基于數字孿生機房的三維可視化監控系統的設計與實現

羅珊珊　冷佳

摘 要：針對當前機房的監控管理方式單一、實時性差、透明度低等問題，構建了一種基于數字孿生機房的三維可視化監控系統。以數字孿生的五維模型為指導，構建機房虛擬場景，實現機房三維可視化。論文采用Three.js三維引擎搭建機房三維場景，使用JavaScript語言實現各模塊間的功能交互，運用深度學習算法完成機房故障診斷的功能。實驗證明：基于數字孿生的機房三維可視化監控系統可以實時監測系統狀態，動態展示設備信息，提高了管理效率。

關鍵詞：數字孿生;三維可視化監控;故障診斷;虛擬機房

中圖分類號：TP39????? 文獻標識碼：A

Design and Realization of Computer Room 3D Visual

Monitoring System Based on Digital Twin

LUO Shan-shan， LENG Jia

（Jiangsu University of Science &Technology， Zhenjiang， Jiangsu 212100，China）

Abstract：Aiming at the problems of single monitoring and management modes， poor real-time performance and low transparency in the current computer room， a 3D visual monitoring system for computer room based on digital twin is constructed. Guided by the five-dimensional model of the digital twin， the virtual scene of the computer room is constructed to realize the 3D visualization of the computer room. The paper uses three.js which is a 3D engine to build the 3D scene of the computer room， uses JavaScript language to realize the functional interaction between the modules， and uses deep learning algorithms to complete the function of fault diagnosis. Experiment has proved that the 3D visual monitoring system of the computer room based on digital twin can monitor the system status in real time， dynamically display equipment information and improve management efficiency.

Key words：digital twins; 3D visualization monitoring; fault diagnosis; virtual computer room

隨著互聯網、大數據、人工智能等新一代信息技術迅速發展，信息技術對于數據的強大計算和分析能力為各行業發展開辟嶄新的發展空間，對數據的安全性要求也隨之提高。隨著機房的設備越來越復雜，系統愈發增多，使得管理越發困難。目前，機房管理存在幾個問題：一是機房管理系統和應用系統之間缺乏有效的信息交互手段;二是無法實時獲取機房設備的運行狀態，對于網絡中斷、設備故障等問題無法及時處理;三是多數系統的數據維護還采用人工記錄、二維報表等方式，沒有采用統一化管理，實時性和可視化效果較差。

數字孿生[1]的出現為解決上述問題提供了新的方案，數字孿生是數字模型對物理系統的真實等價映射。通過實時監測系統狀態，動態更新數字模型，能夠提升數字模型的診斷、評估與維護能力。數字孿生最初是由Grieves[1]在美國密歇根大學的產品全生命周期管理課程中提出。自2017年開始，涌現了一大批相關的研究與應用，其中主要在生產車間、航空航天、船舶等方面取得一定的成果。劉義[2]等人針對目前智能車間存在的管理效率低、精準決策難等問題，設計了基于數字孿生智能車間的管控體系架構，開展了智能車間管控平臺應用建設。李利民[3]等人提出了船舶與海洋工程裝備智能車間可視化管控系統的開發與應用。

而基于數字孿生機房的三維可視化監控系統目前還沒有得到較多應用，數字孿生機房的應用可以實時監測機房系統狀態，動態展示設備信息，提高管理效率，降低管理成本，及時發現隱患并解決故障。

1 基于數字孿生機房的三維可視化監控系統分析

1.1 需求分析

數字孿生機房是物理機房、虛擬機房、服務數據和孿生數據的集成融合，物理機房和虛擬機房通過服務數據和孿生數據，可以進行實時交互和真實映射。通過三維可視化監控從幾何維度展現數字孿生機房，并從監控需求出發，建立了三維可視化監控系統，如圖1所示。

機房三維可視化監控系統，要求能夠對機房的基礎設備進行狀態監控并通過界面實時展示設備運行信息，并通過二維圖表實時統計設備功耗、空間利用率等數據。系統能夠實時記錄機房設備的運行數據以及故障數據，出現告警信息時，管理人員能及時查找設備及處理解決告警狀況。

針對機房設備出現的故障問題建立故障歷史數據庫，通過深度學習算法[8]對故障數據進行數據清理、數據融合，對數據進行深度挖掘從而預防設備故障的發生。

1.2 系統功能設計

基于數字孿生機房的三維可視化監控系統分為兩部分：數字孿生機房模型三維可視化展示和數字孿生監控系統，功能框圖如圖2所示：

1.2.1 數字孿生機房模型三維可視化展示

（1）機房環境可視化是根據實際機房的建筑結構、機房布局建立虛擬機房三維模型場景，包括機房中機柜布局擺放位置、配電設備、精密空調設備、攝像頭、溫濕度傳感器、漏水繩等輔助設施布局的擺放位置都在系統中展示。對機柜空間、機柜載重、功耗統計等進行展示實現對設備運行狀態、告警信息進行實時監控。

（2）資產配置可視化是將各個機柜以及機柜里設備的基本信息通過三維建模方式導入到機房可視化系統，通過點擊模型設備可查看相應的配置信息。并且提供歷史查詢記錄，完善信息管理檔案。

（3）機柜容量可視化將機房的機柜U位展示在平臺，機柜空間和機柜載重都使用柱狀圖來展示每個機柜當前的空間利用率和承重情況，通過顏色區分當前機柜的空間利用情況和承重情況。

1.2.2 數字孿生監控系統

（1）動環監控系統可實時監控UPS、精密空調、漏水、溫濕度、煙霧傳感器、消防等設備的數據信息，在監控服務平臺實時可視化展現各設備的運行參數以及功耗統計，讓管理人員及時了解機房的健康狀態。

（2）故障診斷系統通過采集機房各設備異常數據，使用深度學習算法對數據進行分析，找出故障原因，定位到故障設備。監控系統將發出多種形式的告警信號，同一報警源按照權限和等級分別推送到管理人員的PC端，管理人員可及時處理故障。

1.3 平臺架構設計

針對機房三維可視化監控系統需求，進行機房三維可視化監控系統總體設計，如下圖3。平臺采用Ajax引擎的B/S架構[4-6]三層結構，數據庫中主要存儲了機房設備的各類信息，包括機房環境三維模型、資產配置、機柜容量數據以及設備告警數據等，采用JSON（JavaScript Object Notation）格式來存儲。服務器采用Tomcat小型輕量級應用服務器提供Web服務，啟動服務器后，系統可以自動加載Web應用程序。瀏覽器端采用JavaScript和WebGL[7-9]技術實現機房模型三維可視化和設備信息的交互查詢功能。

2 基于數字孿生機房的三維可視化系統的實現方法

實現數字孿生機房三維可視化監控，需要對虛擬機房場景和機房故障進行有效管理。使用WebGL技術及其Three.js三維引擎實現機房虛擬模型構建，使用深度神經網絡對歷史故障數據建立訓練模型，不斷的訓練優化從而提高診斷的正確率。

2.1 虛擬機房場景建模

虛擬機房場景構建主要由幾何建模、場景構建、人機交互構成。幾何模型是虛擬機房場景的基礎;場景構建是對幾何模型的優化，通過添加材質、紋理貼圖、燈光等效果，使得虛擬機房更加逼真;人機交互可以通過鼠標、鍵盤對機房模型進行控制，改變虛擬場景展示的內容。

2.1.1 幾何建模和場景構建

采用三層組織結構實現機房幾何模型管理，機房幾何模型結構如圖4所示，機房幾何模型以機房為為父節點，機房環境和資產為子節點，通過對葉子節點進行三維建模，構建和實際機房布局一致的虛擬機房場景。

本系統采用基于原生WebGL封裝運行的Three.js三維引擎[10-11]進行幾何建模。以機房機柜模型為例，具體實現步驟如下：

step1： 場景初始化，建立一個空白的三維場景，包括場景（Three.Scene）、相機（Three.Camera）、光源（Three.PointLight）、渲染器（Three.Render）。

step2： 通過Geometry幾何模型創建機柜幾何模型，使用Material紋理對機柜進行紋理貼圖，使用Three.mesh（Geometry，Material）三維網格動態創建機柜場景模型;

step3： 渲染機柜場景模型，使用Three.WebGLRenderer.render（scene，camera）渲染模型;

Step4： 頁面展示機柜場景模型。

2.1.2 人機交互

人機交互可以對事件進行響應，以此來改變虛擬場景的展示內容。借助Three.js中的OrbitControls.js控件實現鼠標控制三維場景，OrbitControls.js控件會使瀏覽器自動檢測鼠標事件，把鼠標平移的距離按照一定算法轉化為相機的旋轉角度。模型操作如表1所示：

2.2 監控系統設計

2.2.1 動環監控

系統使用物聯網平臺作為數據總線，通過ModBus、SNMP等協議對機房基礎設備監控信號接入監控主機，由監控主機內置的軟件模塊對設備運行狀態以及參數進行動態監測。將監控數據通過文本、圖像的方式直觀的展示在平臺上。同時還增加實時視頻的方式對關鍵區域進行監控，可以了解機房具體狀況，及時處理狀況的發生。

2.2.2 故障診斷

機房監控系統的故障診斷實施方案結構如下圖5所示，機房故障診斷采用基于數據驅動的方法，使用深度神經網絡算法實現機房的故障診斷。具體步驟為：獲取機房真實運行數據和機房模型測試數據，對數據進行數據清理、數據集成和數據轉換等數據預處理操作，然后將數據樣本送入到訓練模型中進行學習，生成故障診斷模型。將產生的結果與設備的歷史故障數據庫、故障專家知識庫進行全方位比對，將比對結果使用數據融合等算法得到設備故障特征值。通過對故障結果進行反饋，產生新的訓練樣本，再通過訓練模型生成新的診斷模型。通過上述過程的反復迭代，逐步提高故障診斷的準確性。

3 系統驗證

以某高校機房為實驗對象，根據本文方法設計了機房三維可視化監控系統，便于管理人員的運維，及時發現機房設備異常，優化管理。系統使用VS Code（Visual Studio Code）軟件平臺進行開發，基于Three.js引擎構建虛擬機房三維場景，關系型數據庫MySQL存儲機房實時數據，同時使用Ajax引擎對數據實時通信。使用Javascript腳本控制機房功能的實現并進行人機交互，監控界面如圖6所示。

管理人員可以通過控制設備的狀態信息面板進行人機交互，機房中的告警異常會通過彈窗的方式提醒管理人員，如圖7所示。

4 結 論

設計了一種基于數字孿生的智能機房的三維可視化監控系統，通過基于工業物聯網平臺的數據采集方法，對設備運行狀態和參數進行動態監測。以Three.js三維引擎構建虛擬機房場景，實現場景三維可視化，并對實體設備的要素部分進行實時動態展示。使用深度神經網絡算法對機房故障進行診斷，減少機房故障。基于數字孿生機房三維可視化監控系統解決了機房監管系統監控方式單一、實時性差、透明度低等問題，提高機房系統管理效率，降低故障率，減少機房的運維費用。

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