云計(jì)算與虛擬化在智能煤礦建設(shè)中的應(yīng)用

馬小龍

（國家能源集團(tuán)陜西神延煤炭有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719000）

煤礦使用云計(jì)算技術(shù)通常采取從外圍系統(tǒng)開始逐步遷移的實(shí)施路線[1－4]。輔助性業(yè)務(wù)系統(tǒng)安全等級較低，系統(tǒng)問題不會導(dǎo)致巨大的業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)。普遍考慮將渠道類系統(tǒng)、客戶營銷系統(tǒng)和經(jīng)營管理等輔助性系統(tǒng)嘗試使用云計(jì)算，從而提升系統(tǒng)管理的靈活性，降低運(yùn)營成本，同時也大幅提升了相關(guān)的用戶體驗(yàn)。不同類型的煤礦對云計(jì)算的應(yīng)用路徑也存在較大差異，不能一概而論。比如中大型煤企由于傳統(tǒng)信息化基礎(chǔ)設(shè)施投入大，有專職技術(shù)部門，安全要求更加謹(jǐn)慎等原因，一般選擇沿用采購軟硬件產(chǎn)品自行搭建混合云并獨(dú)立運(yùn)維。而小型煤企由于資金、人力等原因一般不會選擇混合云部署模型，更傾向選擇行業(yè)云。中大型煤企在傳統(tǒng)核心架構(gòu)云化演進(jìn)過程中主要關(guān)注如何提升系統(tǒng)上線的速度、降低成本和提升運(yùn)維效率。

1 煤礦云化建設(shè)方案

1.1 基礎(chǔ)設(shè)施云建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)及架構(gòu)

煤礦云服務(wù)主要分為基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（IaaS）、平臺即服務(wù)（PaaS）；IaaS 服務(wù)涉及服務(wù)器虛擬化、分布式存儲軟件、云平臺軟件、SDN 控制器；PaaS 服務(wù)通常覆蓋Docker 容器、應(yīng)用管理、開發(fā)測試DevOps、微服務(wù)框架Spring Cloud[5-7]。從生態(tài)能力、技術(shù)可控、后期運(yùn)維角度考慮，對關(guān)鍵技術(shù)采用開源路線，如：Openstack 技術(shù)、KVM 技術(shù)、SDN 技術(shù)、Ceph 技術(shù)、容器技術(shù)等。

從煤礦云對業(yè)務(wù)平臺支撐的角度出發(fā)，云平臺采用“1＋2＋N”的整體架構(gòu)[8-10]，即：1 個基礎(chǔ)設(shè)施層，2個云服務(wù)能力層（IaaS＋PaaS），N 個業(yè)務(wù)中心（開發(fā)測試云、生產(chǎn)云、互聯(lián)網(wǎng)煤礦云、行業(yè)云）。通過基礎(chǔ)設(shè)施層和云服務(wù)能力層構(gòu)建出支撐業(yè)務(wù)單元所需的云資源，根據(jù)業(yè)務(wù)單元的不同屬性，可基于云平臺能力衍生出開發(fā)測試云、生產(chǎn)云、互聯(lián)網(wǎng)煤礦云、行業(yè)云；根據(jù)不同場景煤礦云的業(yè)務(wù)要求，可采用物理隔離或邏輯隔離方式來資源的隔離性。煤礦云架構(gòu)全景圖如圖1。

圖1 煤礦云架構(gòu)全景圖

1.1.1 基礎(chǔ)設(shè)施層

基礎(chǔ)設(shè)施層包括運(yùn)行云平臺所需的云數(shù)據(jù)中心機(jī)房運(yùn)行環(huán)境，以及計(jì)算、存儲、網(wǎng)絡(luò)、安全等設(shè)備。云中心機(jī)房的部署按照分區(qū)設(shè)計(jì)，可分為數(shù)據(jù)庫區(qū)、業(yè)務(wù)應(yīng)用區(qū)、存儲區(qū)、系統(tǒng)管理區(qū)、網(wǎng)絡(luò)出口區(qū)和安全防護(hù)區(qū)等區(qū)域。

1.1.2 IaaS 服務(wù)層

云服務(wù)能力層包含基礎(chǔ)服務(wù)IaaS 層和平臺服務(wù)PaaS 層。通過云計(jì)算虛擬化技術(shù)對底層硬件資源進(jìn)行抽象，有效的屏蔽因底層硬件的差異化所產(chǎn)生的運(yùn)維問題，通過云平臺異構(gòu)資源管理能力實(shí)現(xiàn)資源的統(tǒng)一服務(wù)、統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一運(yùn)維。主要包括x86計(jì)算資源與小型機(jī)資源的統(tǒng)一管理，分布式存儲與FC 存儲的統(tǒng)一管理，SDN 網(wǎng)絡(luò)虛擬化與云平臺融合、安全資源池與云平臺融合。

典型的IaaS 服務(wù)功能包括云主機(jī)、云存儲（云數(shù)據(jù)盤、對象存儲）、云數(shù)據(jù)庫服務(wù)、云防火墻、云負(fù)載均衡和云網(wǎng)絡(luò)（租戶子網(wǎng)/IP/域名等）。IaaS 層服務(wù)向PaaS 層提供開放API 接口調(diào)用。

煤礦云平臺對計(jì)算中心內(nèi)基礎(chǔ)架構(gòu)整合、應(yīng)用整合，從業(yè)務(wù)邏輯方面分析，可以分為處理域業(yè)務(wù)、分析域業(yè)務(wù)、管理域業(yè)務(wù)、開發(fā)測試業(yè)務(wù)、云管理平臺等，按照煤礦云平臺業(yè)務(wù)的具體需求特點(diǎn)，規(guī)劃了差異性的資源池，有效的支持煤礦業(yè)務(wù)發(fā)展要求。云計(jì)算中心內(nèi)資源池總體邏輯框架被分為了5 大池區(qū)：業(yè)務(wù)資源池、專用PaaS 資源池、云管理區(qū)、安全資源池、存儲資源池。IaaS 服務(wù)覆蓋計(jì)算服務(wù)、存儲服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、云安全服務(wù)、云運(yùn)維服務(wù)、云運(yùn)營、云容災(zāi)服務(wù)。

1.1.3 PaaS 服務(wù)層

PaaS 對底層的集群管理和資源調(diào)度進(jìn)行了平臺化抽象，全方位支持應(yīng)用創(chuàng)建、編譯、集成、編排、部署和運(yùn)行的每1 個環(huán)節(jié)，提供1 個高效、高可用的應(yīng)用運(yùn)行環(huán)境?；贒okcer 容器服務(wù)能力可以更好的支撐敏態(tài)類應(yīng)用，也可以支撐基于微服務(wù)框架開發(fā)的應(yīng)用，在PaaS 平臺融入云原生所涉及的ServerLess 等技術(shù)能力，構(gòu)建云原生應(yīng)用。

PaaS 平臺應(yīng)對煤礦行業(yè)的具體需求，以容器服務(wù)和虛擬機(jī)作為運(yùn)行環(huán)境，以數(shù)據(jù)庫和中間件作為支撐，提供應(yīng)用管理、微服務(wù)治理、DevOps、大數(shù)據(jù)等核心場景能力，向下對接IaaS 平臺的基礎(chǔ)資源，向上以平臺方式提供服務(wù)。

1.2 云容災(zāi)方案

從煤礦云信息化建設(shè)發(fā)展來看，最重要的是數(shù)據(jù)，因此將數(shù)據(jù)保護(hù)放在首位。在煤礦云數(shù)據(jù)中心中部署備份平臺，實(shí)現(xiàn)對業(yè)務(wù)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)的集中備份保護(hù)；采用全局的源端重復(fù)數(shù)據(jù)刪除實(shí)現(xiàn)對整體云計(jì)算平臺下的虛擬機(jī)和物理機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)保護(hù)，降低帶寬使用率與提高VTL 介質(zhì)空間的使用率。災(zāi)備平臺在單個數(shù)據(jù)中心內(nèi)采用多個災(zāi)備平臺節(jié)點(diǎn)，可根據(jù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量情況部署，每個災(zāi)備平臺節(jié)點(diǎn)都采用軟件模式部署在服務(wù)器上，都具備災(zāi)備計(jì)算能力與網(wǎng)絡(luò)吞吐能力，后端備份介質(zhì)統(tǒng)一采用虛擬帶庫VTL，VTL 可根據(jù)實(shí)際情況接入到網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)與災(zāi)備平臺的鏈路互通，實(shí)現(xiàn)本地?cái)?shù)據(jù)保護(hù)。

將設(shè)備進(jìn)行初始化后，在每個需要進(jìn)行備份保護(hù)的物理業(yè)務(wù)平臺系統(tǒng)上安裝備份客戶端代理程序，虛擬化平臺則采用無代理備份模式，然后針對每業(yè)務(wù)系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)量大小、數(shù)據(jù)重要程度等，分別制定合理的備份策略，策略制定完成后，將自動按照調(diào)度計(jì)劃定期定時或者實(shí)時地備份相關(guān)數(shù)據(jù)。安全技術(shù)功能服務(wù)組件框架如圖2。

圖2 安全技術(shù)功能服務(wù)組件框架

1.3 云安全方案

隨著煤礦建設(shè)一體化云平臺，需要針對云平臺的安全體系進(jìn)行規(guī)劃。依據(jù)國家等級保護(hù)要求和行業(yè)監(jiān)管的安全防護(hù)要求，基于煤礦現(xiàn)有安全體系之上針對云環(huán)境下的技術(shù)安全進(jìn)行補(bǔ)充和完善，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一云平臺統(tǒng)一安全管理。參考業(yè)界云平臺安全技術(shù)架構(gòu)方法結(jié)合現(xiàn)有的安全技術(shù)，提出煤礦統(tǒng)一云平臺安全技術(shù)架構(gòu)框架。每個定義的安全技術(shù)功能服務(wù)組件，都能夠形成獨(dú)立安全服務(wù)平臺，用于實(shí)現(xiàn)煤礦統(tǒng)一云平臺的安全目標(biāo)。

1.4 云運(yùn)維管理平臺

隨著煤礦云平臺的建設(shè)，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境日趨復(fù)雜，業(yè)務(wù)系統(tǒng)規(guī)模日趨龐大、架構(gòu)日趨復(fù)雜，基礎(chǔ)設(shè)施越來越多，對云平臺的穩(wěn)定性、可靠性要求也越來越高。為應(yīng)對云平臺引入給運(yùn)維工作帶來的變化與挑戰(zhàn)，建議從組織、流程、工具運(yùn)維管理三要素的視角全面考慮應(yīng)對的措施，使現(xiàn)有運(yùn)維管理體系能夠應(yīng)對云環(huán)境下運(yùn)維管理的挑戰(zhàn)。

煤礦云平臺運(yùn)維管理平臺主要由監(jiān)控管理模塊、運(yùn)維流程模塊、運(yùn)維報(bào)表模塊、運(yùn)維管理門戶模塊4 部分組成。

1）監(jiān)控管理模塊是整個煤礦云平臺運(yùn)維管理平臺的基礎(chǔ)，監(jiān)控管理模塊應(yīng)實(shí)現(xiàn)對云平臺的安全設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器、存儲、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、中間件、應(yīng)用系統(tǒng)、虛擬化等IT 基礎(chǔ)設(shè)施和機(jī)房等的統(tǒng)一監(jiān)控和管理。

2）運(yùn)維流程模塊提供對運(yùn)維服務(wù)管理流程的統(tǒng)一定制和集中管理功能，用來定義流程的活動以及各流程之間的聯(lián)系和接口，理清運(yùn)維部門與業(yè)務(wù)部門之間的關(guān)系，提供運(yùn)維服務(wù)與業(yè)務(wù)整合的途徑，提高運(yùn)維工作質(zhì)量、降低服務(wù)成本。

3）運(yùn)維報(bào)表模塊應(yīng)具備運(yùn)維報(bào)表生成的靈活性和呈現(xiàn)的多樣性，能滿足煤礦云平臺運(yùn)行狀況展現(xiàn)的需求，通過它能夠有序地展現(xiàn)運(yùn)維監(jiān)控和流程相關(guān)的所有管理指標(biāo)，通過報(bào)表設(shè)計(jì)器生成各種運(yùn)維數(shù)據(jù)分析報(bào)告和圖表，全面地呈現(xiàn)信息系統(tǒng)的設(shè)備資源、告警統(tǒng)計(jì)、安全告警、運(yùn)行狀況等，為故障診斷、領(lǐng)導(dǎo)決策提供科學(xué)的、可量化的決策依據(jù)。

4）運(yùn)維管理門戶為運(yùn)維平臺提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)視圖支撐，煤礦云平臺運(yùn)維管理門戶應(yīng)具備將日常運(yùn)維過程中關(guān)鍵云資源的關(guān)鍵性能指標(biāo)、云計(jì)算中心拓?fù)鋱D、業(yè)務(wù)運(yùn)行總覽、業(yè)務(wù)狀態(tài)信息、資產(chǎn)配置總覽、運(yùn)維流程工單視圖、集中告警視圖等數(shù)據(jù)進(jìn)行集中展現(xiàn)，并支持分角色、分帳號工作臺，滿足不同崗位人員數(shù)據(jù)關(guān)注需求。

2 虛擬化在智能礦山建設(shè)中的應(yīng)用與發(fā)展

2.1 虛擬化管理技術(shù)

虛擬化技術(shù)將計(jì)算、存儲等物理資源池化，為用戶提供彈性擴(kuò)展的資源，解決了硬件資源利用率低、業(yè)務(wù)部署周期長、運(yùn)維管理復(fù)雜等問題。數(shù)據(jù)中心服務(wù)器建設(shè)引入虛擬化技術(shù)，將物理資源劃分為不同性能的邏輯單元，并構(gòu)成計(jì)算、存儲資源池，靈活為各業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供所需資源。通過精簡服務(wù)器的數(shù)量，整合IT 基礎(chǔ)設(shè)施資源，精簡IT 操作，提高管理效率，達(dá)到提高物理資源利用率和降低整體成本的目的。同時，利用先進(jìn)的云管理理念，建立安全的、可審核的IT 系統(tǒng)環(huán)境，為業(yè)務(wù)部門提供成本更低、服務(wù)水平更高的基礎(chǔ)架構(gòu)，從而能夠針對業(yè)務(wù)部門的需求做出快速的響應(yīng)。

服務(wù)器虛擬化之所以能夠在數(shù)據(jù)中心快速廣泛應(yīng)用，其根本原因是能夠使用更少的資源承載更多的應(yīng)用。IT 管理員只需要管理少數(shù)物理服務(wù)器，就可以使數(shù)據(jù)中心更有效率，同時，更少的服務(wù)器意味著更低的能耗、更少的占地面積與制冷成本。歸根結(jié)底，服務(wù)器虛擬化為數(shù)據(jù)中心帶來了更優(yōu)的ROI（Return On Investment，投資回報(bào)率）。除了服務(wù)器虛擬化本身技術(shù)帶來的高ROI 之外，虛擬化性能監(jiān)控同樣可以更多的ROI 價(jià)值。

2.2 虛擬化架構(gòu)

虛擬化架構(gòu)由CVK 和CVM 2 個核心組件組成。

1）CVK（Cloud Virtualization Kernel）。虛擬化內(nèi)核平臺：運(yùn)行在基礎(chǔ)設(shè)施層和上層客戶操作系統(tǒng)之間的虛擬化內(nèi)核軟件。針對上層客戶操作系統(tǒng)對底層硬件資源的訪問，CVK 用于屏蔽底層異構(gòu)硬件之間的差異性，消除上層客戶操作系統(tǒng)對硬件設(shè)備以及驅(qū)動的依賴，同時增強(qiáng)了虛擬化運(yùn)行環(huán)境中的硬件兼容性、高可靠性、高可用性、可擴(kuò)展性、性能優(yōu)化等功能。

2）CVM（Cloud Virtualization Manager）。虛擬化管理系統(tǒng)：主要實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)中心內(nèi)的計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和存儲等硬件資源的軟件虛擬化管理，對上層應(yīng)用提供自動化服務(wù)。其業(yè)務(wù)范圍包括：虛擬計(jì)算、虛擬網(wǎng)絡(luò)、虛擬存儲、高可用性（HA）、動態(tài)資源調(diào)度（DRS）、虛擬機(jī)容災(zāi)與備份、虛擬機(jī)模板管理、集群文件系統(tǒng)、虛擬交換機(jī)策略等。

2.3 云計(jì)算和虛擬化技術(shù)在智能礦山中的發(fā)展

隨著煤礦建設(shè)向數(shù)字化和智能化轉(zhuǎn)型，利用虛擬化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)物理資源和資源池的動態(tài)共享，提高了資源利用率、使用靈活性和安全性，大大降低了企業(yè)成本。針對煤礦采煤系統(tǒng)、運(yùn)輸系統(tǒng)、掘進(jìn)系統(tǒng)、機(jī)電系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)，露天煤礦穿爆、礦卡無人駕駛、災(zāi)害預(yù)警、生產(chǎn)及輔助等系統(tǒng)終端采集的數(shù)據(jù)量龐大，系統(tǒng)分散，管理維護(hù)成本高的缺點(diǎn)，可以通過云平臺實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、融合，最終實(shí)現(xiàn)實(shí)時查詢、實(shí)時監(jiān)測、無人值守、分析預(yù)警等功能，幫助管理人員快速準(zhǔn)確地做出決策。

3 結(jié)語

云計(jì)算、虛擬化技術(shù)為智能礦山業(yè)務(wù)系統(tǒng)搭建提供了一種優(yōu)質(zhì)、快速、低成本的解決方案，其使用業(yè)務(wù)場景也越來越廣泛，目前已經(jīng)在煤炭行業(yè)開始了廣泛應(yīng)用，隨著國家加快煤礦智能化建設(shè)步伐，云計(jì)算、虛擬化技術(shù)必將不斷迭代提升，助力煤礦智能化建設(shè)開啟新征程。