基于TOPSIS方法的海底數(shù)據(jù)中心散熱材料選擇優(yōu)化研究

姚舜禹 郭洹辰 郭牧凡

摘要：隨著數(shù)據(jù)大爆炸時(shí)代的到來，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)已成為重要的問題。本文主要針對(duì)海底數(shù)據(jù)中心集裝箱的散熱能力，對(duì)集裝箱外殼的金屬材質(zhì)、放置深度等問題進(jìn)行了討論與研究。本文結(jié)合相關(guān)資料得到相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，用TOPSIS法對(duì)材料進(jìn)行加權(quán)排序，最終選擇最佳材料。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)我國(guó)海洋深度與溫度的關(guān)系進(jìn)行擬合處理，并繪制相關(guān)曲線，結(jié)合所選材料，在保證材料抗壓性的情況下選擇適當(dāng)?shù)臏囟群Ｋ畬?duì)應(yīng)的深度作為達(dá)到最佳散熱效果的深度。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)處理與分析;TOPSIS方法;歸一化;海底數(shù)據(jù)中心集裝箱

1 概述

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展與蓬勃騰飛，世界迎來了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的時(shí)代，海量的數(shù)據(jù)需要大量的數(shù)據(jù)中心進(jìn)行記錄與存儲(chǔ)。為了使數(shù)據(jù)中心能安全平穩(wěn)的運(yùn)行，數(shù)據(jù)中心需要配置強(qiáng)大的散熱系統(tǒng)進(jìn)行散熱，使服務(wù)器的溫度處于一定的合理的區(qū)間，但是由于數(shù)據(jù)中心正常冷卻時(shí)需要消耗大量的電能和冷卻水資源，并花費(fèi)大量建設(shè)成本，而海水冷卻具有明顯的優(yōu)勢(shì)，首先海底數(shù)據(jù)中心通過與海水進(jìn)行熱交換，利用巨量流動(dòng)的海水對(duì)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)施進(jìn)行散熱，有效節(jié)約了能源;其次海底數(shù)據(jù)中心對(duì)岸上土地占用極少，沒有冷卻塔，無需淡水消耗，既可以包容生態(tài)類活動(dòng)，又可與工業(yè)類活動(dòng)互相服務(wù);最后海底數(shù)據(jù)中心可以極大的縮短數(shù)據(jù)與用戶之間的距離，盡可能的減小時(shí)延。

因此越來越多的高科技企業(yè)選擇摒棄傳統(tǒng)方案，選擇數(shù)據(jù)中心海水冷卻的模式。因此研究如何選擇合適的材料和海底深度對(duì)服務(wù)器集裝箱進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高散熱效果，并盡可能降低成本，提高使用年限具有十分重要的意義。

2 模型的建立與求解

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)篩選與可視化

綜合考慮成本，抗壓強(qiáng)度，耐腐蝕性等因素[1]。部分貴重金屬如：金、鈦等由于造價(jià)過高，故不考慮在內(nèi)。部分耐腐蝕性較差的材料、遇水易產(chǎn)生形變的材料以及易產(chǎn)生裂縫的材料也可排除。故初次篩選后，剩下29種材料。對(duì)這些材料的性能分別進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化處理，結(jié)果如下

2.2 材料篩選

最終在6個(gè)被選材料中選取，共考慮彈性模量、抗彎強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、造價(jià)四個(gè)因素，其具體數(shù)值如下。

2.3 構(gòu)造價(jià)值評(píng)價(jià)矩陣

以Xij表示第i個(gè)材料的第j個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)值，則材料的指標(biāo)評(píng)價(jià)值矩陣為：

故本題中的指標(biāo)評(píng)價(jià)矩陣為：

2.4 數(shù)據(jù)歸一化處理

由于各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的量綱不同，為了便于比較，需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，將所有數(shù)據(jù)歸成（0，1）間分布的數(shù)。

2.5 各指標(biāo)決策信息熵值

信息熵[2]是利用數(shù)學(xué)概率理論來衡量信息不確定性的一種測(cè)算方法，表明數(shù)據(jù)分布越分散，其不確定性也越大。各個(gè)指標(biāo)的決策信息可以用其信息熵值wj來表示：

2.6 加權(quán)評(píng)價(jià)值矩陣

在確定各指標(biāo)的權(quán)重因子wj之后，可計(jì)算材料的指標(biāo)加權(quán)評(píng)價(jià)值矩陣

而最理想和最不理想的指標(biāo)加權(quán)評(píng)價(jià)值集合分別為：

各個(gè)材料的topsis值可由下列公式計(jì)算：

其中分別為最理想之與最不理想值之間的距離

綜上所述，幾種材料的topsis值分別為：

根據(jù)表2可知，AISI 1080 Steel 的topsis值為1.000，為這六種材料里的最大值 ，因此選擇AISI 1080 Steel為海底數(shù)據(jù)中心的外殼的設(shè)計(jì)材料，能夠進(jìn)一步提高散熱效果，并盡可能降低成本，提高使用年限。

2.7 海水深度與溫度

查閱數(shù)據(jù)[3]可知，南海海水的深度與溫度的關(guān)系為如下曲線

為了滿足散熱要求，同時(shí)盡量減少因壓強(qiáng)造成的損耗，可將集裝箱放置在水深為0.816km處。

3 潮汐變化帶來的海水流動(dòng)變化

由于潮汐的改變，海水流量從定量變化轉(zhuǎn)變成動(dòng)態(tài)變化，并且在單位之間變化。因其是變量，所以在一定程度上不便于進(jìn)行研究，所以對(duì)流量進(jìn)行一定的限制，假設(shè)將兩者與其功能關(guān)系結(jié)合起來。經(jīng)過篩選后，我們決定將兩者之間的關(guān)系設(shè)置為正弦函數(shù)，并選定為最簡(jiǎn)單的形式：

基于此公式通過MATLAB繪制不同n值下的函數(shù)曲線，判斷散熱速度大小。

通過圖像顯示，n的取值決定了正弦函數(shù)的收縮，換句話說，n的值越大，圖像越陡;n的值越小，圖像越平緩。因此，我們將n的取值看作是反應(yīng)流量變化快慢的一個(gè)參數(shù)。同時(shí)假定：

當(dāng)n=1時(shí)，流量變化速率較慢;

當(dāng)n=2時(shí)，流量變化速率適中;

當(dāng)n=3時(shí)，流量變化速率較快。

由此流速隨時(shí)間的關(guān)系式我們就可以寫作：

我們就可以得到一個(gè)熱量隨時(shí)間變化的關(guān)系式：

該熱量可以近似看作是集裝箱所吸收的熱量，并將以上表達(dá)式繪制成曲線如圖所示：

由上述圖像可看出，當(dāng)n取不同值時(shí)，曲線的熱量所對(duì)應(yīng)的峰值與時(shí)間所對(duì)應(yīng)的峰數(shù)都不同，這也就意味著，當(dāng)流量變化速率較快時(shí)，產(chǎn)生的熱量也就越多，那么相應(yīng)地在同一坐標(biāo)上，該點(diǎn)的溫度應(yīng)比之前的要高。

因此，在潮汐的變化過程中，流量變化速率越快，溫度越高，對(duì)海底數(shù)據(jù)中心集裝箱的散熱效果越不利。

4 結(jié)語

在進(jìn)行殼體最優(yōu)材料選擇時(shí)使用TOPSIS方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)目標(biāo)權(quán)重的分析，并根據(jù)權(quán)重為數(shù)據(jù)艙集裝箱殼體選擇合適的材料和海底工作深度。在材料的選擇上，選擇高權(quán)重的金屬材料，并根據(jù)金屬材料的特性和海域的水位資料確定合適的海底深度。這樣就使得在外殼的材料選擇上，既考慮到材料的價(jià)格，也兼顧到外殼的耐壓和耐腐蝕性，以及合適的海水散熱條件，從而保證了模型的合理性。并且通過分析潮汐和季節(jié)變化帶來的海水流動(dòng)的影響，從而得到對(duì)海底數(shù)據(jù)中心集裝箱散熱效果的影響。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 朱孝勇，程 明，趙文祥，等.現(xiàn)代工程中常用的數(shù)學(xué)算法[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2008， 23（1）：30-39.

[3] 韋 萍.2002-2012南海水文條件分析[J] .中國(guó)海洋，2012（6）：105-107.

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