基于5G和人工智能的新一代智慧機房中樞系統(tǒng)

邢彪 丁東 胡皓 馮杭生

【摘要】機房作為支撐城市運行的大后臺，已成為城市新的基礎(chǔ)設(shè)施，掌控了城市的命脈。隨著通訊、移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的井噴式發(fā)展，機房的重要性日益凸顯。而相比之下，機房現(xiàn)有的運維能力已經(jīng)遠遠不能滿足日益龐大的數(shù)據(jù)中心。為提高機房基礎(chǔ)設(shè)施運維能力，實現(xiàn)人機協(xié)作，高效管理機房，本提案創(chuàng)新性提出構(gòu)建基于AI和邊緣計算的5G機房大腦，將AI處理放在邊緣計算，利用5G低時延、大帶寬并結(jié)合AR、VR、機器人等應(yīng)用打造全流程樣板智慧機房，顛覆傳統(tǒng)機房運維方式、重新定義新一代機房運維。實現(xiàn)機房的綠色化和智能化。

【關(guān)鍵詞】5G;AI;智慧機房

中圖分類號：TN92? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.013..026

城市發(fā)展到今天，將會進入“算力時代”，計算能力將帶給城市發(fā)展全新的革命性質(zhì)變，而5G將給計算能力插上翅膀。機房作為支撐城市運行的大后臺，已成為城市新的基礎(chǔ)設(shè)施，掌控了城市的命脈。隨著通訊、移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的井噴式發(fā)展，機房的重要性日益凸顯。而相比之下，機房現(xiàn)有的運維能力已經(jīng)遠遠不能滿足日益龐大的數(shù)據(jù)中心。

1. 機房現(xiàn)狀

以中國移動數(shù)據(jù)中心為例，機房需要配備24小時專人值班來定時巡查機房場地設(shè)備，占用了大量的人員精力，生產(chǎn)效率難以提高，標(biāo)準(zhǔn)化程度相對較低。目前機房面臨的問題主要有：

1）設(shè)備多樣性--機房設(shè)備類型多、數(shù)量大，定期檢查時需要管理安保人員具有相關(guān)的背景，對人員要求高;

2）監(jiān)測手段不足--機房內(nèi)環(huán)境監(jiān)測測點安裝數(shù)量有限，不能全方位掌握機房內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù);

3）綜合管控效率低--24小時值班及隨工管理消耗大量人力;定期巡檢，巡檢執(zhí)行情況難以評估;數(shù)據(jù)中心機房管理成本高，效率低。

現(xiàn)有智慧機房解決方案一般包括以下三大系統(tǒng)：動力監(jiān)測系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、安防監(jiān)測系統(tǒng)，涵蓋動力監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控、安全監(jiān)控、IT業(yè)務(wù)、能耗監(jiān)控于一體的智慧型機房體系。因此現(xiàn)有方案主要集中在機房監(jiān)控手段的完善，但對于監(jiān)控的數(shù)據(jù)缺少統(tǒng)一的智能分析和控制，對于機房人員的培訓(xùn)、機房智能巡檢、設(shè)備故障識別、機房應(yīng)急搶修等方面并無好的解決方案。而本方案利用5G和AI重新定義機房運維。

2. 新一代智慧機房中樞系統(tǒng)

為提高機房基礎(chǔ)設(shè)施運維能力，實現(xiàn)人機協(xié)作，高效管理機房，本提案創(chuàng)新性提出構(gòu)建基于AI和邊緣計算的5G機房大腦，將AI處理放在邊緣計算，利用5G低時延、大帶寬并結(jié)合AR、VR、機器人等應(yīng)用打造全流程樣板智慧機房，顛覆傳統(tǒng)機房運維方式、重新定義新一代機房運維。實現(xiàn)機房的綠色化和智能化。

項目總體框架如下：

利用5G+AI構(gòu)建云、邊、端協(xié)同，云上的生態(tài)可以兼容所有硬件，云上訓(xùn)練、云端下發(fā)、邊緣推理，做到云邊一體化，可迅速推廣復(fù)制到其他數(shù)據(jù)中心和行業(yè)機房。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸量大、實時性要求高，而5G全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將提供至少十倍于4G的峰值速率、毫秒級的傳輸時延，恰恰可以滿足本系統(tǒng)的需求。屬于5G增強移動帶寬和低時延高可靠兩種場景。5G對于機房不僅僅更快，更是真正的革命。5G大帶寬、低時延連接能力與云端配合，將催生出未來機房“瘦終端、寬管道、云應(yīng)用”的新業(yè)務(wù)模式，引發(fā)一場終端、云和應(yīng)用革命。5G機房大腦將重新定義機房運維。

3. 系統(tǒng)功能

3.1 AR三維資管：

通過對接資管平臺，將資管信息實時投射到AR三維機柜上，實現(xiàn)資產(chǎn)數(shù)據(jù)自動更新，解決了目前資產(chǎn)管理繁瑣的問題。綜合機房內(nèi)設(shè)備眾多，每個設(shè)備的正常運行都至關(guān)重要。利用AR設(shè)備，可通過條碼的方式管理整個機房設(shè)備，定期巡查，保證設(shè)備無丟失錯位情況。利用三維仿真技術(shù)，對機房內(nèi)上千種型號設(shè)備逐一進行采集信息、模型建模;點擊設(shè)備可查看型號、位置、系統(tǒng)應(yīng)用、容量等資產(chǎn)配置信息，直觀展現(xiàn)設(shè)備前后面板和端口使用情況。

3.2 VR遠程全景巡檢：

借助巡檢機器人，在其上安裝VR全景攝像頭，實現(xiàn)遠程巡檢360度無死角，對故障設(shè)備進行圖像識別。利用深度學(xué)習(xí)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別設(shè)備面板告警、讀取設(shè)備數(shù)據(jù)。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（convolutional autoencoder）在圖片處理方面體現(xiàn)了較好的性能，卷積操作在數(shù)學(xué)上即過濾器和圖片像素矩陣之間進行點乘運算。卷積的根本目的是從輸入圖片中提取特征。卷積用一個小方陣的數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)圖像特征，可以保留像素之間的空間關(guān)系。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由一系列卷積層以及全連接層和softmax分類器組成。

利用深度學(xué)習(xí)框架tensorflow來搭建Inception V3卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并進行訓(xùn)練，通過實時獲取VR全景攝像頭捕獲的設(shè)備圖片，并將圖片通過5G高速網(wǎng)絡(luò)傳輸至邊緣端神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，模型基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)實時分析設(shè)備圖片的狀態(tài)燈，利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在圖像特征學(xué)習(xí)上的優(yōu)勢，識別狀態(tài)燈指示為設(shè)備正?；虍惓?。

3.3 AR遠程維修和操作培訓(xùn)：

若巡檢發(fā)現(xiàn)故障需要搶修，則由機房值守人員遠程連線專家進行AR維修指導(dǎo)，可支持跨專業(yè)專家同時進行指導(dǎo)。專家實時在線，提升問題解決效率，節(jié)約差旅成本?？蓪崿F(xiàn)搶修路線規(guī)劃導(dǎo)航、故障設(shè)備信息查閱等，并對故障信息進行實時互動，運用后臺技術(shù)力量實時協(xié)商及時排除故障。

與其他產(chǎn)業(yè)一樣，機房運維管理也面臨資深專業(yè)技術(shù)勞工短缺的問題。如今可以讓大量資淺缺乏經(jīng)驗的員工前往現(xiàn)場，戴著眼鏡式增強現(xiàn)實設(shè)備，利用5G網(wǎng)絡(luò)低延遲的特性，回傳現(xiàn)場影像以及其他資訊，資深員工坐鎮(zhèn)在總部，在自己的手機電腦前，利用其專業(yè)經(jīng)驗及相應(yīng)拓?fù)鋱D分析現(xiàn)場情況后，利用增強現(xiàn)實在現(xiàn)場資淺員工眼前顯示指示與說明資訊，如此一來，資淺員工也可在現(xiàn)場處理復(fù)雜的系統(tǒng)和設(shè)備故障問題，還能借此快速學(xué)習(xí)實務(wù)經(jīng)驗，提升維修速度。

3.4 AR現(xiàn)場巡檢：

AR輔助現(xiàn)場巡檢人員進行設(shè)備例行巡檢，包括巡檢任務(wù)分發(fā)、告警實時呈現(xiàn)、故障設(shè)備導(dǎo)航、隱蔽管線呈現(xiàn)、紅外熱像呈現(xiàn)，防止巡檢人員漏檢。一個AR穿戴式設(shè)備相當(dāng)于照相機、攝像機、對話機、紅外測溫儀、測距儀、手機、移動作業(yè)設(shè)備等一系列設(shè)備，未來通過AR設(shè)備開展設(shè)備檢修，可以實現(xiàn)機房設(shè)備狀態(tài)信息全景展示與運行維護操作動態(tài)交互，一方面通過可視化的路徑規(guī)劃，能提高檢修維護的標(biāo)準(zhǔn)化操作水平，大幅降低安全生產(chǎn)的隱患;可實現(xiàn)運檢作業(yè)引導(dǎo)，自動識別目標(biāo)操作設(shè)備，將生產(chǎn)運行指令以可視化方式提示，并智能監(jiān)督操作人按規(guī)程、按步驟完成工作。打造可視化的維修環(huán)境，提升巡檢人員工作效率。

主要功能包含：

員工賬號登陸：員工通過語音或賬號登陸系統(tǒng)。用來獲得記錄整體操作以及獲取每個人不同的任務(wù)清單。

整體運行情況說明：機房關(guān)鍵信息圖文說明。環(huán)境說明，包括溫濕度、空氣清潔度、墻體漏水情況等。

員工巡檢清單：員工本次工作列表展示，員工按照提示逐一巡檢，避免遺漏。

機柜信息展示及流程化維修指導(dǎo)：單個機柜運行情況顯示，利用AR SLAM技術(shù)，標(biāo)簽會貼在真實的機柜上。用戶可以走進機柜開始巡檢工作。用戶打開機柜門，顯示具體機柜信息，如機柜編碼、硬件參數(shù)、當(dāng)前支持服務(wù)等。

機柜導(dǎo)航：具體機柜導(dǎo)航，可通過AR的方式精準(zhǔn)指引。

3.5 VR虛擬安全培訓(xùn)：

利用VR大空間技術(shù)，模擬極端、應(yīng)急場景來培訓(xùn)機房人員的應(yīng)急操作能力，可用于安全、消防培訓(xùn)，解決了應(yīng)急場景難以模擬的問題;VR虛擬演練，還原或創(chuàng)造逼真的故障場景，開展大量多樣化的模擬演練。虛擬演練環(huán)境是以現(xiàn)實培演練環(huán)境為基礎(chǔ)進行搭建的，操作規(guī)則同樣立足于現(xiàn)實中實際的操作規(guī)范，理想的虛擬環(huán)境甚至可以達到使受訓(xùn)者難辨真假的程度。虛擬演練打破了演練空間上的限制，受訓(xùn)者可以在任意的地理環(huán)境中進行集中演練，身處何地的人員，只要通過相關(guān)網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備即可進入任意的虛擬演練場所進行實時的集中化演練。

與現(xiàn)實中的真實演練相比，虛擬演練的一大優(yōu)勢就是可以方便的模擬任何培訓(xùn)科目，借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)，受訓(xùn)者可以將自身置于各種復(fù)雜、突發(fā)環(huán)境中去，從而進行針對性訓(xùn)練，提高自身的應(yīng)變能力與相關(guān)處理技能。受訓(xùn)人員亦可以自發(fā)的進行多次重復(fù)演練，使受訓(xùn)人員始終處于培訓(xùn)的主導(dǎo)地位，掌握受訓(xùn)主動權(quán)，大大增加演練時間和演練效果。

3.6 AI綠色節(jié)能：

機房中的空調(diào)是目前主要的耗能之一，布設(shè)在機房的大量傳感器通過5G網(wǎng)絡(luò)上傳至邊緣端進行計算，利用AI模型自動學(xué)習(xí)機房環(huán)境的數(shù)據(jù)，從而自適應(yīng)調(diào)節(jié)空調(diào)，以達到節(jié)能的目的;機房主要是存放服務(wù)器，設(shè)備對溫、濕度等運行環(huán)境的要求非常嚴(yán)格，所以應(yīng)加裝溫濕度傳感器，以實時檢測機房和重要設(shè)備區(qū)域內(nèi)的溫、濕度。

3.7 AI異常事件檢測：

通信機房是通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備運行的重要場所，承載了核心網(wǎng)、承載網(wǎng)等重要設(shè)備，通信機房的安全直接關(guān)系到通信業(yè)務(wù)的正常運行。目前對于通信機房的異常識別主要通過人工對機房視頻監(jiān)控進行值守、以及人工機房巡檢等方式來實現(xiàn)?，F(xiàn)有技術(shù)方案中通信機房視頻監(jiān)控主要存在以下問題：目前通信機房的視頻監(jiān)控基本實現(xiàn)了全覆蓋，但很多視頻監(jiān)控形同虛設(shè)，一個通信機房內(nèi)數(shù)十個監(jiān)控攝像頭，僅依靠一兩名工作人員是無法毫無遺漏的發(fā)現(xiàn)所有監(jiān)控攝像頭的異常情況，當(dāng)異常發(fā)生時，視頻監(jiān)控?zé)o法起到及時發(fā)現(xiàn)異常的作用。因此本功能實時采集機房4K攝像頭數(shù)據(jù)，利用AI模型實時檢測機房內(nèi)是否發(fā)生異常事件。

但由于高清視頻流傳輸數(shù)據(jù)量大，若上傳至云端進行分析計算將會耗費大量時延，因此本項目利用邊緣計算將算法模型部署在靠近用戶側(cè)的邊緣端（MEC，Multi-access Edge Computing）上，從而節(jié)省了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間、節(jié)約了連接網(wǎng)絡(luò)的帶寬。并利用5G網(wǎng)絡(luò)大帶寬（30Mb/s）將機房實時高清視頻數(shù)據(jù)上傳至MEC，并利用5G低時延（10ms）將檢測結(jié)果下發(fā)。

4. 結(jié)論及未來工作

本方案規(guī)?；瘧?yīng)用之后，將原先在AR、VR、機器人硬件上的計算處理挪到了邊緣端和云端，大大降低了硬件成本，同時云端的能力可通過API的形式開放給多個機房復(fù)用，避免了傳統(tǒng)煙囪式的建設(shè)，從而大幅度降低智慧機房的實現(xiàn)門檻，對于中小型企業(yè)來說也更加容易接受。同時硬件部分中AR、VR、機器人設(shè)備支持異構(gòu)廠商，硬件通過調(diào)用云端和邊緣端的API來實現(xiàn)。目前，AR、VR行業(yè)發(fā)展迅猛，但同樣面臨一些問題，比如終端未達到商業(yè)市場的期望，網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀限制了AR內(nèi)容的傳輸和體驗等，而5G帶來了助力，通過將AR、VR業(yè)務(wù)當(dāng)中復(fù)雜的圖像處理功能分散到網(wǎng)絡(luò)的邊緣，借助5G高速穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)，和強大的邊緣云處理能力，AR、VR的終端可以實現(xiàn)無繩化、更輕便、佩戴更方便。同時云端的解決方案對于數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)管理和發(fā)放，也有利于AR、VR內(nèi)容的管控。

本方案利用5G和AI技術(shù)助力城市大后臺-機房的安全生產(chǎn)，提高機房運維的效率，減少機房運維的成本，大幅降低安全生產(chǎn)的隱患，避免重大故障的發(fā)生。隨著通訊、移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務(wù)的井噴式發(fā)展，數(shù)據(jù)中心等核心機房的重要性日益凸顯，機房已成為和水、電一樣城市不可或缺的命脈，機房的安全運行直接決定了城市的健康穩(wěn)定，未來，算力會變成城市不可分割的部分，5G將為算力插上翅膀，每座機房利用5G機房大腦，便能用今天1/10的資源去支撐現(xiàn)在這樣一座機房的運行。

參考文獻：

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