基于光纖測溫技術的數據中心監控系統研究

沈巍，丁聰

（上海郵電設計咨詢研究院有限公司，上海 200092）

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基于光纖測溫技術的數據中心監控系統研究

沈巍，丁聰

（上海郵電設計咨詢研究院有限公司，上海 200092）

摘 要基于光纖測溫的數據中心監控系統，能夠實時感知數據中心中每個機柜的溫度場，實現全面精確的機房環境感知，為實現精確送風，按需制冷打下基礎，達到節能減排的效果。

關鍵詞數據中心；光纖測溫；節能減排

數據中心作為當前大數據、云計算和移動互聯網各類應用的基石，近年來獲得了迅猛的發展。隨著數據中心建設規模越來越大，消耗的電能、空調冷量也越來越多，如何提高機房內環境的安全，并且達到節能減排的要求，已經成為一個重要的課題。

一方面，數據中心機房環境中的高溫、低溫或溫度快速波動都會影響IT設備的電子和物理特性，造成運行故障。在保障系統設備和客戶信息數據安全的前提下，如何提高IDC機房的管理水平、實時監測機房內的環境溫度、反饋調節并消除機房局部溫度過高或過低等問題，是許多數據中心機房管理面臨的嚴峻挑戰。

另一方面，數據中心機房節能減排的核心理念是能效消耗盡可能與需求相符，必須采用“測量-診斷-管理-優化-評估”的循環方法來達到理想的節能效果。機房實際運行數據的采集在節能優化循環中既是起點“測量”，也是終點“評估”。因此，搭建能夠實時、動態、精確、全面的監測數據中心環境參數的監控系統對于IDC的節能減排來說具有重要意義。

1　傳統數據中心溫度監控方案與缺陷

現有數據中心機房環境監控系統溫度采集普遍采用電信號傳感器，包括傳統的熱電阻傳感器、熱電偶傳感器、特殊的半導體傳感器等，雖然這類技術具有測溫精度高、反應快的特點，但存在單點測量范圍小、布線復雜、易損壞、維護工作量大等局限性。往往一個通道內只設1～2個溫度采集點，采集點數量太少，無法檢測到各個IDC機柜的進出風溫度，較難檢測到IDC機房內的局部熱點或局部過冷點，更無力為IDC機房的節能優化提供有意義的數據，為空調精確送風提供參考。

2　光纖測溫技術

分布式光纖測溫系統是一種使用單根光纖實現溫度監測、信號傳輸，綜合利用光纖拉曼散射效應和光時域反射測量技術來實時測量光纖沿線空間溫度分布情況的傳感系統。其中光纖拉曼散射效應用于實現溫度測量，光時域反射測量技術用于獲知溫度測量點在光纖沿線上的位置。

光纖測溫系統目前已經廣泛應用在石油、化工、電力等行業，如油氣井下、大型儲油罐、高壓輸電線、化工廠的反應器等的溫度分布探測、熱力管道泄漏監測報警、油氣罐火宅報警等，效果非常理想。但其在數據中心中的使用尚處于試驗探索階段。

光纖測溫由于其技術原理與特性，使其具備以下優點。

（1）無源實時監測、體積小、重量輕、安裝布放方便。

（2）空間分辨率高、測量點多、靈敏度高。

（3）使用壽命長，便于維護。

3　基于光纖測溫的數據中心監控系統

利用光纖測溫技術的優點，可以構建一套全新的、精確到單機柜進出風溫度的數據中心機房溫度監控系統。

3.1 光纖測溫機房監控系統組成

如圖1所示，基于光纖測溫的數據中心監控系統主要由測溫光纖、測溫主機、監控系統服務器、存儲、操作終端及相關軟件組成。

（1）測溫光纖：傳感光纖建議采用符合IEC60332-3C標準的多模50/125μm光纖。護套采用低煙無鹵，阻燃型熱塑材料。傳感光纖具有優良的熱傳導特性、機械性能、防水性能和抗腐蝕特性。

（2）測溫主機：建議要求測溫主機的溫度測量精度不大于±0.5℃；空間分辨率不大于0.5 m；采樣間隔不大于0.25 m。

（3）監控系統服務器與相關軟件：與常規機房監控系統相比，采用光纖測溫以后，所采集的機房溫度信息點大幅增加，所需計算、存儲的量也大幅增加，因此需注意服務器與存儲的硬件配置，使其可以滿足操作維護及時響應和使用的需求。

監控系統軟件與常規相比，可增加3D渲染、空調反饋控制等功能。

3.2 光纖測溫機房監控系統安裝

以某IDC機房為例，機柜的布置根據冷熱通道分開設置的原理，采用面對面、背對背方式，機柜正面為冷通道，背面為熱通道。

光纖測溫監控系統在工程現場的硬件安裝包括兩部分。

（1）安裝1臺測溫主機：綜合考慮IDC機房平面布置、監控機房和監控中心的位置、走線架敷設路由、測溫主機的用電方式等，合理選擇適當位置掛墻安裝。

（2）敷設1根傳感光纖：把傳感光纖敷設在被測機柜上，實現最準確和最有效的測量，保證所要求的測溫精度和空間分辨率。在實際應用中，需要分布式測溫的場合是多種多樣的，因此傳感光纖的敷設方式也是多種多樣的。

平面布置：傳感光纖（圖2中紅色粗線）及測溫主機（圖2中綠色方框）平面安裝位置如圖2所示。光纖測溫系統采用雙端測量，傳感光纖兩端均接入測溫主機，實現溫度測量和定位功能。

剖面布置：每個單機柜前后各布置4個普通溫度采集點，依照機柜前后門的形狀構造、開門方式和定位要求把光纖緊貼其表面并加以固定，同時應確保良好的可維護性和美觀，并且不影響機柜內服務器設備的拆裝及正常的維護工作。

圖1　基于光纖測溫的數據中心監控系統組成

傳感光纖盤繞敷設在機柜正反面門的內壁上，從機框底部的孔洞穿至機柜底座區域，再敷設至相鄰機柜；敷設路由示意如圖3所示（圖中紅色粗線為傳感光纖，藍色圓圈為普通溫度采集點）。

3.3 光纖測溫機房監控系統功能

IDC機房監控系統通過光纖測溫采集溫度信息，然后通過監控軟件系統實現溫度數據處理和對空調反饋控制，主要內容如下。

（1）溫度數據采集：在IDC機房內按照一定的路由規則在所有機柜內敷設一根傳感光纖，對每個機柜指定的測量點進行實時精確的溫度信息采集。

（2）溫度數據處理：監控系統平臺通過處理采集到的溫度信息，結合機房3D建模和計算流體力學（CFD，Computational Fluid Dynamics）模擬技術，生成一套實時的、連續的機柜溫度分布的3D視圖。

（3）對空調反饋控制：根據機房3D視圖及每個機柜的溫度分布情況，對空調系統進行反饋控制和高效率的精確送風，從而消除局部溫度過高或過低的狀況。

基于光纖測溫的監控系統從動力環境監控系統數據接口提取空調數據，并通過接口協議根據一定的運行邏輯動態控制機房空調的運行狀態，從而實現反饋控制的目的，運行邏輯如下。

（1）機架頂部回風溫度大于25℃，并持續一段時間后，控制軟件自動降低相應區域專用空調設定溫度，并提高EC風機的風速。

（2）機架頂部回風溫度小于23℃，并持續一段時間后，控制軟件自動調高相應區域專用空調設定溫度，并降低EC風機的風速。

圖2　某IDC機房測溫光纖及測溫主機平面布置圖

圖3　某IDC機房機柜測溫光纖路由圖

（3）空調機組開啟臺數控制策略，根據現有機房空調總制冷量與機房內實際發熱設備的匹配程度、現場情況及目標PUE值設定。

此外參照監控平臺3D視圖的溫度場分布，針對機房平面圖內一些熱負荷較大的局部熱點區域，亦可通過人工選擇加裝盲板、調整送風地板活頁角度等措施，幫助熱交換，提高空調制冷效率。

3.4 光纖測溫機房監控系統實際效果

在數據中心部署基于光纖測溫技術的監控系統以后，能夠對機房每個機柜上側、下側的進出風度都進行溫度測量，得到一幅關于機房溫度場的完整的畫面，局部過熱點或過冷點一覽無遺。如圖4所示。

同時，也能得到每個測溫點各個時刻的溫度變化情況，實際運行的機柜進出風時刻都在起伏變化，也就說明，如果能夠感知這些起伏變化，來按需制冷，是能夠有效地優化機房的PUE的。

將溫度信息作為輸入條件，根據事先制定的策略，對機房專用空調的EC風機進行反饋控制，可以實現提高安全性與節能性的效果。經現場測試，光纖測溫監控系統測得某區域回風溫度為22℃，便控制空調風機降低轉速10%，在短短的7 min之內，室內就達到了新的熱平衡，回風溫度值上升為22.9℃，仍在機房環境要求內。

15臺專用空調機組節能量達到18 kW，節能效果明顯。

4　結論與展望

基于光纖測溫的機房溫度監控系統，能夠提高機房溫度監控的精細度，降低系統安裝和維護的復雜性，為評估各類節能措施的實際效果提供了數據依據，為同時提升數據中心機房安全性與節能性提供了有效的技術支撐。不過，目前該技術方案在數據中心業內還處在初步發展的階段，面臨投資成本較高、空調反饋控制系統接口復雜等問題，對該技術方案的應用環境與功能開發完善還需要進一步的深入研究和試驗。

隨著數據中心向高密度、綠色化、智能化的趨勢發展，作為溫度監控系統的一種全新的應用模式，基于光纖測溫的數據中心監控系統必將獲得業界更多的重視與發展，在高等級高重要性的數據中心中具有廣泛的應用前景。

圖4　某機房光纖測溫效果圖

Research on data center monitoring system based on optical fiber temperature measurement

SHEN Wei, DING Cong

(Shanghai Posts & Telecommunications Designing Consulting Institute Co., Ltd., Shanghai 200092, China)

Abstract Data center monitoring system based on optical fiber temperature measurement can supervise the temperature field of each cabinet, get a full real-time computer room environment picture. It can realize precision airing and cooling on-demand for energy saving effect.

Keywords date center; optical fi ber distributed temperature measurement system; energy–saving

收稿日期：2015-02-05

文章編號1008-5599（2015）04-0081-04

文獻標識碼A

中圖分類號TN915