云计算在输油气管道SCADA系统上的应用

吴琋瑛 徐方辰

1.中国石油管道建设项目经理部，北京 100101 2.中国石油西气东输管道公司，上海 200122

0 前言

随着国内输油气管道的大量建设，与之配套的SCADA系统逐渐暴露出服务器数量多、利用率低及不同品牌系统互不兼容等问题，极大增加了运行维护管理工作量和设备电源功耗等。因此，研究云计算在输油气管道SCADA系统上的应用尤为重要。

1 目前输油气管道SCADA系统存在问题

a）中国石油北京油气调控中心往往需购置大量服务器，包括实时服务器、历史服务器，分别按照管道输送介质类型用来存储天然气管线、成品油管线和原油管线的SCADA系统数据［1］。这些服务器按照设计要求配置热备份［2］，且每台可利用率要求最大不超过40%。随着新建管道不断增加，不但服务器购置越来越多，且极大地增加了运行维护管理工作量和设备电源功耗等。以天然气管线服务器配置为例，基本每条管线都在主/备调控中心配置了用于本工程管理的实时服务器和历史服务器，见图1。

b）随着管道工程近十年的大规模建设，油气管道尤其是天然气管道业务已成为中国石油天然气集团公司主营业务，也是此后需加快发展的核心业务。因管道项目或建设时期等不同，一个站点往往有多条管道需不断扩建。如中卫压气站，西气东输一线及二线、中卫—贵阳输气管线都经过了该站，其站控因不同工程招标不同而采用了不同厂家的系统，结果各线系统互不兼容，运维人员要在不同的人机界面上操作和管理，加之西气东输三线也即将经过这里，中卫压气站将再次面临该问题［3］。

2 云计算简介

图1 天然气管道服务器配置现状

云计算目前尚无统一定义。概言之，云计算是一种大规模分步式计算模式，通过云计算可形成一个抽象的、虚拟的、可动态扩展的资源池，该资源池可通过互联网向用户按需提供计算、存储、开发平台和软件等服务。

云计算的核心思想，是将大量用网络连接的计算资源统一管理和调度，构成一个计算资源池向用户按需提供服务。其核心技术是将服务器虚拟化并将大量信息“分散处理”。服务器虚拟化可以理解为，以一台服务器为中心，同时存在许多小服务器（理论上的服务器），它们由独立的计算机构成。虽然实际上只有一台服务器，但通过虚拟化技术，能够在一个物理服务器上生成多个虚拟服务器，并且对这些虚拟服务器进行全面隔离。在云计算服务中采用虚拟化技术，使其在响应多种用户请求时，能够将资源分散进行处理。分散处理是一种对用户请求进行快速分散处理的技术，接受服务器将用户请求分解成多个小的处理文件，在多个虚拟服务器进行分散处理，最后虚拟服务器将结果返回到应答服务器，由它将处理结果回答给原始用户。

云计算一般分为公有云和私有云。公有云通常指第三方提供商用用户能够使用的云，一般可通过因特网使用，如搜索引擎谷歌，就是运用云计算在因特网上提供查询服务。这种云计算实例很多，为当今整个开放的公有网络提供服务。私有云是为一个用户单独使用而构建的，因而能够提供对数据、安全性和服务质量的最有效控制，其可以控制商用用户拥有的基础设施及在此基础设施上部署应用程序的方式。私有云可部署在企业数据中心的防火墙内，也可部署在一个安全的主机托管场所。

目前，云计算在国内主要广泛应用在IT行业和一线地市政府。谷歌最早推出云计算应用，是软件即服务思想的典型体现，使全球用户都能够感受其硬件条件的优势。北京市政府的“祥云”工程已列入“十二五规划”，投资计划500亿元，采用云计算发展智能电网、节能减排、移动互联、定位与导航服务、电子商务服务等新兴业务。其中，电力系统已开始了云计算的应用研究，利用系统内部广域网建立私有电力云，通过电力云最大限度地整合电力系统现有的计算能力和存储资源，构建电网电能损耗、智能预警分析功能，并为系统提供超级计算能力。云存储和计算资源的访问可以完全由电力系统自己控制，而不是由公有云计算服务商提供，以保证数据安全。中国海洋石油总公司在2009年就开始对其数据中心的数百台服务器进行了虚拟化技术应用，通过虚拟化技术虚拟出多台服务器，改变了过去1个应用就需要1台服务器的状况，真实的服务器数量大大减少，有利于散热与节能［4］。

3 云计算的应用

3.1 服务器虚拟化

将已有的每台服务器分拆为多台虚拟服务器，按照计算任务划分成若干部分，比如CPU池，内存池，存储资源池等，打破单服务器单任务的模式；通过添加虚拟化层，将1台物理服务器安装多个操作系统和应用，使得物理资源可以作为资源池灵活按需发配。比如，在A、B成品油管道的实时服务器A、B中，都有大量的业务数据要使用，但因其所面对的管道站场的数据点数量不同，CPU负荷最大消耗量则不同，服务器A为14.19%，服务器B为26.4%，随着新建管道的增加，服务器B的资源最大可利用率按照40%配置已不能满足新建管道的需要。若采用虚拟技术，则可将存储在A、B每台服务器上的存储数据划分成若干部分，每台服务器运行相同的程序，由负载均衡器根据服务器的压力自动将访问请求均衡分配到其它服务器，跨资源池动态调整计算资源，实现服务器负载均衡和利用率提升。

对管理者而言，从操作员工作站向上看，分不出各是哪条管道的实时服务器和历史服务器，所看到的是同类介质管道服务器云，见图2。

虚拟技术的应用，可将暂不工作的服务器置于待机模式，需要时再恢复成工作状态，能够极大地节省电源功耗［5］。以中海油田服务股份有限公司统计的数字为例，过去其数据中心30台服务器耗电1 128度/d，采用虚拟化技术以后，现在耗电仅为54度/d，实现了节能减排［4］。

图2 管道服务器云

3.2 云计算平台服务

针对一个站上各厂家站控系统不同而难以合并成一套系统的问题，云计算技术能够给企业或个人提供研发的中间平台，提供应用程序开发和数据库、应用服务器试验、托管及应用服务，将开发环境作为一种服务来提供给用户，使用户获得一台计算和存储能力均可实时扩展的虚拟超级计算机。

各厂家为用户提供一个用于软件开发和测试的平台，用户在其平台基础上根据使用操作编程、服务器平台、硬件资源等服务定制开发自己的应用程序并通过其服务器在站内局域网内通讯。云计算平台为站内每一个用户系统都创造了一个完全独立的虚拟系统环境，让用户可以通过局域网直接访问云计算平台上的应用软件，而无需在本地计算机上安装该应用软件，免去了用户安装、维护、升级本地应用软件的麻烦，计算任务都将在云计算平台上完成，见图3。

图3 云计算中间平台应用

通过建立云计算中间平台，可以通过国内公司开发自己的程序，规避国外公司对站控系统软件的长期垄断。

4 结论

云计算可实现超大规模的分布式计算，可扩展性强，硬件投资少，软件开发简便，是具有国内自主产权的软件和硬件设备。输油气管道SCADA系统要建私有云，即SCADA数据是在自己的专线专网内，物理结构上与外网完全隔离，这就避免了目前普遍担心的安全性问题。目前虽然云计算在输油气管道SCADA系统上尚无应用案例，但可预见云计算未来一定能够在输油气管道数据存储和应用上发挥显著作用。

［1］张乐长.天然气管道SCADA系统的实施［J］.天然气与石油，2002，20（1）：36-37.

［2］谢安俊，程文江，魏廉敦.输气管道SCADA系统及其计算机技术［J］.天然气与石油，1996，14（2）：44-49.

［3］段 冲，粱建青，段绍明，等.SCADA系统在西气东输管道中的应用［J］.石油工程建设，2007，33（4）：5-6.

［4］杜 晖.虚拟化技术在中海油服的应用［J］.中国科技信息，2009，（24）：79-81.

［5］沐连顺，崔立安，安 宁.电力系统云计算中心的研究与实践［J］.电网技术，2011，6（6）：170.