数字孪生技术在机房智能化管理中的应用

黄晋 何景 刘权 彭振

（1.湖北省交通运输厅通信信息中心，湖北 武汉 430056；2.湖北省交通科学研究所，湖北 武汉 430056）

一、引言

随着信息技术的不断发展，人类已经迎来了大数据时代，数据交互不断加强的生态链发展正不断加速，大量资源需要保障，其中数据中心机房作为载体更是整体生态链中需要保障的重点对象[1]。尤其是近年来，云计算、区块链、元宇宙等概念不断发展和完善，数据中心机房需要存储的数据与日俱增，承受的压力越来越大，因此也对设备及环境管理提出了更高要求。特别是银行、邮政、国家电网、交通运输等需要实时交换数据的单位，机房管理更为重要，一旦出现系统故障，造成的损失是不可估量的[2]。而传统机房管理必须配备专职管理人员7x24小时值班，巡查设备运行情况，检查环控数据是否正常(如供配电系统、电力系统、空调系统、消防系统、动环监控系统等)，系统是否正常运行，数据是否出现异常。这种方式不仅排除故障效率低，而且会导致机房管理人员长期处于精神高度集中状态[3]。

由于多学科建模与仿真技术的飞速发展，数字孪生技术研究成为热点，目前在数字孪生工业、卫星、智慧能源、智慧工厂、交通、医疗健康等诸多领域得到广泛运用[4]。为满足实时、高效、安全的机房管理需求，建设机房数字化智能管理系统是必然的选择，数字孪生借助多种传感器获取数据，采用数字化的表达方式，建立与机房物理实体相似的虚拟化模型，并利用实际测量、仿真计算等方法，实时分析当前物理实体的状态，实现了模型信息同步，很好地解决了目前数据中心机房管理中存在的问题，实时动态呈现设备告警信息及设备参数,快速定位故障设备，迅速排除故障，长期进行跟踪预防。

二、机房数字化智能管理系统架构

基于数字孪生的机房数字化智能管理系统架构采用“集中化、一体化、智能化”的设计模式，分层设计，实现功能总集成、流程总调度、资源全监控，系统总架构如图1所示。

图1 系统架构图

基于数字孪生机房数字化智能管理系统架构由数据采集层、本地监控层和集中管理层组成。

（一）数据采集层

数据采集层由各类型传感器、智能监控模块等组成，负责采集现场环境、动力设备、安防情况等数据。现场各类型传感器将监控信号接入到本地监控层的站端监控主机，由本地监控主机分析、处理和存储数据。

（二）数据监控管理层

数据监控管理层由多台站点监控主机或服务器组成，可为数据采集层提供RS485/232、SNMP、DI/DO等数据通讯接口，负责分析、处理本地机房采集到的各种动力设备、环境参数和安防信息等监控数据，可实现本地报警管理、记录存储等功能。通过网络，可将处理后的数据上传至集中管理层。

（三）中心管理层

中心管理层由1台集中管理服务器构成，与本地监控层的站端监控主机通过网络连接，负责收集与集中处理由各站端发送上来的数据。集中管理服务器可监控管理站端机房的各种动力设备、环境参数和安防信息，将采集的数据和处理后的结果、报警信息等上传至交互展示层，并通过远程IE访问，提供友好的人机界面，满足用户个性化需求，具有数据采集、数据处理、联动控制、报警管理、记录存储等功能。

三、机房数字化智能管理系统的功能

（一）数据融合

系统可根据时间调整的光照变化及光影移动，调整天气效果渲染、雨、雪、霾；系统支持多源异构数据形成“数据底座”，包括GIS、BIM、CAD等；场景支持多源异构数据的整合及加载，支持BIM数据服务，导入模型数据实时加载渲染。

（二）真实还原

准确还原机房三维实景，包含标识，通道、桥架、线缆链路等；还原机房设备与设施，精准呈现模型与现实世界对比图，与机房现场实景没有模型出入；支持灯光效果渲染，能够匹配不同照明度实景。

（三）动力环境监控可视化

三维实景与环控监测系统对接，实时显示监控数据，整合2D组态与3D仿真形态呈现。通过匹配智能传感器，可视化动态监测整个机房内UPS、配电、蓄电池等动力设备，以及环境变量、安防设施。通过跨平台的数据协议，将独立分散的数据库或有价值的数据提取至图扑软件3D机房可视化系统当中，并以7x24小时无间断监测形式，实现多业务处理、管理决策和数据共享。

图2 动环监控效果

打造“全方位、全业务、全天候”动环监控管理的实时在线平台，及时发现隐患，提前处置可能产生的故障，保障机房稳定持久运行，减轻运维人员负担，实现机房无人值守或少人值守的目的。

1.温湿度监控

采用高精度数字温度传感器，实现对机房环境温湿度的全方位监测。

2.配电柜监控

系统配电柜监控包括对市电配电柜、UPS输入配电柜、UPS输出配电柜、列头柜等设备的监控，以及监控三相电流、电压、频率、功率、频率等各种配电柜工作参数。

3.UPS监控

系统需要有效监控机房UPS各部件的运行状态，例如监控UPS的各开关、整流器、电池状态、氢气含量、逆变器、旁路及输出等各部分的状态，可设定报警值，实时报警。

4.空调监控

监控精密空调实时运行参数。系统需要监控机房空调各部件的运行状态和运行参数，例如压缩机、滤网、风机、加热器、加湿器、去湿器、通风装置等部件运行或停止的状况，管理员可以通过网络实时查看空调运行参数。

空调区域的漏水检测，每台空调配备3m～5m漏水感应绳。检测范围为漏水感应绳范围内；探测密度为全线程，圆柱形；漏水检测绳可通过RS485接口或干接点信号接口与监控系统进行通信。

5.报警系统

系统具备界面弹窗、短信通知、电话语音、邮件通知、现场声光、桌面语音等多种告警方式，支持发送告警产生及告警恢复通知。

6.组态功能

系统具备组态配置功能，可提供在各应用场景下的灵活配置能力，便于运维人员个性化配置系统，支持分层分级创建设备模板，可根据实际的设备情况创建运行拓扑图，并通过组态方式配置大屏可视化页面，具备丰富灵活的操作方式。

7.界面展示

系统界面可直观显示各机房、设备的主要运行数据及状态，实现人性化的系统管理；可实现返回、模糊搜索等快捷便利的操作功能。设备页面可展示设备运行拓扑、运行参数及运行状态，并通过数据曲线或图表查看相关信息。

（四）机柜IT设备管理可视化

资产模块能够展示机柜内IT设备数量、设备资产详情，如空调、机柜、发电机、配电柜、UPS、主机、网络设备、服务器、存储等。在三维实景中点击机柜，可模拟打开机柜，显示机柜内部设备分布情况、基础状态等。

（五）机柜设备可视化

将2D面板与数据绑定，同步显示设备的业务IP、设备厂商、设备高度、起始U位、结束U位、维护人、CPU温度、设备功耗等关键信息的动态数据，以简洁的表现形式，为用户呈现多角度、细致、全面、直观的关键性数据，挖掘数据背后的价值。

图3 机柜可视化页面

1.端口可视化

点击机架前板或后板即可打开机架，点选任意资产设备，近距离观看设备面板图，真实反映该设备前后面板及所关联设备端口（端到端）链路的布线情况，显示每一个端口设备固定资产编号、网口信息、所属机架编号等。

2.容量可视化

机房资源的容量管理始终都是个棘手的难题，往往需要兼顾空间、配电、硬件资源等多方面因素。

3.机柜U位可视化

针对机柜U位、电力、承重等情况，则以机架为单位，应用U位柱状容量可视化效果，动态统计U高、电力、承重三个维度的综合空间，直观展示机房内容量使用情况，帮助运维人员更有效地管理机房容量资源，让基础资源使用情况可以一目了然。

4.承重可视化

支持对接底层数据接口，可视化监测机柜承重指标、目前承重状况、剩余容量，实时透视每一个机柜的承重负荷情况，同时反映地板的承重分布情况。

（六）云平台服务

采用WebRTC后端渲染模式，最大程度降低前端访问机器性能要求，支持非独立显卡硬件环境运行；具备完善的平台管理能力、支持使用日志，服务管理，使用性能分析等运维能力；具有完善的系统后台管理平台，支持权限控制、远程更新、预热加载、硬件检测、集群部署、访问策略配置及资源负载均衡等功能。

四、系统实现

机房数字化智能管理系统首先通过对机房设备、管线的精确定位，精细感知机房环境，从而以三维实景的形式展现机房(数据中心)的运行情况，实现可视化管理；以三维实景实现对IDC机房主机房、支持区和辅助房间的直接浏览，全角度观察设备安装部署情况及动力环境等附属设施，系统实现界面如图4所示。

图4 系统实现界面

同时机房数字化智能管理系统可以通过配线可视化管理功能模块以三维实景形式直观呈现链路连接，实现对端口级连接线缆的管理，可极大提高连接线缆故障检查和排除效率。

五、结语

通过采用数字孪生技术建立机房数字化智能管理体系和管理平台，能够提升机房内设备安全、提升机房管理效率，及时发现问题并追溯故障原因，杜绝人为原因导致的事故发生，做到防患于未然。因此，机房管理数字化转型势在必行。