、B成品油管道的實(shí)時(shí)服務(wù)器A、B中，都有大量的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)要使用，但因其所面對(duì)的管道站場(chǎng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量不同，CPU負(fù)荷最大消耗量則不同，服務(wù)器A為14.19%，服務(wù)器B為26.4%，隨著新建管道的增加，服務(wù)器B的資源最大可利用率按照40%配置已不能滿足新建管道的需要。若采用虛擬技術(shù)，則可將存儲(chǔ)在A、B每臺(tái)服務(wù)器上的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)劃分成若干部分，每臺(tái)服務(wù)器運(yùn)行相同的程序，由負(fù)載均衡器根據(jù)服務(wù)器的壓力自動(dòng)將訪問(wèn)請(qǐng)求均衡分配到其它服務(wù)器，跨資源池動(dòng)態(tài)調(diào)整計(jì)算資源，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器負(fù)載均衡和利用率提升。

對(duì)管理者而言，從操作員工作站向上看，分不出各是哪條管道的實(shí)時(shí)服務(wù)器和歷史服務(wù)器，所看到的是同類介質(zhì)管道服務(wù)器云，見(jiàn)圖2。

虛擬技術(shù)的應(yīng)用，可將暫不工作的服務(wù)器置于待機(jī)模式，需要時(shí)再恢復(fù)成工作狀態(tài)，能夠極大地節(jié)省電源功耗［5］。以中海油田服務(wù)股份有限公司統(tǒng)計(jì)的數(shù)字為例，過(guò)去其數(shù)據(jù)中心30臺(tái)服務(wù)器耗電1 128度/d，采用虛擬化技術(shù)以后，現(xiàn)在耗電僅為54度/d，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排［4］。

圖2 管道服務(wù)器云

3.2 云計(jì)算平臺(tái)服務(wù)

針對(duì)一個(gè)站上各廠家站控系統(tǒng)不同而難以合并成一套系統(tǒng)的問(wèn)題，云計(jì)算技術(shù)能夠給企業(yè)或個(gè)人提供研發(fā)的中間平臺(tái)，提供應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)和數(shù)據(jù)庫(kù)、應(yīng)用服務(wù)器試驗(yàn)、托管及應(yīng)用服務(wù)，將開(kāi)發(fā)環(huán)境作為一種服務(wù)來(lái)提供給用戶，使用戶獲得一臺(tái)計(jì)算和存儲(chǔ)能力均可實(shí)時(shí)擴(kuò)展的虛擬超級(jí)計(jì)算機(jī)。

各廠家為用戶提供一個(gè)用于軟件開(kāi)發(fā)和測(cè)試的平臺(tái)，用戶在其平臺(tái)基礎(chǔ)上根據(jù)使用操作編程、服務(wù)器平臺(tái)、硬件資源等服務(wù)定制開(kāi)發(fā)自己的應(yīng)用程序并通過(guò)其服務(wù)器在站內(nèi)局域網(wǎng)內(nèi)通訊。云計(jì)算平臺(tái)為站內(nèi)每一個(gè)用戶系統(tǒng)都創(chuàng)造了一個(gè)完全獨(dú)立的虛擬系統(tǒng)環(huán)境，讓用戶可以通過(guò)局域網(wǎng)直接訪問(wèn)云計(jì)算平臺(tái)上的應(yīng)用軟件，而無(wú)需在本地計(jì)算機(jī)上安裝該應(yīng)用軟件，免去了用戶安裝、維護(hù)、升級(jí)本地應(yīng)用軟件的麻煩，計(jì)算任務(wù)都將在云計(jì)算平臺(tái)上完成，見(jiàn)圖3。

圖3 云計(jì)算中間平臺(tái)應(yīng)用

通過(guò)建立云計(jì)算中間平臺(tái)，可以通過(guò)國(guó)內(nèi)公司開(kāi)發(fā)自己的程序，規(guī)避國(guó)外公司對(duì)站控系統(tǒng)軟件的長(zhǎng)期壟斷。

4 結(jié)論

云計(jì)算可實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模的分布式計(jì)算，可擴(kuò)展性強(qiáng)，硬件投資少，軟件開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)便，是具有國(guó)內(nèi)自主產(chǎn)權(quán)的軟件和硬件設(shè)備。輸油氣管道SCADA系統(tǒng)要建私有云，即SCADA數(shù)據(jù)是在自己的專線專網(wǎng)內(nèi)，物理結(jié)構(gòu)上與外網(wǎng)完全隔離，這就避免了目前普遍擔(dān)心的安全性問(wèn)題。目前雖然云計(jì)算在輸油氣管道SCADA系統(tǒng)上尚無(wú)應(yīng)用案例，但可預(yù)見(jiàn)云計(jì)算未來(lái)一定能夠在輸油氣管道數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和應(yīng)用上發(fā)揮顯著作用。

［1］張樂(lè)長(zhǎng).天然氣管道SCADA系統(tǒng)的實(shí)施［J］.天然氣與石油，2002，20（1）：36-37.

［2］謝安俊，程文江，魏廉敦.輸氣管道SCADA系統(tǒng)及其計(jì)算機(jī)技術(shù)［J］.天然氣與石油，1996，14（2）：44-49.

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