一種基于閉環反饋優化的IDC基礎設施造價評估模型

李勁芝，雷 蕾

（中國移動通信集團廣西有限公司，廣西南寧530028）

0 引 言

隨著云計算和互聯網應用需求的不斷攀升，支撐這些應用的IDC（互聯網數據中心）也引起了更廣泛的關注。許多研究更側重于IDC建成后如何最優化管理和降低運營成本［1，2］，而關注IDC建設初期的投資和效益評估［3，4］的較少，尚未提出一個成熟的造價評估模型［5］。特別是在IDC項目啟動階段進行可行性研究評估其經濟效益時，傳統的評估方式對基礎設施方面的成本評估缺少有力的支撐手段。在IDC整個生命周期的前幾年，基礎設施成本占了大部分的運營成本，一個合理準確的IDC造價模型，不但能夠為IDC項目效益評估提供參考，還能夠為企業IDC業務初期推廣提供依據。

IDC（互聯網數據中心）的基礎設施除了機房建筑和配套的消防設施外，還包括電源系統、制冷系統、監控系統、纜線等。隨著IDC設備功耗近年的迅猛提升，電源、制冷系統等配套設施造價在基礎設施造價中所占比例約85%～90%，已接近整個IDC基礎設施造價。一個能精確地描述電源、制冷系統等造價的模型即能準確地預測IDC基礎設施造價，進一步可以預測每個機柜的造價。本文提出將其中電源、制冷系統以功耗為單位建立造價模型，并引入了一種閉環反饋機制對模型參數進行調整來改善準確度，通過實際項目的估算結果，展現本模型在IDC項目啟動階段造價估算準確度方面的優勢。

1 基于反饋優化的造價模型建模

1.1 基本模型

IDC機房基礎設施造價建模的過程是對基礎設施項目解構并進行歸納總結的過程，將所有基礎設施項目從邏輯關系和時間順序上進行劃分，分為需求、規模和造價等3個模塊，圖1顯示了模塊之間的關系。圖中：“需求”包括了未來客戶需求，以及將客戶需求轉化為各類建設和設備所需的設計依據；“規模”則為滿足需求所需配置的設備數量；“造價”是模型需要輸出的最終預測結果。為了簡化模型結構，要研究需求和造價之間的關系，并實現從“需求”到“造價”的直接表達。

圖1 造價模型中模塊關系

對于IDC造價模型而言，從“需求”到“造價”即虛線表示的關系是整個模型的“輸入”和“輸出”。為了研究“需求”和“造價”間的量化關系，依照項目規劃建設流程引入“規模”這個中間量。通過“需求”模塊得到需求數據，經過“規模”模塊分解和細化得到所需的項目規模，再經過“造價”模塊得到項目的具體造價。本文的建模過程即是按照實線所指向的順序依次量化出“需求”、“規模”和“造價”模塊，然后得出模型的表達式。圖2展示了造價模型的建模過程和結構。后文分別對其中的關鍵問題進行介紹。

圖2 造價模型結構

1.1.1 需求處理

IDC機房基礎設施是為了滿足機房內的服務器及其他用電設備的正常、安全運行，應關注供電和制冷兩方面影響。這兩方面影響均與服務器和其他用電設備的運行功耗有直接關系，所以規劃建設基礎設施的基礎數據即為機房內用電設備的功耗，這些數據也是基礎設施造價模型的輸入。由于用電類型不同，所配置的設備也不同，故直流、交流需求分別進行統計。

需求處理部分實現將原始的功耗需求數據轉化為配置基礎設施規模所需要的數據，將機柜功耗需求轉化為各類設備所需滿足功耗需求的過程。此部分的輸入為：用直流電機柜的數量Nz和單柜功耗Pz，用交流電機柜的數量Nj和單柜功耗Pj，分別求積得到直流和交流用電容量Wz和Wj，如式（1）、（2）所示。

為了將交直流用電容量轉化為各類設備的規劃需求，需要考察所能采購到各類設備的效率參數，開關電源運行效率ηk，UPS運行效率ηu，設備的熱轉化率α（即設備運行所發出的熱量占運行功耗的比值），其他發熱量Q＇包括：建筑圍護結構發熱量、開關電源、UPS和空調設備本身的發熱量，空調設備能效比即空調設備的效率ηc，機房內其他用電設備的需求X＇。通過式（3）～式（6）得到，開關電源需求Xk，UPS需求Xu，空調需求Xc，油機需求Xy和配電系統需求Xp，即為本模塊的各項輸出。

1.1.2 設備配置

最終為IDC機房服務的基礎設備是以套為單位呈現的，如，開關電源以整流設備、配電屏、蓄電池為1個單位，UPS以主機、配電屏、蓄電池為1個單位，配電設備以高壓設備、變壓器、低壓設備為1個單位，油機設備以油機為1個單位，空調系統以空調室內機和室外機（或分攤的水系統）為1個單位。水冷中央空調最終表現其滿足需求能力是以單臺室內機制冷量的形式，冷水機組及冷卻塔等設施為室內機服務，將其能力和造價分攤到各臺室內機上，故在模型中體現的空調系統均以室內機為單位。基礎設施規模即是開關電源、UPS、空調、配電系統、油機這幾類設備的數量，也是設備配置模塊的輸出。

從需求處理部分得到了各類設備需求，再通過研究每個單位設備解決需求的能力以及設備的安全備用要求，將設備需求轉化為設備數量。需要考慮各類設備的能力系數，UPS、低壓配電系統和油機通常以功率因數λu／y／p來表示有功功率與視在功率的比值，且單位設備也以有功功率進行標識，開關電源系統能力直接以整流模塊和蓄電池配置的情況來確定θ，空調系統則以顯冷量與總冷量之比β來表示，通過式（7）～式（9）得到Yk／u／c／y／p，其表示各類設備滿足需求的能力。

用各類設備能力值除以單位設備能力φk／u／c／y／p，并向上取整即可得到滿足需求所需配置的設備最小數量，此外還需要考慮不可用度要求，配置相應的備份設備，各類設備的備份比例根據需求和企業標準確定，備份系數δk／u／c／y／p是一個大于1.0的數，通過式（10）得到基礎設施規模nk／u／c／y／p。

1.1.3 造價輸出

規模數據是基礎設施的一個抽象數據，每個單位的設備除包含其設備本身外還匯集了其他材料或費用的分攤，故每個單位設備的造價也是決定基礎設施造價的關鍵。通過對同類項目歷史竣工決算數據分類，將每個時期設備的價格與當時配置標準結合進行分析，可以得到此類設備在目前環境下1個單位的造價。

在建立單位造價數據庫（表）的基礎上，很容易得到各類造價和總造價。用ik／u／c／y／p表示各類設備單位造價，Mk／u／c／y／p表示各分類造價，M 表示總造價，其關系如式（11）、（12），至此IDC機房基礎造價模型搭建完成。通過上述分析發現造價和總功耗存在某種線性關系，為了便于表達和應用可以計算出單位功耗造價I，在各類參數環境變化小的情況下，該簡化式的結果可以作為近似估算的參考數據，如式（13）。

由上述推導過程可知，IDC基礎設施造價M在機房配置標準和外部采購環境未改變的情況下與規劃的機房總功耗Mz和Mj、各類設備采購單價i有最直接的關系。總功耗是每次使用模型時的輸入，各次輸入數據之間沒有必然的聯系，但在設計模型時考慮的是實際的設備用電數據，需求數據與實際數據間往往存在著不一致，這導致了過度的初期投資，造成初期成本偏高，壓縮了盈利空間。設備的采購單價是一個相對固定的數據，會根據企業采購環境和設備安裝環境變化，這個值的變化也應該及時反映到模型中。

1.2 引入閉環反饋優化模型輸出

IDC基礎設施造價是一個動態變化的過程，從上述建模結果可以得知該模型的關鍵影響因素是實際功耗和設備采購單價，其他參數在采購范圍、工藝改進和企業標準沒有大的變化下不會有太多調整。IDC的建造者和運營者會更在乎實際功耗與需求功耗的匹配情況，因為需求功耗高于實際功耗的程度決定了這期項目超預期滿足需求的比例，這些超需求的規模所需要的費用對IDC建造者和運營者來說都是不必要的投資和成本，而且會對項目效益評估產生直接影響。為了降低這種情況的影響，有必要在需求階段考慮引入一個經驗系數對需求數據進行修正，將需求功耗分解為需求機柜數量和需求機柜平均功耗，再把其中的需求機柜平均功耗與現有類似設備的實際平均功耗作比較，比值作為模型的經驗系數在輸入階段對需求數據進行處理。當這期IDC建成后采集這期的機柜實際運行數據，并入實際平均功耗數據，對實際平均功耗值進行修正以供下次模型計算使用，以此提供一個準確的目標造價而實現節省投資。

設備采購單價也是建造者和運營者更多關注的因素，建造者會通過各種采購手段在滿足條件的情況下降低設備造價以便壓低后期的運營成本，采用的手段包括引入競爭和聯合多家進行更大規模的采購等，最終的結果均會導致設備采購單價的變化，故采用與需求／實際功耗比值相同的方法在模型的造價估算部分引入修正系數，模型的造價輸出結果將更接近于實際財務核算成本。引入反饋調節系數的修正模型如圖3所示。

圖3 引入反饋調節系數

修正方式可以進行比例修正等線性調整方式或者引入其他非線性調整機制，在此給出最簡單的按比例修正，其中i表示修正后的單位造價，i＇表示原單位造價，ε是修正系數，j是新的造價數據，如式（14）。類似的單位直流、交流功耗Pz／j也容易計算得出，如式（15）。

2 實例驗證

以廣西移動公司已驗收交付的2個位于廣西南寧的IDC項目和2個分別位于廣西南寧、柳州的通信機房項目完整的造價資料數據作為驗證對象，其中各項目的可行性研究報告里提供的造價數據是通過各個編制單位有造價資質的預算員編制的，各造價有嚴格的取費依據，在此作為傳統估算方式的代表。上述4個項目均已經交付使用并取得經財務和審計確認的竣工決算報告，該報告中的竣工決算數據作為項目的實際造價，也是衡量估算造價準確程度的標準。整理4個項目的各項估算和總造價估算情況如圖4所示。

各項目的可行性研究估算造價均大幅高于實際造價，最終的總造價值最大偏差超過30.28%，而通過本模型估算的造價，數據非常接近于實際造價，偏差在7%以內，如表1所示。可以看出由于引入閉環反饋控制機制，IDC基礎設施造價模型比傳統估算造價方法得出的估算結果更接近于實際造價，通過模型估算的造價數據與實際數據的偏差度已從最大＋30.28%降低至±6.31%以內。本文所描述的引入閉環反饋方式建立的模型作為IDC項目基礎設施的造價評估，準確度已十分接近實際造價，用于項目啟動階段進行效益分析優勢顯著，通過偏離度比較，證明該模型也可以應用于通信機房配套設施的造價估算。

表1 偏離度比較表

圖4 可行性研究、模型估算和竣工決算費用比較圖

3 結束語

為了在IDC項目啟動初期對項目造價有較精確的評估，本文提出了一種引入閉環反饋方式對模型參數進行調節的IDC基礎設施建模評估方法。模型的關鍵是通過不斷積累最新的實際數據，對“設備單價”和“需求功耗”兩個關鍵因素進行調節，使得模型的輸出更接近實際造價，從而在項目啟動階段能夠更準確進行效益評估。該模型除可以對IDC基礎設施進行評估外，還可以應用于通信、廣電和IT機房項目的初期效益評估，因為其提供的造價數據準確，可以考慮在項目未完工前用其估算的造價數據作為相關的各種業務、服務的定價參考。

［1］ Jie Li，Zuyi Li，Kui Ren，Xue Liu.Towards Optimal Electric Demand Management for Internet Data Centers［J］.IEEE Transactions on Smart Grid，2012，3（1）：183-192.

［2］ Mahdi Ghamkhari，Hamed Mohsenian-Rad.Energy and Performance Management of Green Data Centers：A Profit Maximization Approach［J］.IEEE Transactions on Smart Grid，2013，4（2）：1017-1025.

［3］ Chandrakant D Patel，Amip JShah.Cost Model for Planning，Development and Operation of a Data Center［R］.HPL-2005-07（R.1），2005.

［4］ 韋 鑫，樊升亮.基于共建分成模式的IDC機房經濟效益評估方法研究［J］.互聯網天地，2014，（6）：60-67.

［5］ 李 慧，王建國，陳建勤.工程造價管理成熟度模型的分析［J］.工程管理學報，2014，28（2）：103-106.