數據中心生產環境的智能化系統工程建設

文｜同濟大學建筑設計研究院 蔣躍智

同濟大學高等技術學院 沈 曄

數據中心智能化系統工程的建設，是為計算機設備及工作人員創造一個良好的生產環境，提供包括能源、環境、安全、監控、指揮、防災和自動化等方面的技術支持，形成一個可靠、安全、可持續發展的空間環境。

1 建筑功能

大型數據中心分為動力區、生產區和辦公區。動力區設高壓配電房、發電機房及水池、水泵房、變壓器房及低壓配電房。生產區主要包含專用機房或托管機房區、設備維護調試區、終端操作區、網絡設備區、通信設備區、網絡運營管理區（如機房監控、管理、維護、運營等）、緊急事件管理區、機房配套設備區、輔助管理功能區（如接待、值班、保安等）。其中的中心機房用于核心生產業務，設有主機區、機房配套設備區和CA中心、存儲設備區、外設區、通信設備區和總控中心等。辦公區設有多功能廳、貴賓接待廳、相應的配套及服務設施以及各類辦公室。

為數據中心服務的建筑設備主要有：

（1）電氣：變電站、機房UPS供配電系統、應急柴油發電機供電系統。

（2）空調：冷熱源、機房精密空調、UPS電池室的通風系統、辦公區域的空調系統和機房新風系統等。

（3）給排水：消防水泵、給水泵及排水泵等系統。

2 智能化系統

智能化系統對數據中心內各種機電設備運行情況進行監視、控制及管理以延長設備的使用壽命，節約運行能耗，從而減少整個建筑生命周期內的費用支出。

2.1 BA系統

系統監控內容有供配電系統、專用空調系統、給排水系統、電梯和照明系統、應急發電系統、UPS供電系統。系統對熱泵機組、空調水泵、壓差旁通閥等設備進行監控，并根據設備的特點及工藝要求進行監控；按照工作區域不同的工藝要求控制空調機組及新風機組；對送風機、排風機等設備監控；對給水泵及排水泵監控，水位監視；通過網關及變送器采集高低壓配電系統、UPS系統與柴油發電機的各種重要參數；對公共照明及泛光照明等進行監控；通過DDC采集電梯的各種重要參數。

（1）變配電系統（EMS）：對于高壓配電、低壓配電、柴油發電機、UPS系統通過采用通信網關的方式采集其有關參數，考慮到系統的安全性，BAS系統不對變配電設備進行控制，只進行監視。中央站顯示、記錄與打印各種參數、狀態、報警、累計時間和其歷史數據。

（2）冷熱源站控制系統：空調冷熱源系統分成兩部分，一部分是辦公區的空調冷熱源，另一部分是生產區/動力區的空調冷熱源。

根據供水管的流量及集水器、分水器的溫差計算負荷，對熱泵機組進行群控。機組啟動后通過彩色圖形顯示，顯示不同的狀態和報警，顯示每個參數的值，通過鼠標任意修改設定值，以達到最佳的工況；機組的每一狀態點都有列表匯報、趨勢顯示圖、報警顯示；設備發生故障時，自動切換；程序控制冷凍水系統可達到最低的能耗與設備折舊；根據數據中心的工作日程安排自動開關熱泵機組；累計每臺機組運行時間自動切換，均衡每臺機組運行時間，以延長機組使用壽命。

（3）照明控制：按時間程序控制公共區域照明，對照明回路運行狀態進行監測。

2.2 火災報警系統

系統設計分為自動、電氣手動、機械手動三種啟動方式。

自動狀態下，防護區發生火警時，火災報警控制器接到防護區兩路獨立火災報警信號后立即發出聯動信號（關閉通風空調等）。經30秒延時，自動啟動滅火系統。HFC-227ea經管道施放到防護區，控制器面板噴放指示燈亮，同時，報警控制器接收壓力訊號器反饋信號。防護區門燈顯亮，避免人員誤入。

電氣手動狀態下防護區經常有人工作，通過防護門外的手/自動轉換開關，使系統從自動狀態轉換到手動狀態，當防護區發生火警時，報警控制器只發出報警信號，不輸出動作信號。由值班人員確認火警按下控制器面板或防護區門外緊急按鈕，啟動系統，噴放滅火劑。

機械手動狀態下，當自動/手動緊急啟動都失靈時，可進入儲瓶間內實現機械應急操作啟動。拔出對應防護區啟動瓶上的手動保險銷，拍擊手動按鈕，完成啟動噴放工作。氣體滅火系統在兩個鋼瓶間設有銅管連接，在主鋼瓶間機械手動操作時，一鍵可釋放所有的滅火氣體。

2.3 安全防范系統

（1）電視監控系統：采用控制矩陣和硬盤錄像機作為核心。前端設置57臺彩色固定攝像機、10臺一體化球型攝像機和6臺室外一體化球型攝像機，以保證監視無盲區。系統采用7臺16路硬盤錄像機錄下前端圖像信號，使用17〃顯示器進行多畫面監視，以達到重要信號不丟失的目的。發生警情時即進行實時錄像。

機房區域閉路電視監控系統對機房內的人員情況及機器運行狀態等進行監控，同時為機器維護指導提供輔助手段。系統設有監控中心，為方便領導、總控中心等處對機房區域情況的了解，可設置多個分控中心，通過軟件授權進行權限的設置。

監控系統通過主控/分控操作鍵盤控制矩陣切換器，實現遙控操作，對攝像機進行組合切換，將任意一組攝像機切換到指定的監視器上。矩陣控制器還與門禁系統聯動控制。

系統同時提供四路視頻信號給大屏幕顯示器，能將任意一組攝像機的信號通過顯示系統的分割，在大屏幕顯示器上（2個單元）顯示或切換。在總控室設置了10臺14〃監視器（其中1臺主監視器可作為報警顯示）和3臺17〃PC顯示器組成操作臺和電視屏墻。

（2）防盜報警系統：前端設置了44個吸頂式雙鑒探測器和20個報警按鈕，報警控制主機可對所有探頭進行設防、撤防或旁路。設防時當系統發生報警，控制主機將會發出聲光報警信號，提醒安保人員。同時在主機房設置報警按鈕1個，警情一旦被確認，立即報至110報警中心。動力區的主控中心采用閉路電視監控與防盜報警相結合的方式。在監控中心（樓宇自動化控制中心）設控制臺，承擔整個中心的控制，并用以監視相關防區的圖像，接收報警信息。

（3）巡更管理系統：系統采用在線方式，專設IC卡巡更點，部分門禁讀卡器點由于與巡更點的位置接近，同時兼作巡更點。

2.4 通信網絡系統

（1）OA網：OA網絡系統采用兩臺核心交換機，分管理區的接入交換機通過不同的鏈路與兩臺核心交換機連接，以保證網絡系統的高可靠性。為滿足視頻應用的需求，充分考慮OA網絡的帶寬和交換能力，系統支持VLAN的劃分及三層交換。為了更好地利用網絡資源，實現數據中心內部用戶之間、管理中心之間、備份中心之間、其他城市分支機構之間以及和外部之間的語音通信，節省長途電話費，統一內部的撥號規則，實現語音信箱、無線漫游、IP視頻會議等增值功能，建立融合于數據網絡的IP語音系統。在此基礎上構建和擴展無線通信、視頻會議，實現多網合一、管理統一，充分發揮網絡的效益，提高生產效率、提升服務的質量。

OA網使用兩臺Cisco的Catalyst4503交換機作為核心層的主交換設備，在正常工作的情況下互為備份，并行處理進而分擔網絡流量；而在有一臺機器失效的情況下，另一臺機器能接管其所有工作，兩臺Catalyst 4503之間使用兩條千兆位的SX多模光纖鏈路進行連接，在連接中使用Cisco的EtherChannel技術把光纖鏈路捆綁成為一條光纖鏈路，在一個邏輯鏈路中最多可以合并4個千兆以太網鏈路，設備間的吞吐量可達8Gbps。

IP電話通信采用Cisco的CallManager解決方案。基于Cisco AVVID（集成語音、視頻和集成的數據體系結構）體系架構上的IP語音系統具有標準開放的體協結構、地理位置無關性、快速應用部署、低成本等優點。在安裝和配置好Call Manager之后，將預先配置好的IP電話機插至網絡端口，IP電話可以自動尋找Call Manager注冊并獲得號碼。Cisco Works 2000 Voice Manager管理功能，能方便地統一監測管理。Cisco IP電話7940G有兩個以太網接口：一個與以太網交換機相連，另一個與桌面PC相接。系統結構如圖1所示。

圖1 網絡系統拓撲圖

（2）固定電話：采用數字程控交換機。

（3）無線對講系統：為實現控制中心對保安人員的應急調度和保安人員之間的通信聯系，設置無線對講主機一套，在樓頂安裝全向天線、在一層安裝吸盤天線，以實現移動對講通信。

（4）數據中心的布線系統符合以下要求：

◆ 為數據及高清晰圖像等多媒體信息提供高帶寬的傳輸，滿足千兆以太網的需求；

◆ 通過改變接點的連接位置可以方便地更改網絡結構（星型、總線、環型）；

◆ 采用6類/光纜混合型，符合ISO11801、EN50173和 EIA/TIA568A-5的技術要求，并通過EIA/TIA、UL、CSA、ITU-T等標準認證；

◆ 采用標準模塊化的接插件，基于開放功能的系統，能很容易地在配線上進行話音、數據、多媒體等應用的互換和重新組合以及擴充，適應未來的性能升級；

◆ 安裝、檢測和維護簡便，產品拆卸、更換方便，具有很強的靈活性。工作區的信息插座可隨意定義為話音、數據或多媒體接口。

（5）有線電視與衛星電視系統：衛星接收的電視節目和市有線電視網傳輸的CATV節目分為兩套系統傳輸。在終端位置設置雙口面板的2個射頻端口分別用于接收衛星電視和有線電視信號。衛星通信機房申請專線接收路透社、美聯社的財經信息。

（6）背景音響與緊急廣播系統：數據中心背景音響/緊急廣播系統涉及各功能樓層、設備房、走廊和庭院等，實現機房無人操作的消防疏散自動播音以及公共廣播的功能，公共廣播系統用于服務性和事務性廣播，緊急廣播系統用于火災或其他災害時的報警，當發生事故時利用廣播疏導人員。緊急廣播不受音量調節器的影響，以全音量進行廣播，消防應急廣播為第一優先。按防火分區將生產區、辦公區與動力區共分為10個區域。

2.5 信息應用系統

（1）多媒體信息查詢系統：用于介紹數據中心各機構職能、園區功能分布、大樓各樓層功能分布等，同時提供公告、辦事指南、各類時事信息和便民服務信息等。查詢方式采用觸摸屏，可查詢圖像、文字、聲音、視頻等多媒體信息，能根據查詢的文字信息查詢到相應的空間位置，并以圖、文、聲像等展現，能根據圖形上的位置查詢到相應文字和聲像介紹，如圖2所示。

（2）電子公告系統：上位控制計算機對顯示內容、顯示方式進行全面控制，其控制軟件提供界面實現對運行狀態的監視。系統中的計算機設備組成局域網，實現內部資源共享。標準網絡接口提供了與OA網連網能力。網絡軟件提供網絡信息發布，實現網絡管理，并支持Internet網和有線電視網等功能。

圖2 多媒體信息引導系統

（3）一卡通系統：數據中心是國家機密和要害部門，安全防范要求較高。智能卡系統不僅是數據中心安全保衛系統中的重要部分，也是現代化辦公環境及現代化管理不可或缺的技術手段。一卡通系統將門禁管理、考勤管理、消費管理和巡更管理、資料管理、停車場管理等統一納入綜合管理系統， 實現“一卡多用”，實現數據查詢、匯集、積累，運行狀態的監視，報警顯示等功能。

門禁、考勤、巡更前端選用非接觸讀卡機，可兼用做考勤和巡更，組成聯網型非接觸卡的門禁、考勤、巡更系統。門禁控制由感應卡、讀卡器、門禁控制器、電控鎖、通信轉換器、上位PC機、門禁管理軟件等組成。現場門控制器分布在各樓層弱電間，通過通信轉換器與管理工作站相連。控制器間采用屏蔽5類線鏈接，使用RS485通信方式通信，回路末端的現場控制器與網絡控制器的距離不超過1500m。鏈接型的連接方式便于布線，現場控制器與工作站共用一組接地端子板。防火門采用磁力鎖，單開木門采用陰極電鎖扣；雙木門和玻璃門采用電插銷鎖。讀卡器、出門按鈕、電控鎖和門磁開關組件與現場控制器之間的距離不超過60m。

在辦公區前臺設置考勤用讀卡機，讀卡數據經過考勤管理軟件處理，形成考勤明細表、考勤匯總表等供查詢打印。

在線巡更控制系統采用集中控制的方式。在動力區、辦公區和生產區選取巡更點，部分門禁讀卡器點與巡更點位置接近，無需重復設置。監控主機通過巡更軟件可對系統進行各種參數設置、實時監控和數據處理等，并可打印巡更情況，如巡更次序、巡更點位編號、巡更日期、巡更員卡和姓名、巡更是否遺漏等。

持卡人身份管理包括卡的制作和發卡的管理，一卡通管理系統可以按日、月、年統計每張卡的使用情況，供管理者結算和使用。發出卡片的卡號具有唯一性，持卡人的活動范圍由出入口管理系統授權。系統采用分級密碼管理機制，設有操作員級密碼、管理員級密碼、系統工程師級密碼。操作員級只能瀏覽實時監控數據，執行服務操作；管理員級還可以進行卡片管理、查詢管理；系統工程師級除具有以上權限外，還可以對整個系統的前兩級密碼進行修改和系統硬盤參數的設置。

（4）電子會議系統：是采用電子化、數字化和網絡化的會議設施，通過多元和多媒體的展示手段，將各類數據和圖像以聲圖并茂的視聽效果傳遞給會議出席者。

①總控中心會議室：實現多媒體投影顯示、會議擴聲、攝像聯動、視頻會議、同聲翻譯、信號集中中央控制處理等功能。顯示系統根據室內的環境布置及顯示效果，采用大屏幕正投影方式。投影所顯示的內容來源于計算機網絡、錄像機、影碟機、衛星/有線電視等。

會議室攝像系統可實現會議實況錄像、遠程會議視頻信號傳輸以及現場投影顯示的功能，攝像系統的高清晰度變焦鏡頭能360o旋轉，以多角度拍攝會場全景與發言人。

智能中央集中控制系統，通過彩色無線液晶觸摸屏界面，對會議室的視音頻播放設備、投影機、投影幕、各種輸入信號源等做統一集中控制。

會議系統配備主席機1臺，代表機多臺，同聲翻譯機3臺，無線紅外接收器12套。紅外無線方式的同聲傳譯系統提供旁聽用的接收機和耳機，接收器具有7個獨立通道供選擇需要收聽的語種，并可調節音量。采用2塊紅外發射板以確保會場內無接收死角。

②辦公區會議室：顯示系統的投影機采用帶微型透鏡的液晶板以提高透光率，并輔以150W的UHP冷光源燈泡，通過P/S光的偏振系統提高光線的利用率，可得到2200ANSI流明的亮度，分辨率為1024×768。

（5）集成信息管理系統（IBMS）：集成信息管理系統IBMS以Windows2000 Server為系統軟件平臺，通用數據庫管理系統為核心，各工作站通過各種標準接口進行數據交換，實現信息交換和共享。正常情況下，系統中流通的主要是綜合監視信息、協調運行和優化控制信息、統計管理信息等；發生緊急或報警事件時，則為報警和聯動信息。綜合監控工作站運行監控組態軟件，提供豐富的圖形、動畫功能，利用組態配置工具生成豐富的監控界面。

在建筑設備管理事務中，IBMS執行上層應用下達的管理控制指令，實現完善的報警和事件管理；綜合各個控制系統的狀態信息，提供相關報告；記錄歷史數據，為信息管理系統提供基礎數據；匯集與積累機電設備運行和檢測數據，進行運行狀態監視與控制；實施樓宇自控系統與消防報警系統的聯動、消防報警系統與門禁管理系統的聯動。

在安全防范事務中，IBMS與安全防范系統實現控制和報警的雙向通信，在IBMS服務器上配置視頻捕獲卡，可顯示所選擇的視頻監視畫面。并按一定時間間隔掃描安全防范系統的設備狀態與控制臺狀態等數據，在集成管理工作站上顯示運行狀態信息。IBMS可通過控制矩陣，切換視頻畫面、調整聚焦、轉動云臺等。當獲得非法侵入、異常讀卡等信息時，立即在工作站上報警。FAS發出火警信號時，對應區域攝像機信號自動切換到控制室的IBMS監視器上，以驗證火情。

3 機房工程

（1）數據中心機房功能：數據中心機房是計算機主機設備、服務器、網絡設備、主控設備、主要附屬設備（磁盤機、磁帶機、軟盤輸入機、高速打印機、通信控制器、監視器等）的安置場地，也是生產的核心區域，主要由主機房、服務器機房、網絡通信機房及其他專用設備機房等組成。其功能劃分如表1所示。

（2）UPS供配電系統：數據中心對供電的可靠性要求極高，因此必須由兩個獨立的電源進行供電，一路工作，一路熱備。工作電源發生異常時，自動轉換開關ATS可快速地將故障電源切斷，投入熱備電源。不停電電源UPS設備并聯使用，每組承擔50%以下負荷；一旦部分UPS設備發生故障，可平滑地由無故障的UPS設備承擔全部負荷。

表1 機房區域功能表

（3）防雷與接地：防雷包括建筑物防雷和電器設備安全防護，亦可視為外部防雷和內部防雷。機房防雷工程設計重視全方位防護，綜合治理，層層設防。為了提高機房設備及網絡系統的運行可靠性與安全性，為機房工作人員提供安全的工作環境，在架設良好的避雷針/避雷帶，采取完善的直擊雷防護措施的同時，數據中心對建筑物的電源系統（所有的供電設備、用電設備、備用發電設備）、反饋系統、信號采集傳輸系統、程控交換系統、計算機網絡系統等設備采取了可靠有效的防護，在攔截、分流、均衡、屏蔽、接地、布線等方面進行完整的，多層次的防護。

根據《電子信息機房設計規范》（GB 50174-2008）、《民用建筑電氣設計規范》（JGJ16-2008）等相關標準與規范采用聯合接地。

（4）空調系統：數據中心機房開機時電子計算機機房內的溫、濕度要求見表2。停機時電子計算機機房內的溫、濕度要求，如表3所示。

表2 開機時電子計算機機房內的溫、濕度要求

表3 停機時電子計算機機房內的溫、濕度要求

重要機房的空調系統采用N+1備份方式和冷量冗余方式備份，各臺空調之間通過監控網絡控制模式實現主備切換。考慮備份情況，如表4所示。

表4 空調系統備份情況

根據數據中心機房常年發熱量高的情況，采用風冷獨立式空調機型。由于機房設備自帶頂出風散熱風扇，選取下送風上回風機型。為了進一步確保機房安全和可靠性，采用雙壓縮機回路機型。當其中一臺壓縮機出現故障時，另一臺壓縮機自動啟動。此外，當一臺壓縮機制冷量不足以滿足要求時，另一臺也將啟動補充制冷量。機房將由BA系統監控，空調系統配置了與BA兼容的接口，提供開放式通信協議。

（5）裝修：機房區域和總控中心鋪設防靜電活動地板， 鋪設高度500mm。地板下均作網格接地處理。為保證地面的潔凈度，地坪做平整清潔處理后，刷防靜電環氧樹脂地坪漆。為防止機房樓板產生結露，采用空調的機房區域樓板底面用保溫棉進行保溫。考慮到吸音與美觀，在總控中心防靜電活動地板上再鋪設防靜電塊毯。

機房區域圍護墻內墻面采用防靜電彩鋼板做飾面材料，板后作網格接地處理，以達到抗干擾和防靜電的效果。內部采用鋼化銫鉀防火玻璃隔斷，視野透明，便于監察計算機設備的運行情況。總控中心區域的墻面，采用定制鋁板與玻璃材料相結合，并輔以燈光配合。作戰室的觀察玻璃隔斷采用單向透光玻璃——鍍膜玻璃隔斷，從總控中心不能看到作戰室內的情況，而從作戰室可以觀察到總控中心內的情況。

天花吊頂主要采用進口鋁合金微孔條板和方板吊頂，并加有吸音棉，具有吸音和防靜電的效果。為防止水源進入機房而造成線路短路，在機房與外部區域交接處的輕鋼龍骨隔斷下方做防水墩，并刷水密封防水涂料，其固化后形成一整體無縫護膜，能防止地下無壓水（滲流水、毛細水等）及一般有壓水、靜壓水的侵入。

4 智能化系統在數據中心的價值

數據中心業務設備的投資是巨大的，而其中業務數據的價值更是無法估量。因此，對數據中心而言，保障設備安全運行、保護數據安全、提升服務質量與工作效率，是十分重要的。

從文中介紹的安全防范系統、機房、會議系統及一卡通系統等的工程情況可見，在每個系統的實施過程中，每個細節都被精細地考慮，各個系統的專業功能都通過信息共享的方式進行集成，最后以總體智能化的形式來保障數據中心的正常安全運行，為數據中心各崗位的工作人員提供人性化的服務。可以說，如果沒有智能化系統，任何行業的數據中心都是不可能投入運行的。