云計算在輸油氣管道SCADA系統上的應用

吳琋瑛 徐方辰

1.中國石油管道建設項目經理部，北京 100101 2.中國石油西氣東輸管道公司，上海 200122

0 前言

隨著國內輸油氣管道的大量建設，與之配套的SCADA系統逐漸暴露出服務器數量多、利用率低及不同品牌系統互不兼容等問題，極大增加了運行維護管理工作量和設備電源功耗等。因此，研究云計算在輸油氣管道SCADA系統上的應用尤為重要。

1 目前輸油氣管道SCADA系統存在問題

a）中國石油北京油氣調控中心往往需購置大量服務器，包括實時服務器、歷史服務器，分別按照管道輸送介質類型用來存儲天然氣管線、成品油管線和原油管線的SCADA系統數據［1］。這些服務器按照設計要求配置熱備份［2］，且每臺可利用率要求最大不超過40%。隨著新建管道不斷增加，不但服務器購置越來越多，且極大地增加了運行維護管理工作量和設備電源功耗等。以天然氣管線服務器配置為例，基本每條管線都在主/備調控中心配置了用于本工程管理的實時服務器和歷史服務器，見圖1。

b）隨著管道工程近十年的大規模建設，油氣管道尤其是天然氣管道業務已成為中國石油天然氣集團公司主營業務，也是此后需加快發展的核心業務。因管道項目或建設時期等不同，一個站點往往有多條管道需不斷擴建。如中衛壓氣站，西氣東輸一線及二線、中衛—貴陽輸氣管線都經過了該站，其站控因不同工程招標不同而采用了不同廠家的系統，結果各線系統互不兼容，運維人員要在不同的人機界面上操作和管理，加之西氣東輸三線也即將經過這里，中衛壓氣站將再次面臨該問題［3］。

2 云計算簡介

圖1 天然氣管道服務器配置現狀

云計算目前尚無統一定義。概言之，云計算是一種大規模分步式計算模式，通過云計算可形成一個抽象的、虛擬的、可動態擴展的資源池，該資源池可通過互聯網向用戶按需提供計算、存儲、開發平臺和軟件等服務。

云計算的核心思想，是將大量用網絡連接的計算資源統一管理和調度，構成一個計算資源池向用戶按需提供服務。其核心技術是將服務器虛擬化并將大量信息“分散處理”。服務器虛擬化可以理解為，以一臺服務器為中心，同時存在許多小服務器（理論上的服務器），它們由獨立的計算機構成。雖然實際上只有一臺服務器，但通過虛擬化技術，能夠在一個物理服務器上生成多個虛擬服務器，并且對這些虛擬服務器進行全面隔離。在云計算服務中采用虛擬化技術，使其在響應多種用戶請求時，能夠將資源分散進行處理。分散處理是一種對用戶請求進行快速分散處理的技術，接受服務器將用戶請求分解成多個小的處理文件，在多個虛擬服務器進行分散處理，最后虛擬服務器將結果返回到應答服務器，由它將處理結果回答給原始用戶。

云計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，一般可通過因特網使用，如搜索引擎谷歌，就是運用云計算在因特網上提供查詢服務。這種云計算實例很多，為當今整個開放的公有網絡提供服務。私有云是為一個用戶單獨使用而構建的，因而能夠提供對數據、安全性和服務質量的最有效控制，其可以控制商用用戶擁有的基礎設施及在此基礎設施上部署應用程序的方式。私有云可部署在企業數據中心的防火墻內，也可部署在一個安全的主機托管場所。

目前，云計算在國內主要廣泛應用在IT行業和一線地市政府。谷歌最早推出云計算應用，是軟件即服務思想的典型體現，使全球用戶都能夠感受其硬件條件的優勢。北京市政府的“祥云”工程已列入“十二五規劃”，投資計劃500億元，采用云計算發展智能電網、節能減排、移動互聯、定位與導航服務、電子商務服務等新興業務。其中，電力系統已開始了云計算的應用研究，利用系統內部廣域網建立私有電力云，通過電力云最大限度地整合電力系統現有的計算能力和存儲資源，構建電網電能損耗、智能預警分析功能，并為系統提供超級計算能力。云存儲和計算資源的訪問可以完全由電力系統自己控制，而不是由公有云計算服務商提供，以保證數據安全。中國海洋石油總公司在2009年就開始對其數據中心的數百臺服務器進行了虛擬化技術應用，通過虛擬化技術虛擬出多臺服務器，改變了過去1個應用就需要1臺服務器的狀況，真實的服務器數量大大減少，有利于散熱與節能［4］。

3 云計算的應用

3.1 服務器虛擬化

將已有的每臺服務器分拆為多臺虛擬服務器，按照計算任務劃分成若干部分，比如CPU池，內存池，存儲資源池等，打破單服務器單任務的模式；通過添加虛擬化層，將1臺物理服務器安裝多個操作系統和應用，使得物理資源可以作為資源池靈活按需發配。比如，在A、B成品油管道的實時服務器A、B中，都有大量的業務數據要使用，但因其所面對的管道站場的數據點數量不同，CPU負荷最大消耗量則不同，服務器A為14.19%，服務器B為26.4%，隨著新建管道的增加，服務器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，則可將存儲在A、B每臺服務器上的存儲數據劃分成若干部分，每臺服務器運行相同的程序，由負載均衡器根據服務器的壓力自動將訪問請求均衡分配到其它服務器，跨資源池動態調整計算資源，實現服務器負載均衡和利用率提升。

對管理者而言，從操作員工作站向上看，分不出各是哪條管道的實時服務器和歷史服務器，所看到的是同類介質管道服務器云，見圖2。

虛擬技術的應用，可將暫不工作的服務器置于待機模式，需要時再恢復成工作狀態，能夠極大地節省電源功耗［5］。以中海油田服務股份有限公司統計的數字為例，過去其數據中心30臺服務器耗電1 128度/d，采用虛擬化技術以后，現在耗電僅為54度/d，實現了節能減排［4］。

圖2 管道服務器云

3.2 云計算平臺服務

針對一個站上各廠家站控系統不同而難以合并成一套系統的問題，云計算技術能夠給企業或個人提供研發的中間平臺，提供應用程序開發和數據庫、應用服務器試驗、托管及應用服務，將開發環境作為一種服務來提供給用戶，使用戶獲得一臺計算和存儲能力均可實時擴展的虛擬超級計算機。

各廠家為用戶提供一個用于軟件開發和測試的平臺，用戶在其平臺基礎上根據使用操作編程、服務器平臺、硬件資源等服務定制開發自己的應用程序并通過其服務器在站內局域網內通訊。云計算平臺為站內每一個用戶系統都創造了一個完全獨立的虛擬系統環境，讓用戶可以通過局域網直接訪問云計算平臺上的應用軟件，而無需在本地計算機上安裝該應用軟件，免去了用戶安裝、維護、升級本地應用軟件的麻煩，計算任務都將在云計算平臺上完成，見圖3。

圖3 云計算中間平臺應用

通過建立云計算中間平臺，可以通過國內公司開發自己的程序，規避國外公司對站控系統軟件的長期壟斷。

4 結論

云計算可實現超大規模的分布式計算，可擴展性強，硬件投資少，軟件開發簡便，是具有國內自主產權的軟件和硬件設備。輸油氣管道SCADA系統要建私有云，即SCADA數據是在自己的專線專網內，物理結構上與外網完全隔離，這就避免了目前普遍擔心的安全性問題。目前雖然云計算在輸油氣管道SCADA系統上尚無應用案例，但可預見云計算未來一定能夠在輸油氣管道數據存儲和應用上發揮顯著作用。

［1］張樂長.天然氣管道SCADA系統的實施［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系統及其計算機技術［J］.天然氣與石油，1996，14（2）：44-49.

［3］段 沖，粱建青，段紹明，等.SCADA系統在西氣東輸管道中的應用［J］.石油工程建設，2007，33（4）：5-6.

［4］杜 暉.虛擬化技術在中海油服的應用［J］.中國科技信息，2009，（24）：79-81.

［5］沐連順，崔立安，安 寧.電力系統云計算中心的研究與實踐［J］.電網技術，2011，6（6）：170.