張 淵，許 洪，康志勇，林武雋

（中國(guó)電信股份有限公司北京分公司，北京 100032）

0 引 言

隨著中國(guó)電信“云網(wǎng)融合”及數(shù)字化轉(zhuǎn)型步伐加快，數(shù)據(jù)中心規(guī)模不斷擴(kuò)大。數(shù)據(jù)中心要消耗大量的電能，以北京電信2021年運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)為例，電費(fèi)支出占網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)總支出已超過(guò)40%，成為當(dāng)之無(wú)愧的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)第一成本。同時(shí)隨著“2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和”目標(biāo)上升為國(guó)家戰(zhàn)略，以及《北京市數(shù)據(jù)中心統(tǒng)籌發(fā)展實(shí)施方案（2021—2023年）》的發(fā)布，北京市數(shù)據(jù)中心行業(yè)低碳、環(huán)保、集約發(fā)展已成為必然趨勢(shì)[1]。國(guó)家與行業(yè)主管、監(jiān)管部門(mén)鼓勵(lì)各運(yùn)營(yíng)企業(yè)在減少碳排放方面積極進(jìn)行技術(shù)成果創(chuàng)新與轉(zhuǎn)化。

數(shù)據(jù)中心內(nèi)IT設(shè)備耗電最終都要轉(zhuǎn)化成熱量，為了維持機(jī)房環(huán)境恒溫恒濕，制冷系統(tǒng)需要全年7×24小時(shí)不間斷工作。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，制冷空調(diào)耗電約占全網(wǎng)生產(chǎn)性耗電的30%以上，要想節(jié)省電費(fèi)和降低碳排放，減少空調(diào)耗電是關(guān)鍵。因此對(duì)數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)企業(yè)而言，不論是企業(yè)內(nèi)部降本增效，還是對(duì)外完成行業(yè)、政策監(jiān)管，降低制冷系統(tǒng)耗電成為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必然要求。

1 節(jié)能工作痛點(diǎn)

北京電信作為首都地區(qū)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心主流運(yùn)營(yíng)商，掌握著豐富的網(wǎng)絡(luò)、客戶和機(jī)房資源，并始終將履行央企社會(huì)責(zé)任，建設(shè)運(yùn)營(yíng)綠色網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施為己任。近幾年，公司在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域持續(xù)致力于通過(guò)試點(diǎn)和推廣節(jié)能先進(jìn)技術(shù)，努力實(shí)現(xiàn)節(jié)費(fèi)降碳。通過(guò)規(guī)模部署間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)、二氧化碳載冷技術(shù)、水源熱泵、微模塊機(jī)房、自然冷源、冰蓄冷等技術(shù)方案在自有大型數(shù)據(jù)中心的成功落地，用能效率明顯提高，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

同時(shí)也認(rèn)識(shí)到，當(dāng)前仍存在用能監(jiān)管愈發(fā)嚴(yán)格、機(jī)房數(shù)字化水平較低、改造資金投入壓力大、節(jié)能手段相對(duì)粗獷等方面的痛點(diǎn)：

（1）北京電信立身于首都，背負(fù)更為嚴(yán)格的經(jīng)營(yíng)業(yè)績(jī)和碳排放考核壓力，節(jié)能工作時(shí)間緊，任務(wù)重；

（2）部分機(jī)房的電表、傳感器等采集設(shè)備數(shù)量不足，部分機(jī)房缺乏能耗在線監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)分析功能，與數(shù)字化機(jī)房標(biāo)準(zhǔn)要求存在較大差距；

（3）機(jī)房提升信息化水平和節(jié)能改造資金投入壓力大，規(guī)模推廣投入預(yù)算不足；

（4）應(yīng)用的節(jié)能改造方案，多依賴工程建設(shè)和設(shè)備硬件改造，部分機(jī)房節(jié)能手段相對(duì)粗獷，精細(xì)化節(jié)能及管理能力有提升空間。

2 制冷AI節(jié)能技術(shù)

2.1 技術(shù)原理

AI技術(shù)通過(guò)對(duì)以往用戶的歷史使用數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立相關(guān)的學(xué)習(xí)模型，并且根據(jù)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)變化，來(lái)對(duì)其模型不斷進(jìn)行優(yōu)化，最后再制定出合理、科學(xué)的節(jié)能策略。對(duì)其時(shí)間以及空間上的節(jié)能配置進(jìn)行優(yōu)化，有效解決了用戶服務(wù)質(zhì)量和節(jié)能要求之間的矛盾[2,3]。

2.2 技術(shù)方案

在數(shù)據(jù)中心內(nèi)新建針對(duì)制冷系統(tǒng)的邊緣控制系統(tǒng)，采集機(jī)房和空調(diào)運(yùn)行參數(shù)，利用AI技術(shù)進(jìn)行分析，生成和下發(fā)運(yùn)行策略，通過(guò)冷凍站和末端精密空調(diào)的AI智能控制，實(shí)現(xiàn)節(jié)省空調(diào)耗電。AI節(jié)能系統(tǒng)架構(gòu)見(jiàn)圖1，主要建設(shè)內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面。

圖1 數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)AI節(jié)能系統(tǒng)架構(gòu)

（1）按照AI節(jié)能的數(shù)據(jù)采集規(guī)范進(jìn)行補(bǔ)點(diǎn)改造，補(bǔ)充電表、溫濕度傳感器、FSU等點(diǎn)位，并通過(guò)采集通道上傳到集團(tuán)大數(shù)據(jù)平臺(tái)。

（2）打通冷站群控系統(tǒng)及動(dòng)環(huán)系統(tǒng)接口，實(shí)現(xiàn)冷源測(cè)、輸配側(cè)、室外散熱側(cè)和末端換熱側(cè)幾個(gè)子系統(tǒng)的統(tǒng)一控制。

（3）對(duì)冷站和末端精密空調(diào)增加AI能效控制，實(shí)現(xiàn)冷量按需供給，降低系統(tǒng)運(yùn)行能耗。

（4）建立智慧能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，完成動(dòng)環(huán)數(shù)據(jù)采集、整理和上傳，實(shí)現(xiàn)本地動(dòng)環(huán)同集團(tuán)大數(shù)據(jù)平臺(tái)數(shù)據(jù)打通及能耗監(jiān)測(cè)，滿足政府監(jiān)管、集團(tuán)考核要求。

（5）節(jié)能指令接收及分析，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施節(jié)能策略，反饋執(zhí)行情況，評(píng)估節(jié)能結(jié)果。

3 應(yīng)用情況

中國(guó)電信自2020年起，在機(jī)房節(jié)能領(lǐng)域重點(diǎn)推進(jìn)制冷系統(tǒng)AI節(jié)能工作，對(duì)IDC機(jī)房進(jìn)行能耗分析和預(yù)測(cè)、制定和實(shí)施節(jié)能策略，實(shí)現(xiàn)機(jī)房智能化制冷管理。2020年北京電信W數(shù)據(jù)中心1間機(jī)房作為試點(diǎn)參與集團(tuán)AI創(chuàng)新“雙重”項(xiàng)目，對(duì)機(jī)房末端空調(diào)運(yùn)行策略進(jìn)行優(yōu)化，試點(diǎn)機(jī)房取得制冷系統(tǒng)節(jié)能11%的效果。2021年，北京公司通過(guò)合同能源管理的商務(wù)模式，將AI節(jié)能技術(shù)在W數(shù)據(jù)中心全樓進(jìn)行推廣，開(kāi)展更廣泛、深入的節(jié)能工作。采用合同能源管理模式，能充分利用專業(yè)公司的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和資金優(yōu)勢(shì)，降低用能單位財(cái)務(wù)、技術(shù)和運(yùn)行管理風(fēng)險(xiǎn)。

W數(shù)據(jù)中心坐落在北京市昌平區(qū)國(guó)家級(jí)科技創(chuàng)新園內(nèi)（如圖2），2013年投產(chǎn)，分地上5層地下1層，機(jī)房總建筑面積4.2萬(wàn) m2；從兩個(gè)獨(dú)立變電站引入4路市電，總供電容量超過(guò)4萬(wàn)kVA；設(shè)計(jì)安裝網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜將近5 000個(gè)。供冷采用大型離心式水冷中央空調(diào)為全樓供冷，末端采用高效冷凍水空調(diào)且具有精確控溫功能。

圖2 W數(shù)據(jù)中心外景圖

4 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

4.1 可監(jiān)可控可視

利用機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等AI算法結(jié)合IDC機(jī)房用能特點(diǎn)，構(gòu)建機(jī)房出風(fēng)溫度預(yù)測(cè)模型、機(jī)房熱平衡模型、水冷機(jī)組功耗預(yù)測(cè)模型。挖掘熱源分布與機(jī)房IT負(fù)載的關(guān)聯(lián)規(guī)律，精確計(jì)算冷負(fù)荷需求，可以給每個(gè)業(yè)務(wù)機(jī)房、電力機(jī)房的末端空調(diào)、水冷機(jī)組的調(diào)控輸出個(gè)性化節(jié)能策略，實(shí)現(xiàn)“千房千面、一房一策”定制化方案，同時(shí)滿足節(jié)能成效可視化呈現(xiàn)（見(jiàn)圖3）。

圖3 AI節(jié)能優(yōu)勢(shì)

4.2 云邊端運(yùn)營(yíng)級(jí)架構(gòu)

AI節(jié)能系統(tǒng)對(duì)標(biāo)集團(tuán)、省、地市數(shù)據(jù)中心3級(jí)運(yùn)營(yíng)體系，基于云原生技術(shù)構(gòu)建彈性系統(tǒng)架構(gòu)，形成云端集團(tuán)部署，邊緣省動(dòng)環(huán)收斂、數(shù)據(jù)中心按需拓展的分布式節(jié)能系統(tǒng)（見(jiàn)圖4）。通過(guò)云端智能決策、邊緣自動(dòng)響應(yīng)、終端實(shí)時(shí)調(diào)控的3級(jí)控制機(jī)制，實(shí)現(xiàn)機(jī)房節(jié)能的智慧化、持續(xù)化運(yùn)營(yíng)。

圖4 AI節(jié)能云邊端運(yùn)營(yíng)級(jí)架構(gòu)

4.3 算法級(jí)智能化控制

AI節(jié)能系統(tǒng)核心為AI算法引擎，通過(guò)特征建模訓(xùn)練結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)，生成典型業(yè)務(wù)AI模型，實(shí)現(xiàn)智能控制。

基于機(jī)房節(jié)能業(yè)務(wù)場(chǎng)景，中國(guó)電信自研基于AI的能耗分析模型，核心的AI智能引擎加載了2大類(lèi)10余種核心關(guān)鍵AI模型算法，能夠根據(jù)機(jī)房狀態(tài)進(jìn)行制冷設(shè)備的最優(yōu)化設(shè)置。同時(shí)提高人力效率和運(yùn)維安全，大大降低了基礎(chǔ)維護(hù)的人力需求，在保障系統(tǒng)安全可靠和高效運(yùn)行前提下，實(shí)現(xiàn)節(jié)能工作的持續(xù)化（見(jiàn)圖5）。

圖5 AI節(jié)能算法級(jí)智能化控制

5 預(yù)期效益

W數(shù)據(jù)中心37間機(jī)房將全部參與改造，從整個(gè)制冷系統(tǒng)層面進(jìn)行AI節(jié)能控制。當(dāng)前制冷系統(tǒng)年用電量約為2 500萬(wàn)kWh，按照合同約定15%的節(jié)能率估算，W數(shù)據(jù)中心年節(jié)能量有望達(dá)到375萬(wàn)kWh，預(yù)計(jì)機(jī)房PUE從1.42降至1.36以下，年減少電費(fèi)285萬(wàn)元（見(jiàn)表1）， 折合減排二氧化碳?xì)怏w超過(guò)3 730噸，, 取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。下一步，北京電信將加快推動(dòng)節(jié)能項(xiàng)目完成實(shí)施，按計(jì)劃早日實(shí)現(xiàn)節(jié)能收益，并積極探討采取進(jìn)一步技術(shù)和管理舉措，將W數(shù)據(jù)中心PUE值降至1.3以下，并力爭(zhēng)更低。

表1 W數(shù)據(jù)中心預(yù)期節(jié)能收益

6 結(jié) 語(yǔ)

本改造項(xiàng)目所使用的AI算法關(guān)鍵技術(shù)均為中國(guó)電信自主研發(fā)，具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。北京電信W數(shù)據(jù)中心也是中國(guó)電信利用自主研發(fā)的制冷AI技術(shù)在大型數(shù)據(jù)中心的首次規(guī)?；瘧?yīng)用。

當(dāng)前正值國(guó)家加快新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、促進(jìn)數(shù)字經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新發(fā)展政策利好之際，北京電信將繼續(xù)嚴(yán)格依照國(guó)家和北京市對(duì)數(shù)據(jù)中心行業(yè)發(fā)展要求，致力于利用AI、大數(shù)據(jù)、可再生能源、智能控制在內(nèi)的多種技術(shù)手段落實(shí)國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略，在自我革新的同時(shí)，助力數(shù)據(jù)中心行業(yè)的整體可持續(xù)、綠色發(fā)展。