一種基于RFID的機房裝備智能化管理技術

趙 越，耿艷棟

(航天工程大學，北京 100120)

1 引言

隨著物聯網、云計算、大數據、人工智能等技術的不斷發展，數據中心的建設得到了大幅推動，近幾年數據中心建設正成為國家經濟發展的重要支撐，其地位越來越凸顯，無論是政府、企業、移動運營商、互聯網、金融等行業都在積極推動數據中心建設，通過信息化改革建設，促進發展自身業務。我國數據中心數量眾多，兩地三中心、多地多中心等容災建設已廣泛用于提高數據中心災備能力，確保業務連續運行，數據中心規模已從2010年的51萬個增長至現在的100萬個，超過3000個機柜的大型數據中心已超300個，數據中心機柜數量成倍增長，服務器、存儲、網絡等IT基礎設施數量更是成指數級增長，這為數據中心裝備管理高效管理帶來了巨大挑戰，如何實現數據中心IT基礎設施全生命周期信息化、智能化管理，大幅提升裝備運維效率，確保裝備安全穩定運行，降低運維成本顯得至關重要。

傳統的數據機房裝備管理主要依靠人工和簡單信息系統，在運用資源管理系統對數據機房裝備進行管理時，主要采用貼標簽或者二維碼的方式進行人工盤點[1]。傳統的管理模式存在裝備盤點效率低、資源能力底數不清等問題，無法實時追蹤設備進出機房，無法及時發現裝備位置信息變更，無法實時掌握數據機房機柜容量、裝備運行狀況等信息，不僅人工運維成本高，資源利用率低，而且存在一定的安全隱患。近年來，國內數據中心裝備管理通過引入最新的RFID技術，已從傳統的人工登記統計，借助裝備管理系統進行簡單的落位信息、設備信息管理，逐步發展到利用RFID技術實現裝備的定位、機柜容量管理、設備上下架管控以及三維可視化展示等智能化管理[2-5]。

本文針對某中心數據機房裝備人工管理效率低且容易出錯，以及無法及時掌握資源使用，造成資源利用率低等現狀，在充分調研該中心數據機房裝備規模以及運行管理現狀的基礎上，提出一種基于RFID的數據機房裝備智能化管理技術，采用單模標簽和雙模標簽相結合，無線采集設備和有線采集設備相配合的方式，同時融入機柜溫度采集、機房通道門檢測等手段，構建數據機房裝備涵蓋到貨驗收、出入機(庫)房、上架下架、運行環境、維修報廢、備品備件管理等全生命周期的智能化管理系統，大幅降低人工運維成本，提高設備資源利用率，降低數據中心PUE值，助力推動綠色數據中心建設發展。

2 RFID技術

就全球范圍而言，隨著RFID技術標準不斷完善，以及RFID電子標簽種類多樣化和成本不斷降低，基于RFID技術的應用得到大范圍推廣，主要集中在倉儲管理、零售業、智能交通、身份識別、物聯網、智能醫療、物流等領域[6-9]。目前，國內RFID技術應用主要集中在智能門禁、醫療監控、金融、身份識別、倉儲管理、位置感知、食品識別、物流管理等方面[10-13]。John Downie、Matthew Whiting、James Trice等人[14]提出將RFID技術應用于數據中心大量光纖線纜跟蹤管理，用于解決傳統人工統計管理帶來的低效率、易出錯等問題，通過構建高度密集的RFID標簽陣列，收集RFID標簽的軟件數據并將其與結構化布線正確關聯，實時跟蹤和維護光纖線纜，提高數據中心光纖線纜管理和維護效率。John C. Nelson、Timo Santala、 Jonathan Lenchner等人[15]提出將RFID技術與基于視覺的移動機器人結技術相結合，對數據中心的資產進行跟蹤管理，重點研究了將RFID閱讀器部署在機器人身上，通過采取加權接收信號貢獻的方法，提高機器人的識別數據中心機柜中資產的準確度，實現數據中心資產的移動跟蹤和自動化盤點管理。

2.1 RFID標準

目前國際上圍繞數據內容標準為核心形成了ISO/IEC、EPCglobal、UID三大RFID標準體系。RISO即國際標準化組織，其與國際電工委員會(IEC)合作密切，ISO和IEC作為整體，參與制定多項全球國際標準，其中對于各個頻段的RFID也都頒布了標準。RFID領域的ISO/IEC標準包括技術標準、數據內容與編碼標準、性能與一致性標準和應用標準4大類，并主要在RFID的相關技術特性、技術參數和技術規范等方面做出了規定。EPCglobal標準由歐美跨國公司主導，其核心成員包括沃爾瑪、麥德龍、思科、吉列等全球知名公司，是全球最大的RFID標準組織。EPCglobal標準主要面向物流供應鏈領域，把解決供應鏈的透明性和追蹤性作為目標，其提出的物聯網體系架構包括EPC編碼、EPC標簽及讀寫器、Savant管理軟件、ONS服務器和EPCIS服務器等。UID目標也是構建一個完整的RFID標準體系，目前獲得微軟、索尼、三菱、日立、日電、東芝、夏普、富士通等企業的支持。UID中心的泛在識別技術體系架構主要包括泛在識別碼(ucode)、信息系統服務器、泛在通信器和ucode解析服務器等四部分。

2.2 RFID 系統組成

一般而言，基于RFID的裝備管理系統主要由RFID標簽、讀寫器以及應用系統三部分組成[16]。

圖1 RFID系統組成

RFID標簽由芯片和天線組成，芯片中包含有唯一的ID，與裝備信息進行關聯，用于裝備的定位、跟蹤。讀寫器主要包括手持讀寫器、桌面讀寫器、無線采集設備、有線采集設備以及通道門檢測系統等，用于識別RFID標簽，同時將采集信息傳送至應用系統。應用系統通過采集管理底層讀寫器獲取的RFID標簽信息，實現裝備的全生命周期管理。

2.3 RFID 標簽分類

RFID標簽常見的分類方式主要有兩種[3]：一是按照供電模式分類；二是根據工作頻率分類。

基于供電模式的不同，可將RFID標簽分為有源標簽、無源標簽以及半有源標簽三種類型。①有源標簽：標簽內部預制有電池，能夠對標簽內部模塊進行供電。優點是識別距離長，無需考慮功耗問題，實現功能多，應用廣；缺點是維護成本高，使用周期比較短。②無源標簽：該類標簽無內置電池，無法主動供電，需要依賴外部讀寫器通過發射信號產生的電磁場能量來激活標簽工作。優點是體積小、壽命長、成本低；缺點是識別距離短，實現功能少，應用窄。③半有源標簽：綜合有源和無源標簽的優點，內置電池，但只起到激活的作用，在初始狀態處于休眠態，只有在處于低頻激活器的識別范圍內，才開始對外發射信號進行數據傳輸。

基于工作頻率的不同，可將RFID標簽分為四類[3]：低頻標簽、高頻標簽、超高頻標簽以及微波標簽。RFID標簽工作頻率對應關系如下表所示。

表1 各類RFID標簽工作頻率

本文充分調研了某中心數據機房裝備部署情況以及裝備運維管理需求，綜合考慮成本因素，采用無源電子標簽，實現機房機柜裝備U位定位和槽位定位以及裝備進出機房身份識別檢測。

3 基于RFID技術的裝備智能化管理系統總體設計

3.1 系統設計原則

系統設計遵循如下原則：

1)國產化：核心技術、關鍵零部件、各類軟件全部國產化，依靠自身研發設計，全面掌握產品核心技術，實現裝備全生命周期管理系統從硬件到軟件的自主研發、生產、升級、維護的全程可控。

2)安全性：設計和建設過程中充分考慮裝備全生命周期管理系統自身信息存儲、計算和交換的安全。

3)開放性：運用開放的標準規范整合裝備全生命周期管理相關的各類系統，采用標準接口和協議實現系統信息交換和共享。

4)集約性：充分利用已有建設成果，輔以必要的補充完善，提升裝備運行管理水平。

5)復用性：采用模塊化和平臺化研制方法構建應用服務體系，提高軟件復用和重用能力，方便建設成果推廣。

6)實用性：以面向實際應用為原則，一切建設都是為了最終應用，選擇可行落地的解決方案，滿足首長、機關等管理部門和一線裝備管理維護人員的切實需求。

3.2 設計依據

系統設計方案滿足如下技術規范：

1)《信息安全技術 射頻識別(RFID)系統通用安全技術要求》GB/T 35290-2017；

2)《信息安全技術 網絡安全等級保護安全設計技術要求》GB/T 25070-2019；

3)《信息安全技術 辦公裝備安全測試方法》GB/T 38556-2020；

4)《信息安全技術 網絡安全管理支撐系統技術要求》GB/T 38561-2020；

5)《信息技術裝備的無線電騷擾限值和測量方法》GB 9254-2008；

6)《信息技術裝備 抗擾度限值和測量方法》GB/T 17618-2015；

7)《信息技術裝備 安全 第一部分：通用要求》 GB 4943.1-2011；

8)《電磁兼容 限值 諧波電流發射限值(裝備每相輸入電流≤16A)》；

9)《電磁兼容 限值對每相額定電流≤16A且無條件接入的裝備在公用低壓供電系統中產生的電壓變化、電壓波動和閃爍的限制》GB 17625.2-2007。

3.3 系統總體架構設計

系統采用基于RFID的物聯網技術，采用無線和有線相結合的技術手段，結合通道檢測和機柜溫濕度等微環境實時監控，實現裝備自動判讀、自動記錄、自動盤點、機柜內部溫濕度監控、出入機房監控、異常告警等功能，從而完成數據機房裝備全生命周期智能化管理。

系統分為數據采集管理系統、數據服務系統和服務展示系統，詳見2圖所示。

圖2 局部快速索引模型

采集管理系統：由RFID電子標簽和采集設備組成。

數據服務系統：由出入口管控、機柜內部管控、日常作業管理、裝備基礎信息管理、系統管理等模塊組成。

服務展示系統：由統計分析、報警展示和三維展示等模塊組成。

4 基于RFID技術的裝備智能化管理系統功能設計

4.1 采集管理系統

采集管理系統包括電子標簽和采集裝備。電子標簽分為三種，包括單模電子標簽、雙模電子標簽、雙功能電子標簽。采集裝備包括手持讀寫器、桌面讀寫器、無線信號采集裝備、有線信號采集裝備、裝備識別通道、電子門禁識別設備等。功能設計如圖3所示。

圖3 數據采集管理系統

4.2 數據服務系統

數據服務系統包括出入口管控、機柜內部管控、系統管理、裝備基礎信息管理、日常作業管理等，通過對裝備所在物理空間的全方面監控和裝備運行周期的全時段監控管理，實現裝備全生命周期無死角管理。功能設計如圖4所示。

圖4 數據服務系統

出入口管控模塊：包括裝備出入管控和人員出入管控等功能，確保裝備進出機房安全。

機柜內部管控模塊：包括機柜U位監控、刀箱槽位監控、微環境管理、智能燈光管理和空間容量管理等功能，實現數據機房機柜內部實時監控和安全管控。

系統管理模塊：包括權限管理、日志管理、消息公告管理和個人工作臺管理等功能，實現對系統狀態實時監控以及運維人員的管控。

裝備基礎信息管理模塊：包括機(庫)房信息管理、裝備數據庫管理和裝備運行計劃管理等功能，實現對裝備信息的高效存儲管理和裝備運行計劃管理。

日常作業管理模塊：包括到貨驗收、入機(庫)房、裝備領用、出機房、自動盤點、退機房、裝備備件管理等功能，實現數據機房的全生命周期管理。

4.3 服務展示系統

服務展示系統包括統計分析、報警提示、三維展示等內容，通過直觀的圖形化展示實現對裝備全生命周期管理數據和裝備運行狀態的直觀呈現。功能設計如圖5所示。

圖5 服務展示系統

統計分析模塊：裝備統計分析，是對運行中和倉儲中的裝備信息進行統計分析，從不同角度了解裝備的使用情況、狀態信息、維修情況、匯總報表等。同時可進行報表統計、各要素組合查詢，形成分析圖，可導出相應的Excel表。并對庫容、存量、效期等方面進行預警，包括圖形化展示、對賬統計、單據查詢統計、出入機(庫)房統計、收發貨統計、套裝備統計、基數裝備統計、機(庫)房供給實力分析、庫容預警、存量預警、效期預警等。

報警提示模塊：對裝備全生命周期管理過程中出現的異常情況進行報警展示，采用彈窗、圖形、聲光等多種方式實現報警提示功能。如裝備非法移動報警、裝備非法進出機房報警、機柜內溫濕度超標報警、裝備逾期未保養維護等。

三維展示模塊：采用最新的三維圖形技術，實現對項目范圍內所有裝備管理對象的虛擬仿真，以完全三維模式構建整個機房環境。系統中任何裝備對象均以與實際裝備完全一致的三維模型進行展示，對裝備類型應有單獨對應的模型。采用虛擬現實技術的全三維展示方式，建立三維可視化管理環境，實現機房、機柜、裝備級全三維瀏覽和全鼠標操作。可以對三維場景實現放大/縮小、上下左右的平移和任意角度旋轉等操作。具備機房漫游功能，可以第一視角方式體驗在機房內任意走動的場景。

5 原型系統

本系統采用B/S架構，基于物聯網、無線電通信、數據庫管理、人臉識別以及三維可視化建模等技術，構建一套基于RFID技術的數據機房裝備智能化管理原型系統。如圖6和圖7所示。

圖6 原型系統登錄界面

圖7 原型系統管理界面

系統前端管理界面實現數據機房裝備從驗收、入場、設備上下架、設備運行監控、設備退役報廢等全生命周期管理。系統后端通過數據庫存儲管理底層采集設備實時采集的設備信息，記錄設備參數信息、運行狀態信息、設備變更信息、告警信息等內容。

圖8 原型系統三維展示界面

通過3D可視化技術，以三維視圖展現機房、機柜和裝備使用率和剩余率，以及各項資源容量綜合對比，不同色彩分割展現不同容量范圍的機柜空間，可顯示統計范圍內的U位空間容量，顯示總空間、已用空間和使用率等詳細指標，同時能夠實時顯示裝備異常告警信息，便于快速定位故障設備，提高裝備管理效率。

6 結語

針對機房裝備管理涉及到貨驗收、出入機房、裝備上架下架、裝備位置變動、裝備運行狀態、裝備維修報廢、裝備備件管理等全生命周期的諸多環節，主要依靠人工登記記錄和簡單信息系統管理等手段，管理過程繁瑣、容易出錯，管理效率低下且資源利用率低。本文提出一種基于RFID的數據機房裝備智能化管理技術。解決了人工管理和簡單信息系統管理存在的盤點效率低下、能力底數不清、審批周期長的問題，實現機房裝備到貨驗收、出入機(庫)房、上架下架、運行環境、維修報廢、備品備件管理等全生命周期的智能化管理。