基于云计算的电力调度软交换系统研究及其实现

    摘要：软交换技术是电力调度交换网的发展方向和趋势，文章提出了一种可行的将调度软交换交换和云计算技术相结合的方法，并重点介绍了云调度平台的架构设计和功能组件。文章最后探讨了基于云计算的电力调度软交换系统的应用场景和实现方式，为电力公司调度软交换系统的建设提供思路和建议。

    0 引言

    随着下一代通信技术的高速发展，以及电信运营商NGN网络的多年可靠运行，基于软交换的调度通信技术已逐渐成熟。与此同时，电力通信传输网的大规模建设和完善也解决了调度软交换传输带宽的瓶颈问题，为调度软交换的发展提供了必要条件。因此，建设以NGN技术为基础的调度软交换系统，已成为电力通信调度必然的发展方向和趋势。

    调度软交换系统具有宽带化、多媒体、应用扩展性、业务融合性等特性，可以实现与视频监控/会议、SCADA、电子操作票、电力态势标绘系统等其他相关业务系统进行互通和综合调用，打造可视调度、应急调度和协同调度等符合未来智能电网调度通信需求的新业务。但是随着业务的不断增多和技术的不断发展，以及电网 “三集五大”的战略推进，调度软交换系统中的数据和信息也将呈现爆炸性的增长，这无疑为系统的稳定运行和业务应用带来巨大挑战。

    云计算具有分布式的计算和存储特性，易于扩展和管理，因此在调度软交换系统中引入云计算技术，构建云调度系统，对调度软交换系统和其他调度通信业务相关系统的数据资源和处理资源进行整合，从而大幅提高调度软交换系统的综合处理能力和实时控制能力，具有重要的研究价值和意义。

    1 云计算在调度软交换中的实现方式

    云计算最基本的特征是在网络上将资源当作服务来提供，包括应用程序、计算能力、存储能力、网络、编程工具，甚至通信服务和协作工作等。云计算是一种能够将动态伸缩的虚拟化资源通过IP网络以服务的方式提供给用户的计算模式，云计算的资源是动态扩展且虚拟化的，终端用户不需要了解云中基础设施的细节，不必具有专业的云技术知识，也无需直接进行控制，只关注自身真正需要什么样的资源以及如何通过网络来获得相应的服务。

    调度软交换遵循NGN业务与控制分离、承载与接入分离的分层分块的体系结构，因此可以在业务应用层快速提供新的扩展业务，为了实现对业务的集中管理以及调度通信业务与其他诸如视频、会议、监控、监测系统的融合互通，可通过以调度业务为核心，应用云计算技术，构建基于云计算的电力综合信息调度软交换平台（以下简称云调度平台），实现对语音业务，视频监控、视频会议等视频业务，以及短信、邮件、遥感遥测数据、预案、电子工作票等数据业务的整合，并在此基础上实现多业务的联动，如音视频联动调度、语音/视频/定位信息的联动调度等。云调度平台可以帮助调度员实现对各类业务子系统资源的统一调用与管理，有效地实现各类业务子系统间的联动和数据共享。

    云调度平台位于整个软交换调度体系的业务应用层，其通过OCP协议（Operator Communication Protocol）与调度软交换设备通讯，进行协议解析与构建以及负责处理具体的调度业务逻辑，同时通过南向业务接口与录音录像、网管、视频会议等其他业务层的系统对接。云调度平台的客户端（调度台）是调度业务的呈现界面，为调度员提供调度操作界面。云调度平台同时支持基于C/S和B/S的组网架构，每个云调度平台服务器可以下挂多个调度终端，并支持对调度终端进行分级操作，实现多级大规模调度组网。另外多台云调度平台服务器之间可以通过数据和业务服务总线，基于动态负载均衡策略和统一资源调配机制，将分布在不同物理地点的调度软交换机和相关电力调度通信基础设施用结构化的方式整合在一起，构成一个高可靠、高性能的云调度系统，实现对电力调度通信业务的快速、高效的分析处理。应用云计算技术的调度软交换系统组网逻辑拓扑如图1所示：

图1 云计算在调度软交换中的应用

Fig.1 Application of Cloud computing in Dispatching Soft-switch

    2 基于云计算的调度软交换架构设计

    一般来讲，云计算的主要思路是对基础资源虚拟化以形成的资源池，进行统一的调度和管理，并为用户提供包括从下到上的3个层次的服务：基础设施即服务（IaaS）、平台即服务（PaaS）和软件即服务（SaaS），每一层服务既可以对上一层次提供服务，也可以为用户提供信息服务。云调度平台在通IP网络的基础上提供各种业务资源的统一管理和动态分配而实现云计算，并利用 SOA 架构为用户提供安全、可靠、便捷的各种应用和服务，用户可以在任何时间、地点，用任何可以连接到网络的终端设备来访问这些服务。

    云调度平台的总体架构设计可分为三个逻辑层面，系统拓扑如图2所示：

图2 云调度平台架构设计

Fig.2 Architecture Design of cloud dispatching

　　1) 基础资源层

    基础资源层位于架构的最底层，包括物理资源和虚拟资源，是云计算服务的基础设施。其作用是为上层提供云计算资源，包括计算、存储、网络等硬件资源以及调度软交换、视频监控、定位、监控检测等业务子系统，为被调度用户和调度指挥人员员提供IaaS服务，实现对硬件资源和各业务子系统快速的访问和管理。

    2) 平台业务层

    平台业务层位于基础资源层之上，实现基于基础资源层提供的业务资源，提供一个高可用的、可伸缩的、易于管理的云平台服务器中间件，本层为整个云调度系统的核心，平台业务层包含以下重要组件：

    系统服务总线：基于云计算的特性以及电力系统大规模跨区域组网的需求，云调度系统是一个大规模分布式的组网架构，需要支持灵活的网络拓扑，可以根据系统需求将多个云调度平台服务器灵活地组建为树型、网状、星型等结构，并可以动态地调整，实现多级调度应用。系统服务总线通过统一的数据和控制信息的整合，加入了高效的消息排序、同步、状态迁移和容错机制，实现对分布在各处的云调度平台服务器的有机整合，实现各节点之间超低时延的可靠的消息传输和底层业务资源功能共享，构建统一的云调度系统。

    负载均衡服务器：基于云计算的调度软交换系统是一个包含有为数众多且承担不同角色和任务的大型网络，为此，加入动态负载均衡及资源调配机制可以很好的解决大规模系统的有效管理问题。在系统中部署负载均衡服务器实时地侦测全网运行状态，收集重要节点和区域网络的压力负荷信息，基于这些信息，系统可以动态地调整和均衡全网范围内不同区域资源的压力负荷。特别在某些节点失效,或是网络小面积故障的情况下，失效部分的角色功能可以由临近节点暂时承担。在故障网络恢复之后, 按照系统设定的策略重新接管自己的处理功能。

    业务子系统逻辑模块：业务子系统逻辑模块通过主动或被动的接口，将各业务子系统接入平台，并将各业务子系统功能进行虚拟化，封装成抽象的业务功能单元，实现整个云调度平台的资源池的构建与部署，最终将业务功能提供给全平台用户使用。业务子系统逻辑模块可以实现对资源池进行管理，包括资源的申请、分配、检测、调度、回收等。同时，业务子系统逻辑模块提供平台与子系统交互数据的关联及管理，提供各业务模块数据的关联及存储，实现统一协作能力。

    通信层/接口模块：接口服务器作为平台的通信层，负责综合云调度平台与调度软交换等各类子系统的通信，维护平台与第三方系统的接口单元及平台提供给子系统的开放接口，以及开放接口调试用的沙盒环境。

    数据库：提供用户、设备等数据的关联及存储；提供各业务模块数据的关联及存储；提供平台与子系统交互数据的关联及管理。

    公共服务模块：为业务系统提供灵活的部署、运行与管理环境，公共模块主要包括维护管理、数据配置、日志查看、安全策略等功能。

    3) 界面呈现层

    界面呈现层的作用是为终端用户消费云调度服务提供统一规范的接口，终端用户（调度台）通过专用入口通道进入云调度平台服务器，订制和消费其所需的服务，调度员可以在统一界面中调用各类资源，实现指挥调度、语音通信、视频监控、GPS定位、轨迹追踪、告警联动等功能。云调度平台的界面呈现部分同时支持B/S和C/S架构，调度界面可以运作在专业的多媒体触摸屏调度台，也可以定制在MID等智能移动终端上，统一门户为平台的使用者提供统一的操作环境，系统根据用户的权限分配不同资源以实现不同业务功能。

    在通讯系统保障的前提下，对电力调度指令等重要调度操作进行录音录像，完整的记录下调度台及调度通讯电话的通话记录，可以为日后的事故分析及日常管理提供原始数据，是调度系统中的一个重要环节。然而录音录像系统在运行过程中会产生大量的实时数据，并且在长期的应用过程中积累下海量的数据，从而导致一系列存储和管理问题。云调度系统基于云调度平台和高速分组数据网络，有效的整合网络上独立的存储节点，在不增加新设备，不改变硬件物理位置的情况下，实现了录音文件的云端存储，解决了海量信息的存储和管理问题，充分保障了全网录音录像存储空间的有效利用和录音文件的安全，为电力调度通信部门查找事故责任、监督工作质量提供重要手段和依据。

    3.2 负载均衡和多机冗余

    调度软交换设备的核心部件一般都采用了1+1冗余热备的方式，能有效的保证设备的可靠性，但是在不可抗性因素前，调度软交换设备或者云调度平台的故障会造成整个本地调度通信系统的瘫痪。在采用云技术的电力调度软交换组网中，调度软交换设备和云调度平台同时与负载均衡服务器直接通信，负载均衡服务器监控到某个或几个节点的节点失效，从全网中按照地域优先寻找工作负荷较低的其他节点，把失效节点的工作内容转移过来，当故障恢复的时候，计算能力重新迁移回来。同时，云调度平台服务器之间通过系统服务总线进行实时数据同步，保证业务迁移时，调度用户和调度指挥人员原有的数据、业务、使用习惯的一致性，提高系统的高稳定性和实现系统对故障的透明处理。

    3.3 多业务子系统联动

    虚拟化技术是云计算基础框架的基石，云调度平台基于虚拟化技术将物理资源进行抽象封装以供上层业务调用，因此云调度平台不仅仅可以实现多个厂家的调度软交换设备接入，还支持跨业务系统的资源调用，并通过平台内的业务子系统功能逻辑模块实现各个业务子系统资源的联动，提供集成的消息和统一协作能力。比如在云调度平台中融合视频监控系统，可以实现在调度台上查看视频监控画面和控制摄像机云台，还可以通过对监控摄像机和调度电话在数据库中的映射，使得当调度台和调度电话进行通讯时，会自动在调度台上弹出该调度电话周围的视频监控画面，实现视频联动。另外还可以通过云调度平台和预案数据库以及SCADA系统的联动，实现实时遥感遥测数据查询，以及突发情况时的自动告警和紧急联动调度。

    3.4 并行计算/集成计算引擎

    云调度平台支持大规模多系统接入组网，通过并行计算模式和集成计算引擎，可以实现全调度软交换系统内的状态资源共享和大规模数据的实时处理。当发生紧急情况时，调度一线的常备调度人员无法确保所有的紧急呼叫均能被及时处理，此时可以通过权限许可，将一线的调度业务进行并行显示、并行处理，由其他节点的调度台进行协同调度，体现云调度系统全网资源共享的优势，为有效控制灾难提供支援。

    另外当调度软交换系统进行全网会议/群呼等这种大业务量应用操作时，系统内的大量数据和计算，从最底层的调度软交换设备及云调度平台向调度指挥中心进行逐级处理和提交，把传统方式难以完成的计算转换成可解决的小规模计算问题，同时对大量数据的分布处理，也可以有效降低传输网络的带宽压力，避免执行大业务量应用时的网络拥塞。云计算技术赋予调度软交换系统的这种强大的计算处理模式，可以为调度员提供更快的、更有效的调度管理操作。

    3.5 便携式调度台

    云调度系统由云调度平台提供统一界面呈现入口的云端特性，使得调度台客户端不仅仅可以使用专业的触摸屏调度台，还可以定制在PC机、便携电脑、平板电脑、智能手机等终端上，实现调度台备份、突发情况时领导的远程指挥以及以及现场快速部署调度系统等应用。

    4 结语

    云计算以共享云中各节点的计算资源和存储资源为根本目的，以给终端用户提供所需的业务能力为主要职能。通过在调度软交换系统中引入云计算技术，可以极大的提高调度软交换系统的业务处理能力、资源优化能力、应用调控能力，为电力调度软交换系统的建设提供了一个可行的发展思路，为进一步全面建设智能电网提供坚实的技术基础。

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