NMIC場地環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)的實現(xiàn)與探索

段文昭 王 彬

(國家氣象信息中心計算機室，北京 100081)

0 引言

國家氣象信息中心(National Meteorological Information Center，NMIC)承擔(dān)著氣象部門國家級IT核心系統(tǒng)的運行管理工作，要求其基礎(chǔ)設(shè)施管理系統(tǒng)能夠提供高效的支持。自20世紀(jì)80年代以來，NMIC先后建立起了多個不同規(guī)模的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，在承擔(dān)不同業(yè)務(wù)任務(wù)的同時，也累積了不同的弊病。

近幾年，新一代數(shù)據(jù)中心被定義為通過采用自動化、資源整合與管理、虛擬化、安全以及能源管理等新技術(shù)，解決目前數(shù)據(jù)中心普遍存在的成本快速增加、資源管理日益復(fù)雜、信息安全、能源危機以及綠色環(huán)保等方面的問題［1］。同時，據(jù)美國采暖、制冷與空調(diào)工程師學(xué)會(American Society of Heating，Refrigerating and Airconditioning Engineers，ASHRAE)預(yù)測，到 2014 年，每個服務(wù)器機架的功率將增至42 kW［2］。IT系統(tǒng)的發(fā)展為基礎(chǔ)設(shè)施的管理工作提出了更高的要求。

1 系統(tǒng)設(shè)計

2009年，在實施過渡期高性能計算機系統(tǒng)和新一代天氣雷達信息共享平臺項目的場地環(huán)境系統(tǒng)的建設(shè)任務(wù)過程中，建立起了一套全新的NMIC場地環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對不同性質(zhì)、不同類型的基礎(chǔ)設(shè)施集成的統(tǒng)一管理［3］，從支持IT業(yè)務(wù)系統(tǒng)穩(wěn)定運行的角度提供了自動化和標(biāo)準(zhǔn)化的業(yè)務(wù)運行流程［4］。系統(tǒng)采用模塊化技術(shù)，建立起能夠靈活擴展的系統(tǒng)架構(gòu)，利用系統(tǒng)中心數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)資源，實現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施資源的整合和管理，進行能耗管理與分析，使IT業(yè)務(wù)系統(tǒng)與其所處場地環(huán)境的高度融合。

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

場地環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)采用IP組網(wǎng)、B/S分布的模塊化結(jié)構(gòu)，軟硬件的安裝與維護集中于監(jiān)控服務(wù)器端，系統(tǒng)現(xiàn)場輸入輸出設(shè)備及通信接口設(shè)備為星型模塊化結(jié)構(gòu)，輸入輸出點通過I/O模塊組合完成與監(jiān)控設(shè)備的匹配。

系統(tǒng)分為管理站(瀏覽站)、現(xiàn)場監(jiān)控站和現(xiàn)場監(jiān)控站所管理的各子系統(tǒng)(智能設(shè)備)三層。場地環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the system

系統(tǒng)的管理站配置了一臺中心監(jiān)控服務(wù)器和一臺中心數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。管理工作站負責(zé)對多個機房集中管理，接收分站傳來的各種實時信息并發(fā)送管理人員的控制命令給各分站。管理站與現(xiàn)場監(jiān)控站采用同一監(jiān)控界面，數(shù)據(jù)直接來自于現(xiàn)場監(jiān)控站。管理站通過網(wǎng)絡(luò)連接，動態(tài)地下掛現(xiàn)場監(jiān)控站點。在管理站上也可對本地站的各種信息進行更改，并把更改信息實時上傳到本地站。

中心數(shù)據(jù)庫服務(wù)器安裝SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫，中心監(jiān)控服務(wù)器通過監(jiān)控平臺的外聯(lián)接口，將實時數(shù)據(jù)按每間隔2 min的模式寫入中心數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，同時，利用數(shù)據(jù)庫的開放特性，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的二次開發(fā)與利用。

系統(tǒng)的現(xiàn)場監(jiān)控站按照機房的物理分區(qū)和設(shè)備分區(qū)配置了兩臺嵌入式服務(wù)器。現(xiàn)場監(jiān)控站負責(zé)現(xiàn)場監(jiān)控各設(shè)備或子系統(tǒng)的運行情況，實時采集各種數(shù)據(jù)和發(fā)布報警信息;同時，可執(zhí)行管理站的管理控制命令，并將各種數(shù)據(jù)和報警信息上傳到管理站。現(xiàn)場監(jiān)控站是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源，它通過各種協(xié)議采集所有子系統(tǒng)或智能設(shè)備的數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一格式，再利用TCP/IP把數(shù)據(jù)傳給已連接的管理站和瀏覽站。此外，現(xiàn)場監(jiān)控站可動態(tài)地擴充新的通信協(xié)議，便于接入不同的設(shè)備。

系統(tǒng)管理站接受遠程瀏覽站的訪問，現(xiàn)場監(jiān)控站與管理站、瀏覽站之間采用TCP/IP連接，保證關(guān)鍵信息的可靠傳輸。

1.2 設(shè)備要素

場地環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)工作分為兩個階段:第一階段為已經(jīng)完成一期區(qū)域供電、制冷和物理空間相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)控工作，實現(xiàn)了核心系統(tǒng)建設(shè)和中心數(shù)據(jù)庫建設(shè);第二階段將完成整體區(qū)域相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施和以往場地環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的升級更替工作。

2 實際應(yīng)用

在場地環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)過程中，搭建了模塊化和可擴展的系統(tǒng)架構(gòu)，完成了對IT業(yè)務(wù)系統(tǒng)環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施的綜合管理，建立了國家級的場地環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。

2.1 統(tǒng)一的平臺管理

場地環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)是綜合運控平臺。針對NMIC基礎(chǔ)設(shè)施的性能、廠家、型號的不同，擺放分散的問題，在統(tǒng)一監(jiān)控視圖內(nèi)，系統(tǒng)基于業(yè)務(wù)流程［5］，采用樹狀顯示結(jié)構(gòu)，包含設(shè)備分布、設(shè)備屬性、策略和頁面信息，實現(xiàn)了整體環(huán)境的實時、動態(tài)管理。一線值班人員只需要一個界面就可以管理各類環(huán)境設(shè)備，解決了值班人員不足的問題。平臺管理功能主要包括以下5點。

①預(yù)警提示，場地環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)定置開發(fā)了具有閾值設(shè)置和預(yù)警方式設(shè)置等多種預(yù)警設(shè)置功能。系統(tǒng)利用設(shè)置報警和臨界水平閾限，反映基礎(chǔ)設(shè)施的臨界負荷能力，并且在超過閾限時觸發(fā)可定制的行動，進行全方位報警。當(dāng)業(yè)務(wù)指標(biāo)達到限定范圍時，可在關(guān)鍵點之前警示潛在的問題。通過預(yù)警功能的設(shè)置，解決了在實際報警之前的趨勢預(yù)警問題。

②報警過濾，在業(yè)務(wù)運行過程中，一旦出現(xiàn)高、低端同時大面積報警時，利用報警過濾功能將低端報警過濾掉，僅保留引起報警的最高級別報警信息，便于從報警開始就抓住報警起因，從而解決了大面積報警時無從下手的問題。

③短信、語音通告，在進行參數(shù)配置與功能定義后，可根據(jù)系統(tǒng)運行情況，完成短信、語音通告功能，解決了無人職守期間和遠程通告的問題。

④Web瀏覽方式，場地環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)具有普遍使用的網(wǎng)絡(luò)瀏覽功能。遠程瀏覽站利用Web瀏覽方式，在獲取授權(quán)認證后，可以直接訪問監(jiān)控平臺(包括嵌入式服務(wù)器和中心管理服務(wù)器)，以及直接觀看監(jiān)控畫面，解決了遠程控制各類基礎(chǔ)設(shè)施運行的問題。

⑤系統(tǒng)擴展，場地環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的開放性和擴展性可從多個方面實現(xiàn)。系統(tǒng)基于TCP/IP，能將分布于不同位置的多個機房實現(xiàn)跨區(qū)域的集中監(jiān)控及結(jié)構(gòu)擴展。系統(tǒng)可以動態(tài)地擴充新的通信協(xié)議，接入以往和將來的不同類型設(shè)備，實現(xiàn)設(shè)備擴展。系統(tǒng)采用開放數(shù)據(jù)庫聯(lián)接(open database connectivity，ODBC)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫擴展。

在二期工程中，利用系統(tǒng)的可擴展性，將進一步完成新增設(shè)備的系統(tǒng)納入工作。

2.2 數(shù)據(jù)的集中統(tǒng)一

系統(tǒng)利用中心數(shù)據(jù)庫中的原始數(shù)據(jù)集合，實現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施運行數(shù)據(jù)的整合與管理，同時為業(yè)務(wù)系統(tǒng)整合提供環(huán)境設(shè)備的原始數(shù)據(jù)，實現(xiàn)IT業(yè)務(wù)系統(tǒng)與其所處場地環(huán)境的高度融合。

例如，同時對多臺空調(diào)設(shè)備的運行狀態(tài)參數(shù)與其運行電流之間的變化規(guī)律進行分析。圖2所示為2010年6月4日8:00:00～10:59:59三小時內(nèi)，為神威4000A提供制冷服務(wù)的空調(diào)設(shè)備在實際業(yè)務(wù)運行中的電流實時數(shù)據(jù)曲線圖。

圖2 空調(diào)運行參數(shù)曲線圖Fig.2 Curves of the air-conditioning current

在實際業(yè)務(wù)運行中，3#～7#共5臺空調(diào)均為雙壓縮機空調(diào)。圖2中，曲線①為3#空調(diào)分電流運行曲線，曲線②為7#空調(diào)分電流運行曲線，曲線③為4#、5#、6#三臺空調(diào)分電流運行重疊曲線，曲線④、⑤、⑥代表空調(diào)三相主供電流的電流值。由圖2可知，空調(diào)三相主供電流值是5臺空調(diào)分電流值的疊加;4#、5#、6#三臺空調(diào)處于平穩(wěn)運行狀態(tài)，雙壓縮機運行穩(wěn)定;7#空調(diào)單/雙壓縮機周期性交替運行;3#空調(diào)以單壓縮機運行為主;圖中A點至C點處，顯示7#空調(diào)單壓縮機運行，C點至E點處，顯示7#空調(diào)雙壓縮機運行，中間的電流差為單臺壓縮機運行的電流差值;壓縮機啟停具有周期性;空調(diào)運行參量與實際設(shè)備運行狀態(tài)相同。

環(huán)境設(shè)備的運行參數(shù)曲線圖中所包含的參量不僅代表該參數(shù)的實際運行值，也能反映出所監(jiān)控的整體物理基礎(chǔ)設(shè)施的運行狀態(tài)。同時，量化各類物理設(shè)備的運行情況，可實現(xiàn)精確的環(huán)境管理。

3 環(huán)境分析與能效評定

場地環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中具有大量的環(huán)境運行數(shù)據(jù)，可進行深層次挖掘，實現(xiàn)IT系統(tǒng)環(huán)境數(shù)據(jù)分析和運行能效評定［6］，同時避免潛在問題的發(fā)生。

3.1 環(huán)境分析

2009年10月，3#濕度環(huán)境狀態(tài)測點參量如圖3所示。場地環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)神威4000A高性能計算機系統(tǒng)出風(fēng)口濕度低于18%，3#濕度環(huán)境狀態(tài)參量為神威4000A機組中央部位底部送風(fēng)口濕度，出現(xiàn)“低于系統(tǒng)設(shè)定下限”報警，圖中各點顯示出送/回風(fēng)參數(shù)成對應(yīng)比例關(guān)系。空調(diào)系統(tǒng)管理人員利用監(jiān)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，通過對空調(diào)送風(fēng)濕度及送風(fēng)量的調(diào)節(jié)，使計算機系統(tǒng)的運行環(huán)境恢復(fù)至標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。

圖3 3#濕度測點參量Fig.3 Parameters of temperature measuring points for 3#

9#、10#濕度環(huán)境狀態(tài)測點參量如圖4所示。濕度環(huán)境狀態(tài)參量是神威4000A最遠端機柜頂部位置濕度測點間的對應(yīng)曲線變化規(guī)律。圖中各點顯示出送/回風(fēng)參數(shù)成對應(yīng)比例關(guān)系。圖中D'點處，環(huán)境濕度超越下限，系統(tǒng)報警。空調(diào)系統(tǒng)管理人員通過2次調(diào)整送風(fēng)濕度及送風(fēng)量(E'、F'點處)，找出濕度平衡點，使神威4000A送回/風(fēng)環(huán)境數(shù)據(jù)重新回歸標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。

圖4 9#、10#濕度測點參量Fig.4 Parameters of temperature measuring points for 9#＆ 10#

環(huán)境數(shù)據(jù)分析可提供大量的關(guān)鍵信息，如物理基礎(chǔ)設(shè)施的運行狀態(tài)、隱患以及可支持IT業(yè)務(wù)系統(tǒng)負荷的能力等，同時可以發(fā)現(xiàn)和描述存在的差距，并將其量化，實現(xiàn)有效的環(huán)境管理。

3.2 能效評定

2007年2月，綠色網(wǎng)格(Green Grid)組織指定了數(shù)據(jù)中心能效(power usage effectiveness，PUE)比指標(biāo)［7］，即PUE=制冷用電負荷+供配電能耗+IT設(shè)備能耗+其他能耗(照明等)場地環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)。PUE還可作為尋找IT業(yè)務(wù)系統(tǒng)能耗的依據(jù)，實現(xiàn)IT業(yè)務(wù)系統(tǒng)運行成本分析。

表1為2009年11月份各周能耗值的統(tǒng)計情況(照明等未進行統(tǒng)計)。

表1 11月能耗表Tab.1 Energy consumption of November

從表1中看出，在2009年11月份，神威4000A高性能計算機系統(tǒng)的PUE值穩(wěn)定;高峰時段與低谷時段的能耗平均，每周能耗相近，業(yè)務(wù)負載平衡，月能耗平均，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。進行IT系統(tǒng)能耗比較，實現(xiàn)有效的能源管理，可對平衡業(yè)務(wù)負載、新增業(yè)務(wù)系統(tǒng)起到很好的預(yù)知作用。

4 結(jié)束語

場地環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)采用IP組網(wǎng)方式和模塊化的系統(tǒng)架構(gòu)，將分布于不同物理空間位置的不同廠家、不同類型的環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施進行集中監(jiān)控，建立起統(tǒng)一的基礎(chǔ)設(shè)施管理平臺，掌握全部基礎(chǔ)設(shè)施的運行情況，為各類不同的系統(tǒng)管理人員通告系統(tǒng)的運行狀況，實現(xiàn)(準(zhǔn))無人職守的大運行場地環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。同時，利用該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫建立起一套對環(huán)境數(shù)據(jù)進行分析和評價的指標(biāo)體系，為業(yè)務(wù)運行與發(fā)展奠定場地環(huán)境管理和分析的評價基礎(chǔ)。

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