超融合技术在天然气调控中心的应用

顾鹤麟 张博春 汪凯 聂磊

摘要：在天然气管道智能化、管网智能化建设的进程中，为实现全面感知、实时监测、超前预警、系统融合数据采集、远程控制、大数据的存储及分析服务等功能部署在天然气调控中心，随着数据量级及系统类型的数量骤增，各类服务器、工作站等计算机设备数量成几何级数增长，这对调控中心资源统筹利用、高效使用、综合性能、可靠性、先进性、灵活性的要求度越来越高。开始借鉴其他行业先进性的数据中心管理经验，超融合技术方案作为IT行业内较为成熟的技术代表，可以为油气调控中心的数据服务基础建设提供一个良好的参考方案。本文以讨论一个典型天然气调控中心的超融合数据平台设计为例，展示超融合技術与常规架构之间的区别及其优势所在。

关键词：超融合;天然气调控中心;管网;虚拟化

1.前言

进入21世纪，以人工智能、大数据、云计算、物联网等为标志的第四次工业革命孕育兴起，开启了智能时代的序幕。中国管道企业紧紧抓住这一发展机遇，积极探索实践智能管道、智慧管网的发展道路。在这一过程中，油气调度中心作为油气管道“大脑”，被赋予更多的责任和更高的要求。

现如今，调控中心对管道、场站、阀室的工艺运行数据进行监控已无法满足管网的“智慧”管理的要求，大量新型传感器及现场分析设备被应用于管道行业现场，用于代替人对设施现场感知，除装置运行数据外，更加全面的周边态势感知数据通过工业物联网技术，汇集到调控中心，在调控中心进行集中展示、存储、处理和分析，为油气管网的生产运行决策提供数据支撑。

为了满足调控中心对更加强大的采集、运算、分析管网现场数据的能力的要求，充分提高调控中心的算力以及数据服务的高可靠性保障，IT行业被广泛采用的超融合技术逐渐被引入调控中心数据中心的基础建设项目中。

2.调控中心需求分析

广东省网已建天然气管道1550公里，“十四五”期间还将规划建设和收购管道1807公里，到“十四五”末公司管道总里程将达到3357公里，承接省内各气源项目约30个，用户达到90家以上，形成沿海进口LNG、陆上跨省管道天然气、海上天然气等多主体、多气源互补的供气格局。广东省网调控中心是集生产监控平台、应急管理平台、工程管理平台、可视化展示平台为一体的大数据中心，全面监控广东省网的生产运行。广东省网调控中心将以“节能、降本、增效”为中心，以优化运行、设备提效为重点，对广东省网进行统一调度、集中监视、远程控制、应急指挥，并运用人工智能、边缘计算和大数据技术，对生产运行、工程建设、安全管理等信息和数据进行汇集、处理、应用，建成高度集成化、信息化、自动化、智能化的运营中心，完成广东省网数字化转型，进一步提高广东省网信息化水平和管理能力，保障广东省网“安全、平稳、高效”运行。

为实现智慧化管网目标，前提之一就是实现天然气调控中心的“全面感知”，为此，管道、场站、阀室内工艺设备的额运行状态均采用远传仪表采集，并且与各类自控系统、执行机构组成控制回路，通过复杂的控制逻辑满足“无人值守”、“一键启停”、“自动分输”等技术要求的实现。同时在主要工艺设备监控之外，大量新的智能技术被应用于装置现场，例如：计量远程运维、PLC智能诊断、管道光纤预警、激光云台可燃气体检查、高后果区AI视频监视、智能阴保、智慧工地管理等，相关数据均需要被采集到天然气调控中心进行集中存储、处理及综合展示。下面以广东省天然气管网调控中心为例，描述其数据服务规模。

2.1.工艺过程监控

SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系统，即数据采集与监视控制系统。SCADA服务器布置于天然气调控中心，用于集中采集天然气管道及站场阀室运行数据，并进行动态展示，生产运行人员可以通过SCADA系统向站场、阀室下发命令。

SCADA系统通过工业以太网与阀室RTU（Remote Terminal Unite）单元、站场PCS（Process Control System）系统保持通信，通过MODBUS TCP/ IEC104等协议实时采集并监控现场工艺设备。为保障SCADA系统的稳定性，其工业以太网通信链路、历史服务器、实时服务器均采用热冗余配置，设置有专用工程师站及满足生产运行监控操作的若干台操作员站、打印机等设备。

2.2.资产管理平台

对于影响现场正常生产运行的关键设备，例如自控系统，工业以太网通信设备等，天然气调控中心需考虑建立相应的设备诊断管理平台，采集此类设备的动态运行数据并进行分析，对设备可能存在的故障隐患、故障发生时间进行预测。在天然气调控中心通常建有的设备诊断平台包含：

●PLC/RTU远程诊断与维护系统;

●网络设备管理系统;

●计量远程诊断系统。

随着管网智能化建设的深入，更多的系统将被部署在天然气气调控中心，例如：视频分析平台、管道完整性平台、项目建设管理平台、数字孪生平台、工艺建模平台、资产管理平台等。每套系统均需要在调控中心布置独立的数据库服务器、应用服务器，网络通信设备以及一定数量的操作站、工程师站、打印机等设备。

可以预测的将来，如果继续按照常规天然气气管网调控中心数据中心建设模式，数据中心将容纳数十套不同品牌的服务器，其中运行着不同版本类型的操作系统，不同规格和授权的数据库软件。其运行维护难度将越来越大。

2.3.工控安全管理

随着不同用途的平台投用，打通各系统之间数据“孤岛”，实现不同系统之间的“协作”的需求就会越来越多，随之而来的问题就是工业信息安全管理。

随着工业互联网的发展，工业信息安全问题日益获得重视，根据网络安全相关法律法规要求，作为天然气管网控制核心的调控中心应设有统一网络安全管理平台、态势感知、工控漏洞扫描及管理系统、安全运维管理系统等。

2.4.第三方系统支持

油气调控中心主要负责不仅是保障现场设备的安全平稳运行，同时也为物资、维修、计划、调度等公司管理部门提供生产运行数据，管网运行企业通常建有MES、ERP等生产管理系统，天然气调控中心各类系统为之提供数据服务。为保证工业信息安全并降低重复调用带来的系统高负载，调控中心通常建有中间数据服务器及网络安全管理设备。中间数据服务器将调控中心各系统数据统一归集到一套数据库中，作为统一的对外接口，中间数据服务器发布的数据通过网络安全设备单向发布到企业生产管理系统中。

3.传统调控中心系统架构的不足

如果按照传统调控中心应用的架构，调度中心建立的每个系统的硬件资源及网络资源都是相对独立的，有些系统资源在80%的日常运行情况下只使用了30%以下，有些系统资源运行在高负荷的70%以上，各系统之间负荷经常出现不平衡现象。这种模式导致了资源使用效率低下、不稳定性增强。传统以业务单元为导向建立所需的服务器、存储、网络等基础架构设施，如下图所示：

这种架构主要问题表现在：

●各个系统服务器的物理分布不集中，每项业务都有自己独立运行的服务器;

●服务器系统的环境比较复杂，表现为设备数量多，故障点多，产品不统一，缺乏规范性，运维管理的工作量和难度大;

●各个系统重复投资和建设，建设成本高，技术上没有统一规范和标准;

●没有实现资源共享，服务器资源使用率低，难以集中管理和使用;

●不能根据实际需要和业务变化动态调整资源和快速扩展，系统的灵活性和扩展性差;

●部分服务器存在单点故障隐患，有些服务器的高可用性配置不合理，造成资源闲置状态和成本过高。

4.超融合技术应用

为了应对规模越来越大的数据中心建设需求，本案例借鉴IT行业成熟的超融合技术，探讨实现天然气调度中心资源的统一管理，灵活调度，提高基础架构横向扩展便捷，实现能够满足可扩展要求的超融合工业云架构。目的是希望建设后的平台将为管网企业实现高性能、高标准、高可用、高弹性、低成本和低风险的自主可控全分布式超融合工业云架构。

4.1.超融合技术简介

超融合技术是指在同一套单元设备（x86服务器）中不仅仅具备计算、网络、存储和服务器虚拟化等资源和技术，而且还包括缓存加速、重复数据删除、在线数据压缩、备份软件、快照技术等元素，而多节点可以通过网络聚合起来，实现模块化的无缝横向扩展（scale-out），形成统一的资源池。

超融合是针对传统架构的改良换代，具体优点如下：

●物理融合及管理融合：超融合架构把服务器、网络及存储进行了融合，并且搭载在统一管理平台上进行维护，而传统架构则是全部分离的。

●存储架构：超融合采用分布式存储，传统架构使用集中式存储。

●网络：超融合使用万兆以太网，而传统架构多使用光纤交换机。

●可靠性方面：可以看出可靠性方面，超融合架构的优势非常大，但其实这里的优势都是分布式存储本身应该具备的。

●性能方面：超融合在性能方面的架构优势非常明显，当然代价就是消耗计算资源，所以计算资源的消耗是检验超融合专业性的一个重要因素。

●扩展性方面：超融合的架构是扩展能力强，扩容简单快速，系统复杂度不会随扩容增加而增加。

●部署运维方面：相对传统架构，超融合布局，维护简单，能够在一定程度上智能运维。

4.2.典型天然气调控中心超融合设计方案

为了满足调度中心对工业现场数据的管理需求、算力要求、存储要求，在生产网内布置超融合平台，该平台设计由服务器、交换机、瘦客户端等部分组成。

服务器用于搭建超融合管道运行平台，可采用若干台服务器硬件搭建统一的硬件基础平台，将全部硬件资源建立统一的“运算池”、“存储池”、“通信池”，由上层管理平台进行统一调用和分配。从池中选取符合性能要求的资源建立虚拟化主机，运行指定的操作系统，用于安装各类运行监控、数据采集及网络安全等软件。

为保证针对总体硬件基础平台的要求，对常规油气调控中心运行系统的性能要求进行分析汇总。经过计算得出，总的资源占用情况为：

CPU：70核

内存：164G

硬盘：42.8T

根据计算结果，超融合平台可通过设置4台高性能服务器、服务器存储硬盘、2台万兆交换机及若干痩客户端构成超融合平台的硬件资源池及网络连接。

超融合平台的每台服务器上都安装虚拟化软件，该软件用于在单个物理服务器实体上，生成多个虚拟服务器，而每一个虚拟服务器，从功能、性能和操作方式上，等同于传统的单台物理服务器，在每个虚拟服务器上，再安装配置Windows或Linux操作系统，部署应用软件，对外提供业务访问，从而大大提高资源利用率，降低成本，增强了系统和应用的可用性，提高系统的灵活性和快速响应，实现了服务器超融合架构的整合。

4.3.超融合技术设计方案的优势

●计算虚拟化

通过虚拟化技术将一台物理计算机虚拟为多台逻辑计算机。在一台物理计算机上同时运行多个逻辑计算机，每个逻辑计算机可运行不同的操作系统，并且应用程序都可以在相互独立的空间内运行而互不影响，从而显著提高计算机的工作效率。

●存储资源池

传统的网络存储系统采用集中的存储服務器存放所有数据，是可靠性和安全性的焦点，不能满足大规模存储应用的需要。超融合工业云采用了可扩展的分布式存储系统，利用多台存储服务器分担存储负荷，它不但提高了系统的可靠性、可用性，还易于扩展，降低存储采购成本。分布式存储系统不仅为虚拟主机提供块存储也为对象存储提供存储能力。同时分布式存储系统提供数据的多个实时副本，保证用户数据的安全。

●网络虚拟化

网络虚拟化以软件方式完整再现了物理网络。虚拟网络不仅可以提供与物理网络相同的功能特性和性能保证，而且还具有虚拟化的运维优势和硬件独立性，包括快速调配、无中断部署、自动维护等。网络虚拟化将逻辑网络连接设备和服务（逻辑端口、交换机、路由器、防火墙、负载平衡器和VPN 等）提供给已连接的工作负载。应用在虚拟网络上的运行与在物理网络上完全相同。

●系统高可用性

由于工业应用的特殊性，工业控制系统所在的计算环境需要保证极高的可用性。超融合运算平台需要具备足够的冗余要求，平台的虚拟化资源需要具备自动化故障转移功能，部分核心控制系统的可用性要求，需要达到>99.999%的容错等级，超融合平台可以满足可用性要求。

5.结论

本文以典型天然气调控中心数据中心建设为例，描述了一种采用超融合技术建设的设计思路。通过超融合技术在调控中心建立工业云平台，极大的减少了各类系统的硬件资源浪费，降低了硬件设备的复杂程度及相应的运维复杂程度，可以帮助企业更加搭建更加高效、可靠、灵活的数据服务架构。

在讨论超融合技术优势的同时，我们也应该注意到，超融合技术作为新引入工业领域的技术，目前应用于油、气管网的案例还不够丰富，油气调控中心对高并发的工业数据的实时性要求极高，在大规模油气管网调控中心的应用上尚需一定时间的摸索及验证。