基于超融合体系的特大露天矿数据中心及应用支撑架构
时间：2022-12-06 08:45:03 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
李宏超，刘 永，王宇江，白云升
（中煤平朔集团有限公司信息中心，山西 朔州 036006）
根据国家能源局等部委对智能化煤矿建设指南中指出，露天生产煤矿智能化的建设目标要重点提升露天矿内的网络、数据中心、感知系统的建设工作，重点建设可以远程操控的系统、无人驾驶的系统、远程运维的系统等，实现开采环境的数字化、采掘装备的智能化、生产过程的遥控化、信息传输的网络化和经营管理的信息化。
露天矿开采相较于井工开采空间更加开放，是一个复杂的系统，它包含人机要素、环境要素、管理要素等多种要素。平朔集团东露天矿作为平朔集团下属的特大型露天矿，随着智能化的发展，正在把以往以人为经验控制的操作思想转往以智能化代替经验的操控思想，利用云服务能力，并融合自动化、信息化系统体系，通过智能化的基础支撑架构，构建一个全新的智能化的煤矿业务承载平台，向实现智慧矿山建设的总体目标迈进一步。
1.1 智能化应用平台概述
要想将一个露天矿实现智能化、智慧化管控能力前，首先想到的就是要构建一个优秀的基础智能化支撑平台，智能露天煤矿的内涵就在于针对整个开采过程中“人员、机器、环境、管理”构成的一个复杂的系统，需要利用先进的传感技术、信息技术、通信技术、控制技术，使系统具备相对应的“状态感知、实时分析、科学决策、精准执行”[8]的应用能力，而这些应用能力是要承载在一个基础智能化的支撑平台上，同时由此平台提供云化服务的保障。
基于以上认识，智能化露天煤矿规划建设可分为5 个大方面来分别建设系统：设备及工艺智能化的系统、生产计划与工程管理智能化的系统、透明地质智能化的系统、综合管理智能化的系统、基础支撑智能化的系统。那么要支撑起如此庞大的智能化露天矿山，就一定要搭建一些基础平台：网络及通信平台、大数据应用云平台、物联网操作系统[1]。
未来建设一个融合智能化生产、安全保障、经营管理等多系统、多功能融合的一体化平台将成为露天煤矿智能化建设发展的主要方向，而所有保障露天矿生产、安全的业务应用系统都应搭建在一个统一的平台上，将这个平台定义为基础支撑智能化应用平台，通过基础支撑智能化应用平台的搭建，需要将以大数据、数字化、智能化为基础的融合多种功能的平台渗透到在“人员、机器、环境、管理”各主要生产环节中，创造一个全新的露天矿智能化管理模式，基座平台应提供灵活的应用策略配置功能，服务器资源池优化功能，满足高并发、高吞量的访问需求。超融合架构很好的满足了以上各种需要，它融合了大数据应用平台、云计算技术、各种安全保障服务。
1.2 应用平台建设的难点
在平朔集团东露天矿智能化建设时需要重点解决以下2 大问题。
1）基础网络建设方面。①实现网络性能扩展性：露天矿区随着智能化的不断发展，网络内有着各种各样不同种类的应用，超大带宽与超低时延的矿区网络将成为标配，同时还应当充分考虑未来网络的扩展性能，以满足不断增长的业务接入需求，如何将网络性能在“无感知状态”下逐步提升成为建设的一个难点；
②提升运维管理的便捷性：随着网络业务的逐步增多，网络的灵活性、安全性、易维护性都将直接影响业务的使用效率，随着转控分离技术的逐步成熟，网络更加趋向于集中的控制、集中的管理、集中的策略分发，如何通过一个统一的基础支撑智能化应用平台，实现网络状态的实时侦查与网络权限的集中下发成为又一大难点；
③重视网络中的安全性：近年来，勒索病毒事件频发，以往的网络安全建设，管理人员更加注重的是露天矿网络出口区域的安全防护，内网缺乏有效的风险识别系统及风险阻隔机制。现如今的网络安全形式，管理人员不仅要关注出口区域，更应该加强数据安全建设，将数据流转过程中所有环节进行相应的安全防护，防止数据泄密，对于管理、生产内网安全防护体系的建设同样重要，合理的规划网络安全区域，增强网络边界的安全防护、综合审计、漏洞扫描、主机安全防护、主机加固、WEB 防护、身份认证等安全技术措施都应该作为管理人员关注的重点，如何通过一个统一的基础支撑智能化应用平台，实现网络安全的防护能力，成为网络建设的研究方向。
2）基础平台建设方面。①可靠性要保障：露天矿各个业务系统能否连续运行直接关系到煤矿正常生产业务的开展，管理人员需要方方面面考虑到煤矿业务系统的连续服务能力，因此基础支撑智能化应用平台底层的架构必须保证十分高的可靠性，这就需要平台不仅要在硬件故障时可以实现业务实时自动切换，同时还应该在逻辑故障例如勒索病毒、删库等事件发生时，保障应用和数据的可恢复性；
②业务性能要保障：煤矿生产管理、操作人员使用业务系统时候，除了要保障系统运行的可靠性以外，使用体验一定要流畅，如何保障业务使用的流程性呢？基础平台的快速实时的响应变得尤为重要，因此在基础平台的建设过程中，一定要考虑到平台运行能力，满足生产业务流畅使用的需求，而且随着5G 等先进技术的在露天矿生产中的广泛应用，未来的各种生产系统对于业务处理速度的需求更是快速增长的，所以基础智能化平台的建设不仅仅需要满足现有的业务系统，还要可以支撑长期的性能发展，实现性能的可扩展；
③扩展能力要保障：露天矿山的智能化正在迅猛的发展，业务系统不断的升级改造，同生产开采相关的业务系统变化极其快速，要保障业务系统在产生更高的性能、数据存储容量需求时候，不需要重新立项、重新设计方案。基础支撑智能化应用平台需要一个可以提供平滑扩展能力的基础架构，将业务系统的计算资源、内存、存储空间等可以按需扩展，通过增加基础支撑智能化应用平台相应的基础模块，就可以做到业务系统在线的线性扩展能力。
1）技术路线及发展趋势。随着云技术的不断发展、成熟，云计算等技术进入产业化阶段，大多煤矿企业将摒弃传统IT 架构，逐步转向云架构。现阶段的煤矿企业实践中，暴露出了一系列问题，包括数据安全、数据迁移等等众多方面，因此，在平朔集团东露天矿基础支撑智能化应用平台有2 个方面是必须要考虑的，一是实现国产化来彻底解决数据安全性的顾虑，二是通过统一的平台标准实现煤矿企业在不同硬件资源的环境下，实现融合兼容不同设备的架构模式。
2）新技术架构挑战。在构建智能化煤炭生产建设的大背景下，平朔集团东露天矿同样面临新的业务挑战，就是如何将之前传统IT 架构过渡到拥有多类型应用承载的云架构服务体系上。目前，平朔集团东露天矿区业务应用因为传统IT 技术架构、生产业务需求特性等原因，已经形成了运转特性差异极大的应用系统，那么如何保障可以支撑不同运转特性的业务应用系统的稳定性、安全性成为基础支撑智能化应用平台建设中要解决的问题。
3）多类型应用承载挑战。露天矿业务应用系统一般包含如多种场景类型，其主要类型总结如下：算力密集型，多是基于视频监控类的AI 风险识别，要求边缘侧具备数据算力能力及海量数据的存储能力；
容量密集型，多是基于设备实时监控的数据，该类型业务场景需要全量数据的采集与存储、传输及转换，多以分布式架构为主；
GPU 特性承载，业务系统应用GIS 渲染，该类型业务场景对承载能力中的GPU 要求极高；
SCADA 体系，该应用体系所属是基于PLC 及单片机架构的自动化控制类系统，是矿区的核心应用，场景特点是不间断运转，对中心侧能力依赖较低；
最后一类是纯管理软件体系，该类应用具有不定时性的高并发量及吞吐量要求，对于基础平台要求具备灵活的资源配置能力。露天矿业务应用系统主要类型如图1。
图1 露天矿业务应用系统主要类型
平朔集团东露天矿针对矿区现状通过招标方式构建了以超融合体系数据中心及应用支撑架构为基础的基础支撑智能化应用平台[2-9]。
3.1 云服务能力
超融合体系数据中心及应用支撑架构具备云主机计算服务、云存储服务、镜像管理等服务功能，业务管理人员可以通过云管理平台快速的构建自己需求的业务。基于超融合体系数据中心及应用支撑架构可以对包括X86、ARM、VMware 等不同类型构建的资源池，同时对资源具备统一的管理能力，解决了早期煤矿企业对信息化建设采用传统的IT 架构，造成的大量服务器资源浪费问题。
1）云主机计算。超融合体系数据中心及应用支撑架构中的云主机计算服务通过基于超融合基础设施、底层的计算虚拟化技术，向管理人员提供便捷的向导式的部署，实现对镜像选择、资源池定义、云存储添加、网络设置等多种业务操作，极大地提高了运维管理人员的运维便捷性。同时，当运行在平台中的主机数规模较大时，管理人员可对其进行分组管理，并满足跨资源池分组。
2）云存储。超融合体系数据中心及应用支撑架构中的云存储服务是通过基于超融合基础设施、底层的存储能力，实现了平台底层多副本、条带化等功能，保障了业务系统的高可靠性。超融合体系数据中心及应用支撑架构内置高性能存储、容量型存储、性能型存储等多种类型的存储，满足管理人员各种各样存储标签需求。
3）镜像管理。超融合体系数据中心及应用支撑架构中的镜像服务可提供简单方便的镜像管理功能，管理人员可以灵活便捷的使用公有镜像和私有镜像来申请云主机。同时，通过云主机或者外部镜像文件来创建私有镜像或者网络设备镜像。
3.2 云安全服务能力
超融合体系数据中心及应用支撑架构支持安全虚拟化，通过网络功能虚拟化将原来的网络安全硬件设备的硬件和软件分离开，使硬件网络安全设备功能利用虚拟化软件的方式实现，虚拟化组件融合在超融合体系数据中心及应用支撑架构中，通过这种方式，充分利用了基础支撑智能化应用平台的硬件资源，降低传统IT 架构中硬件网络安全设备的昂贵费用、极大的减少了运维人员的人力成本，快速部署、弹性伸缩、分布式的高可靠、故障自愈等特性也为企业的网络需求带来极大的满足度。
3.3 弹性伸缩服务能力
超融合体系数据中心及应用支撑架构具备按需自动调整主机规模的服务，为满足管理、使用人员各种业务需求、保证较高质量的服务、降低服务成本，超融合架构的弹性伸缩功能就显得尤为重要，它能有效地应对各种业务系统出现的剧烈波动情形，在业务负载达到较高的使用需求时候扩大部署规模，保证业务系统服务的正常运行，在业务系统需求低谷期时缩减部署规模，避免平台性能及资源的浪费。
3.4 运维管理能力
超融合体系数据中心及应用支撑架构的管理平台提供全方位、立体化的安全运行监控功能，运维人员可以对平台中一切的资源使用情况、告警信息、运行性能和剩余容量等进行监控，实时了解超融合一体机、虚拟化主机、业务系统和虚拟化网络接口的健康状态。帮助管理人员降低IT 成本，提升运维效率。
3.5 容灾备份能力
煤矿生产数据对于企业来说是至关重要，超融合体系数据中心及应用支撑架构可以建立“本地备份－异地容灾”的备份方案，当运行在主站点云主机出现系统故障或业务丢失时，平台可以快速优先选择从本地备份数据中恢复整台云主机及系统业务，或者在异地备份站点拉起已经备份的云主机进行云主机及系统业务恢复，后将业务回迁到主站点，实现异地的容灾功能。超融合备份方案如图2。
图2 超融合备份方案
通过基于超融合体系数据中心及应用支撑架构的基础支撑智能化应用平台构建，可以实现矿区业务应用承载、网络安全体系建立及智能化改造的要素指标，让管理人员简化日常工作内容，提高效能。
1）提升组织的运营效率。通过基于超融合体系数据中心及应用支撑架构的基础支撑智能化应用平台建设，实现系统原有业务架构迁移、优化了运行能效。另一方面，通过基础架构的建设，强化露天开采智能化管控手段，提高人员安全管控能力。
2）提升对矿山安全的监管能力。在平台的支撑下，矿区监管组织能够随时看到各项生产安全系统运行实时信息，并可通过对信息的监控、整理与挖掘，为企业安全生产系统的稳定运转提供决策支持，尤其是可对未知的因素提供准确判断依据，可视化的联动操作场景，从而提高决策的科学性；
也能通过平台数据分析，优化矿山安全监控系统各项监控指标，对矿山安全事件有效的进行预警与必要管控。
