基于數(shù)字孿生的AI智慧動(dòng)環(huán)系統(tǒng)

王 超，牛聯(lián)峰，孫新慶，周樂天

（中國(guó)電信股份有限公司河南分公司，河南 鄭州 450000）

0 引 言

在高速發(fā)展的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)5G時(shí)代，設(shè)備集成度高、密度大，所需通信電源、機(jī)房空調(diào)等基礎(chǔ)配套設(shè)備持續(xù)增加，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維管理難度逐漸增大。通信電源是為整個(gè)通信系統(tǒng)提供動(dòng)力的核心基礎(chǔ)設(shè)施，通信電源是機(jī)房的基礎(chǔ)支撐設(shè)施，數(shù)據(jù)中心對(duì)機(jī)房通信電源的管理要求也越來越高。通信行業(yè)的機(jī)房眾多，機(jī)房的電源等基礎(chǔ)支撐設(shè)施管理逐漸成為運(yùn)維管理的一塊短板，而通信機(jī)房的耗電量占用了企業(yè)很大一部分支出，降低機(jī)房空調(diào)能耗具有重要意義。

針對(duì)當(dāng)前形勢(shì)下機(jī)房電源管理的要求和目前在用機(jī)樓電源管理中的不足，提出一種依托于機(jī)房3D可視化的數(shù)字孿生AI智慧動(dòng)環(huán)系統(tǒng)[1]。通過在虛擬空間構(gòu)建物理實(shí)體的可視化映射，對(duì)物理世界進(jìn)行全要素?cái)?shù)字化表達(dá)，實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)虛擬與現(xiàn)實(shí)，用三維立體的實(shí)體模型實(shí)時(shí)在線管理機(jī)房電源、不間斷電源（Uninterruptible Power System，UPS）、開關(guān)電源、空調(diào)、發(fā)電機(jī)組、分支柜以及列頭柜等的運(yùn)行情況，提高設(shè)備利用率[2]。根據(jù)機(jī)房IT設(shè)備和空調(diào)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)化調(diào)節(jié)運(yùn)行狀態(tài)，智能降低機(jī)房電源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE），從而達(dá)到節(jié)能的目的，提升機(jī)房的現(xiàn)場(chǎng)管理效率[3]。

1 傳統(tǒng)機(jī)房電源管理系統(tǒng)存在的問題

機(jī)房電源現(xiàn)場(chǎng)的維護(hù)管理與電源設(shè)施實(shí)時(shí)性能數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)之間缺乏聯(lián)系，信息管理及同步處理水平低，數(shù)據(jù)銜接難度大。機(jī)樓電源設(shè)備數(shù)量眾多、品牌雜，維護(hù)人員配置不足，技術(shù)水平參差不齊，電源維護(hù)管理人員分機(jī)房分模塊巡檢，維護(hù)電源設(shè)備耗時(shí)耗力。

機(jī)房分布于各個(gè)樓層，機(jī)房?jī)?nèi)各類型設(shè)備復(fù)雜多樣，包括接入網(wǎng)設(shè)備、云業(yè)務(wù)設(shè)備、核心網(wǎng)設(shè)備、動(dòng)力設(shè)備、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（Internet Data Center，IDC）設(shè)備以及IT設(shè)備等。傳統(tǒng)模式下，多種屬性的機(jī)房設(shè)施歸屬各類型專業(yè)人員眾多，機(jī)房維護(hù)管理人員面對(duì)專業(yè)交叉的現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)管理難度較大。

2 AI智慧動(dòng)環(huán)系統(tǒng)介紹

AI智慧動(dòng)環(huán)系統(tǒng)是基于數(shù)字孿生技術(shù)在虛擬空間構(gòu)建物理實(shí)體的可視化映射，對(duì)物理世界進(jìn)行全要素?cái)?shù)字化表達(dá)，實(shí)時(shí)虛擬與現(xiàn)實(shí)聯(lián)動(dòng)，將復(fù)雜抽象的數(shù)據(jù)信息結(jié)合多媒體大屏進(jìn)行展示，打破傳統(tǒng)枯燥的圖表呈現(xiàn)形式，讓運(yùn)維管理更加直觀、高效、便捷。AI智慧動(dòng)環(huán)系統(tǒng)將影響通信電源系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的多個(gè)要素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示，并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，利用分析出的數(shù)據(jù)模型實(shí)現(xiàn)智能化高效管理和精準(zhǔn)化維護(hù)，提供友好的用戶體驗(yàn)，方便全方位的電源管理與運(yùn)營(yíng)[4,5]。

AI智慧動(dòng)環(huán)系統(tǒng)能夠利用原有電源路由線路學(xué)習(xí)分析，在新建設(shè)備時(shí)推送線路路由最短、布線最合理的施工方案。利用原有動(dòng)環(huán)數(shù)據(jù)模型，合理分配供配電容量，提供預(yù)警及優(yōu)化報(bào)告。將現(xiàn)有電源設(shè)施的實(shí)時(shí)性能數(shù)據(jù)與應(yīng)急預(yù)案匹配，模擬推演電源故障的應(yīng)急預(yù)案。將采集到的機(jī)房設(shè)備實(shí)時(shí)性能數(shù)據(jù)與機(jī)房空調(diào)性能數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化分析處理，根據(jù)AI算法得出機(jī)房設(shè)備熱功率虛擬成像，根據(jù)熱力圖成像分析結(jié)果和機(jī)房溫濕度探頭反饋數(shù)據(jù)智能化動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)房空調(diào)溫度，將機(jī)房電源的功耗、機(jī)房溫濕度與空調(diào)功耗由原來的峰谷波形性能數(shù)據(jù)智能化微動(dòng)調(diào)整為接近于直線性能數(shù)據(jù)，從而真正降低機(jī)房PUE。

3 AI智慧動(dòng)環(huán)系統(tǒng)的功能

AI智慧動(dòng)環(huán)系統(tǒng)設(shè)有三維機(jī)房模型、電源設(shè)備和機(jī)樓模型編輯、三維大屏展示、數(shù)據(jù)庫等模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)整棟?rùn)C(jī)樓各樓層機(jī)房平面可視化、通信電源設(shè)施資產(chǎn)信息可視化、機(jī)房動(dòng)環(huán)實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)可視化、各類型設(shè)備線纜路由可視化以及統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)報(bào)表查詢5大功能。

利用三維機(jī)房模型編輯器快捷生成真實(shí)立體的機(jī)房三維模型，用3D可視化方式真實(shí)呈現(xiàn)機(jī)房?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)布局和各類型設(shè)施，將數(shù)據(jù)接口與現(xiàn)有各設(shè)備網(wǎng)管系統(tǒng)、安防監(jiān)控系統(tǒng)、資產(chǎn)管理系統(tǒng)進(jìn)行端口對(duì)接，將機(jī)房3D模型形象化與設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)匹配，能夠方便快捷地設(shè)置參數(shù)記錄、性能故障告警數(shù)據(jù)、設(shè)備冗余度、機(jī)房健康度、機(jī)柜功率過載以及承重超載預(yù)警等。

結(jié)合三維模型進(jìn)行機(jī)樓設(shè)施巡視、故障維修管理電子化，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)電源配套設(shè)施的設(shè)置參數(shù)、故障信息，快速精準(zhǔn)定位告警設(shè)備并與視頻系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，縮短電源設(shè)備故障檢修時(shí)長(zhǎng)。將采集到的機(jī)房設(shè)備功耗與機(jī)房空調(diào)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，根據(jù)分析結(jié)果智能化動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)房空調(diào)溫度，降低機(jī)房PUE。根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備當(dāng)前故障信息，結(jié)合應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行模擬推演。

系統(tǒng)部署完成投產(chǎn)后，機(jī)樓各機(jī)房設(shè)備巡檢、人員進(jìn)出機(jī)房管理審批時(shí)間大大縮短，節(jié)省時(shí)間。系統(tǒng)設(shè)有報(bào)廢預(yù)警功能，及時(shí)提醒設(shè)備替換更新，防止設(shè)備老化故障，設(shè)備定位與故障處置時(shí)效提升顯著。

AI智慧動(dòng)環(huán)系統(tǒng)機(jī)房基于數(shù)字孿生利用3D可視化將傳統(tǒng)的表格式監(jiān)控進(jìn)行真實(shí)模型還原，呈現(xiàn)一個(gè)三維可交互的虛擬機(jī)房場(chǎng)景，實(shí)時(shí)在線直觀模擬和呈現(xiàn)機(jī)樓內(nèi)部電源及配套設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，大幅提升機(jī)房的維護(hù)管理效率。

在數(shù)據(jù)中心機(jī)房管理系統(tǒng)中加入3D可視化模塊，在3D場(chǎng)景中可對(duì)接動(dòng)環(huán)系統(tǒng)、資產(chǎn)管理系統(tǒng)、安防視頻系統(tǒng)等，將機(jī)樓內(nèi)多系統(tǒng)數(shù)據(jù)與虛擬模型匹配并在大屏中呈現(xiàn)，方便管理。機(jī)房3D效果的呈現(xiàn)是對(duì)現(xiàn)實(shí)中存在的數(shù)據(jù)中心建筑、設(shè)備等進(jìn)行數(shù)據(jù)建模、渲染，以三維的方式展示出來，在3D場(chǎng)景中可以實(shí)現(xiàn)在線瀏覽、數(shù)據(jù)交互以及設(shè)備管理等操作。

4 AI智慧動(dòng)環(huán)系統(tǒng)的應(yīng)用

4.1 可視化

（1）界面可視化。將機(jī)房、電源及配套設(shè)施全景仿真再現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)多角度、多維度切換，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)漫游與機(jī)房電源巡檢，全方位總覽機(jī)樓全景及電源狀態(tài)。利用AI智慧動(dòng)環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心機(jī)樓內(nèi)電源及配套設(shè)施資產(chǎn)管理、電源容量管理、機(jī)房微環(huán)境監(jiān)測(cè)及電源運(yùn)維的管理可視化，更易用、更高效。

（2）電源資產(chǎn)管理可視化?？梢暬芾黼娫丛O(shè)備資產(chǎn)信息配置、資產(chǎn)調(diào)整變更、參數(shù)部署、設(shè)備維護(hù)與規(guī)劃分析，提高信息查詢、處理、管理和交互的及時(shí)性和有效性。

（3）電纜路由可視化。電源設(shè)備端到端連線可視化管理，包括外市電到高壓柜、高壓柜到變壓器、低壓柜到UPS以及空調(diào)和電源設(shè)備到配電柜的物理連接關(guān)系，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心機(jī)房環(huán)境、機(jī)柜微環(huán)境可視化監(jiān)測(cè)。

（4）運(yùn)維可視化。評(píng)估數(shù)據(jù)中心的配電柜容量、能耗、機(jī)房PUE、機(jī)房承重等，通過調(diào)整電源空調(diào)設(shè)備參數(shù)、對(duì)蓄電池進(jìn)行充放電測(cè)試、發(fā)電機(jī)空載試機(jī)等，實(shí)現(xiàn)運(yùn)維可視化，基于數(shù)字孿生為數(shù)據(jù)中心管理者提供全方位的數(shù)據(jù)分析[6]。

AI智慧動(dòng)環(huán)系統(tǒng)可視化通過將現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景虛擬化，對(duì)物理世界進(jìn)行全要素?cái)?shù)字化表達(dá)，實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)虛擬與現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)。運(yùn)維管理瞬間完成，只需輕點(diǎn)鼠標(biāo)即可掌握數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行狀態(tài)、安全環(huán)境等情況。

4.2 數(shù)字化運(yùn)維監(jiān)控管理

數(shù)據(jù)中心機(jī)房的安全穩(wěn)定運(yùn)行是保證用戶業(yè)務(wù)正常開展、持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵，但目前面臨著復(fù)雜的管理子系統(tǒng)、傳統(tǒng)枯燥的管理界面、信息孤立或抽象展現(xiàn)、維護(hù)困難等問題。而借助AI智慧動(dòng)環(huán)系統(tǒng)可以進(jìn)行交互式、多種視覺模擬體驗(yàn)，并通過節(jié)點(diǎn)管理頁面進(jìn)行所見即所得的管理，具有隨意嵌入機(jī)房資產(chǎn)、能源、環(huán)境等管理功能，對(duì)數(shù)據(jù)中心機(jī)房全方面集中監(jiān)控、統(tǒng)一管理起到重要的作用[7]。

基于數(shù)據(jù)中心機(jī)樓真實(shí)物理環(huán)境數(shù)據(jù)搭建三維立體組合模型，包括變壓器、UPS、開關(guān)電源、發(fā)電機(jī)、空調(diào)、高壓配電柜以及低壓配電柜等設(shè)備，更形象立體化呈現(xiàn)。按維護(hù)管理需求定義區(qū)域快捷方式，點(diǎn)擊快捷按鈕能夠快速精準(zhǔn)定位到相應(yīng)區(qū)域的三維視角模型中，例如快速定位到機(jī)樓某個(gè)機(jī)房、某臺(tái)電源設(shè)備等。

在三維展示場(chǎng)景中，用戶能夠直接點(diǎn)擊相應(yīng)的電源及配套設(shè)備，實(shí)時(shí)查看對(duì)應(yīng)設(shè)備的當(dāng)前運(yùn)行參數(shù)、工作狀態(tài)和告警狀態(tài)、資產(chǎn)信息、維修記錄、設(shè)備冗余以及健康度等信息。除此之外，維護(hù)管理人員還可以在虛擬空間構(gòu)建的物理三維模型中漫游，以第一視角了解建筑的裝修情況，如墻壁、走道、天花、地板等，同時(shí)還可以監(jiān)控各種儀器或儀表設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。

5 結(jié) 論

5G互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，數(shù)據(jù)中心快速建設(shè)，用戶業(yè)務(wù)規(guī)模急速擴(kuò)增，傳統(tǒng)機(jī)房的電源設(shè)施管理難度愈發(fā)困難。基于數(shù)字孿生的AI智慧動(dòng)環(huán)系統(tǒng)大幅提高了機(jī)樓電源系統(tǒng)可視化、數(shù)字化水平，為傳統(tǒng)機(jī)樓數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了更好的助力。對(duì)多地域數(shù)據(jù)中心機(jī)房實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中化監(jiān)控管理維護(hù)，利用多媒體大屏實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)化展示電源設(shè)施的故障告警數(shù)據(jù)、電源容量、機(jī)房能耗、機(jī)房承重以及機(jī)樓健康度等，快捷準(zhǔn)確定位設(shè)備故障點(diǎn)，通過接口互通與安防系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，使運(yùn)維管理從傳統(tǒng)的人工維護(hù)方式轉(zhuǎn)變?yōu)橹腔刍疉I集中維護(hù)模式。全新的三維模擬仿真技術(shù)和海量的數(shù)據(jù)建模分析是智能可視化數(shù)據(jù)中心建設(shè)的一個(gè)重要方向，降低了傳統(tǒng)機(jī)樓電源配套設(shè)施的運(yùn)維管理難度。通過采集實(shí)時(shí)性能數(shù)據(jù)，經(jīng)過智能化分析計(jì)算實(shí)現(xiàn)AI預(yù)警，同時(shí)輸出相應(yīng)的報(bào)告。此外，對(duì)機(jī)房實(shí)時(shí)性能數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，評(píng)估數(shù)據(jù)中心機(jī)樓電源健康度，更加直觀地將3D化場(chǎng)景與設(shè)備性能實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)相結(jié)合，降低機(jī)房維護(hù)難度，提高其可用度。