沈巍，丁聰

（上海郵電設(shè)計咨詢研究院有限公司，上海 200092）

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基于光纖測溫技術(shù)的數(shù)據(jù)中心監(jiān)控系統(tǒng)研究

沈巍，丁聰

（上海郵電設(shè)計咨詢研究院有限公司，上海 200092）

摘 要基于光纖測溫的數(shù)據(jù)中心監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崟r感知數(shù)據(jù)中心中每個機(jī)柜的溫度場，實現(xiàn)全面精確的機(jī)房環(huán)境感知，為實現(xiàn)精確送風(fēng)，按需制冷打下基礎(chǔ)，達(dá)到節(jié)能減排的效果。

關(guān)鍵詞數(shù)據(jù)中心；光纖測溫；節(jié)能減排

數(shù)據(jù)中心作為當(dāng)前大數(shù)據(jù)、云計算和移動互聯(lián)網(wǎng)各類應(yīng)用的基石，近年來獲得了迅猛的發(fā)展。隨著數(shù)據(jù)中心建設(shè)規(guī)模越來越大，消耗的電能、空調(diào)冷量也越來越多，如何提高機(jī)房內(nèi)環(huán)境的安全，并且達(dá)到節(jié)能減排的要求，已經(jīng)成為一個重要的課題。

一方面，數(shù)據(jù)中心機(jī)房環(huán)境中的高溫、低溫或溫度快速波動都會影響IT設(shè)備的電子和物理特性，造成運行故障。在保障系統(tǒng)設(shè)備和客戶信息數(shù)據(jù)安全的前提下，如何提高IDC機(jī)房的管理水平、實時監(jiān)測機(jī)房內(nèi)的環(huán)境溫度、反饋調(diào)節(jié)并消除機(jī)房局部溫度過高或過低等問題，是許多數(shù)據(jù)中心機(jī)房管理面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

另一方面，數(shù)據(jù)中心機(jī)房節(jié)能減排的核心理念是能效消耗盡可能與需求相符，必須采用“測量-診斷-管理-優(yōu)化-評估”的循環(huán)方法來達(dá)到理想的節(jié)能效果。機(jī)房實際運行數(shù)據(jù)的采集在節(jié)能優(yōu)化循環(huán)中既是起點“測量”，也是終點“評估”。因此，搭建能夠?qū)崟r、動態(tài)、精確、全面的監(jiān)測數(shù)據(jù)中心環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)對于IDC的節(jié)能減排來說具有重要意義。

1　傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心溫度監(jiān)控方案與缺陷

現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心機(jī)房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)溫度采集普遍采用電信號傳感器，包括傳統(tǒng)的熱電阻傳感器、熱電偶傳感器、特殊的半導(dǎo)體傳感器等，雖然這類技術(shù)具有測溫精度高、反應(yīng)快的特點，但存在單點測量范圍小、布線復(fù)雜、易損壞、維護(hù)工作量大等局限性。往往一個通道內(nèi)只設(shè)1～2個溫度采集點，采集點數(shù)量太少，無法檢測到各個IDC機(jī)柜的進(jìn)出風(fēng)溫度，較難檢測到IDC機(jī)房內(nèi)的局部熱點或局部過冷點，更無力為IDC機(jī)房的節(jié)能優(yōu)化提供有意義的數(shù)據(jù)，為空調(diào)精確送風(fēng)提供參考。

2　光纖測溫技術(shù)

分布式光纖測溫系統(tǒng)是一種使用單根光纖實現(xiàn)溫度監(jiān)測、信號傳輸，綜合利用光纖拉曼散射效應(yīng)和光時域反射測量技術(shù)來實時測量光纖沿線空間溫度分布情況的傳感系統(tǒng)。其中光纖拉曼散射效應(yīng)用于實現(xiàn)溫度測量，光時域反射測量技術(shù)用于獲知溫度測量點在光纖沿線上的位置。

光纖測溫系統(tǒng)目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用在石油、化工、電力等行業(yè)，如油氣井下、大型儲油罐、高壓輸電線、化工廠的反應(yīng)器等的溫度分布探測、熱力管道泄漏監(jiān)測報警、油氣罐火宅報警等，效果非常理想。但其在數(shù)據(jù)中心中的使用尚處于試驗探索階段。

光纖測溫由于其技術(shù)原理與特性，使其具備以下優(yōu)點。

（1）無源實時監(jiān)測、體積小、重量輕、安裝布放方便。

（2）空間分辨率高、測量點多、靈敏度高。

（3）使用壽命長，便于維護(hù)。

3　基于光纖測溫的數(shù)據(jù)中心監(jiān)控系統(tǒng)

利用光纖測溫技術(shù)的優(yōu)點，可以構(gòu)建一套全新的、精確到單機(jī)柜進(jìn)出風(fēng)溫度的數(shù)據(jù)中心機(jī)房溫度監(jiān)控系統(tǒng)。

3.1 光纖測溫機(jī)房監(jiān)控系統(tǒng)組成

如圖1所示，基于光纖測溫的數(shù)據(jù)中心監(jiān)控系統(tǒng)主要由測溫光纖、測溫主機(jī)、監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器、存儲、操作終端及相關(guān)軟件組成。

（1）測溫光纖：傳感光纖建議采用符合IEC60332-3C標(biāo)準(zhǔn)的多模50/125μm光纖。護(hù)套采用低煙無鹵，阻燃型熱塑材料。傳感光纖具有優(yōu)良的熱傳導(dǎo)特性、機(jī)械性能、防水性能和抗腐蝕特性。

（2）測溫主機(jī)：建議要求測溫主機(jī)的溫度測量精度不大于±0.5℃；空間分辨率不大于0.5 m；采樣間隔不大于0.25 m。

（3）監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器與相關(guān)軟件：與常規(guī)機(jī)房監(jiān)控系統(tǒng)相比，采用光纖測溫以后，所采集的機(jī)房溫度信息點大幅增加，所需計算、存儲的量也大幅增加，因此需注意服務(wù)器與存儲的硬件配置，使其可以滿足操作維護(hù)及時響應(yīng)和使用的需求。

監(jiān)控系統(tǒng)軟件與常規(guī)相比，可增加3D渲染、空調(diào)反饋控制等功能。

3.2 光纖測溫機(jī)房監(jiān)控系統(tǒng)安裝

以某IDC機(jī)房為例，機(jī)柜的布置根據(jù)冷熱通道分開設(shè)置的原理，采用面對面、背對背方式，機(jī)柜正面為冷通道，背面為熱通道。

光纖測溫監(jiān)控系統(tǒng)在工程現(xiàn)場的硬件安裝包括兩部分。

（1）安裝1臺測溫主機(jī)：綜合考慮IDC機(jī)房平面布置、監(jiān)控機(jī)房和監(jiān)控中心的位置、走線架敷設(shè)路由、測溫主機(jī)的用電方式等，合理選擇適當(dāng)位置掛墻安裝。

（2）敷設(shè)1根傳感光纖：把傳感光纖敷設(shè)在被測機(jī)柜上，實現(xiàn)最準(zhǔn)確和最有效的測量，保證所要求的測溫精度和空間分辨率。在實際應(yīng)用中，需要分布式測溫的場合是多種多樣的，因此傳感光纖的敷設(shè)方式也是多種多樣的。

平面布置：傳感光纖（圖2中紅色粗線）及測溫主機(jī)（圖2中綠色方框）平面安裝位置如圖2所示。光纖測溫系統(tǒng)采用雙端測量，傳感光纖兩端均接入測溫主機(jī)，實現(xiàn)溫度測量和定位功能。

剖面布置：每個單機(jī)柜前后各布置4個普通溫度采集點，依照機(jī)柜前后門的形狀構(gòu)造、開門方式和定位要求把光纖緊貼其表面并加以固定，同時應(yīng)確保良好的可維護(hù)性和美觀，并且不影響機(jī)柜內(nèi)服務(wù)器設(shè)備的拆裝及正常的維護(hù)工作。

圖1　基于光纖測溫的數(shù)據(jù)中心監(jiān)控系統(tǒng)組成

傳感光纖盤繞敷設(shè)在機(jī)柜正反面門的內(nèi)壁上，從機(jī)框底部的孔洞穿至機(jī)柜底座區(qū)域，再敷設(shè)至相鄰機(jī)柜；敷設(shè)路由示意如圖3所示（圖中紅色粗線為傳感光纖，藍(lán)色圓圈為普通溫度采集點）。

3.3 光纖測溫機(jī)房監(jiān)控系統(tǒng)功能

IDC機(jī)房監(jiān)控系統(tǒng)通過光纖測溫采集溫度信息，然后通過監(jiān)控軟件系統(tǒng)實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)處理和對空調(diào)反饋控制，主要內(nèi)容如下。

（1）溫度數(shù)據(jù)采集：在IDC機(jī)房內(nèi)按照一定的路由規(guī)則在所有機(jī)柜內(nèi)敷設(shè)一根傳感光纖，對每個機(jī)柜指定的測量點進(jìn)行實時精確的溫度信息采集。

（2）溫度數(shù)據(jù)處理：監(jiān)控系統(tǒng)平臺通過處理采集到的溫度信息，結(jié)合機(jī)房3D建模和計算流體力學(xué)（CFD，Computational Fluid Dynamics）模擬技術(shù)，生成一套實時的、連續(xù)的機(jī)柜溫度分布的3D視圖。

（3）對空調(diào)反饋控制：根據(jù)機(jī)房3D視圖及每個機(jī)柜的溫度分布情況，對空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行反饋控制和高效率的精確送風(fēng)，從而消除局部溫度過高或過低的狀況。

基于光纖測溫的監(jiān)控系統(tǒng)從動力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口提取空調(diào)數(shù)據(jù)，并通過接口協(xié)議根據(jù)一定的運行邏輯動態(tài)控制機(jī)房空調(diào)的運行狀態(tài)，從而實現(xiàn)反饋控制的目的，運行邏輯如下。

（1）機(jī)架頂部回風(fēng)溫度大于25℃，并持續(xù)一段時間后，控制軟件自動降低相應(yīng)區(qū)域?qū)Ｓ每照{(diào)設(shè)定溫度，并提高EC風(fēng)機(jī)的風(fēng)速。

（2）機(jī)架頂部回風(fēng)溫度小于23℃，并持續(xù)一段時間后，控制軟件自動調(diào)高相應(yīng)區(qū)域?qū)Ｓ每照{(diào)設(shè)定溫度，并降低EC風(fēng)機(jī)的風(fēng)速。

圖2　某IDC機(jī)房測溫光纖及測溫主機(jī)平面布置圖

圖3　某IDC機(jī)房機(jī)柜測溫光纖路由圖

（3）空調(diào)機(jī)組開啟臺數(shù)控制策略，根據(jù)現(xiàn)有機(jī)房空調(diào)總制冷量與機(jī)房內(nèi)實際發(fā)熱設(shè)備的匹配程度、現(xiàn)場情況及目標(biāo)PUE值設(shè)定。

此外參照監(jiān)控平臺3D視圖的溫度場分布，針對機(jī)房平面圖內(nèi)一些熱負(fù)荷較大的局部熱點區(qū)域，亦可通過人工選擇加裝盲板、調(diào)整送風(fēng)地板活頁角度等措施，幫助熱交換，提高空調(diào)制冷效率。

3.4 光纖測溫機(jī)房監(jiān)控系統(tǒng)實際效果

在數(shù)據(jù)中心部署基于光纖測溫技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)以后，能夠?qū)C(jī)房每個機(jī)柜上側(cè)、下側(cè)的進(jìn)出風(fēng)度都進(jìn)行溫度測量，得到一幅關(guān)于機(jī)房溫度場的完整的畫面，局部過熱點或過冷點一覽無遺。如圖4所示。

同時，也能得到每個測溫點各個時刻的溫度變化情況，實際運行的機(jī)柜進(jìn)出風(fēng)時刻都在起伏變化，也就說明，如果能夠感知這些起伏變化，來按需制冷，是能夠有效地優(yōu)化機(jī)房的PUE的。

將溫度信息作為輸入條件，根據(jù)事先制定的策略，對機(jī)房專用空調(diào)的EC風(fēng)機(jī)進(jìn)行反饋控制，可以實現(xiàn)提高安全性與節(jié)能性的效果。經(jīng)現(xiàn)場測試，光纖測溫監(jiān)控系統(tǒng)測得某區(qū)域回風(fēng)溫度為22℃，便控制空調(diào)風(fēng)機(jī)降低轉(zhuǎn)速10%，在短短的7 min之內(nèi)，室內(nèi)就達(dá)到了新的熱平衡，回風(fēng)溫度值上升為22.9℃，仍在機(jī)房環(huán)境要求內(nèi)。

15臺專用空調(diào)機(jī)組節(jié)能量達(dá)到18 kW，節(jié)能效果明顯。

4　結(jié)論與展望

基于光纖測溫的機(jī)房溫度監(jiān)控系統(tǒng)，能夠提高機(jī)房溫度監(jiān)控的精細(xì)度，降低系統(tǒng)安裝和維護(hù)的復(fù)雜性，為評估各類節(jié)能措施的實際效果提供了數(shù)據(jù)依據(jù)，為同時提升數(shù)據(jù)中心機(jī)房安全性與節(jié)能性提供了有效的技術(shù)支撐。不過，目前該技術(shù)方案在數(shù)據(jù)中心業(yè)內(nèi)還處在初步發(fā)展的階段，面臨投資成本較高、空調(diào)反饋控制系統(tǒng)接口復(fù)雜等問題，對該技術(shù)方案的應(yīng)用環(huán)境與功能開發(fā)完善還需要進(jìn)一步的深入研究和試驗。

隨著數(shù)據(jù)中心向高密度、綠色化、智能化的趨勢發(fā)展，作為溫度監(jiān)控系統(tǒng)的一種全新的應(yīng)用模式，基于光纖測溫的數(shù)據(jù)中心監(jiān)控系統(tǒng)必將獲得業(yè)界更多的重視與發(fā)展，在高等級高重要性的數(shù)據(jù)中心中具有廣泛的應(yīng)用前景。

圖4　某機(jī)房光纖測溫效果圖

Research on data center monitoring system based on optical fiber temperature measurement

SHEN Wei, DING Cong

(Shanghai Posts & Telecommunications Designing Consulting Institute Co., Ltd., Shanghai 200092, China)

Abstract Data center monitoring system based on optical fiber temperature measurement can supervise the temperature field of each cabinet, get a full real-time computer room environment picture. It can realize precision airing and cooling on-demand for energy saving effect.

Keywords date center; optical fi ber distributed temperature measurement system; energy–saving

收稿日期：2015-02-05

文章編號1008-5599（2015）04-0081-04

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

中圖分類號TN915