基于大數(shù)據(jù)應(yīng)用的水利數(shù)據(jù)中心機房建設(shè)

葛瑛芳，徐群飛，朱 勇，黃健輝，金 蕾

（1.浙江省水利水電工程質(zhì)量與安全管理中心，浙江 杭州 310007；2.上海中電電子系統(tǒng)科技股份有限公司，上海 200233；3.浙江省水利河口研究院（浙江海洋規(guī)劃設(shè)計研究院），浙江 杭州 310020）

1 問題的提出

數(shù)字化轉(zhuǎn)型是當(dāng)前浙江省實現(xiàn)治理體系與治理能力現(xiàn)代化建設(shè)的重要途徑之一。目前，各行各業(yè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)與信息化水平均存在不同程度的與短板，水利作為經(jīng)濟社會發(fā)展的基礎(chǔ)支撐行業(yè)，數(shù)據(jù)匯聚、整理入庫及運用維護是水利數(shù)字化的重要工作前提，而數(shù)據(jù)中心機房作為水利大數(shù)據(jù)的重要承載體，存在資源不足、環(huán)境不匹配等問題。因此，加快水利數(shù)據(jù)中心建設(shè)成為當(dāng)前滿足水利數(shù)字化轉(zhuǎn)型需求的首要工作。

水利數(shù)據(jù)中心機房區(qū)別于傳統(tǒng)機房，由于水利數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大、實時響應(yīng)、要求高等特點，各類系統(tǒng)與應(yīng)用對數(shù)據(jù)依賴程度很高，因此，需要充分考慮數(shù)據(jù)中心的能耗控制、基礎(chǔ)架構(gòu)的合理性及安全性、日常維護便捷性、擴展性與兼容性等問題，遵循建設(shè)規(guī)范、理念先進、安全可靠的基本原則，滿足浙江水利行業(yè)對大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)綜合運用需求，提供必要、有效、可持續(xù)的基礎(chǔ)支撐。

滿足水利行業(yè)應(yīng)用需求的數(shù)據(jù)中心機房按照GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》[1]B級標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，建設(shè)內(nèi)容包括配電、綜合布線、暖通、消防、室內(nèi)裝飾及環(huán)境監(jiān)控等系統(tǒng)，總規(guī)模不少于100個機柜，預(yù)計建設(shè)總投資2 000萬元。鑒于投資與使用效率，數(shù)據(jù)中心機房分為2期建設(shè)，建設(shè)規(guī)劃達到不間斷運行要求，且能耗比達到綠色環(huán)保要求。

2 數(shù)據(jù)中心機房建設(shè)

2.1 選址與布局

數(shù)據(jù)中心機房選址在杭州市主城區(qū)，交通便利，且遠(yuǎn)離住宅區(qū)和商業(yè)區(qū)，附近無工廠企業(yè)，無強震源、強噪聲源、強電磁場干擾，發(fā)生自然災(zāi)害的概率極低。

數(shù)據(jù)中心機房平面布局要兼顧功能需求、各系統(tǒng)建設(shè)原則、維護管理合理性等因素。根據(jù)大樓總體功能布局，數(shù)據(jù)中心機房位于大樓的地下1層、地上4和5層部分場所，共約1 000 m2。其中，地下1層作為UPS機房區(qū)，主要部署UPS主機、蓄電池及配電柜；地上4層劃分為網(wǎng)絡(luò)接入?yún)^(qū)1和接入?yún)^(qū)2、高密度數(shù)據(jù)中心機房、配電區(qū)及附屬用房，主要部署傳輸設(shè)備機柜、配電柜及備品備件存放；地上5層劃分為數(shù)據(jù)中心機房1~4以及控制室?？紤]到數(shù)據(jù)中心機房對承重負(fù)荷要求較高，將地上4、5層區(qū)域的地板承重調(diào)整為8 kN/m2。

2.2 供配電系統(tǒng)

由于水利行業(yè)信息系統(tǒng)服務(wù)的特殊性，不允許出現(xiàn)停電、瞬斷等情況，在維護、施工、發(fā)生故障時不能影響數(shù)據(jù)中心機房總體運行，可靠性要求達到99% 以上。大樓采用雙路市電供電，城市供電相對可靠且穩(wěn)定，同時由于場地受限，未配備柴油發(fā)電機作為備用電源。供配電系統(tǒng)主要負(fù)載包括計算機設(shè)備、空調(diào)系統(tǒng)、機房照明及新風(fēng)/排風(fēng)設(shè)備等的用電。

2.2.1 UPS配電

按照水利行業(yè)信息系統(tǒng)運行需要，數(shù)據(jù)中心機房服務(wù)器機柜、傳輸機柜、配線列頭柜、高密度數(shù)據(jù)中心，分別按單柜用電量5，3，1，7 kVA計算，UPS用電總量達716 kVA。

數(shù)據(jù)中心不間斷電源（UPS）系統(tǒng)采用2 N雙總線結(jié)構(gòu)。雙路獨立變壓器配合2組互相獨立的不間斷電源（UPS），分2路向IT設(shè)備供電，以保證IT設(shè)備均可以從2個獨立的路徑獲得高質(zhì)量的電源，提高供電系統(tǒng)可靠性，降低運行風(fēng)險，可真正實現(xiàn)系統(tǒng)在線維護的容錯要求。風(fēng)冷精密空調(diào)采用（N+1）方式備用，滿足制冷量等要求的同時，也滿足設(shè)備、空調(diào)系統(tǒng)備份要求。UPS配電結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 UPS配電結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.2 機柜支干配電方式

考慮到數(shù)據(jù)中心機房分期、分批建設(shè)，且后續(xù)建設(shè)過程中不能影響數(shù)據(jù)中心機房整體運行，因此，機柜支干配電方式采用母線槽系統(tǒng)。母線槽系統(tǒng)全點帶電，可在帶電情況下隨時加載或卸載單一回路負(fù)載，并可從16 A到63 A，以單相或三相任意選項給用電設(shè)備提供準(zhǔn)確電力供給，降低投資損耗。相較傳統(tǒng)電纜加列頭柜方式，體現(xiàn)部署周期短、施工難度低、使用周期長、提高后期更改或擴容的靈活性、不產(chǎn)生日常運維費用等優(yōu)勢。

2.2.3 智能配電信息安全系統(tǒng)（DIPS）

機柜PDU作為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，極易遭受攻擊，數(shù)據(jù)易受損失且維護費用高昂。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備典型的信息安全風(fēng)險問題包括固件版本過低、缺少安全補丁、存在權(quán)限漏洞、設(shè)備有過多的網(wǎng)絡(luò)端口、未加密的信息傳輸?shù)?。區(qū)塊鏈的全網(wǎng)節(jié)點驗證的共識機制、不對稱加密技術(shù)及數(shù)據(jù)分布式存儲可大幅降低黑客攻擊的風(fēng)險。智能配電信息安全系統(tǒng)（DIPS），由管理軟件、安全加固型電源分配單元（PDU）和網(wǎng)絡(luò)安全控制器構(gòu)成[2-4]（見圖2）。

圖2 智能配電信息安全系統(tǒng)DIPS示意圖

2.3 暖通系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心機房服務(wù)器密集，散熱量大，若采用傳統(tǒng)的冷熱通道分離設(shè)計，即地板下送風(fēng)頂上回風(fēng)方式，會使冷風(fēng)和熱風(fēng)在機柜列的末端或頂部大量混合，導(dǎo)致機柜進風(fēng)溫度升高，空調(diào)回風(fēng)溫度降低，從而導(dǎo)致空調(diào)效率降低。為此采用封閉冷通道方案，冷風(fēng)被封閉在“冷池”內(nèi)，冷風(fēng)進入熱通道的唯一路徑是經(jīng)過服務(wù)器熱交換后由機柜背部排出，因此冷風(fēng)利用效率得到極大提高。同時，回風(fēng)路徑上沒有冷風(fēng)進行混合，空調(diào)回風(fēng)溫度提高，進而可以提高空調(diào)工作效率。封閉冷通道系統(tǒng)送風(fēng)溫度可提高至17~20 ℃，回風(fēng)溫度提高至28~30℃。經(jīng)測算，封閉冷通道可帶來至少4% 的綜合節(jié)能率。

2.4 消防系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心機房消防系統(tǒng)采用高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)，由高壓細(xì)水霧泵組、分區(qū)控制閥組、細(xì)水霧噴頭、不銹鋼管道等組成。滅火機理是：高效吸熱，細(xì)水霧霧滴的直徑和相對表面積較一般水滴大1 700倍，在火場能完全蒸發(fā)，吸熱率極高；阻隔輻射熱，細(xì)水霧蒸發(fā)形成的蒸汽迅速將燃燒物、火焰和煙羽籠罩，具有良好的阻隔能力；三維移動，橫向滅火，部分直徑小的霧滴受到空氣阻力，不完全沿噴射方向前進，霧滴在射流方向產(chǎn)生橫向和向上翻騰運動，進入噴頭上部空間，使細(xì)水霧能夠充滿保護區(qū)域的整改空間，對火災(zāi)的撲滅深度較高；隔絕氧氣，細(xì)水霧噴入火場后迅速蒸發(fā)形成蒸汽，體積急劇膨脹，排除空氣，在燃燒物周圍形成一道屏障阻擋新鮮空氣吸入。

在高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)設(shè)計中須考慮3個因素：1水質(zhì)。為避免噴頭堵塞，滅火系統(tǒng)用水的最低標(biāo)準(zhǔn)為國家飲用水標(biāo)準(zhǔn)。用水需進行預(yù)處理，一般采用過濾器進行預(yù)處理，同時注意滅火系統(tǒng)儲配水容器、管道等，避免造成二次污染，應(yīng)定期清理水箱并換水，以免影響噴頭噴霧效果或堵塞噴頭。2管材。高壓細(xì)水霧系統(tǒng)的設(shè)計壓力達12 MPa以上，高于其他消防系統(tǒng)。設(shè)備、組件、管道的選材要求耐高壓及腐蝕，綜合考量性價比和使用壽命。3通風(fēng)。高壓細(xì)水霧霧滴的質(zhì)量較輕，發(fā)生火災(zāi)時，排煙增加火羽流的浮升力，造成高壓細(xì)水霧很難到達火焰根部，降低滅火效果。由于風(fēng)速＜3 m/s時可以保持較好的控火滅火效果，所以設(shè)計時需要和暖通等專業(yè)共同協(xié)商相關(guān)設(shè)計參數(shù)[2]。

2.5 節(jié)能與固廢處理

數(shù)據(jù)中心選擇多種節(jié)能減排措施。采用高頻模塊化UPS主機，根據(jù)實際負(fù)荷增減或休眠功率模塊；在滿足照明質(zhì)量的前提下，數(shù)據(jù)中心優(yōu)先采用細(xì)管徑直管型LED燈；空調(diào)冷媒管道采用滿足要求的保溫材料；主機房頂面、墻面、地面采用滿足要求的保溫材料進行隔熱；在滿負(fù)荷運行時，數(shù)據(jù)中心電源使用效率PUE值為1.39（PUE=數(shù)據(jù)中心總能耗/IT設(shè)備總能耗=1 000/716=1.39），滿足GB/T 32910—2016《數(shù)據(jù)中心資源利用第3部分：電能能效要求和測量方法》要求[5]。

本數(shù)據(jù)中心未配置柴油發(fā)電機組等高噪聲源設(shè)備，且遠(yuǎn)離0～1類聲環(huán)境功能區(qū)，排放的噪聲對環(huán)境噪聲敏感目標(biāo)無影響。數(shù)據(jù)中心正常運行情況下，不產(chǎn)生廢氣、固體廢棄物，僅有風(fēng)冷空調(diào)產(chǎn)生少量冷凝水，滿足GB/T 31962—2015《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》要求[6]。

2.6 投資造價

數(shù)據(jù)中心建設(shè)總投資約2 000萬元，共147個標(biāo)準(zhǔn)機柜，計716 kVA，造價為2.79萬元/kVA。在建設(shè)范圍和建設(shè)內(nèi)容相同的條件下，與某企業(yè)或運營商同等規(guī)模數(shù)據(jù)中心相比，單位造價相近；與某互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的中大型數(shù)據(jù)中心相比，單位造價略高。主要因為互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)中心規(guī)?；凹s化等原因帶來建設(shè)成本優(yōu)勢。水利數(shù)據(jù)中心與其他企業(yè)數(shù)據(jù)中心投資比較見表1。從表1可知，水利數(shù)據(jù)中心建設(shè)成本符合當(dāng)前同類項目造價標(biāo)準(zhǔn)，且可根據(jù)近遠(yuǎn)期需求分期建設(shè)，降低初始投資，節(jié)省成本。

表1 水利數(shù)據(jù)中心與其他企業(yè)數(shù)據(jù)中心單位造價比較表

3 結(jié) 語

數(shù)據(jù)中心機房建設(shè)投入大，使用周期長，技術(shù)更新快，需要前期做好詳細(xì)的使用規(guī)劃與設(shè)計，充分考慮后續(xù)應(yīng)用需求，確保數(shù)據(jù)中心機房滿足發(fā)展需求。水利數(shù)據(jù)中心機房建設(shè)在設(shè)計過程中盡可能采用成熟的技術(shù)與產(chǎn)品，結(jié)合數(shù)據(jù)中心功能性需求與實地情況，通過采用冷通道封閉的暖通系統(tǒng)來提升PUE值，有效降低數(shù)據(jù)中心機房運行過程中的能耗損失，通過采用母線槽為主干的智能配電系統(tǒng)，配合雙路可切換UPS系統(tǒng)，滿足數(shù)據(jù)中心機房日常巡檢、排查問題、容量擴充等動態(tài)管理需求，確保數(shù)據(jù)中心機房各項參數(shù)計算有效可靠。

與此同時，數(shù)據(jù)中心機房在布局選址等環(huán)節(jié)中，需全面考量環(huán)境與設(shè)施情況。在選址與樓層部署時，充分考慮建筑物的承載力與層高等具體因素，特別是考慮設(shè)備搬運過程中可能遇到的電梯尺寸、無障礙通道、房間門與過道門的尺寸兼容性問題。綜合考量后確定設(shè)備選型，以免造成后續(xù)設(shè)備搬運及安裝過程中的實際困難。

數(shù)據(jù)中心機房作為各行各業(yè)推進數(shù)字化轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)設(shè)施之一，可以滿足行業(yè)中對數(shù)據(jù)安全要求較高、數(shù)據(jù)計算較頻繁、大數(shù)據(jù)研發(fā)運用較普遍的功能要求。隨著云端安全技術(shù)不斷完善，各地數(shù)據(jù)中心機房可以作為云端資源的有益補充，打破行業(yè)和系統(tǒng)壁壘，得到更加廣泛的運用。