基于BIM的數據中心全生命周期數字孿生方法

王思遠，趙強，劉海潮，張彥遒，王鐵成

（中國移動通信集團設計院有限公司）

1 引言

隨著互聯網、大數據、人工智能等新一代信息技術的迅速發(fā)展，信息技術對于數據的強大計算和分析能力為各行業(yè)發(fā)展開辟了嶄新的發(fā)展空間。數據中心設備復雜，系統(tǒng)繁多，使項目的規(guī)劃施工與運維管理存在困難。

數字孿生的出現為解決上述問題提供了新方向。數字孿生是數字模型對物理系統(tǒng)的等價映射。數字孿生的概念是2011年在密歇根大學由Grives提出的，自2017年開始，涌現了一大批相關研究與應用。BIM技術在計算機中搭建了現實物理實體的數字模型，利用互聯網技術與各類計算機輔助軟件，在規(guī)劃、設計、施工階段實現了三維設計與協同設計，大大提升了效率。在運維階段可以利用工程建設階段形成的BIM模型作為底層數字模型支撐，疊加大數據應用，實現數據中心規(guī)劃、設計、建造、運維全生命周期的數字孿生。

2 BIM技術在工程建設中的應用

2.1 項目建設場景的分析

項目建設場景分析是在項目選址與規(guī)劃階段，利用BIM與GIS技術，兩者協同進行前期規(guī)劃，提前將數據中心建設外觀與空間方位在周邊環(huán)境中進行布置呈現，有利于為項目建設提供最佳的選址與規(guī)劃。

2.2 “數字孿生”頂層規(guī)劃輔助

在進行數據中心設計時，可以首先利用BIM技術建立數據中心數字模型，對其建筑空間進行直觀的規(guī)劃與分析，并與標準、法規(guī)進行對照解讀，提高規(guī)劃效率。

2.3 可視化及多專業(yè)協同設計支持

BIM技術的產生創(chuàng)造了3D協同設計理念，該種設計方式所產生的設計成果簡單直觀，使建設方與設計方之間的交流變得簡單，消除了各方對平面圖理解偏差而導致的交流障礙。3D協同設計滿足了不同專業(yè)在同一空間中同時協作的需求，從而節(jié)省了不同專業(yè)之間相互溝通交流的時間，提升了設計效率。

2.4 工程量化統(tǒng)計和項目性能化計算

BIM技術可以依據設計文件而生成項目建設所需的物料信息、工程造價信息等，輔助完成各類統(tǒng)計與分析功能。結合既定的設計邏輯與設計場景，例如設備操作邏輯、空調系統(tǒng)的氣流組織、建筑整體的能耗狀態(tài)等，準確評估數據中心現有設計是否可以滿足規(guī)劃要求與后續(xù)的使用需求。

2.5 數字化管理的施工全生命周期

工程建設從規(guī)劃到竣工的過程是動態(tài)的，尤其對數據中心來說，園區(qū)級別的工程量及復雜程度劇增，對項目管理者而言，需要一種行之有效的管理手段?；贐IM的數字孿生可實現項目的數字化管理，具有管理效率高、精細化程度高的優(yōu)勢，可供項目管理者清晰了解項目實施計劃等情況[2]。

2.6 終端系統(tǒng)結合BIM的多元化應用

BIM+PM，讓項目管理效率更加高效；BIM+GIS，提高建筑與周邊環(huán)境的融合性；BIM+物聯網，可高效管理不同預制件的進場擺放、安裝以及與現場澆鑄件的配合等；BIM+三維激光測量，可實現施工效果的檢測；BIM+VR，讓設計者更真切地體會到設計環(huán)境中的細節(jié)。

3 數字孿生技術在數據中心基礎設施領域的應用

數據中心設備及機房基礎設施的智能化運維是當前的研究熱點，實現數據中心的數字孿生，需完成數據機房、制冷系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)的數字孿生體搭建。

3.1 數據機房數字孿生[1]

建立數據機房數字孿生體如圖1，數字孿生機房包括機房3D模型、設備空間分配模型、機房溫度場模型、其他控制決策模型等。

圖1 機房數字孿生

數字孿生機房的3D模型、設備空間分配模型與實體數據中心機房完全對應，是進行數據展示的載體。數據中心自身的監(jiān)控程度較高，智能化系統(tǒng)已將機房溫濕度、空調末端、電力電池室設備、中壓配電系統(tǒng)、變壓器、低壓柜、冷源系統(tǒng)等數據進行了監(jiān)控。

數字孿生機房與現有數據中心智能化系統(tǒng)經通信協議進行對接，獲取運行數據。數字孿生機房可直觀展示機柜裝機情況，列頭柜、配電柜的電力容量情況，空調系統(tǒng)的溫度場情況等。機房數字孿生體可為設備布局、溫濕度控制、容量規(guī)劃、運維操作等提供指導。

3.2 制冷系統(tǒng)孿生

對復雜的數據中心水冷系統(tǒng)而言，依靠人工操作已無法滿足節(jié)能降耗的要求，因此，可利用人工智能算法，實現制冷系統(tǒng)的最優(yōu)運行，而這一切的基礎則是制冷系統(tǒng)數字孿生體的建立。

制冷系統(tǒng)數字孿生包括制冷系統(tǒng)3D模型和制冷系統(tǒng)分析模型。

制冷系統(tǒng)分析模型是核心，該模型建立了制冷系統(tǒng)的人工神經網絡，用歷史數據對人工神經網絡進行訓練[4]，之后將實時數據輸入制冷系統(tǒng)分析模型，可以得到制冷系統(tǒng)最優(yōu)運行策略，實現制冷系統(tǒng)的節(jié)能運行。

制冷系統(tǒng)3D模型可前端呈現，其內部承載制冷系統(tǒng)分析模型，兩者結合，實現制冷系統(tǒng)數字孿生。制冷系統(tǒng)3D模型可以對實際制冷系統(tǒng)的運行狀態(tài)實時呈現（見圖2）。

圖2 制冷系統(tǒng)數字孿生

3.3 供配電系統(tǒng)孿生

供配電系統(tǒng)數字孿生由四層架構組成，分別是實體層、數據層、模型層、應用層[7]，如圖3所示。

圖3 供配電系統(tǒng)數字孿生

實體層涉及電力系統(tǒng)的一次設備、二次設備，以及其他控制系統(tǒng)等；數據層通過傳感器、通信協議、信號傳輸等手段將實體層的必要信號進行采集、匯總和處理，并將其傳遞給模型層使用；模型層是基于機理模型驅動與大數據分析驅動相結合的數字模型，是實際供配電系統(tǒng)的數字映射；應用層為實際供配電系統(tǒng)的運行提供指導與監(jiān)控的功能。

4 基于BIM的數據中心數字孿生方法

BIM模型通過數字信息仿真模擬建筑物所有構件的真實信息，貫穿建筑物全生命周期四大階段，即策劃與規(guī)劃、勘察與設計、施工與監(jiān)理、運行與維護[3]。

基于BIM進行數據中心數字孿生，需首先獲取數據中心BIM模型及設備模型，包括變壓器、配電柜、列頭柜、空調配電箱、UPS、機柜、IT設備、冷水機組、冷卻塔、冷凍泵、冷卻泵、精密空調、列間空調、恒濕機等。然后導出BIM模型的三維文件，通過Autodesk View and Data技術在Web端顯示集成BIM模型[5]。

數字孿生模型的數據從既有智能化系統(tǒng)對接，將實時數據更新至BIM模型中，并可以在Web端瀏覽器上查看，可以顯示相關設備的三維立體模型、基本信息和實時運行數據。

數字孿生模型可設定運行數據參數范圍，若運行數據超過設定值，則進行告警并在三維模型中精確定位告警位置進行呈現。當出現多個告警時，可標記所有告警位置以供運維人員選擇查看。

運維人員可以在Web端進行故障診斷處理。故障診斷處理包括人工故障診斷、智能故障診斷，最終輸出故障診斷結果。故障診斷完成后，可以生成工單，并將該工單發(fā)送至Web端html網頁，以供查看[6]。在系統(tǒng)接收到工單時，根據故障內容，利用預存的神經網絡模型推薦故障解決方案。

可采用AR技術與數據中心數字孿生3D模型進行結合，可實現如下功能：

①通過在html頁面設置AR掃碼的選項，可對設備進行AR掃碼，并跳轉至AR增強現實頁面，顯示該設備的基本信息、運行數據以及維修記錄；

②利用VR技術進行自動漫游巡檢、模擬培訓、應急演練以及變更模擬等操作。

5 結語

BIM技術可以在建造階段實現數據中心的數字孿生，實現造價分析精細準確、協同設計、輔助項目管理等，使數據中心在建造階段節(jié)約時間、節(jié)約投資、減少設計變更。在運行與維護階段利用建造階段的BIM模型，結合智能化系統(tǒng)，構成智慧數據中心數字孿生體的基礎。根據具體需求及大數據應用，開發(fā)智能服務和決策模型，實現數據中心基礎設施智能化管理。

數字孿生技術是一個嶄新的領域，上述應用場景的分析還十分粗淺?？陀^地講，數據中心基礎設施及機房專業(yè)領域的人員在這方面的知識和技能儲備還十分欠缺。現階段，可跟蹤數字孿生技術理論的發(fā)展進行學習和儲備。