數(shù)字孿生技術(shù)如何應(yīng)用到數(shù)據(jù)中心的運營發(fā)展，又在數(shù)據(jù)中心的設(shè)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(shè)計階段與運維階段應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行解析。

1.數(shù)字孿生在數(shù)據(jù)中心設(shè)計階段的應(yīng)用

在數(shù)據(jù)中心設(shè)計階段主要采用三維建模技術(shù)手段，通過CAD軟件、BIM軟件、CFD軟件等工具構(gòu)建數(shù)據(jù)中心的數(shù)字化模型，再通過仿真和模擬技術(shù)在數(shù)字模型上進(jìn)行可調(diào)節(jié)、可變參數(shù)、可重復(fù)、可加速的仿真實驗，輸出不同場景下的合理設(shè)計方案，最終提高現(xiàn)實中數(shù)據(jù)中心的設(shè)計效率，優(yōu)化相關(guān)設(shè)計方案。

在數(shù)據(jù)中心設(shè)計階段使用數(shù)字孿生技術(shù)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(shù)在數(shù)字中心設(shè)計階段的應(yīng)用越來越廣泛、越來越成熟。以圖1為例，采用CAD技術(shù)構(gòu)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(yīng)用到實際建設(shè)中，既滿足設(shè)計需求，又節(jié)約內(nèi)在成本。

圖1 CAD模型布局

在設(shè)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(shè)計缺陷，并為未來可能發(fā)生的狀況或時間進(jìn)行前期預(yù)演。設(shè)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(yīng)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(shù)虛擬構(gòu)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(shè)備等組成的3D模型，再將機房中IT設(shè)備或者基礎(chǔ)設(shè)施的基本配置信息嵌入數(shù)字孿生系統(tǒng)中。相關(guān)的配置信息可以由任何可見物理設(shè)備找到，相關(guān)設(shè)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(nèi)即可將相應(yīng)的位置信息與資產(chǎn)信息進(jìn)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(wù)器設(shè)備的設(shè)置位置信息，預(yù)測并分析服務(wù)器的電力消耗量和設(shè)置的U號、機房的設(shè)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(nèi)的相關(guān)線路做可視化展示，同時可在可視化時查看相關(guān)設(shè)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(nèi)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(luò)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(hù)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(jìn)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(shè)備布局、溫濕度控制、容量規(guī)劃、運維操作等提供指導(dǎo)。

2. 數(shù)字孿生應(yīng)用在數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)

降低能耗能效指標(biāo)是指降低數(shù)據(jù)中心能效指標(biāo)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(gòu)成中，除了IT設(shè)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(shè)備和技術(shù)應(yīng)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(shù)，也有較多應(yīng)用案例。

人工智能、機器學(xué)習(xí)等技術(shù)也在被廣泛研究和應(yīng)用。谷歌就有成功的案例，2017年它將機器學(xué)習(xí)技術(shù)應(yīng)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(xué)習(xí)和使用，2018年節(jié)能達(dá)30%，效果顯著。國內(nèi)很多廠商也相繼投入類似的研究中，并推出相關(guān)產(chǎn)品**，總結(jié)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(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，也包括氣候、數(shù)據(jù)中心IT負(fù)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(dá)到PUE值的各種輸入?yún)?shù)。根據(jù)相關(guān)約束條件生成每個系統(tǒng)的最佳調(diào)整值，最終達(dá)到PUE值。調(diào)整值主要包括冷卻塔的開啟臺數(shù)和風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速、各種冷卻泵、冷卻泵的開啟頻率、冷卻機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)等。

數(shù)字孿生的基礎(chǔ)源于數(shù)據(jù)，故數(shù)據(jù)中心模型的準(zhǔn)確性取決于樣本的數(shù)據(jù)量：樣本的數(shù)據(jù)量越大，構(gòu)建的數(shù)據(jù)機房模型越準(zhǔn)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(shè)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(fù)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(shè)備發(fā)熱能功耗、空調(diào)送回風(fēng)溫濕度等；輸出變量一般可設(shè)置為PUE最低值，并且約束IT設(shè)備進(jìn)風(fēng)溫度不超過設(shè)定的溫度（一般可以為27℃）。這樣，通過大量的運行樣本可以構(gòu)建輸入變量與輸出變量間相應(yīng)的數(shù)字模型，再根據(jù)對應(yīng)的目標(biāo)值以及約束條件獲得最佳的各系統(tǒng)設(shè)定值，從而達(dá)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(shè)

數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于實際的生產(chǎn)生活中，特別是在智慧城市的管理應(yīng)用。借鑒相關(guān)經(jīng)驗，可在數(shù)據(jù)中心進(jìn)行3D可視化建設(shè)。在建設(shè)數(shù)字化數(shù)據(jù)中心時可依次進(jìn)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(wù)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(guān)系統(tǒng)中涉及的成熟模型。

以上的各個模型構(gòu)成了智慧數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)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(jìn)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(shù)是一個嶄新的領(lǐng)域，上述應(yīng)用場景的分析十分粗淺?？陀^地講，數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施及機房專業(yè)領(lǐng)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(xué)習(xí)儲備數(shù)字孿生相關(guān)的知識。

審核編輯：湯梓紅