IT計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)中心智能化運(yùn)維監(jiān)控及能效管理的探索與研究

中國(guó)銀聯(lián)股份有限公司 徐建波

一、研究背景

隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，以傳感網(wǎng)為技術(shù)基礎(chǔ)的物聯(lián)網(wǎng)在國(guó)際上被視作互聯(lián)網(wǎng)之后的又一次網(wǎng)絡(luò)革命[1]。通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor networks, WSN）進(jìn)行的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用涉及到工業(yè)、軍事、金融、國(guó)防科技、工商、醫(yī)療、社會(huì)公共、應(yīng)急救援等方面。其作為先進(jìn)的獲取信息和信息處理技術(shù)在新興領(lǐng)域作用的開(kāi)展也應(yīng)該重視[2]。

本文了進(jìn)行了對(duì)于“數(shù)據(jù)中心智能化運(yùn)維監(jiān)控系統(tǒng)”研究，力求實(shí)現(xiàn)重要IT數(shù)據(jù)中心機(jī)房中集IT基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)、供配電、空調(diào)、消防、安保等多方面領(lǐng)域的智能一體化，力求最大限度的將上述問(wèn)題解決[4]。本文的研究?jī)?nèi)容以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)監(jiān)控為目標(biāo)，解放人力消耗為核心理念，通過(guò)應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)與數(shù)字化管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)IT數(shù)據(jù)中心機(jī)房各基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備的精準(zhǔn)維護(hù)，使監(jiān)控機(jī)房的管理更加便捷高效，維護(hù)水平也更高。同時(shí)，對(duì)于日常的人為巡檢、安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判都用傳感器以及數(shù)字化執(zhí)行器來(lái)頂替。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)機(jī)房主動(dòng)安全維護(hù)以及設(shè)備的自動(dòng)檢驗(yàn)，提升機(jī)房工作壽命，增加數(shù)據(jù)管理安全性[5]。

二、系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本文主要是設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一種以IT計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)中心機(jī)房為中心的智能化運(yùn)維監(jiān)控系統(tǒng)，針對(duì)重要數(shù)據(jù)中心企業(yè)的監(jiān)控管理提供網(wǎng)絡(luò)綜合信息監(jiān)控和傳輸系統(tǒng)[6]。為提高企業(yè)內(nèi)部系統(tǒng)、數(shù)據(jù)的安全指數(shù)，在突發(fā)事件發(fā)生時(shí)進(jìn)行應(yīng)急處理的能力進(jìn)行提升。在綜合管理的需求方面，結(jié)合本課題涉及到的數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)及基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行環(huán)境，實(shí)現(xiàn)工作方式和工作流程的重新規(guī)劃。在時(shí)間空間的約束面前，解除他們和管理部門(mén)的限制。使智能化、平臺(tái)化為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)中心機(jī)房集中監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)流程變成相較于其他部門(mén)流程更加扁平。其意義為增加各權(quán)限用戶調(diào)用符合其權(quán)限范疇的數(shù)據(jù)時(shí)的靈活性和便捷性。在這個(gè)平臺(tái)下又可以做到資源共享，互相監(jiān)管，達(dá)到高效、透明、精簡(jiǎn)的管理模式。

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)技術(shù)

智能化監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)需要使用到與網(wǎng)站應(yīng)用開(kāi)發(fā)相關(guān)的各類技術(shù)，其中包括動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)開(kāi)發(fā)的JSP技術(shù)，基于MVC分層模式的SSH（Spring、Struts和Hibernate）框架技術(shù)[7]。MVC模式通過(guò)把系統(tǒng)分為三層模式，從而使系統(tǒng)中的業(yè)務(wù)邏輯層與數(shù)據(jù)部分相分離，使數(shù)據(jù)略及的處理操作更加明確有序。

四、系統(tǒng)功能

我國(guó)早期傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心機(jī)房的安全管理監(jiān)控體系基本依靠重要場(chǎng)所的視頻監(jiān)控，技術(shù)手段單一，建設(shè)規(guī)模有限，普遍存在無(wú)預(yù)警、無(wú)警示、無(wú)跟蹤、無(wú)聯(lián)動(dòng)的缺陷，不能滿足“事前預(yù)警、目標(biāo)跟蹤、事件處置”的防控工作要求。

本文開(kāi)展的研究主體為計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)中心智能化監(jiān)控系統(tǒng)，研究目的是可以使數(shù)據(jù)中心企業(yè)內(nèi)機(jī)房及樓宇智能化程度提高、公共資產(chǎn)智能化、安防智能化、通訊和辦公智能化。以上五個(gè)方面的智能化組成了本系統(tǒng)的五個(gè)重點(diǎn)拓展方面。如圖4-1所示。

圖4-1 金融業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)基本功能

數(shù)據(jù)中心企業(yè)樓宇細(xì)化后可以為企業(yè)內(nèi)的辦公樓、IT機(jī)房樓、食堂、信息樓、行政樓等一系列樓宇，而數(shù)據(jù)中心機(jī)房監(jiān)控系統(tǒng)則是一種綜合且智能化的信息系統(tǒng)。系統(tǒng)核心由計(jì)算機(jī)構(gòu)成，周圍環(huán)境則由各類傳感器、執(zhí)行器組成。進(jìn)而形成一個(gè)完整的監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)中的子功能還包括對(duì)電力、供配電/空調(diào)/安防監(jiān)控設(shè)施設(shè)備等電器運(yùn)行情況、給水排水情況的綜合監(jiān)管。從而保障數(shù)據(jù)中心機(jī)房?jī)?nèi)IT計(jì)算機(jī)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常，使IT業(yè)務(wù)有序、安全穩(wěn)定的運(yùn)行。企業(yè)的固定資產(chǎn)構(gòu)成范圍較廣，會(huì)造成管理困難。而資產(chǎn)管理則會(huì)對(duì)其進(jìn)行分類，包括辦公設(shè)備、機(jī)房IT及基礎(chǔ)設(shè)施等資源都會(huì)細(xì)化。并按需求進(jìn)行統(tǒng)一分配進(jìn)行使用、統(tǒng)計(jì)。這種智能化資產(chǎn)管理系統(tǒng)正會(huì)完成以上工作。

能耗管理可以通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，將能耗以報(bào)表的方式展示出來(lái)，使得能源控制更加精細(xì)化。

安全管理分為消防、安防兩大類，消防中的煙霧自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)淋水等功能和安防中的自動(dòng)報(bào)警、實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能屬于安全管理范疇。

監(jiān)控系統(tǒng)的核心系統(tǒng)屬于網(wǎng)絡(luò)通信管理，網(wǎng)絡(luò)通信管理中心包括電話通信網(wǎng)和傳真網(wǎng)，其中電話通信網(wǎng)的技術(shù)核心是數(shù)字式程控交換機(jī)。該監(jiān)控系統(tǒng)以連接各網(wǎng)絡(luò)工作站和建立計(jì)算機(jī)終端連接為目標(biāo)建立獨(dú)立的局域網(wǎng)以供使用，在該網(wǎng)絡(luò)中一并接通分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，從而達(dá)到信息的高速傳輸與處理和加快電子郵件收發(fā)的速度與效率。通訊系統(tǒng)連接安防系統(tǒng)和企業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)，這樣就做到了實(shí)時(shí)監(jiān)控，報(bào)警和處理事件及時(shí)的核心要求。且不會(huì)出現(xiàn)突發(fā)事件發(fā)生時(shí)的不按約定實(shí)現(xiàn)及時(shí)轉(zhuǎn)移操作權(quán)的錯(cuò)誤發(fā)生。使整個(gè)管理工作一體化，各子系統(tǒng)之間的聯(lián)系更為高速，無(wú)論是在圖形傳輸還是數(shù)字文字信息的傳輸都變得及時(shí)，快速。

五、系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)中心企業(yè)機(jī)房?jī)?nèi)的資源占用、基礎(chǔ)環(huán)境設(shè)施系統(tǒng)安全等情況需要監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、檢測(cè)、控制。進(jìn)而確保機(jī)房?jī)?nèi)IT計(jì)算機(jī)設(shè)備的運(yùn)行安全和數(shù)據(jù)中心機(jī)房各基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備監(jiān)控的高度智能化。一體化的數(shù)據(jù)中心機(jī)房監(jiān)控系統(tǒng)的基本功能可以歸納如下：

(1)數(shù)據(jù)中心機(jī)房?jī)?nèi)供配電、空調(diào)、消防、安保等設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況包括啟動(dòng)、終止、運(yùn)行參數(shù)、異常事件等在本系統(tǒng)中可以被自動(dòng)監(jiān)視和控制。其運(yùn)行狀態(tài)也可以被顯示或打印。

(2)供配電、空調(diào)、消防、安保等設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)在本系統(tǒng)中可以自動(dòng)檢測(cè)、顯示、打印。設(shè)備間的交流信息趨勢(shì)和歷史數(shù)據(jù)等也可以在系統(tǒng)中顯示。

(3)保持設(shè)備的最佳運(yùn)行狀態(tài)，在外界因素的影響下，例如環(huán)境因素負(fù)載情況等變化下進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。

(4)各設(shè)備出現(xiàn)異常運(yùn)行和突發(fā)事件時(shí)，系統(tǒng)及時(shí)發(fā)出報(bào)警并給出處理方案，進(jìn)行輔助決策。

(5)機(jī)房?jī)?nèi)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備等的統(tǒng)一管理，協(xié)調(diào)設(shè)備間的控制情況。

(6)自動(dòng)化能源管理：用水、供電等能源進(jìn)行智能化、自動(dòng)化管理。

(7)設(shè)備管理：設(shè)備檔案（購(gòu)買(mǎi)信息等）和設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況，設(shè)備故障處理和維修情況的管理等。

為了增強(qiáng)對(duì)數(shù)據(jù)中心的精細(xì)化管理，充分利用數(shù)據(jù)中心現(xiàn)有電力資源、制冷資源，提高數(shù)據(jù)中心資源利用率，監(jiān)控系統(tǒng)中增加了能效管理及容量管理平臺(tái)。為機(jī)房運(yùn)維提供基礎(chǔ)環(huán)境各系統(tǒng)容量建模、容量展示、容量統(tǒng)計(jì)、容量分析、能效展示、能效分析與管理等功能。通過(guò)部署機(jī)房能耗管理模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)中心機(jī)房能耗的采集顆粒度細(xì)化、數(shù)據(jù)傳輸及保存方式優(yōu)化、數(shù)據(jù)展示及分析功能優(yōu)化，來(lái)最終提高對(duì)能效管理的優(yōu)化分析，及對(duì)容量管理的數(shù)據(jù)支撐，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)中心機(jī)房基礎(chǔ)環(huán)境的空間、電力、冷量等資源的集中監(jiān)測(cè)、統(tǒng)一管理和管理優(yōu)化分析，提高了機(jī)房環(huán)境領(lǐng)域的運(yùn)維管理水平。

通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)中心各設(shè)施設(shè)備的用電數(shù)據(jù)，結(jié)合耗電系統(tǒng)分類，最終展示數(shù)據(jù)中心機(jī)房實(shí)時(shí)PUE、歷史PUE、實(shí)時(shí)功耗曲線、電力成本、分項(xiàng)能耗統(tǒng)計(jì)等數(shù)據(jù)，定制個(gè)性化分析數(shù)據(jù)導(dǎo)出。機(jī)房運(yùn)維管理人員可根據(jù)智能化監(jiān)控及數(shù)據(jù)分析，研究如何提高數(shù)據(jù)中心機(jī)房電能利用率和機(jī)房能效管理的方法，建立能效評(píng)估指標(biāo)體系、能效評(píng)估模型，有針對(duì)性地反映數(shù)據(jù)中心的能效水平，并對(duì)機(jī)房進(jìn)行能效評(píng)估和綠色數(shù)據(jù)中心節(jié)能降耗的優(yōu)化方案。

（一）智能監(jiān)控的設(shè)計(jì)方案

計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制和通訊技術(shù)在智能監(jiān)控領(lǐng)域內(nèi)得到充分的應(yīng)用。在一些特殊的情況如需要控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備等來(lái)完成控制與檢測(cè)的任務(wù)也都應(yīng)用到以上三技術(shù)，同時(shí)也離不開(kāi)工作人員的協(xié)同操作。系統(tǒng)的輔助決策作用與工作人員的主觀判斷才能使系統(tǒng)功能發(fā)揮完整。一般情況下，幾點(diǎn)原則在監(jiān)控管理的設(shè)計(jì)中不可或缺：傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)該部署的位置處于最底層，功能是用來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控控制環(huán)境。再以此傳感器為基礎(chǔ)進(jìn)而向上分別設(shè)計(jì)為傳輸網(wǎng)站、基站、并最后建立與internet的連接。這個(gè)基礎(chǔ)的傳感器可以自發(fā)完成形成網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)。并傳送數(shù)據(jù)至網(wǎng)關(guān)，基站負(fù)責(zé)接收由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)送來(lái)的屬于傳感器傳來(lái)的數(shù)據(jù)。通訊過(guò)程則在傳輸網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行，他的職責(zé)是整合各傳感器的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)也是一種綜合網(wǎng)關(guān)信息的局域性網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行數(shù)據(jù)匯聚后，和一臺(tái)可以連入Internet的計(jì)算機(jī)就可以構(gòu)成基站，主要作用為監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)和對(duì)數(shù)據(jù)收發(fā)情況的監(jiān)控和管理，他的作用類似于內(nèi)存和cpu，即對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理。一個(gè)基站或簡(jiǎn)化后為一臺(tái)可聯(lián)入Internet的計(jì)算機(jī)都可以作為數(shù)據(jù)的服務(wù)器，在連接到Internet后的終端都有權(quán)限對(duì)該服務(wù)器或基站進(jìn)行命令的發(fā)送。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5-1所示。

圖5-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)融合機(jī)房供配電、空調(diào)、消防、安保、視頻監(jiān)控、門(mén)禁等系統(tǒng)管理，實(shí)現(xiàn)互通互聯(lián)，數(shù)據(jù)交換和信息共享。管理人員可以隨時(shí)隨地與機(jī)房設(shè)備進(jìn)行信息交互，監(jiān)控和管理整個(gè)機(jī)房環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了多機(jī)房集中監(jiān)控、分布管理的模式，提升了機(jī)房智能化管理水平。

整個(gè)系統(tǒng)由三部分組成：

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備采集層：由各種I/O采控模塊組成，直接連接各種被監(jiān)控設(shè)備，采集UPS、空調(diào)、溫濕度、漏水等的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控服務(wù)器：實(shí)時(shí)分析、處理、存儲(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備采集層的各種信息，并輸出到集中管理服務(wù)器。

集中管理服務(wù)器：對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控服務(wù)器進(jìn)行統(tǒng)一管理，接收并顯示現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器上傳來(lái)的各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，產(chǎn)生報(bào)表，并針對(duì)各類報(bào)警事件發(fā)送報(bào)警信息。同時(shí)，集中管理服務(wù)器還可以發(fā)送控制命令給前端設(shè)備，給各WEB瀏覽終端提供訪問(wèn)服務(wù)。本系統(tǒng)使用了雙機(jī)熱備的技術(shù)，即對(duì)集中管理服務(wù)器采用一主一備的方式，保證系統(tǒng)的絕對(duì)穩(wěn)定性。

（二）智能監(jiān)控的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的控制方式可以使用集散控制，該系統(tǒng)可以進(jìn)行樓宇的監(jiān)視、操作和管理、在充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)的前提下，達(dá)到分散控制其學(xué)校資源的功能。同時(shí)該系統(tǒng)的管理部分又不可缺少集中管理，于是可以細(xì)化為集中管理、分散控制和通訊三方面。分散控制中需要將控制單元進(jìn)行分散化，傳感器單元需按地理位置等因素進(jìn)行布放從而實(shí)施對(duì)該現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在分散后的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和對(duì)各方面進(jìn)行統(tǒng)一控制時(shí)，集中管理部分來(lái)進(jìn)行負(fù)責(zé)。同時(shí)還集中監(jiān)視各分散信息，對(duì)系統(tǒng)的組態(tài)和需要維護(hù)的信息進(jìn)行處理并優(yōu)化控制。各單元進(jìn)行聯(lián)系、通訊，各部分進(jìn)行通信時(shí)需要依靠通訊部分的技術(shù)支持，并在通訊時(shí)完成數(shù)據(jù)、指令等核心數(shù)據(jù)的傳遞。

中小系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)大都為兩層系統(tǒng)。可以分為現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)和監(jiān)控級(jí)。本文的三級(jí)結(jié)構(gòu)意在加強(qiáng)系統(tǒng)的統(tǒng)一管理和信息的分析能力。多出的一級(jí)結(jié)構(gòu)為管理層，其控制系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖如圖5-2所示。

圖5-2 集散控制結(jié)構(gòu)圖

現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)：現(xiàn)場(chǎng)上所有的檢測(cè)設(shè)備連接后形成現(xiàn)場(chǎng)控制，各個(gè)監(jiān)控設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)控制下屬于單機(jī)監(jiān)控，其監(jiān)控組成是現(xiàn)場(chǎng)傳感器，在體系結(jié)構(gòu)中的名字是“分機(jī)”。監(jiān)控級(jí)：系統(tǒng)各部分功能單元屬于監(jiān)控級(jí)的控制范疇，所有的系統(tǒng)信息在監(jiān)視級(jí)進(jìn)行管理。包括運(yùn)行參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)等。被監(jiān)控對(duì)象的信息應(yīng)該記錄成表格形式，從而方便對(duì)突發(fā)事件的報(bào)警、故障分析顯示等進(jìn)行掌控。管理級(jí)：本文較其他管理系統(tǒng)不同的第三級(jí)管理級(jí)所處位置為系統(tǒng)頂部，作用是對(duì)各子系統(tǒng)的聯(lián)系和信息傳遞進(jìn)行協(xié)調(diào)工作。

六、結(jié)論

基于IT計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)中心的智能化監(jiān)控系統(tǒng)創(chuàng)新性的綜合應(yīng)用了智能監(jiān)控、移動(dòng)互聯(lián)、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)，確保了新型的IT計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)中心機(jī)房可以增加運(yùn)營(yíng)效率，實(shí)現(xiàn)最佳數(shù)據(jù)管理的模式，同時(shí)，也可以幫助企業(yè)節(jié)能減排，利用大數(shù)據(jù)的分析功能，給出最佳監(jiān)控方案，降低日常巡檢對(duì)設(shè)備的消耗；在數(shù)據(jù)安全的維護(hù)方面，可實(shí)時(shí)采集、智能分析不同類別的監(jiān)管信息，有針對(duì)性的對(duì)突發(fā)事件進(jìn)行報(bào)警處理，給出現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題的輔助決策的處理方案。同時(shí)用戶可以通過(guò)客戶端或登錄網(wǎng)頁(yè)來(lái)查看現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀況，并且對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制，還可以在用戶界面中導(dǎo)出能耗分析的圖表，為智能監(jiān)控的節(jié)能控制提供參考依據(jù)。整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)潔易操作且極具性價(jià)比，在發(fā)展前景方面其不乏廣闊性。

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