分布式智慧高校實(shí)驗(yàn)室機(jī)房系統(tǒng)方案實(shí)踐與探索

余鵬　沈振興

摘? ?要：高校實(shí)驗(yàn)室機(jī)房在輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)、促進(jìn)智能管理等方面具有舉足輕重的作用。文章針對(duì)實(shí)驗(yàn)室機(jī)房在智慧管理、極簡(jiǎn)運(yùn)維、安全生產(chǎn)方面的痛點(diǎn)問題，引入分布式智慧實(shí)驗(yàn)室機(jī)房系統(tǒng)方案。該方案以一種全新的一體式機(jī)柜作為基礎(chǔ)，融合了動(dòng)態(tài)可擴(kuò)展的多級(jí)微模塊設(shè)備單元，構(gòu)建了高校實(shí)驗(yàn)室智能模塊化一體式機(jī)柜微環(huán)境，在實(shí)驗(yàn)室機(jī)房便捷化建設(shè)、高可靠監(jiān)控、智能化管理等方面體現(xiàn)出較好優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：高校實(shí)驗(yàn)室機(jī)房;一體式機(jī)柜;微模塊;微環(huán)境

中圖分類號(hào)：TP393;TP399 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-8454（2020）09-0052-04

一、背景分析

隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)和物聯(lián)網(wǎng)等產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，數(shù)據(jù)中心規(guī)模不斷增大并呈現(xiàn)兩極化發(fā)展趨勢(shì)，末端的微型數(shù)據(jù)中心（例如實(shí)驗(yàn)室機(jī)房、核心交換機(jī)房等）越來越多。而零星分布的微型數(shù)據(jù)中心因地理、環(huán)境、建筑等方面的差異，一直面臨著難以統(tǒng)一規(guī)劃、建設(shè)與運(yùn)維管理的窘境，為信息化業(yè)務(wù)的快速上線帶來了極大的挑戰(zhàn)，直接關(guān)系到實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器、虛擬機(jī)、路由交換系統(tǒng)是否能夠穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，是否能夠保證各類信息通暢無阻。

高校分布式智慧實(shí)驗(yàn)室機(jī)房（以下簡(jiǎn)稱“實(shí)驗(yàn)室機(jī)房”）作為末端微型數(shù)據(jù)中心典型的應(yīng)用場(chǎng)景之一，承載著實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)、實(shí)驗(yàn)室各類物聯(lián)網(wǎng)終端數(shù)據(jù)交換與共享的核心節(jié)點(diǎn)[1]。因其具有建設(shè)分散、管理人員繁多、管理水平參差不齊、管理模式與標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一等問題，加上承載業(yè)務(wù)較多、非24小時(shí)專人值守的特點(diǎn)，給機(jī)房管理者與維護(hù)人員帶來極大運(yùn)維壓力[2]。一般情況下，實(shí)驗(yàn)室機(jī)房的投入與建設(shè)規(guī)模無法與標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)中心IDC機(jī)房比擬，但其所承載的業(yè)務(wù)功能卻與IDC機(jī)房相近，無論從建設(shè)資金投入、標(biāo)準(zhǔn)化管理方面均與數(shù)據(jù)中心IDC機(jī)房有著較大差別。加之基本常年處于工作狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)室機(jī)房內(nèi)部各類服務(wù)器、虛擬機(jī)、路由交換等設(shè)備能耗開銷高、基礎(chǔ)運(yùn)行環(huán)境較差，管理智能化與故障應(yīng)急響應(yīng)時(shí)效得不到很好的保障。

一方面，實(shí)驗(yàn)室機(jī)房要保障機(jī)房內(nèi)部各類設(shè)備安全可靠地運(yùn)行，延長相關(guān)系統(tǒng)使用壽命;另一方面，又要為實(shí)驗(yàn)室管理人員與運(yùn)維人員構(gòu)建一個(gè)安全穩(wěn)定的運(yùn)行環(huán)境，滿足其對(duì)室內(nèi)溫濕度、潔凈度、安全監(jiān)管、電源配電及防雷接地的要求[3]。同時(shí)，還應(yīng)具備較好的遠(yuǎn)程科學(xué)化管理、可視化監(jiān)控、智能化數(shù)據(jù)采集與分析、多樣化報(bào)表輸出與展示功能，具備高可靠性、高安全性、綠色節(jié)能環(huán)保及較好的可擴(kuò)展性。

在此背景下，為較好解決上述問題，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室機(jī)房的標(biāo)準(zhǔn)化管理與運(yùn)行，本文設(shè)計(jì)了一種分布式智慧實(shí)驗(yàn)室機(jī)房創(chuàng)新方案，該方案具有“麻雀雖小、五臟俱全”的特點(diǎn)，由微模塊的方式構(gòu)建，具備與數(shù)據(jù)中心IDC機(jī)房相仿的“UPS”、“空調(diào)制冷”、“動(dòng)環(huán)”、“監(jiān)控”、“身份識(shí)別門禁”等基礎(chǔ)設(shè)施單元，能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)室機(jī)房規(guī)模及應(yīng)用功能的實(shí)際需求，靈活配置微模塊，大幅降低建設(shè)成本，減小設(shè)備能耗開銷，提高實(shí)驗(yàn)室管理運(yùn)維效能，提升綜合安全管理水平。

二、建設(shè)方案

1.總體思路

為滿足分布式智慧實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展需要，實(shí)現(xiàn)易實(shí)施、易使用、易管理的需求，論文設(shè)計(jì)方案在標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜物理空間內(nèi)，整合了動(dòng)力輸入、制冷、智能配電、浪涌保護(hù)、環(huán)境監(jiān)控、溫度調(diào)節(jié)、消防、布線管理和安全防范等微模塊，為實(shí)驗(yàn)室機(jī)房內(nèi)部服務(wù)器等核心IT設(shè)備營造一個(gè)高可靠的運(yùn)行環(huán)境。分布式智慧實(shí)驗(yàn)室機(jī)房創(chuàng)新方案的實(shí)施與應(yīng)用，旨在降低機(jī)房規(guī)劃實(shí)施難度，提高IT 基礎(chǔ)設(shè)施使用體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)快速部署、節(jié)約空間、靈活擴(kuò)展、綠色節(jié)能、維護(hù)簡(jiǎn)易的管理模式。

微模塊化的基礎(chǔ)設(shè)施單元是各類高性能計(jì)算服務(wù)器、虛擬機(jī)、云桌面、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、信息安全系統(tǒng)的承載實(shí)體，以智能模塊化一體式機(jī)柜作為硬件載體，主要包括如下微模塊單元[4]：供配電系統(tǒng)微模塊、不間斷電源（UPS）系統(tǒng)微模塊、柜內(nèi)制冷單元微模塊、動(dòng)環(huán)監(jiān)控微模塊、通道封閉組件微模塊、安防及消防微模塊、遠(yuǎn)程集中式綜合管理系統(tǒng)等。將實(shí)驗(yàn)室機(jī)房基礎(chǔ)設(shè)施（例如UPS、供配電、制冷、機(jī)柜、布線、監(jiān)控、門禁、消防等系統(tǒng)）整合為一體，融合至一套網(wǎng)控平臺(tái)進(jìn)行集中化管理，構(gòu)建為“一個(gè)中心 + 多個(gè)異地節(jié)點(diǎn)”的分布式機(jī)柜級(jí)的智慧實(shí)驗(yàn)室機(jī)房系統(tǒng)實(shí)施方案，為分布式智慧實(shí)驗(yàn)室提供安全、可靠、高效的運(yùn)行支撐與智能運(yùn)營環(huán)境。

2.系統(tǒng)架構(gòu)

圖1和圖2分別是分布式智慧實(shí)驗(yàn)室機(jī)房系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖及供配電結(jié)構(gòu)示意圖，通過全封閉的智能模塊化一體式機(jī)柜作為微模塊和服務(wù)器、虛擬機(jī)等設(shè)備的載體。一方面，機(jī)柜可以由單個(gè)或多個(gè)機(jī)柜并柜的方式部署，單個(gè)占地空間為與實(shí)驗(yàn)室機(jī)房常用的普通42U機(jī)柜相近，不額外增加空間開銷。全封閉環(huán)境的構(gòu)建，能有效實(shí)現(xiàn)其內(nèi)部裝載設(shè)備與微模塊工作環(huán)境的恒溫、恒濕與無塵，保障空調(diào)系統(tǒng)在密閉的空間中實(shí)現(xiàn)循環(huán)制冷，效能得到最大化發(fā)揮。其功能模塊組件為：

（1）安全環(huán)控微模塊：主要包含水浸傳感器、煙霧傳感器、溫濕度傳感器等傳感單元、防雷單元，以提供實(shí)驗(yàn)室機(jī)房的安全監(jiān)控保障。水浸傳感器部署于一體式機(jī)柜的底部，適用于實(shí)驗(yàn)室機(jī)房建設(shè)在可能出現(xiàn)淹水的低樓層環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)房水浸的監(jiān)控;煙霧傳感器部署于一體式機(jī)柜頂部，實(shí)現(xiàn)對(duì)柜內(nèi)火警煙霧的監(jiān)控;溫濕度傳感器部署于一體式機(jī)柜頂部，實(shí)現(xiàn)對(duì)是一體式機(jī)柜內(nèi)部溫濕度數(shù)據(jù)的采集與管理;防雷單元做接地處理，用于保護(hù)機(jī)柜內(nèi)部設(shè)備、防雷PDU不受雷電影響。

（2）自動(dòng)安全開門微模塊：包含自動(dòng)開門門禁系統(tǒng)，通過API接口完成與高校校園一卡通 （動(dòng)態(tài)下發(fā)白名單）系統(tǒng)對(duì)接，確保機(jī)柜門安全，實(shí)現(xiàn)對(duì)所授權(quán)人員的開門動(dòng)作的記錄;并配備門磁，防止有惡意暴力破門行為的記錄;并對(duì)機(jī)柜門未關(guān)閉時(shí)向中控發(fā)送告警信息。

（3）UPS供配電微模塊：根據(jù)實(shí)際需要配置電池容量，集成UPS輸入輸出、IT負(fù)載、監(jiān)控系統(tǒng)配電。為PDU模塊、攝像機(jī)、門禁系統(tǒng)、各類傳感器、應(yīng)急風(fēng)扇等、照明單元在市電中斷情況下提供基礎(chǔ)供電。

（4）視頻監(jiān)控微模塊：在實(shí)驗(yàn)室機(jī)房周邊部署全角攝像頭，24小時(shí)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室及機(jī)柜周圍環(huán)境，將視頻在NVR中存儲(chǔ)錄像，以便回查可疑事件。

（5）空調(diào)制冷微模塊：包含冷媒型分體式制冷單元、機(jī)架式室內(nèi)機(jī)、空調(diào)室外機(jī)、空調(diào)控制器等組件構(gòu)成?？照{(diào)由兩路市電供電，空調(diào)制冷單元僅對(duì)柜內(nèi)機(jī)架式高性能計(jì)算服務(wù)器、虛擬機(jī)、路由交換等設(shè)備進(jìn)行無間斷側(cè)送風(fēng)內(nèi)循環(huán)制冷;空調(diào)控制器可本地和遠(yuǎn)程管理制冷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)控制柜內(nèi)溫度、濕度的需求。

（6）應(yīng)急通風(fēng)微模塊：當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)故障或在市電中斷時(shí)，通過UPS供電系統(tǒng)供電工作，機(jī)柜前頂部應(yīng)急送風(fēng)模塊進(jìn)行往下送風(fēng)，機(jī)柜后頂部應(yīng)急排風(fēng)模塊進(jìn)行外排熱風(fēng)，保障柜內(nèi)溫度。

（7）集中監(jiān)控管理模塊：高校分布式實(shí)驗(yàn)室機(jī)柜中控系統(tǒng)通過校園網(wǎng)與集中監(jiān)控管理平臺(tái)連接，集中監(jiān)控管理平臺(tái)實(shí)時(shí)采集各實(shí)驗(yàn)室中控系統(tǒng)存儲(chǔ)的各類微模塊工作狀態(tài)數(shù)據(jù)。建立告警知識(shí)庫和故障字典庫，支持告警信息分等級(jí)，依據(jù)事件影響程度，分為1、2、3……不同等級(jí)告警，等級(jí)越高，告警密度越大。通過JSON API接口，與微信企業(yè)號(hào)、釘釘企業(yè)號(hào)等應(yīng)用實(shí)現(xiàn)對(duì)接，在告警發(fā)生時(shí)，將不同等級(jí)的告警信息向?qū)嶒?yàn)室管理人員推送故障消息，實(shí)現(xiàn)問題的實(shí)時(shí)監(jiān)督與排查。

3.集中監(jiān)控管理平臺(tái)

如圖3所示，集中監(jiān)控管理平臺(tái)通過校園物聯(lián)網(wǎng)專線對(duì)分布式實(shí)驗(yàn)室智能模塊化一體式機(jī)柜中控系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理。平臺(tái)基于分布式的星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)構(gòu)建，采用主、從方式的IP數(shù)據(jù)網(wǎng)上傳并下發(fā)各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，為有效的保證數(shù)據(jù)通信的實(shí)時(shí)性，集中監(jiān)控管理平臺(tái)采用多線程模式，同時(shí)與多個(gè)異地分布式設(shè)備進(jìn)行并發(fā)通訊，便于對(duì)各類異常事件的實(shí)時(shí)響應(yīng)。各遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室節(jié)點(diǎn)中控系統(tǒng)可存儲(chǔ)本站的監(jiān)控信息，并將數(shù)據(jù)副本上報(bào)至集中監(jiān)控管理平臺(tái)。在分布式的星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，在監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)偶遇異常故障的情況下，所有的報(bào)警信息、實(shí)時(shí)記錄及歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于本地中控主機(jī)內(nèi)，為事后分析故障起因、優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及部署方式、改善機(jī)房基礎(chǔ)環(huán)境提供了保障。

集中監(jiān)控管理平臺(tái)采用圖形化的數(shù)據(jù)清單及報(bào)表界面，有組織地管理高校各實(shí)驗(yàn)室智能模塊化一體式機(jī)柜節(jié)點(diǎn)的各類微模塊。平臺(tái)通過主、備監(jiān)控服務(wù)器的方式 ，實(shí)時(shí)向遠(yuǎn)端分布式實(shí)驗(yàn)室采集報(bào)警信息、參數(shù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。集中監(jiān)控管理平臺(tái)由監(jiān)控管理軟件（管理客戶端）、數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、大屏幕告警顯示服務(wù)器、微服務(wù)消息服務(wù)器等功能單元組成。監(jiān)控管理軟件（管理客戶端）與數(shù)據(jù)采集服務(wù)器主要實(shí)現(xiàn)對(duì)各節(jié)點(diǎn)中控系統(tǒng)上報(bào)的數(shù)據(jù)采集，根據(jù)故障字典庫進(jìn)行分類分析、存儲(chǔ)，將采集所有的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和報(bào)警內(nèi)容，并統(tǒng)一對(duì)所有事件作出響應(yīng)與展示;同時(shí)，通過JSON API接口，將數(shù)據(jù)同步至微服務(wù)消息收發(fā)前置端，向所授權(quán)的管理人員推送故障告警。

4.方案優(yōu)點(diǎn)

（1）智慧一體化

智能化一體式機(jī)柜系統(tǒng)融合了集UPS電源、配電、制冷、機(jī)柜、照明、消防、動(dòng)環(huán)監(jiān)控、應(yīng)急通風(fēng)等多個(gè)微模塊應(yīng)用單元，通過集中監(jiān)控管理系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)室智能模塊化一體式機(jī)柜實(shí)現(xiàn)統(tǒng)籌管理，將實(shí)驗(yàn)室機(jī)房管理、設(shè)計(jì)、建設(shè)及運(yùn)維流程大幅簡(jiǎn)化。

（2）高可用性

構(gòu)建全密封柜式工作空間，實(shí)現(xiàn)各類設(shè)備運(yùn)行的內(nèi)部環(huán)境與外部空間的物理隔離，極為便捷地部署至環(huán)境空間各異的實(shí)驗(yàn)室機(jī)房環(huán)境中，無需單獨(dú)建立機(jī)房;構(gòu)建高可靠的UPS電源配電系統(tǒng)，為柜內(nèi)各類設(shè)備穩(wěn)定可靠運(yùn)行提供全面的保障;構(gòu)建機(jī)架式空調(diào)系統(tǒng)，保證柜內(nèi)恒溫、恒濕環(huán)境，并實(shí)現(xiàn)冷通道、熱通道的有序分離，滿足良好的循環(huán)制冷效果;構(gòu)建應(yīng)急通風(fēng)系統(tǒng)，當(dāng)空調(diào)故障或市電中斷制冷失效時(shí)，柜頂應(yīng)急送風(fēng)系統(tǒng)有效接管下送風(fēng)降溫任務(wù)，柜側(cè)應(yīng)急排風(fēng)模塊接管外排熱風(fēng)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)科學(xué)智能化的應(yīng)急響應(yīng);動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控環(huán)控模塊運(yùn)行狀況，發(fā)現(xiàn)異常實(shí)時(shí)上報(bào)中控系統(tǒng)，并協(xié)助定位故障點(diǎn)，縮短異常事件處理時(shí)間，有效提升排障效率。

（3）高效節(jié)能環(huán)保

節(jié)約機(jī)房面積：一體化設(shè)計(jì)比傳統(tǒng)機(jī)房節(jié)約40%以上的占地面積節(jié)約配套投資。

節(jié)省建設(shè)時(shí)間：一體化設(shè)計(jì)大幅縮短建設(shè)周期、降低建設(shè)陳本與人力開銷。

高效節(jié)能環(huán)保： 高頻模式的UPS電源，供電效率達(dá)到93%;全密閉機(jī)柜冷熱通道設(shè)計(jì)，比傳統(tǒng)機(jī)房制冷節(jié)能30%以上，可使得實(shí)驗(yàn)室PUE值可至1.5以下。

（4）靈活擴(kuò)容

靈活擴(kuò)容性：根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景需要，動(dòng)態(tài)配備柜體單元、空調(diào)模塊單元、UPS模塊單元等，實(shí)現(xiàn)靈活冗余擴(kuò)容，便于擴(kuò)容與運(yùn)維。

三、應(yīng)用場(chǎng)景及效果

中南民族大學(xué)目前已將該方案應(yīng)用于部分所改造的分布式智慧實(shí)驗(yàn)室機(jī)房中。智能化一體式機(jī)房機(jī)柜系統(tǒng)使用12個(gè)月以來，共計(jì)應(yīng)急保障各級(jí)實(shí)驗(yàn)室業(yè)務(wù)不中斷58次，采取7×24的實(shí)時(shí)監(jiān)控，能夠保存視頻、故障監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)30天，較改造前的實(shí)驗(yàn)室機(jī)房相比，年度能耗下降約30%。通過與校園IDC機(jī)房集中監(jiān)控管理平臺(tái)進(jìn)行對(duì)接，較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)校內(nèi)多處實(shí)驗(yàn)室機(jī)房濕度、溫度、各類微模塊參數(shù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)控，有效地保障了工作環(huán)境的安全監(jiān)管。部分效果如圖4-7所示。

四、結(jié)束語

分布式智慧實(shí)驗(yàn)室機(jī)房建設(shè)是高校實(shí)驗(yàn)室發(fā)展環(huán)節(jié)中必不可少的重要環(huán)節(jié)。在智慧校園背景下，以“一個(gè)中心 + 多個(gè)基本點(diǎn)”構(gòu)建的分布式機(jī)柜智慧實(shí)驗(yàn)室機(jī)房系統(tǒng)方案，更凸顯出時(shí)代性與必要性。本文提出的基于智能模塊化一體式機(jī)柜作為硬件載體，融合多元微模塊單元的實(shí)驗(yàn)室機(jī)房系統(tǒng)，大幅簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)室機(jī)房管理、設(shè)計(jì)、建設(shè)與運(yùn)維流程，打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室機(jī)房對(duì)環(huán)境、空間、電力保障等方面條件的約束。該系統(tǒng)集可視化安全管理、一體化智能運(yùn)維、實(shí)時(shí)化故障監(jiān)測(cè)與告警、高效化節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，具有較好的應(yīng)用前景。

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（編輯：王曉明）