列车调度指挥系统绿色化研究

2011-08-15应志鹏,黄康,梁亮等

铁道通信信号 2011年4期

伴随着铁路调度指挥系统逐步开通运营，运输相关部门的要求也在不断变化。为了满足最终用户的需求，以更低的费用提供更好的性能，供货方提供了更快的服务器、更海量的存储器和更灵活的网络设备。这些规模日趋庞大的新组件在提供更强性能的同时，也成为耗电和占地“大户”。当各级数据中心由于供电或场地限制而无法有效容纳新服务器、存储和网络设备时，新功能就无法实现，系统升级出现瓶颈，因此如何解决数据中心系统无限扩充的困扰将成为当务之急。

解决问题的出路只能是系统“绿色化”，通过采用逐渐成熟的绿色化技术，将系统应用程序和硬件基础架构隔离，减少数字足迹，改善系统各部件的利用率，降低系统模块实际消耗的电量和空间需求，同步提高系统总体可用性。

1 信息系统绿色化概述

随着人们对节能和效率的不断重视，信息系统也兴起了“绿色”潮流:绿色计算、绿色存储、绿色数据中心等等，不一而足。而伴随着云计算和虚拟化技术的出现，建立绿色数据中心将成为系统整体绿色化的终极目标。

1.1 绿色数据中心的内涵

根据美国环保局2007年4月公布的一份报告显示，目前服务器能耗占全球总能耗的1%，并估计在接下来的5年内，服务器能耗将增加1倍。IDC2006年9月的报告也显示:IT设备能耗支出的增长比IT设备采购支出的增长快4倍。随着能耗的不断增长，数据中心的成本随之攀高。如今，若将服务器的能耗成本与相关基础设施成本 (包括数据中心发电机、电源和空调系统)加在一起，则一台服务器的电源与散热总成本将是服务器购买成本的2倍。显然，不断攀升的能耗成本，催高了数据中心运营成本。

因此，绿色数据中心有了它存在的理由。它是IT技术发展的产物，也是IT应用发展的必然。绿色数据中心是基于社会发展和环保节能的角度而提出的一种新观点，代表一整套的系统框架和设计理念。其中包括地理位置、环境、物理建筑、基础设施、员工、系统搭建和维护等众多元素。简单地说，绿色数据中心就是指设备、照明、电力与电脑系统均遵循最大能源节约，及最低环境影响的设计重点。绿色数据中心的构建与执行，必须符合先进的技术与策略。此外，绿色数据中心还意味着数据中心设备更能节约空间，提高空间利用率，还能让数据中心内的支撑系统接地更安全，电气连接和布线更可靠，并能降低内部环境空气污染、噪音污染、电磁干扰和辐射污染。在降低企业能耗成本、提高资源利用率和工作效率，以及保护环境等方面，可以起到十分重要的作用。

1.2 绿色数据中心的实施难度

由于数据中心的支撑系统和运行环境涉及的专业领域非常广泛，涵盖了电力、电子、计算机、机械、化工、热能等方面，而一般企业客户技术人员的知识结构往往比较单一，加上工具和手段等方面的限制，因此很多企业用户往往无法独立实施。而且，测评过程中免不了要对系统和设备进行操作，一旦操作不当，必然会对数据中心机房带来风险。如果数据中心机房在测试评估过程中出现了任何系统故障，都将给企业带来巨大的损失，从而严重扰乱企业实施绿色数据中心的信心和规划步骤。

此外，很多企业从传统数据中心向绿色数据中心转变或者迁移的过程中，还会面临来自各方面的压力和问题。

1．新技术应用造成的压力。绿色数据中心的实现能够给企业成本的降低带来立竿见影的效果，但是全面实现绿色数据中心却还需要结合与绿色IT密切相关的低功耗芯片技术、虚拟化技术、刀片技术、电源与散热节能技术等;同时，也需要利用虚拟化技术实现服务器和存储性能的最大发挥，在能源管理方面也需要进行大胆创新。

2．风险和安全控制问题。随着数据中心IT设备的不断增加，以及企业业务量的迅速递增，IT系统复杂性不断提升，业务运营所承担的风险也不断加强，安全隐患的威胁也会越来越多。

1.3 绿色数据中心的实施步骤

实施绿色数据中心的首要步骤，就是对企业自身的实际需求和应用范围进行综合评估，并在此基础上，为绿色数据中心的实施制定科学、合理的长远规划。制定规划时，需要考虑以下议题:节能环保、虚拟化与集中管理、最佳楼面执行方法、引进和采用先进技术和管理理念。

实施绿色数据中心的第2个步骤则是按绿色原则建设，注重数据中心的整体成本和环保措施，主要步骤如下。

1．数据中心要配置机房专用的精密空调，做好整体监控，能够根据机房环境温度和湿度的变化，随时对空调进行调节。

2．数据中心要建设专用的送风通道。数据中心的设备由于能耗大，发热量也大，下送风方式效果最好，因此必须在机房设置地板，建立专用的下送风通道。

3．要进行专门的规划。最好能对机房进行全面的规划，根据业务发展的需要分步实施。只有这样，机房的建设才会正规，才不会出现电源线缆发热的情况。

4．安装并使用能耗监测工具。目前，有不少厂家纷纷推出了此类工具。比如Avocent公司的电源管理软件Dsview 3 Power Manager和IBM的Power Executive软件，前者可以帮助用户实时监测数据中心IT设备的能耗和能源使用情况，后者则可帮助客户通过智能技术，有效管理数据中心电力消耗，从而可以确定实际能耗和系统温度。

此外，绿色数据中心的建设不仅仅是服务器、存储等设备的节能环保，其本身的软件同样也是实现数据中心绿色节能环保的主要手段。软件可以改变数据中心中数据系统的架构，从而减少服务器以及服务器中各种硬件设备，压缩数字足迹，由此实现绿色数据中心的目标。

2 TDCS绿色化分析

我国铁路调度指挥管理采用以行车调度为核心，站、段为基础，实行铁道部和铁路局两级调度指挥管理的体制。从部分铁路局TDCS使用情况的调研发现，相比其他信息管理系统，TDCS系统在快速发展的同时，存在着维护、电力、占地空间、环境压力进一步加大的问题，现以一个TDCS路局中心为例，详细介绍如下。

1．电力成本巨大。按 1台 P5服务器(5.0GHz CPU，32GB内存，6个PCICards)每日耗电50度计算，中心每日大约耗电15000度，加上冷却用电 (一般和设备用电为1:1)，按照北京工业用电均价0.6元/度，中心一年电力花费约600万元。

2．升级空间有限。中心现有机房面积为3000m2，现已使用70%。如果实现TDCS向CTC全面升级，硬件配置标准符合铁道部运基信号［2009］676号文，达到既有线CTC基本要求，现有机房无法满足要求。

3．维护异常复杂。路局中心配备200多台各类主机和30多种应用程序，相应关键数据以G计算，平日正常更新异常频繁，这些需求极大困扰了系统维护人员。

鉴于以上问题，铁路调度指挥系统这样的大型系统有必要考虑构建系统绿色数据中心，研究在新技术条件下，更好地优化铁路调度指挥系统体系结构，最大程度地降低系统能源消耗，大幅度提升空间综合利用率。

3 TDCS绿色化实施方案

1．硬件配置。放弃原有设计中小型机和多型号PC服务器共存的结构，改用目前比较流行的刀片中心构架，将多个独立的刀片服务器封装，同时共享电力、冷却、KVM等通用基础模块。可在占用空间大幅减少的前提下，实现系统对硬件资源的细粒度分配，为中心机群提供可扩展和模块化的方法，并实现在高度整合的密集环境下，系统和工作负载的快速部署和再供应。

整合的方式需要根据现有系统各类服务器使用状态确定，采用一对一的迁移或整合，从现存的大型服务器到刀片服务器 (如数据库服务器、对外信息共享服务器)，或将多个未完全利用的物理服务器整合成一个刀片上的虚拟机 (如应用服务器、前置服务器)。

此外，硬件的密集整合会导致在特定的占地空间内电力和冷却需求激增，出现热岛现象，这需要机房空调子系统的特殊布置。

2．系统软件。通过业务基础架构虚拟化，将现有数据中心转化为内部云系统，实现系统内部IT资源的共享。在传统操作系统下增加新的软件层，对底层实际硬件操作由新增模块接管，传统系统所需的资源由虚拟层来提供。

通过技术比选，确定使用VMare的云操作系统VMware vSphere4和桌面虚拟化工具VMware view4，建立系统所需的虚拟服务器和瘦客户机架构，实现系统整体的仿真 (与既有技术和程序的共存)、抽象 (物理资源的透明化管理)、分割(应用系统、用户和其他实体的隔离)、聚合 (应用软件、操作系统或服务器的合并)和供应 (新模块的快速部署)。

此外，虚拟化也是一个架构多方平衡、互相协调和彼此隔离的工作，必须重点防范系统整合过度，即重视系统虚拟集成过度，造成资源冲突、功能瓶颈和性能不稳定，对可用性产生负面影响，导致多点故障激增的现象。

3．应用软件。数据生命周期是指从数据创建开始，一直到用户不再需要该数据，并将它从存储器中删除为止的这段时间，它关联着数据足迹的变化，也就影响了系统的整体使用效率。对应到TDCS，主要有运输和电务2类信息，呈现短期(24h)使用频繁，中期(1个季度)偶尔查询，长期(1年以上)基本废弃无用的现象，建议在应用软件设计中，使用分层存储技术，即根据数据使用频繁程度，将中心数据按内存、阵列、磁带、光盘的存储模式，实现对应数据生命周期的分级存储。