大型數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施智能化及自動(dòng)化淺談

文｜ 國網(wǎng)信息通信有限公司 郭向東 樊建輝

大型數(shù)據(jù)中心與傳統(tǒng)機(jī)房在管理上的最大不同在于大型數(shù)據(jù)中心將建筑本身的基礎(chǔ)設(shè)施也納入到數(shù)據(jù)中心的管理范圍。傳統(tǒng)的機(jī)房管理更多關(guān)注的是IT設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境等，對(duì)于基礎(chǔ)設(shè)施也僅僅局限于動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。其主要原因在于，傳統(tǒng)的機(jī)房往往建設(shè)在普通辦公樓內(nèi)，其電力、空調(diào)、新風(fēng)及消防等基礎(chǔ)設(shè)施與辦公樓共用，機(jī)房管理者無法按照機(jī)房的管理標(biāo)準(zhǔn)對(duì)這些基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行管理，這與現(xiàn)在大型數(shù)據(jù)中心有很大不同?，F(xiàn)在的數(shù)據(jù)中心通常是以整棟建筑物為平臺(tái)，單體建筑面積達(dá)到1～2萬平方米，可容納3000～4000個(gè)機(jī)柜，整棟建筑物僅作為數(shù)據(jù)機(jī)房使用。近年來某些數(shù)據(jù)中心可容納的機(jī)柜數(shù)量甚至達(dá)到幾萬個(gè)，在這種情況下，數(shù)據(jù)中心的管理者所面對(duì)的管理對(duì)象是整個(gè)建筑物的基礎(chǔ)設(shè)施，涵蓋了電氣、暖通、消防、安保等系統(tǒng)。這些系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠性對(duì)于數(shù)據(jù)中心更為重要，例如空調(diào)冷水機(jī)組一旦發(fā)生重大事故，可能造成整個(gè)數(shù)據(jù)中心的癱瘓。數(shù)據(jù)中心節(jié)能的概念也不再局限于機(jī)房精密空調(diào)、照明等環(huán)節(jié)，而必須關(guān)注從變壓器、UPS、冷水機(jī)組等大型設(shè)備到冷卻塔、水泵、新風(fēng)等各環(huán)節(jié)的節(jié)能。

數(shù)據(jù)中心在建筑學(xué)上屬于智能建筑專業(yè)，其智能化的表現(xiàn)之一是在數(shù)據(jù)中心中安裝了大量的智能化及自動(dòng)化設(shè)備，通過安裝各種傳感器實(shí)現(xiàn)智能化和自動(dòng)化。這些傳感器種類及數(shù)量繁多，包括溫度、濕度、電壓、電流、壓力、流量、漏水、防入侵等。這些智能化設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)中心的節(jié)能產(chǎn)生了極大的作用，同時(shí)也保證了數(shù)據(jù)中心的安全可靠運(yùn)行，是數(shù)據(jù)中心不可或缺的重要組成部分。

數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施最重要的系統(tǒng)包括變配電系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)及相應(yīng)的水系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的智能化和自動(dòng)化代表了數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的智能化、自動(dòng)化水平。將RFID技術(shù)引入數(shù)據(jù)中心的管理，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施智能化管理，可以極大地節(jié)約人力成本，也是目前數(shù)據(jù)中心智能化的標(biāo)志之一。

本文筆者通過在數(shù)據(jù)中心建設(shè)和運(yùn)維中的體會(huì)，說明智能化對(duì)數(shù)據(jù)中心在節(jié)能方面所帶來的效益。

1 數(shù)據(jù)中心智能化能耗監(jiān)控平臺(tái)

準(zhǔn)確衡量數(shù)據(jù)中心能耗的關(guān)鍵指標(biāo)PUE值，需要在變配電系統(tǒng)及用電設(shè)備上安裝必要的PT、CT等各類傳感器。全面實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)中心的IT設(shè)備、空調(diào)制冷、新風(fēng)、照明、消防等基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)行參數(shù)和能耗數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)顯示和分析PUE值等能效數(shù)據(jù)。對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施能耗歷史及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析匯總，分類提出各類基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)行建議和優(yōu)化措施。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）能源動(dòng)力過程監(jiān)控

基于對(duì)數(shù)據(jù)處理和分析，實(shí)時(shí)掌握能源消耗狀況，對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)的能耗異常情況進(jìn)行集中監(jiān)控。例如，對(duì)每個(gè)機(jī)柜的發(fā)熱量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并形成圖形化顯示，對(duì)高熱區(qū)域進(jìn)行報(bào)警。通過自動(dòng)調(diào)節(jié)地板通風(fēng)口面積，消除局部“熱島”。

（2）能源消耗分析與管理

能源管理系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)中心能源的監(jiān)管平臺(tái)，為管理人員提供了不同的管理窗口，通過一個(gè)頁面管理掌握整個(gè)數(shù)據(jù)中心的能源消耗情況，通過對(duì)能源消耗的精細(xì)化管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)能源消耗系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、日常能源消耗管理、能耗分析、重點(diǎn)設(shè)備管理等功能，提高了能源管理的數(shù)字化和智能化水平。

（3）指標(biāo)分析

引入數(shù)據(jù)中心能耗指標(biāo)計(jì)算方法，包括：每個(gè)機(jī)柜用電量、單位面積綜合能耗、單位面積空調(diào)能耗、單位面積照明能耗等進(jìn)行考核分析。

（4）智能報(bào)表

將各種數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總產(chǎn)生統(tǒng)計(jì)報(bào)表，報(bào)表所展現(xiàn)的數(shù)據(jù)和內(nèi)容，可以切換成餅圖、棒圖和曲線方式進(jìn)行展現(xiàn)。

2 變配電系統(tǒng)智能化及自動(dòng)化在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用

為最大限度地保證IT設(shè)備不間斷工作，數(shù)據(jù)中心在變配電系統(tǒng)中利用各種脫扣器和電氣二次設(shè)備實(shí)現(xiàn)了智能化與自動(dòng)化。本節(jié)以ATS切換開關(guān)為例，簡要說明電氣系統(tǒng)中的智能化及自動(dòng)化。

根據(jù)《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50174-2008）A級(jí)機(jī)房標(biāo)準(zhǔn)和美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)（ANSI）頒布的《數(shù)據(jù)中心電信基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)》（TIA 942）中T3及T4級(jí)機(jī)房的規(guī)定，雙路市電是數(shù)據(jù)中心必備的條件。在雙路市電切換過程中，ATS自動(dòng)切換開關(guān)被廣泛使用。當(dāng)一路市電發(fā)生故障時(shí)，ATS自動(dòng)將負(fù)載從一個(gè)電源換接至另一個(gè)電源，以確保IT設(shè)備連續(xù)、可靠運(yùn)行，因此，ATS在數(shù)據(jù)中心中占有重要的地位。目前，數(shù)據(jù)中心大都用ATS開關(guān)取代母聯(lián)開關(guān)，實(shí)現(xiàn)了變配電系統(tǒng)的自動(dòng)化。此外，STS（靜態(tài)切換開關(guān)）也被數(shù)據(jù)中心廣泛使用，很多網(wǎng)絡(luò)設(shè)備依然采用單電源供電方式，機(jī)柜式STS開關(guān)可以很好地解決單電源設(shè)備的連續(xù)供電問題。

ATS有PC級(jí)和CB級(jí)兩種型式，CB級(jí)ATS比PC級(jí)ATS多一個(gè)短路保護(hù)功能，但PC級(jí)ATS的可靠性高于CB級(jí)ATS。給IT設(shè)備配置的ATS應(yīng)選用旁路隔離型的PC級(jí)ATS。在實(shí)際應(yīng)用中，ATS的轉(zhuǎn)換條件和轉(zhuǎn)換時(shí)間至關(guān)重要，必須與上下級(jí)開關(guān)斷路器的電流整定值及整定時(shí)間相互配合。在實(shí)際運(yùn)維中經(jīng)常出現(xiàn)由這些小問題所引發(fā)的重大災(zāi)難性事故。

3 空調(diào)自控系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的節(jié)能應(yīng)用

空調(diào)系統(tǒng)的智能化及自動(dòng)化可以極大提高數(shù)據(jù)中心節(jié)能效果?！癋ree cooling”技術(shù)目前在數(shù)據(jù)中心中被廣泛采用。在我國北方的廣大地區(qū)，甚至像上海這樣的地區(qū)利用春、秋及冬季較低的氣溫，用“冷卻塔+板式換熱器”的運(yùn)行模式取代冷水機(jī)組電制冷工作模式，其節(jié)能效果非常顯著。“Free cooling”技術(shù)采用了大量的溫度、壓力、流量及液位傳感器等，通過測量各種參數(shù)實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的智能控制。同時(shí)利用電磁閥、自控元件實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的自動(dòng)化。根據(jù)機(jī)房內(nèi)溫度及室外溫濕度，在室外溫度低于15℃時(shí)自動(dòng)開啟“Free cooling”模式，當(dāng)室外溫度高于15℃時(shí)，自動(dòng)回到冷水機(jī)組電制冷工作模式。在春秋季節(jié)每天的溫度變化范圍較大，智能化的“Free cooling”技術(shù)可以充分利用春秋季節(jié)每天早晚及中午溫度的變化，自動(dòng)進(jìn)行制冷模式的切換，我們稱之為“部分Free cooling”，使其最大程度地實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

此外，還可對(duì)冷水機(jī)組的冷凍系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)采用智能化控制，使之更加節(jié)能。例如，對(duì)冷凍系統(tǒng)進(jìn)行恒溫控制，以回水溫度信號(hào)作為目標(biāo)信號(hào)，使壓差的目標(biāo)值可以在一定范圍內(nèi)根據(jù)回水溫度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，即當(dāng)機(jī)房溫度較低時(shí)，使壓差的目標(biāo)值適當(dāng)下降一些，降低冷凍泵的平均轉(zhuǎn)速，提高節(jié)能效果。對(duì)冷卻系統(tǒng)采用兩個(gè)溫度傳感器，檢測冷卻水的進(jìn)水溫度和回水溫度，當(dāng)進(jìn)水和回水溫差大時(shí)，冷卻水泵及冷卻風(fēng)機(jī)加速運(yùn)行，使進(jìn)水和回水溫差保持在5℃左右。當(dāng)進(jìn)水和回水溫差偏小時(shí)，降低冷卻水泵和冷卻風(fēng)機(jī)的速度以達(dá)到節(jié)能的目的。

根據(jù)對(duì)某北方數(shù)據(jù)中心的長期觀察，每年至少有一半的天數(shù)可以使用“部分Free cooling”及“完全Free cooling”（即冷水機(jī)組完全不啟動(dòng)）。在此期間平均每個(gè)月可節(jié)約電能約120000kWh，節(jié)能效果非常大。

4 空調(diào)水系統(tǒng)智能化檢測在數(shù)據(jù)中心的節(jié)能應(yīng)用

大型數(shù)據(jù)中心通常采用冷水機(jī)組作為機(jī)房冷源，因此數(shù)據(jù)中心的水系統(tǒng)（冷卻水及冷凍水）對(duì)于數(shù)據(jù)中心而言極為重要，其安全可靠性直接關(guān)系到數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行。不僅如此，水質(zhì)也直接關(guān)系到節(jié)能的問題，例如北京地區(qū)水質(zhì)較硬，當(dāng)水系統(tǒng)中的結(jié)垢現(xiàn)象很嚴(yán)重時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)的能耗也隨之增加。

冷卻水與空氣接觸進(jìn)行熱交換的同時(shí)也將空氣中的污染物帶入系統(tǒng)，進(jìn)而會(huì)影響設(shè)備的正常運(yùn)行?？照{(diào)的冷卻水系統(tǒng)易受到結(jié)垢、腐蝕、污垢、微生物等問題的困擾。其主要原因是冷卻塔在通過水的蒸發(fā)將熱量帶走的同時(shí)，水中的離子濃度會(huì)不斷升高，進(jìn)而會(huì)加劇系統(tǒng)設(shè)備和管道的結(jié)垢、腐蝕。另外，在滿足一定的溫度、陽光、空氣等條件時(shí)，水中會(huì)滋生很多微生物，微生物的存在會(huì)影響系統(tǒng)設(shè)備和管道的正常運(yùn)行。

在空調(diào)專業(yè)上將冷卻水出水溫度與制冷劑的冷凝溫度之差稱為冷凍機(jī)趨近溫度。當(dāng)冷水機(jī)組內(nèi)的銅管干凈時(shí)，該差值小，也即趨近溫度低；反之，當(dāng)銅管有水垢粘附時(shí)，差值大，也即趨近溫度高。趨近溫度高時(shí)，空調(diào)壓縮機(jī)需要額外多做功壓縮制冷劑，產(chǎn)生額外的電耗。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行中的統(tǒng)計(jì)，趨近溫度每升高1℃，冷水機(jī)組增加3%的能耗。此外，當(dāng)趨近溫度達(dá)到7℃時(shí)，會(huì)給冷水機(jī)組的運(yùn)行帶來非常大的危險(xiǎn)。因此實(shí)時(shí)檢測水系統(tǒng)的水質(zhì)并自動(dòng)進(jìn)行加藥處理對(duì)數(shù)據(jù)中心的水系統(tǒng)尤為重要。

水系統(tǒng)自動(dòng)檢測及自動(dòng)加藥設(shè)備通過在線的、實(shí)時(shí)的控制，可以嚴(yán)格地控制水的電導(dǎo)率在合理范圍內(nèi)，根據(jù)電導(dǎo)率大小自動(dòng)控制排污閥的開或關(guān)，使補(bǔ)水量更精確，從而達(dá)到節(jié)約用水的目的。下面以實(shí)例說明自動(dòng)水處理系統(tǒng)在節(jié)電、節(jié)水方面所取得的效果。

某數(shù)據(jù)中心在采用自動(dòng)水處理系統(tǒng)前遭遇冷凍機(jī)組結(jié)垢、微生物滋生等問題困擾，造成趨近溫度升高，最高時(shí)達(dá)到6.5℃，產(chǎn)生了嚴(yán)重的能源浪費(fèi)和運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)過自動(dòng)處理系統(tǒng)后，現(xiàn)趨近溫度穩(wěn)定在1℃以下。在處理前，冷水機(jī)組耗電量為202kW。處理后，在相同的負(fù)荷下，耗電量降為170kW。在采用“Free cooling”技術(shù)的前提下，冷水機(jī)組每年運(yùn)行7.5個(gè)月計(jì)算，則一年節(jié)約用電為：

（202-165）kW×24h×225d =199800 kWh

合理的濃縮倍數(shù)和穩(wěn)定的控制效果，可以把冷水機(jī)組的排污用水量控制到最合理的范圍。按照一臺(tái)540噸/時(shí)循環(huán)量的冷水機(jī)組來計(jì)算，在未采用自動(dòng)檢測及自動(dòng)加藥設(shè)備前，其濃縮倍數(shù)為2.22倍。采用自動(dòng)檢測及自動(dòng)加藥設(shè)備后，其濃縮倍數(shù)可以在3.5倍。由此每年節(jié)約的用水量達(dá)到12噸。

5 RFID技術(shù)在數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施管理中的應(yīng)用

大型數(shù)據(jù)中心的IT設(shè)備及基礎(chǔ)設(shè)施眾多，這些設(shè)備的基本信息，如設(shè)備歸屬、購置時(shí)間、放置地點(diǎn)、保養(yǎng)維護(hù)、備品備件等信息，若用人工進(jìn)行管理將是復(fù)雜的工作，且極易出現(xiàn)錯(cuò)誤。目前國內(nèi)外大型數(shù)據(jù)中心都在探索利用RFID技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行管理的途徑，出現(xiàn)了各種應(yīng)用案例，但大多數(shù)是在局部環(huán)節(jié)的應(yīng)用，例如僅僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)IT設(shè)備的資產(chǎn)管理，并沒有對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)中心從基礎(chǔ)設(shè)施到人、財(cái)、物等環(huán)節(jié)全面應(yīng)用RFID的案例。本節(jié)將結(jié)合RFID技術(shù)探討在智能化方面的應(yīng)用模式，利用RFID高效、便捷、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，對(duì)大型數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)安全、可靠、現(xiàn)代化的管理。

（1）將物聯(lián)網(wǎng)概念引入數(shù)據(jù)中心管理中，以RFID技術(shù)為感知層，探索物聯(lián)網(wǎng)在大型數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用。

（2）利用RFID實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)管理，實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)實(shí)時(shí)定位、盤點(diǎn)、異常上報(bào)、資產(chǎn)屬性管理等。

（3）利用RFID實(shí)現(xiàn)人員定位跟蹤，確保人員在指定范圍內(nèi)活動(dòng)。對(duì)非法進(jìn)入未經(jīng)授權(quán)的區(qū)域，利用語音系統(tǒng)進(jìn)行警告并提示其正確的路徑，同時(shí)提示后臺(tái)監(jiān)控人員，加強(qiáng)對(duì)此人的監(jiān)控。對(duì)于大型數(shù)據(jù)中心而言，有很多IT維護(hù)人員、設(shè)備維護(hù)人員、物業(yè)及管理人員要進(jìn)入數(shù)據(jù)中心，如何限制這些人員的活動(dòng)范圍，僅靠監(jiān)控人員顯然無法實(shí)現(xiàn)，RFID的定位跟蹤功能可以很方便的解決這個(gè)問題。

6 結(jié)束語

在筆者所建設(shè)和運(yùn)維的數(shù)據(jù)中心中，智能化和自動(dòng)化程度越高，其所帶來的效益就越大。這種效益不僅表現(xiàn)在降低能耗上，在節(jié)約人力資源、提高數(shù)據(jù)中心運(yùn)行安全可靠性等方面也有突出的表現(xiàn)。在我們的生活越來越依靠網(wǎng)絡(luò)的時(shí)代，數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維安全問題，在某些領(lǐng)域是一個(gè)關(guān)乎到國計(jì)民生的重大問題。在進(jìn)行數(shù)據(jù)中心建設(shè)和運(yùn)維時(shí)，要充分發(fā)揮各種先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的智能化和自動(dòng)化。

對(duì)大型及超大型數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的管理，傳統(tǒng)的管理模式已無法應(yīng)對(duì)，只有將智能化與自動(dòng)化的概念引入到數(shù)據(jù)中心的建設(shè)及管理中，才可以確保數(shù)據(jù)中心的安全可靠運(yùn)行。

本文從幾個(gè)不同的方面談了對(duì)數(shù)據(jù)中心智能化和自動(dòng)化的理解和認(rèn)識(shí)，借助于以往的經(jīng)驗(yàn)及教訓(xùn)，供廣大同仁參考。