數(shù)字孿生技術如何應用到數(shù)據(jù)中心的運營發(fā)展,又在數(shù)據(jù)中心的設計與發(fā)展階段起到怎樣的作用呢?本文將在數(shù)據(jù)中心的設計階段與運維階段應用數(shù)字孿生技術進行解析。
1.數(shù)字孿生在數(shù)據(jù)中心設計階段的應用
在數(shù)據(jù)中心設計階段主要采用三維建模技術手段,通過CAD軟件、BIM軟件、CFD軟件等工具構建數(shù)據(jù)中心的數(shù)字化模型,再通過仿真和模擬技術在數(shù)字模型上進行可調節(jié)、可變參數(shù)、可重復、可加速的仿真實驗,輸出不同場景下的合理設計方案,最終提高現(xiàn)實中數(shù)據(jù)中心的設計效率,優(yōu)化相關設計方案。
在數(shù)據(jù)中心設計階段使用數(shù)字孿生技術可讓投資方付出較低的成本,得到較高的回報,利益得以最大化。目前,數(shù)字孿生技術在數(shù)字中心設計階段的應用越來越廣泛、越來越成熟。以圖1為例,采用CAD技術構建虛擬數(shù)據(jù)中心模型,然后通過能耗、溫度、氣流等數(shù)據(jù)的算法模型優(yōu)化該模型,最終從眾多的實驗中獲取最優(yōu)策略應用到實際建設中,既滿足設計需求,又節(jié)約內在成本。
圖1 CAD模型布局
在設計階段,數(shù)據(jù)中心除了會分析布局以外,也會嘗試整合一些動力、環(huán)境失效的方案以保障整個系統(tǒng)無設計缺陷,并為未來可能發(fā)生的狀況或時間進行前期預演。設計階段的數(shù)字孿生模型如果能被數(shù)據(jù)中心運維人員延續(xù)使用,就將極大地提高模型使用效率,為后續(xù)的模型優(yōu)化提供更多的數(shù)據(jù)支撐,使數(shù)字孿生體更加完整。
2.數(shù)字孿生在數(shù)據(jù)中心運維階段的應用
1. 數(shù)據(jù)機房可視化
數(shù)據(jù)機房可視化由機房3D模型、資產(chǎn)配置孿生、線路連接孿生、機房容量孿生、監(jiān)控門禁系統(tǒng)孿生、匯報展示等孿生模型組成。
利用數(shù)字孿生技術虛擬構建數(shù)據(jù)中心機房的物理環(huán)境,模擬從數(shù)據(jù)中心的園區(qū)、機房、機柜、IT設備等組成的3D模型,再將機房中IT設備或者基礎設施的基本配置信息嵌入數(shù)字孿生系統(tǒng)中。相關的配置信息可以由任何可見物理設備找到,相關設備也可以通過任何配置信息完成資產(chǎn)配置的顯示。配置信息嵌入后,系統(tǒng)內即可將相應的位置信息與資產(chǎn)信息進行管理,此時就可以搭建出機房容量模型。
機房容量模型根據(jù)機房柜的剩余空間、配電盤的電氣情況自動生成服務器設備的設置位置信息,預測并分析服務器的電力消耗量和設置的U號、機房的設置規(guī)則,以及機房的空間、電力消耗量、冷氣量和安裝后的溫度場。數(shù)據(jù)機房可視化不僅是由機房3D模型、資產(chǎn)配置孿生、線路連接孿生、機房容量孿生、監(jiān)控門禁系統(tǒng)孿生、匯報展示孿生等模型組成的,線路連接、監(jiān)控信息以及其他匯報展示信息等也是機房數(shù)字孿生的重要組成部分,下面介紹幾個重要的部分。
線路連接孿生:采用配套系統(tǒng)管理建立線路連接或者對接其他平臺管理信息,將機房內的相關線路做可視化展示,同時可在可視化時查看相關設備端口信息。
監(jiān)控門禁系統(tǒng)孿生:可以集成數(shù)據(jù)中心內外的監(jiān)視系統(tǒng)和接入控制系統(tǒng),虛擬控制包括綜合網(wǎng)絡管理監(jiān)視、電源監(jiān)視、動態(tài)電路監(jiān)視、大樓自動化、安全監(jiān)視、消防等監(jiān)控系統(tǒng)和門禁系統(tǒng)。24小時保護數(shù)據(jù)中心的安全運行。
匯報展示:整合上述孿生手段,提供一個可以對單一場景或者多個組合場景進行可視化展示、滿足多維可視化需求、實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的3D模擬展示匯報,如數(shù)字中心展廳、機房實景數(shù)據(jù)、故障演練等。機房的數(shù)字孿生可為設備布局、溫濕度控制、容量規(guī)劃、運維操作等提供指導。
2. 數(shù)字孿生應用在數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)
降低能耗能效指標是指降低數(shù)據(jù)中心能效指標的PUE數(shù)值,這一直是各個數(shù)據(jù)中心想要解決的難題。在數(shù)據(jù)中心的能耗消耗構成中,除了IT設備消耗以外,制冷系統(tǒng)能耗占比最高,即降低制冷系統(tǒng)的能耗也可降低PUE的數(shù)值。各種節(jié)能設備和技術應運而生,比如間接蒸發(fā)冷卻AHU、液冷都是目前節(jié)能效率較高的技術,也有較多應用案例。
人工智能、機器學習等技術也在被廣泛研究和應用。谷歌就有成功的案例,2017年它將機器學習技術應用到數(shù)據(jù)中心節(jié)能中,經(jīng)過對大量運行數(shù)據(jù)的機器學習和使用,2018年節(jié)能達30%,效果顯著。國內很多廠商也相繼投入類似的研究中,并推出相關產(chǎn)品**,總結起來就是引入3D 模型、制冷系統(tǒng)模型算法,形成一套可視化的制冷系統(tǒng)的PUE能效模型,如圖2所示。**
制冷系統(tǒng)的PUE能效模型不僅包含深度學習神經(jīng)網(wǎng)絡模型,也包括氣候、數(shù)據(jù)中心IT負載等外界因素的輸入。數(shù)字孿生是一個雙向的過程,在制冷系統(tǒng)的PUE能效模型中也不例外。另外,制冷系統(tǒng)通過多個傳感器將收集的數(shù)據(jù)發(fā)送到虛擬數(shù)字空間,實時更新節(jié)能模型PUE。PUE功能模型可以基于期望的實際PUE值來檢索可達到PUE值的各種輸入?yún)?shù)。根據(jù)相關約束條件生成每個系統(tǒng)的最佳調整值,最終達到PUE值。調整值主要包括冷卻塔的開啟臺數(shù)和風扇的轉速、各種冷卻泵、冷卻泵的開啟頻率、冷卻機的運轉狀態(tài)等。
數(shù)字孿生的基礎源于數(shù)據(jù),故數(shù)據(jù)中心模型的準確性取決于樣本的數(shù)據(jù)量:樣本的數(shù)據(jù)量越大,構建的數(shù)據(jù)機房模型越準確。為了獲得大量的數(shù)據(jù)樣本,我們需要對不同的數(shù)據(jù)中心設置相同的輸入和輸出變量。通常這些輸入變量包括表征系統(tǒng)實時負載的變量、表征冷卻系統(tǒng)運行的控制變量以及表征環(huán)境的變量,例如IT設備發(fā)熱能功耗、空調送回風溫濕度等;輸出變量一般可設置為PUE最低值,并且約束IT設備進風溫度不超過設定的溫度(一般可以為27℃)。這樣,通過大量的運行樣本可以構建輸入變量與輸出變量間相應的數(shù)字模型,再根據(jù)對應的目標值以及約束條件獲得最佳的各系統(tǒng)設定值,從而達到節(jié)能減排的愿景。
圖2 數(shù)字孿生運用在數(shù)據(jù)中心的制冷系統(tǒng)
3. 智慧數(shù)字中心3D化建設
數(shù)字孿生技術已經(jīng)廣泛應用于實際的生產(chǎn)生活中,特別是在智慧城市的管理應用。借鑒相關經(jīng)驗,可在數(shù)據(jù)中心進行3D可視化建設。在建設數(shù)字化數(shù)據(jù)中心時可依次進行數(shù)字化園區(qū)模型、暖通模型、安防系統(tǒng)模型、弱點模型、線路管道模擬模型、智能服務和決策模型。其中,弱點模型可借鑒已經(jīng)成熟的智慧城市中的智慧樓宇或者智慧園區(qū)等相關系統(tǒng)中涉及的成熟模型。
以上的各個模型構成了智慧數(shù)據(jù)中心的基礎。在此基礎上,可再升級增加制冷系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、智能化運維系統(tǒng)的數(shù)字化模型進入數(shù)據(jù)中心的數(shù)字化系統(tǒng)中,不斷完善整個數(shù)字化體系,為定期自動生成優(yōu)化運行的建議提供決策參考。數(shù)字孿生技術是一個嶄新的領域,上述應用場景的分析十分粗淺。客觀地講,數(shù)據(jù)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的儲備還十分欠缺,現(xiàn)階段需要從業(yè)者及時學習儲備數(shù)字孿生相關的知識。
審核編輯:湯梓紅
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原文標題:數(shù)字孿生在數(shù)據(jù)中心的應用場景
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