數(shù)字孿生技術(shù)在機(jī)房智能化管理中的應(yīng)用

黃晉 何景 劉權(quán) 彭振

（1.湖北省交通運(yùn)輸廳通信信息中心，湖北 武漢 430056；2.湖北省交通科學(xué)研究所，湖北 武漢 430056）

一、引言

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，人類已經(jīng)迎來了大數(shù)據(jù)時(shí)代，數(shù)據(jù)交互不斷加強(qiáng)的生態(tài)鏈發(fā)展正不斷加速，大量資源需要保障，其中數(shù)據(jù)中心機(jī)房作為載體更是整體生態(tài)鏈中需要保障的重點(diǎn)對(duì)象[1]。尤其是近年來，云計(jì)算、區(qū)塊鏈、元宇宙等概念不斷發(fā)展和完善，數(shù)據(jù)中心機(jī)房需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)與日俱增，承受的壓力越來越大，因此也對(duì)設(shè)備及環(huán)境管理提出了更高要求。特別是銀行、郵政、國家電網(wǎng)、交通運(yùn)輸?shù)刃枰獙?shí)時(shí)交換數(shù)據(jù)的單位，機(jī)房管理更為重要，一旦出現(xiàn)系統(tǒng)故障，造成的損失是不可估量的[2]。而傳統(tǒng)機(jī)房管理必須配備專職管理人員7x24小時(shí)值班，巡查設(shè)備運(yùn)行情況，檢查環(huán)控?cái)?shù)據(jù)是否正常(如供配電系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)等)，系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)異常。這種方式不僅排除故障效率低，而且會(huì)導(dǎo)致機(jī)房管理人員長期處于精神高度集中狀態(tài)[3]。

由于多學(xué)科建模與仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)研究成為熱點(diǎn)，目前在數(shù)字孿生工業(yè)、衛(wèi)星、智慧能源、智慧工廠、交通、醫(yī)療健康等諸多領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用[4]。為滿足實(shí)時(shí)、高效、安全的機(jī)房管理需求，建設(shè)機(jī)房數(shù)字化智能管理系統(tǒng)是必然的選擇，數(shù)字孿生借助多種傳感器獲取數(shù)據(jù)，采用數(shù)字化的表達(dá)方式，建立與機(jī)房物理實(shí)體相似的虛擬化模型，并利用實(shí)際測量、仿真計(jì)算等方法，實(shí)時(shí)分析當(dāng)前物理實(shí)體的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了模型信息同步，很好地解決了目前數(shù)據(jù)中心機(jī)房管理中存在的問題，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)設(shè)備告警信息及設(shè)備參數(shù),快速定位故障設(shè)備，迅速排除故障，長期進(jìn)行跟蹤預(yù)防。

二、機(jī)房數(shù)字化智能管理系統(tǒng)架構(gòu)

基于數(shù)字孿生的機(jī)房數(shù)字化智能管理系統(tǒng)架構(gòu)采用“集中化、一體化、智能化”的設(shè)計(jì)模式，分層設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)功能總集成、流程總調(diào)度、資源全監(jiān)控，系統(tǒng)總架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

基于數(shù)字孿生機(jī)房數(shù)字化智能管理系統(tǒng)架構(gòu)由數(shù)據(jù)采集層、本地監(jiān)控層和集中管理層組成。

（一）數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)采集層由各類型傳感器、智能監(jiān)控模塊等組成，負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場環(huán)境、動(dòng)力設(shè)備、安防情況等數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場各類型傳感器將監(jiān)控信號(hào)接入到本地監(jiān)控層的站端監(jiān)控主機(jī)，由本地監(jiān)控主機(jī)分析、處理和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

（二）數(shù)據(jù)監(jiān)控管理層

數(shù)據(jù)監(jiān)控管理層由多臺(tái)站點(diǎn)監(jiān)控主機(jī)或服務(wù)器組成，可為數(shù)據(jù)采集層提供RS485/232、SNMP、DI/DO等數(shù)據(jù)通訊接口，負(fù)責(zé)分析、處理本地機(jī)房采集到的各種動(dòng)力設(shè)備、環(huán)境參數(shù)和安防信息等監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)本地報(bào)警管理、記錄存儲(chǔ)等功能。通過網(wǎng)絡(luò)，可將處理后的數(shù)據(jù)上傳至集中管理層。

（三）中心管理層

中心管理層由1臺(tái)集中管理服務(wù)器構(gòu)成，與本地監(jiān)控層的站端監(jiān)控主機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)連接，負(fù)責(zé)收集與集中處理由各站端發(fā)送上來的數(shù)據(jù)。集中管理服務(wù)器可監(jiān)控管理站端機(jī)房的各種動(dòng)力設(shè)備、環(huán)境參數(shù)和安防信息，將采集的數(shù)據(jù)和處理后的結(jié)果、報(bào)警信息等上傳至交互展示層，并通過遠(yuǎn)程IE訪問，提供友好的人機(jī)界面，滿足用戶個(gè)性化需求，具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、聯(lián)動(dòng)控制、報(bào)警管理、記錄存儲(chǔ)等功能。

三、機(jī)房數(shù)字化智能管理系統(tǒng)的功能

（一）數(shù)據(jù)融合

系統(tǒng)可根據(jù)時(shí)間調(diào)整的光照變化及光影移動(dòng)，調(diào)整天氣效果渲染、雨、雪、霾；系統(tǒng)支持多源異構(gòu)數(shù)據(jù)形成“數(shù)據(jù)底座”，包括GIS、BIM、CAD等；場景支持多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的整合及加載，支持BIM數(shù)據(jù)服務(wù)，導(dǎo)入模型數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)加載渲染。

（二）真實(shí)還原

準(zhǔn)確還原機(jī)房三維實(shí)景，包含標(biāo)識(shí)，通道、橋架、線纜鏈路等；還原機(jī)房設(shè)備與設(shè)施，精準(zhǔn)呈現(xiàn)模型與現(xiàn)實(shí)世界對(duì)比圖，與機(jī)房現(xiàn)場實(shí)景沒有模型出入；支持燈光效果渲染，能夠匹配不同照明度實(shí)景。

（三）動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控可視化

三維實(shí)景與環(huán)控監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)接，實(shí)時(shí)顯示監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，整合2D組態(tài)與3D仿真形態(tài)呈現(xiàn)。通過匹配智能傳感器，可視化動(dòng)態(tài)監(jiān)測整個(gè)機(jī)房內(nèi)UPS、配電、蓄電池等動(dòng)力設(shè)備，以及環(huán)境變量、安防設(shè)施。通過跨平臺(tái)的數(shù)據(jù)協(xié)議，將獨(dú)立分散的數(shù)據(jù)庫或有價(jià)值的數(shù)據(jù)提取至圖撲軟件3D機(jī)房可視化系統(tǒng)當(dāng)中，并以7x24小時(shí)無間斷監(jiān)測形式，實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)處理、管理決策和數(shù)據(jù)共享。

圖2 動(dòng)環(huán)監(jiān)控效果

打造“全方位、全業(yè)務(wù)、全天候”動(dòng)環(huán)監(jiān)控管理的實(shí)時(shí)在線平臺(tái)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患，提前處置可能產(chǎn)生的故障，保障機(jī)房穩(wěn)定持久運(yùn)行，減輕運(yùn)維人員負(fù)擔(dān)，實(shí)現(xiàn)機(jī)房無人值守或少人值守的目的。

1.溫濕度監(jiān)控

采用高精度數(shù)字溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)房環(huán)境溫濕度的全方位監(jiān)測。

2.配電柜監(jiān)控

系統(tǒng)配電柜監(jiān)控包括對(duì)市電配電柜、UPS輸入配電柜、UPS輸出配電柜、列頭柜等設(shè)備的監(jiān)控，以及監(jiān)控三相電流、電壓、頻率、功率、頻率等各種配電柜工作參數(shù)。

3.UPS監(jiān)控

系統(tǒng)需要有效監(jiān)控機(jī)房UPS各部件的運(yùn)行狀態(tài)，例如監(jiān)控UPS的各開關(guān)、整流器、電池狀態(tài)、氫氣含量、逆變器、旁路及輸出等各部分的狀態(tài)，可設(shè)定報(bào)警值，實(shí)時(shí)報(bào)警。

4.空調(diào)監(jiān)控

監(jiān)控精密空調(diào)實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)。系統(tǒng)需要監(jiān)控機(jī)房空調(diào)各部件的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)，例如壓縮機(jī)、濾網(wǎng)、風(fēng)機(jī)、加熱器、加濕器、去濕器、通風(fēng)裝置等部件運(yùn)行或停止的狀況，管理員可以通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)查看空調(diào)運(yùn)行參數(shù)。

空調(diào)區(qū)域的漏水檢測，每臺(tái)空調(diào)配備3m～5m漏水感應(yīng)繩。檢測范圍為漏水感應(yīng)繩范圍內(nèi)；探測密度為全線程，圓柱形；漏水檢測繩可通過RS485接口或干接點(diǎn)信號(hào)接口與監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通信。

5.報(bào)警系統(tǒng)

系統(tǒng)具備界面彈窗、短信通知、電話語音、郵件通知、現(xiàn)場聲光、桌面語音等多種告警方式，支持發(fā)送告警產(chǎn)生及告警恢復(fù)通知。

6.組態(tài)功能

系統(tǒng)具備組態(tài)配置功能，可提供在各應(yīng)用場景下的靈活配置能力，便于運(yùn)維人員個(gè)性化配置系統(tǒng)，支持分層分級(jí)創(chuàng)建設(shè)備模板，可根據(jù)實(shí)際的設(shè)備情況創(chuàng)建運(yùn)行拓?fù)鋱D，并通過組態(tài)方式配置大屏可視化頁面，具備豐富靈活的操作方式。

7.界面展示

系統(tǒng)界面可直觀顯示各機(jī)房、設(shè)備的主要運(yùn)行數(shù)據(jù)及狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)人性化的系統(tǒng)管理；可實(shí)現(xiàn)返回、模糊搜索等快捷便利的操作功能。設(shè)備頁面可展示設(shè)備運(yùn)行拓?fù)洹⑦\(yùn)行參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)，并通過數(shù)據(jù)曲線或圖表查看相關(guān)信息。

（四）機(jī)柜IT設(shè)備管理可視化

資產(chǎn)模塊能夠展示機(jī)柜內(nèi)IT設(shè)備數(shù)量、設(shè)備資產(chǎn)詳情，如空調(diào)、機(jī)柜、發(fā)電機(jī)、配電柜、UPS、主機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器、存儲(chǔ)等。在三維實(shí)景中點(diǎn)擊機(jī)柜，可模擬打開機(jī)柜，顯示機(jī)柜內(nèi)部設(shè)備分布情況、基礎(chǔ)狀態(tài)等。

（五）機(jī)柜設(shè)備可視化

將2D面板與數(shù)據(jù)綁定，同步顯示設(shè)備的業(yè)務(wù)IP、設(shè)備廠商、設(shè)備高度、起始U位、結(jié)束U位、維護(hù)人、CPU溫度、設(shè)備功耗等關(guān)鍵信息的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，以簡潔的表現(xiàn)形式，為用戶呈現(xiàn)多角度、細(xì)致、全面、直觀的關(guān)鍵性數(shù)據(jù)，挖掘數(shù)據(jù)背后的價(jià)值。

圖3 機(jī)柜可視化頁面

1.端口可視化

點(diǎn)擊機(jī)架前板或后板即可打開機(jī)架，點(diǎn)選任意資產(chǎn)設(shè)備，近距離觀看設(shè)備面板圖，真實(shí)反映該設(shè)備前后面板及所關(guān)聯(lián)設(shè)備端口（端到端）鏈路的布線情況，顯示每一個(gè)端口設(shè)備固定資產(chǎn)編號(hào)、網(wǎng)口信息、所屬機(jī)架編號(hào)等。

2.容量可視化

機(jī)房資源的容量管理始終都是個(gè)棘手的難題，往往需要兼顧空間、配電、硬件資源等多方面因素。

3.機(jī)柜U位可視化

針對(duì)機(jī)柜U位、電力、承重等情況，則以機(jī)架為單位，應(yīng)用U位柱狀容量可視化效果，動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)U高、電力、承重三個(gè)維度的綜合空間，直觀展示機(jī)房內(nèi)容量使用情況，幫助運(yùn)維人員更有效地管理機(jī)房容量資源，讓基礎(chǔ)資源使用情況可以一目了然。

4.承重可視化

支持對(duì)接底層數(shù)據(jù)接口，可視化監(jiān)測機(jī)柜承重指標(biāo)、目前承重狀況、剩余容量，實(shí)時(shí)透視每一個(gè)機(jī)柜的承重負(fù)荷情況，同時(shí)反映地板的承重分布情況。

（六）云平臺(tái)服務(wù)

采用WebRTC后端渲染模式，最大程度降低前端訪問機(jī)器性能要求，支持非獨(dú)立顯卡硬件環(huán)境運(yùn)行；具備完善的平臺(tái)管理能力、支持使用日志，服務(wù)管理，使用性能分析等運(yùn)維能力；具有完善的系統(tǒng)后臺(tái)管理平臺(tái)，支持權(quán)限控制、遠(yuǎn)程更新、預(yù)熱加載、硬件檢測、集群部署、訪問策略配置及資源負(fù)載均衡等功能。

四、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

機(jī)房數(shù)字化智能管理系統(tǒng)首先通過對(duì)機(jī)房設(shè)備、管線的精確定位，精細(xì)感知機(jī)房環(huán)境，從而以三維實(shí)景的形式展現(xiàn)機(jī)房(數(shù)據(jù)中心)的運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)可視化管理；以三維實(shí)景實(shí)現(xiàn)對(duì)IDC機(jī)房主機(jī)房、支持區(qū)和輔助房間的直接瀏覽，全角度觀察設(shè)備安裝部署情況及動(dòng)力環(huán)境等附屬設(shè)施，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)界面如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)界面

同時(shí)機(jī)房數(shù)字化智能管理系統(tǒng)可以通過配線可視化管理功能模塊以三維實(shí)景形式直觀呈現(xiàn)鏈路連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)端口級(jí)連接線纜的管理，可極大提高連接線纜故障檢查和排除效率。

五、結(jié)語

通過采用數(shù)字孿生技術(shù)建立機(jī)房數(shù)字化智能管理體系和管理平臺(tái)，能夠提升機(jī)房內(nèi)設(shè)備安全、提升機(jī)房管理效率，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并追溯故障原因，杜絕人為原因?qū)е碌氖鹿拾l(fā)生，做到防患于未然。因此，機(jī)房管理數(shù)字化轉(zhuǎn)型勢在必行。