智能一體化機柜的應用方案研究

趙 耀

隨著云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、AR/VR、機器人、智能感知、5G 等新技術(shù)越來越多地應用在鐵路行業(yè)，為適應智能鐵路的發(fā)展，行業(yè)應用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量、計算量也在不斷加大，完全依靠數(shù)據(jù)中心集中處理已難以滿足部分系統(tǒng)現(xiàn)場實時計算的需求，因此信息、通信部分設備將傾向邊緣計算的方式部署，形成云、邊協(xié)同的新型系統(tǒng)架構(gòu)，對設備部署的靈活性及運行的可靠性均提出了更高的要求［1］。

本文以區(qū)間信息機房為重點，從機房空間、設備部署、節(jié)能降耗、建設運維等方面對比典型設置與智能一體化機柜設置方案的差異，研究智能一體化機柜在鐵路行業(yè)應用，以及在未來智能高鐵、智慧鐵路的推廣價值。

1 存在問題

在目前鐵路建設中，數(shù)據(jù)中心、調(diào)度所機房、站段機房、區(qū)間小型建筑機房、設備和配線間等均按照《數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范》（GB50174—2017），根據(jù)重要性劃分等級［2］。然而無論按照哪級標準，這類機房均需配置供配電、UPS 電源、空調(diào)等機電設備［3］。由于各類機電設備分立設置，集成度不高，設備部署占用空間很大；尤其對于區(qū)間小型信息機房、通信機房及部分配線設備間，修建配套房屋及設備的投資遠高于設備本身，也不是最經(jīng)濟的解決方案［4］。

國內(nèi)外部分廠家提出了模塊化機房方案，集成了UPS、電源、空調(diào)等機電設備，可以在占用較少空間情況下提供信息、通信設備的運行環(huán)境［5］。但這些方案往往功能不全，出現(xiàn)如缺少空調(diào)、備用時間不足、機柜空間預留不合理、系統(tǒng)規(guī)模、監(jiān)控功能單一等問題。為此提出整合鐵路信息機房、通信機房、設備及配線間相關設備，構(gòu)成適用于在鐵路應用的智能一體化機柜系統(tǒng)，實現(xiàn)各類設備及功能的統(tǒng)一部署及統(tǒng)一監(jiān)控，節(jié)省空間、節(jié)約投資，滿足邊緣計算的需求，為既有線路擴能改造提供設備靈活部署條件，也為設備提供更好的運行環(huán)境。

2 系統(tǒng)分析

智能一體化機柜系統(tǒng)是指將設備機柜、配線柜、配電柜、UPS、蓄電池組、防雷、空調(diào)等基礎設施進行整合，為信息、通信設備提供滿足《數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范》（GB50174—2017）等標準規(guī)定運行環(huán)境的機柜系統(tǒng)［6］。其特點如下。

1）空間集約化，功能模塊化。智能一體化機柜采用一體化設計理念，將傳統(tǒng)機房分散布置的機電設備統(tǒng)一規(guī)格、統(tǒng)一安裝方式，在機柜中納入設備機架，實現(xiàn)傳統(tǒng)機房內(nèi)分散設備的集約化，充分利用機柜空余空間，減少對機房的空間需求，提高機房的使用率。智能一體化機柜按照功能模塊原則進行設計，將機柜、配線、配電、UPS 電源、蓄電池、空調(diào)、電源及環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)等設備模塊化，根據(jù)不同的項目特點選擇適用的模塊，可以適應各類場景需求。

2）生產(chǎn)敏捷化，部署靈活化。傳統(tǒng)信息機房設施的設計、生產(chǎn)、施工、調(diào)試等涉及多個專業(yè)、廠家，由于不同廠家、不同型號設備的接口、尺寸存在差異，導致接口復雜、機房布局難以穩(wěn)定，甚至會由于部分設備尺寸與預計不同導致工程返工［7］；因既有線路改造、新系統(tǒng)上線而出現(xiàn)機房能力不足，也造成系統(tǒng)建設難度加大的情況。而智能一體化機柜根據(jù)項目需求選擇功能模塊，實現(xiàn)便捷生產(chǎn)，在生產(chǎn)制造階段解決接口問題，提高建設效率；而且能夠獨立為通信、信息設備提供不間斷供電和制冷等運行環(huán)境，達到等同于機房環(huán)境的效果，滿足既有站改造、偏遠場所不具備機房環(huán)境情況下部署信息通信設備的需要，具備部署的靈活性。

3）設計可視化，運維智能化。從設計階段便引入BIM 技術(shù)［8］，實現(xiàn)智能一體化機柜的設計、生產(chǎn)、運維全生命周期可視化信息展示，可以在各階段更直觀地對機柜樣式、狀態(tài)進行布局仿真，確保智能一體化機柜設計的合理性。

鐵路信息、通信設備的部署非常分散，對運維的要求也相應提高。通過智能化監(jiān)控系統(tǒng)對機柜內(nèi)設備的運行環(huán)境實現(xiàn)精細化遠程集中監(jiān)控，可預測機柜內(nèi)環(huán)境、設備的故障并提出預警［9］；對機柜內(nèi)微環(huán)境的優(yōu)化控制，在保障信息、通信設備運行環(huán)境的同時，實現(xiàn)節(jié)能控制、數(shù)據(jù)分析等智能化運維功能［10］，在獨立站點、偏遠地區(qū)應用，更可以有效減少運維人員工作量。

3 方案設計

為滿足區(qū)間信號樓、綜合樓、線路所，以及其他生產(chǎn)、生活房屋部署辦公網(wǎng)終端的需求，需要在樓內(nèi)設置信息機房，以部署辦公網(wǎng)接入設備。區(qū)間信息機房內(nèi)部署網(wǎng)絡設備一般為數(shù)臺辦公網(wǎng)交換機。本次以部署一臺網(wǎng)絡交換機的場景為例，開展典型方案及智能一體化方案的比較研究。

3.1 典型機柜

在目前的主流實施方案中，為保證信息機房的運行環(huán)境，需要設置的主要設備包含：設備機柜、配線柜、配電柜、UPS、蓄電池組、機房專用空調(diào)、機房電源及環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)等，各類設備布置均需滿足安全距離且具備維護空間。

3.1.1 機柜設施設置情況

1）機柜及配線設備。考慮到辦公網(wǎng)接入交換機尺寸較小，對機柜空間要求不高，結(jié)合信息系統(tǒng)典型機柜尺寸600 mm（寬）×800 mm（深）的標準，網(wǎng)絡機柜即可滿足要求；配線及設備間的高度充裕，結(jié)合未來發(fā)展需求，選用600 mm（寬）×800 mm（深）×2 000 mm（高）的42U 標準機柜承載設備；考慮到機柜實用空間很少，可以將設備機柜與配線機柜合一，即在機柜內(nèi)部署1 臺辦公網(wǎng)接入交換機、光纖配線架及銅纜布線架各1套。

2）配電箱。配線及設備間實際用電量為200 W，考慮未來設置其他設備，電力用電容量預留5 kW，電力專業(yè)設置壁掛式配電箱以滿足配電需求。外電源配電箱由電力專業(yè)設置，建筑物供配電系統(tǒng)中機房的末端配電箱，一般由電力專業(yè)提供雙電源供電，經(jīng)ATS雙電源切換設備后，供給信息專業(yè)取電。

3）UPS及蓄電池。由信息專業(yè)設置UPS及蓄電池，為信息系統(tǒng)設備提供不間斷電源。一般配線及設備間內(nèi)的UPS 電源至少選擇2 kVA 型號。按照《高速鐵路設計規(guī)范》要求，備用時間為1 h，根據(jù)2 kVA滿容量選擇蓄電池組。

4）機房專用空調(diào)。由暖通專業(yè)設置，根據(jù)機房整體熱負荷情況測算規(guī)格，機房專用空調(diào)為機房提供恒溫、恒濕條件，保障機房內(nèi)信息設備穩(wěn)定運行。

5）防雷箱。信息專業(yè)設置，對機房內(nèi)設備及出入機房的線纜進行防雷保護。

6）機房電源及環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。區(qū)間信息機房不一定設置機房電源及環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，若設置，則需將機房電源及環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主機設置在機柜內(nèi)，并在房屋內(nèi)設置溫濕度、感煙、水浸告警等傳感器，通過網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)上傳至上級管理終端。

3.1.2 機房布置情況

綜合考慮設備尺寸、安全距離、維護空間等因素，機房典型布置圖見圖1。

圖1 典型區(qū)間信息機房設備布置

由圖1 可以看出，為了部署1 臺辦公網(wǎng)接入交換機，在保證合理安全距離及維護空間條件下，該信息機房的最小布局為4.65 m（長）×3 m（寬），占用建筑面積約14 m2。區(qū)間信息機房典型機柜布置見圖2。

圖2 區(qū)間信息機房典型機柜布置

機柜上方設置光纖配線架、數(shù)據(jù)配線架及辦公網(wǎng)接入交換機。考慮理線及操作空間，按照隔空布置；在機柜底端設置電源及環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主機。采用這種布置方式，42 U 標準機柜內(nèi)占用空間約為8 U，僅為可用空間的19%。標準機柜占地面積為0.48 m2，而配線及設備間面積為14 m2，有效占地面積僅為3.4%。因此，機房機柜的實際空間使用效率不及1%。

3.2 智能一體化機柜

智能一體化機柜就是將設備機柜、配線柜、配電柜、UPS、蓄電池組、機房專用空調(diào)、機房電源及環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)等進行一體化整合，作為一整套系統(tǒng)統(tǒng)一進行部署。

3.2.1 機柜設備設施設置情況

1）配線設備。考慮到機柜實用空間很少，可以將設備機柜與配線機柜合并，即在機柜內(nèi)部署1 臺辦公網(wǎng)接入交換機及光纖配線架、銅纜布線架各1套。

2）配電箱。按照5 kW 帶ATS 雙切的配電箱，采用機架式安裝模式，直接在機柜內(nèi)部署。

3）UPS及蓄電池。定制2 kVA機架式UPS及滿足1 h備用的機架式安裝蓄電池組包。

4）機房專用空調(diào)。采用一體化機架式機房專用空調(diào)，制冷量按照3 kW 選取，滿足極端情況下的制冷需求。

5）防雷箱。采用機架式箱體設置SPD 浪涌保護器等防雷設備，滿足防雷功能要求。

6）機房電源及環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。在機柜內(nèi)設置機房電源及環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主機，并設置溫濕度、煙感、水浸告警等傳感器，實現(xiàn)對機柜內(nèi)運行環(huán)境的精確感知；根據(jù)機柜環(huán)境對一體化機房專用空調(diào)進行監(jiān)控，避免空調(diào)長時間制冷導致的能源消耗，滿足節(jié)能需求；通過網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)上傳至上級管理終端。

7）機柜系統(tǒng)。結(jié)合上述設備的安裝及機柜內(nèi)冷通道封閉需求，選用2 000 mm（高）的42 U 標準機柜承載。機柜前方為冷通道，后側(cè)為熱通道，考慮空調(diào)損壞或其他特殊原因?qū)е赂邷兀O置了應急排風系統(tǒng)，整個機柜尺寸為600 mm（寬）×1 200 mm（深）×2 000 mm（高）。

3.2.2 機房布置情況

智能一體化機柜自身寬600 mm，深1 200 mm，占地面積為0.72 m2，略大于傳統(tǒng)機柜。由于是單個機柜進行布置，機柜側(cè)面沒有維修需求，可以一側(cè)貼墻放置。考慮維修距離、安全距離及運輸通道后，機房內(nèi)機柜布置如圖3所示。

圖3 智能一體化機柜在機房內(nèi)布置示意

在分析了冷通道、熱通道及應急排風后，增加了機柜的厚度，從典型方案的800 mm 深調(diào)整為1 200 mm 深，且機柜內(nèi)信息設備部署空間依舊滿足19 吋標準機柜的要求。在機柜內(nèi)對上述設備設施進行集成后，機柜設備布置見圖4。

由圖4 可以看出，在自下而上順序布置空調(diào)、機架式電池包、UPS 主機、配電單元、防雷單元和電源及環(huán)境監(jiān)控主機后，尚有20 U 的空余空間可用于部署信息設備，不但滿足設備部署需求，機柜外還不需設置其他設備設施。

圖4 智能一體化機柜設備布置

考慮必要空間后，機房面積需求僅為4.2 m2，與典型布置方案的14 m2有顯著面積節(jié)省。同時，智能一體化機柜自身可以為電子信息系統(tǒng)設備提供完備的運行環(huán)境，因此機柜可以部署在環(huán)境適宜的非機房環(huán)境內(nèi)，有助于進一步減少占用面積。

3.3 對比分析

典型方案與智能一體化機柜方案的對比見表1。

表1 典型方案與智能一體化機柜方案的對比

雖然智能一體化機柜的自身尺寸略微變大，占地面積相應較多，是傳統(tǒng)方案的1.5 倍；但必要的機房面積顯著下降，僅是傳統(tǒng)方案的30%，明顯節(jié)約了建筑面積。

采用智能一體化機柜后，機柜內(nèi)空余空間由34 U 降低為20 U，考慮到配線及設備間的實際需求僅為6 U，未來擴展需求不大，因此智能一體化機柜的空余空間可以滿足未來的發(fā)展需求；基礎設施布置由機房內(nèi)散布調(diào)整為機柜內(nèi)統(tǒng)一部署，集中化的布置有利于統(tǒng)一排除故障，便于運維管理和統(tǒng)一監(jiān)控；集中柜內(nèi)閉環(huán)制冷也有助于精確制冷提高能效。

綜合以上分析，雖然機柜內(nèi)預留的設備部署空間有所降低，但區(qū)間信息機房應用智能一體化機柜在節(jié)約空間、統(tǒng)一運維監(jiān)控、提高能效方面有較為明顯的優(yōu)勢。

4 總結(jié)

隨著智能鐵路的發(fā)展需求及5G 技術(shù)的應用，邊緣計算+云數(shù)據(jù)中心的云邊結(jié)合將成為信息系統(tǒng)的重要架構(gòu)方式。屆時，邊緣計算設備高質(zhì)量、高可靠的部署將會對鐵路信息化基礎設施提出新要求，智能一體化機柜的優(yōu)勢將更加顯著，并且為既有線路擴能改造提供了更優(yōu)的技術(shù)方案，具有良好的應用前景。有必要以區(qū)間信息機房等典型場景為基礎，開展智能一體化機柜的應用研究，可向室外、隧道洞室等方向或其他專業(yè)應用發(fā)展，為未來鐵路信息化建設積累技術(shù)基礎。