一種節(jié)能的機(jī)房可視化管理系統(tǒng)

胡飛菊

（江西科技學(xué)院，江西 南昌 330000）

0 引言

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”各行各業(yè)的迅猛發(fā)展，每天都積累了數(shù)以萬(wàn)計(jì)的數(shù)據(jù)。在這樣的大數(shù)據(jù)時(shí)代，產(chǎn)生了大量的集中式機(jī)房對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理[1]，集中式機(jī)房是一個(gè)小型的數(shù)據(jù)中心，包括了所需的一系列軟件和硬件設(shè)備，如存儲(chǔ)服務(wù)器、計(jì)算服務(wù)器、系統(tǒng)服務(wù)器、各類網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、空調(diào)等。不斷增加的數(shù)據(jù)量和機(jī)房設(shè)備給機(jī)房管理人員帶來(lái)了較重的工作壓力，極大地影響了集中式機(jī)房的管理效率和安全建設(shè)水平[2]。很多單位都建立了一套符合自身需求的機(jī)房管理系統(tǒng)，但大部分機(jī)房系統(tǒng)存在功能不完善、智能化水平不高、功能簡(jiǎn)單、故障處理速度慢、管理人員工作效率不高、機(jī)房整體能耗大等問(wèn)題。因此，建立一套功能完善、效率高效、節(jié)能的機(jī)房可視化系統(tǒng)非常有意義。

三維可視化是機(jī)房信息化建設(shè)、實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理的關(guān)鍵技術(shù)。目前，三維可視化技術(shù)有VRML、X3D、Flash、Html5、OpenGL技術(shù)等[3]，大部分技術(shù)需要安裝插件。羅珊珊、趙泓、呂靜賢等[4-6]都提出了三維可視化機(jī)房管理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)中心機(jī)房作為各類業(yè)務(wù)的核心與中樞，要做到服務(wù)器設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備安全、穩(wěn)定、可靠、長(zhǎng)期運(yùn)行。周敬敬等[7]提出了基于WebGL技術(shù)使用配置文件，讓用戶可以動(dòng)態(tài)裝配機(jī)房模型，但研究層面只停留在模型如何靈活構(gòu)建和展示。華磊[8]提出一套機(jī)房管理系統(tǒng)，也采用了Unity3D技術(shù)，并提出了利用碰撞檢測(cè)功能處理用戶使用虛擬場(chǎng)景穿透的異常現(xiàn)象，完成了對(duì)機(jī)房設(shè)備狀態(tài)的查詢、可視化、場(chǎng)景告警處理。從目前已有的研究結(jié)果來(lái)看，機(jī)房可視化相關(guān)研究不是很完善。機(jī)房可視化系統(tǒng)功能偏簡(jiǎn)單，且絕大部分學(xué)者采用Unity3D技術(shù)研究，研究?jī)?nèi)容偏向虛擬場(chǎng)景的建設(shè)，對(duì)整個(gè)機(jī)房管理系統(tǒng)的功能部分缺少詳細(xì)研究，因此，三維機(jī)房系統(tǒng)研究方面具有較大的研究潛力。

本研究在已有研究的基礎(chǔ)上，選用新型的WebGL技術(shù)建立一套機(jī)房可視化管理系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)地在終端查看機(jī)房設(shè)備數(shù)據(jù)，著重對(duì)機(jī)房的水、電、火、風(fēng)、溫度要素從環(huán)境、設(shè)備、安全方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，達(dá)到在線監(jiān)管和預(yù)警目的，從而提高管理效率，降低運(yùn)維成本，保障數(shù)據(jù)中心機(jī)房良好運(yùn)維狀態(tài)。并且研究者對(duì)機(jī)房空調(diào)耗電量方面進(jìn)行了優(yōu)化，該系統(tǒng)可根據(jù)機(jī)房?jī)?nèi)空調(diào)的溫度變化來(lái)實(shí)時(shí)控制空調(diào)的溫度，從而使空調(diào)準(zhǔn)確地服務(wù)于服務(wù)器，減少空調(diào)耗電量，保障機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備的有效運(yùn)行。該系統(tǒng)已很好地在某公司平穩(wěn)運(yùn)行，且該公司的PUE值從之前的2.1降到了1.8。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，分為應(yīng)用層、微服務(wù)層、數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層主要采用Mysql數(shù)據(jù)庫(kù)，用來(lái)存儲(chǔ)溫度傳感器、風(fēng)向傳感器、煙霧傳感器、水浸傳感器等機(jī)房?jī)?nèi)各類感知設(shè)備采集的數(shù)據(jù)，為微服務(wù)層提供數(shù)據(jù)支持。微服務(wù)層包括環(huán)境管理、安全管理、設(shè)備管理三大功能，采用微服務(wù)的形式進(jìn)行開(kāi)發(fā)。應(yīng)用層包括Android、ios端、PC端、H5端，機(jī)房可視化管理系統(tǒng)兼容于各種設(shè)備終端。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)功能

本研究旨在建立一套基于web 3D的機(jī)房可視化管理系統(tǒng)，可以在終端實(shí)時(shí)查看機(jī)房設(shè)備數(shù)據(jù)，對(duì)機(jī)房的水、電、火、風(fēng)、溫度進(jìn)行環(huán)境、設(shè)備、安全方面的監(jiān)管和預(yù)警，從而提高管理效率，降低運(yùn)維成本，保障數(shù)據(jù)中心機(jī)房良好運(yùn)維狀態(tài)。系統(tǒng)功能如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能圖

2.1 數(shù)據(jù)采集

機(jī)房可視化管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)均來(lái)源于機(jī)房?jī)?nèi)布置的傳感器，比如使用溫度傳感器采集機(jī)房?jī)?nèi)的溫度信息、煙霧傳感器采集機(jī)房?jī)?nèi)的煙霧信息、水浸傳感器采集機(jī)房?jī)?nèi)的積水信息、紅外傳感器感應(yīng)目標(biāo)出現(xiàn)、風(fēng)向傳感器采集機(jī)房?jī)?nèi)空調(diào)風(fēng)向信息。收集傳感器采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)清洗之后傳給系統(tǒng)以供使用。

2.2 機(jī)房設(shè)備管理

1）信息展示功能。應(yīng)用web 3D技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)房資源可視化，具體包括：機(jī)房總面積、已占用面積，機(jī)房最大可安裝機(jī)柜數(shù)、機(jī)房已安裝機(jī)柜數(shù)，機(jī)房電力設(shè)計(jì)總?cè)萘?、機(jī)房實(shí)際電力總負(fù)荷，機(jī)房空調(diào)年最大負(fù)荷、機(jī)房空調(diào)實(shí)際負(fù)荷。并且提供服務(wù)器的詳情信息。比如點(diǎn)擊某一臺(tái)服務(wù)器，能夠顯示該服務(wù)器的名字、型號(hào)、IP地址、主要功能、端口號(hào)等基本信息。讓管理人員足不出戶就能掌握分布在各個(gè)機(jī)房、機(jī)柜的服務(wù)器的詳細(xì)信息。

2）服務(wù)器管理功能。通過(guò)機(jī)房可視化頁(yè)面，可以在終端搜索和查看某一臺(tái)服務(wù)器，準(zhǔn)確定位服務(wù)器的位置信息，自動(dòng)盤點(diǎn)服務(wù)器的數(shù)量。不用人工紙筆而用記事本記錄服務(wù)器的房間號(hào)、機(jī)柜號(hào)以及其他基本信息，節(jié)省維護(hù)成本。另外，管理人員還可以在可視化頁(yè)面自主上架服務(wù)器和下架服務(wù)器，上下架之后，設(shè)備可以在機(jī)房可視化頁(yè)面中自動(dòng)新增和刪除。

3）機(jī)柜利用率功能。在機(jī)房可視化頁(yè)面，點(diǎn)擊機(jī)柜利用率按鈕就可以用圖形的方式顯示當(dāng)前機(jī)房?jī)?nèi)機(jī)柜的整個(gè)空間利用率。具體實(shí)現(xiàn)方式是根據(jù)機(jī)柜的高度，使用無(wú)背景線框把機(jī)柜位置描出來(lái)，然后設(shè)置一個(gè)高度符合使用比例的立方塊來(lái)顯示各個(gè)機(jī)柜的利用率。通過(guò)這樣的方式，可以快速判斷新進(jìn)服務(wù)器的安放位置、機(jī)柜的利用情況。

4）服務(wù)器故障報(bào)警。后臺(tái)程序?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)服務(wù)器設(shè)備的異動(dòng)情況，并在機(jī)房可視化頁(yè)面進(jìn)行更新。如果服務(wù)器出現(xiàn)故障，就會(huì)在可視化頁(yè)面標(biāo)注，并推送系統(tǒng)消息給管理員，因此，管理人員可以精準(zhǔn)定位異常服務(wù)器，以快速及時(shí)地處理服務(wù)器故障問(wèn)題。

2.3 機(jī)房環(huán)境管理

1）走線管理功能。機(jī)房?jī)?nèi)的走線是指機(jī)房?jī)?nèi)服務(wù)器的電線、網(wǎng)絡(luò)線等線路在終端可視化顯示。機(jī)柜中的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備或服務(wù)器設(shè)備會(huì)通過(guò)端口和線纜進(jìn)行連接，組成一定結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。比如線纜會(huì)從機(jī)柜連出，延伸到屋頂上方或地板下方的隱蔽工程中（例如線槽）固定和布線，用肉眼無(wú)法觀察。而機(jī)房可視化界面能清晰地顯示各種線纜從端口到線槽再到端口的“端到端”的物理走線，從而梳理機(jī)房?jī)?nèi)日益密集的電氣管道與網(wǎng)絡(luò)線路，讓管理員更加直觀地掌握機(jī)房?jī)?nèi)線路的分布及走線情況，從而快速排除及修復(fù)線路類故障，提高線路線管理水平和故障解決效率。

2）漏水監(jiān)測(cè)功能。根據(jù)水浸傳感器，監(jiān)測(cè)機(jī)房是否有積水，比如說(shuō)管理員忘記關(guān)窗戶導(dǎo)致下雨天有雨漏進(jìn)來(lái)、天花板漏水、空調(diào)漏水等。后臺(tái)程序根據(jù)監(jiān)測(cè)到漏水信息的水浸傳感器的位置對(duì)相應(yīng)的服務(wù)器在可視化頁(yè)面進(jìn)行水滴標(biāo)識(shí)處理，然后推送系統(tǒng)消息，讓管理人員及時(shí)來(lái)排查除水，從而避免機(jī)房漏水導(dǎo)致的線路短路、服務(wù)器浸水等安全隱患。

3）空調(diào)調(diào)節(jié)功能。研究顯示，2015年，數(shù)據(jù)中心的能耗比占全球能耗的0.9%，預(yù)計(jì)2025年達(dá)到4.5%，2030年達(dá)到8%[9]，且數(shù)據(jù)中心中空調(diào)能耗占整體能耗的34%[10]。因此，節(jié)省空調(diào)能耗可以有效節(jié)省機(jī)房的成本。本研究中的系統(tǒng)依據(jù)室內(nèi)溫度變化，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)空調(diào)。具體控制流程如圖3所示。當(dāng)室內(nèi)溫度保持在18 ℃~28 ℃機(jī)房建議范圍的時(shí)候，不需要開(kāi)空調(diào)。當(dāng)?shù)陀?8 ℃時(shí)，則以5分鐘為間隔，判斷這區(qū)間內(nèi)溫度是否呈下降趨勢(shì)，如果是的話就輸出制暖信號(hào)；當(dāng)高于28 ℃時(shí)，則以5分鐘為間隔，判斷區(qū)間內(nèi)溫度是否呈上升趨勢(shì)，如果是的話就輸出制冷信號(hào)。

圖3 空調(diào)控制流程圖

4）火災(zāi)監(jiān)測(cè)功能。利用煙霧傳感器，采集機(jī)房是否著火或有煙霧的信息。后臺(tái)程序根據(jù)監(jiān)測(cè)到火害信息的煙霧傳感器的位置對(duì)相應(yīng)的服務(wù)器在可視化頁(yè)面進(jìn)行標(biāo)紅處理，然后推送系統(tǒng)消息，管理人員可以在可視化頁(yè)面查看是哪個(gè)機(jī)房的哪個(gè)機(jī)柜的服務(wù)器著火了，知道位置后及時(shí)到現(xiàn)場(chǎng)排查火災(zāi)情況。這樣方便管理人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情，立刻處理，避免因?yàn)榛馂?zāi)帶來(lái)的重大損失。

2.4 機(jī)房安全管理

利用紅外傳感器給機(jī)房?jī)?nèi)的敏感區(qū)域建立電子圍欄，并且結(jié)合監(jiān)控?cái)z像頭，對(duì)進(jìn)入機(jī)房圍欄內(nèi)的人員進(jìn)行人臉識(shí)別。后臺(tái)程序一旦發(fā)現(xiàn)非管理人員進(jìn)入，現(xiàn)場(chǎng)會(huì)出現(xiàn)報(bào)警聲并且給管理人員推送消息提醒機(jī)房有非工作人員進(jìn)入了。

3 關(guān)鍵技術(shù)——Three.js技術(shù)

如今瀏覽器的功能越來(lái)越強(qiáng)大，而且這些功能可通過(guò)JavaScript直接調(diào)用，比如現(xiàn)在可以使用HTML5標(biāo)簽添加音頻和視頻，而且可以在HTML5畫布上創(chuàng)建各種交互組件。WebGL就是HTML5中新提出的技術(shù)，利用WebGL可以直接使用顯卡的計(jì)算資源，創(chuàng)建高性能的二維和三維計(jì)算機(jī)圖形，然后通過(guò)JavaScript在網(wǎng)頁(yè)中使用WebGL進(jìn)行編程，在瀏覽器創(chuàng)建三維場(chǎng)景并生成動(dòng)畫。然而單獨(dú)使用原生的WebGL技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景和動(dòng)畫是非常復(fù)雜的，而且容易出錯(cuò)。因此，衍生出Three.js庫(kù)來(lái)簡(jiǎn)化這個(gè)過(guò)程。WebGL與Three.js的關(guān)系如圖4所示，Three.js是以WebGL為基礎(chǔ)的庫(kù)，封裝了一些3D渲染需求中重要的工具方法與渲染循環(huán)。

圖4 WebGL與Three.js的關(guān)系圖

4 機(jī)房可視化管理系統(tǒng)應(yīng)用

機(jī)房可視化管理系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某運(yùn)營(yíng)商的機(jī)房和高校，得到客戶的一致好評(píng)，給公司節(jié)約了能耗資源。機(jī)房管理人員也評(píng)價(jià)此系統(tǒng)是他們的好幫手，提高了他們的工作效率，特別在機(jī)房安全管理上，讓他們能第一時(shí)間察覺(jué)問(wèn)題并及時(shí)處理。

電源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）在2006年就已經(jīng)被提出，是用來(lái)確定數(shù)據(jù)中心能源效率的度量方法。計(jì)算公式為PUE=數(shù)據(jù)中心總能耗/ IT設(shè)備能耗。計(jì)算出來(lái)的比值越接近1，說(shuō)明IT設(shè)備能耗占總能耗比例越高，其他非IT設(shè)備能耗占總能耗比例越低，因此機(jī)房用電效率高，機(jī)房越節(jié)能。

本研究利用該指標(biāo)，收集了某公司數(shù)據(jù)中心機(jī)房的耗電量數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算PUE值得出：該公司2020年第二季度機(jī)房PUE值為2.1，2021年第二季度PUE值為1.8，同比去年下降0.3，說(shuō)明機(jī)房可視化管理系統(tǒng)的空調(diào)節(jié)能功能起到一定的效果。后續(xù)將繼續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)中心的PUE值，持續(xù)改進(jìn)節(jié)能算法。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究針對(duì)大規(guī)模集中式的數(shù)據(jù)中心機(jī)房管理不便的問(wèn)題，面向?qū)嶋H的各大企業(yè)單位對(duì)機(jī)房管理的需求，設(shè)計(jì)了一套基于WebGL技術(shù)的機(jī)房可視化管理系統(tǒng)，完成了對(duì)機(jī)房環(huán)境、設(shè)備、安全方面的監(jiān)管。筆者著重介紹了系統(tǒng)功能，并且優(yōu)化了空調(diào)節(jié)能流程。本系統(tǒng)可跨平臺(tái)應(yīng)用，無(wú)需插件就能訪問(wèn)，功能齊全，尤其提出了空調(diào)節(jié)能措施，有效地降低了數(shù)據(jù)中心的PUE值。