一種基于RFID的機房裝備智能化管理技術(shù)

趙 越，耿艷棟

(航天工程大學(xué)，北京 100120)

1 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的建設(shè)得到了大幅推動，近幾年數(shù)據(jù)中心建設(shè)正成為國家經(jīng)濟發(fā)展的重要支撐，其地位越來越凸顯，無論是政府、企業(yè)、移動運營商、互聯(lián)網(wǎng)、金融等行業(yè)都在積極推動數(shù)據(jù)中心建設(shè)，通過信息化改革建設(shè)，促進發(fā)展自身業(yè)務(wù)。我國數(shù)據(jù)中心數(shù)量眾多，兩地三中心、多地多中心等容災(zāi)建設(shè)已廣泛用于提高數(shù)據(jù)中心災(zāi)備能力，確保業(yè)務(wù)連續(xù)運行，數(shù)據(jù)中心規(guī)模已從2010年的51萬個增長至現(xiàn)在的100萬個，超過3000個機柜的大型數(shù)據(jù)中心已超300個，數(shù)據(jù)中心機柜數(shù)量成倍增長，服務(wù)器、存儲、網(wǎng)絡(luò)等IT基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)量更是成指數(shù)級增長，這為數(shù)據(jù)中心裝備管理高效管理帶來了巨大挑戰(zhàn)，如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心IT基礎(chǔ)設(shè)施全生命周期信息化、智能化管理，大幅提升裝備運維效率，確保裝備安全穩(wěn)定運行，降低運維成本顯得至關(guān)重要。

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)機房裝備管理主要依靠人工和簡單信息系統(tǒng)，在運用資源管理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)機房裝備進行管理時，主要采用貼標簽或者二維碼的方式進行人工盤點[1]。傳統(tǒng)的管理模式存在裝備盤點效率低、資源能力底數(shù)不清等問題，無法實時追蹤設(shè)備進出機房，無法及時發(fā)現(xiàn)裝備位置信息變更，無法實時掌握數(shù)據(jù)機房機柜容量、裝備運行狀況等信息，不僅人工運維成本高，資源利用率低，而且存在一定的安全隱患。近年來，國內(nèi)數(shù)據(jù)中心裝備管理通過引入最新的RFID技術(shù)，已從傳統(tǒng)的人工登記統(tǒng)計，借助裝備管理系統(tǒng)進行簡單的落位信息、設(shè)備信息管理，逐步發(fā)展到利用RFID技術(shù)實現(xiàn)裝備的定位、機柜容量管理、設(shè)備上下架管控以及三維可視化展示等智能化管理[2-5]。

本文針對某中心數(shù)據(jù)機房裝備人工管理效率低且容易出錯，以及無法及時掌握資源使用，造成資源利用率低等現(xiàn)狀，在充分調(diào)研該中心數(shù)據(jù)機房裝備規(guī)模以及運行管理現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出一種基于RFID的數(shù)據(jù)機房裝備智能化管理技術(shù)，采用單模標簽和雙模標簽相結(jié)合，無線采集設(shè)備和有線采集設(shè)備相配合的方式，同時融入機柜溫度采集、機房通道門檢測等手段，構(gòu)建數(shù)據(jù)機房裝備涵蓋到貨驗收、出入機(庫)房、上架下架、運行環(huán)境、維修報廢、備品備件管理等全生命周期的智能化管理系統(tǒng)，大幅降低人工運維成本，提高設(shè)備資源利用率，降低數(shù)據(jù)中心PUE值，助力推動綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)發(fā)展。

2 RFID技術(shù)

就全球范圍而言，隨著RFID技術(shù)標準不斷完善，以及RFID電子標簽種類多樣化和成本不斷降低，基于RFID技術(shù)的應(yīng)用得到大范圍推廣，主要集中在倉儲管理、零售業(yè)、智能交通、身份識別、物聯(lián)網(wǎng)、智能醫(yī)療、物流等領(lǐng)域[6-9]。目前，國內(nèi)RFID技術(shù)應(yīng)用主要集中在智能門禁、醫(yī)療監(jiān)控、金融、身份識別、倉儲管理、位置感知、食品識別、物流管理等方面[10-13]。John Downie、Matthew Whiting、James Trice等人[14]提出將RFID技術(shù)應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心大量光纖線纜跟蹤管理，用于解決傳統(tǒng)人工統(tǒng)計管理帶來的低效率、易出錯等問題，通過構(gòu)建高度密集的RFID標簽陣列，收集RFID標簽的軟件數(shù)據(jù)并將其與結(jié)構(gòu)化布線正確關(guān)聯(lián)，實時跟蹤和維護光纖線纜，提高數(shù)據(jù)中心光纖線纜管理和維護效率。John C. Nelson、Timo Santala、 Jonathan Lenchner等人[15]提出將RFID技術(shù)與基于視覺的移動機器人結(jié)技術(shù)相結(jié)合，對數(shù)據(jù)中心的資產(chǎn)進行跟蹤管理，重點研究了將RFID閱讀器部署在機器人身上，通過采取加權(quán)接收信號貢獻的方法，提高機器人的識別數(shù)據(jù)中心機柜中資產(chǎn)的準確度，實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心資產(chǎn)的移動跟蹤和自動化盤點管理。

2.1 RFID標準

目前國際上圍繞數(shù)據(jù)內(nèi)容標準為核心形成了ISO/IEC、EPCglobal、UID三大RFID標準體系。RISO即國際標準化組織，其與國際電工委員會(IEC)合作密切，ISO和IEC作為整體，參與制定多項全球國際標準，其中對于各個頻段的RFID也都頒布了標準。RFID領(lǐng)域的ISO/IEC標準包括技術(shù)標準、數(shù)據(jù)內(nèi)容與編碼標準、性能與一致性標準和應(yīng)用標準4大類，并主要在RFID的相關(guān)技術(shù)特性、技術(shù)參數(shù)和技術(shù)規(guī)范等方面做出了規(guī)定。EPCglobal標準由歐美跨國公司主導(dǎo)，其核心成員包括沃爾瑪、麥德龍、思科、吉列等全球知名公司，是全球最大的RFID標準組織。EPCglobal標準主要面向物流供應(yīng)鏈領(lǐng)域，把解決供應(yīng)鏈的透明性和追蹤性作為目標，其提出的物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)包括EPC編碼、EPC標簽及讀寫器、Savant管理軟件、ONS服務(wù)器和EPCIS服務(wù)器等。UID目標也是構(gòu)建一個完整的RFID標準體系，目前獲得微軟、索尼、三菱、日立、日電、東芝、夏普、富士通等企業(yè)的支持。UID中心的泛在識別技術(shù)體系架構(gòu)主要包括泛在識別碼(ucode)、信息系統(tǒng)服務(wù)器、泛在通信器和ucode解析服務(wù)器等四部分。

2.2 RFID 系統(tǒng)組成

一般而言，基于RFID的裝備管理系統(tǒng)主要由RFID標簽、讀寫器以及應(yīng)用系統(tǒng)三部分組成[16]。

圖1 RFID系統(tǒng)組成

RFID標簽由芯片和天線組成，芯片中包含有唯一的ID，與裝備信息進行關(guān)聯(lián)，用于裝備的定位、跟蹤。讀寫器主要包括手持讀寫器、桌面讀寫器、無線采集設(shè)備、有線采集設(shè)備以及通道門檢測系統(tǒng)等，用于識別RFID標簽，同時將采集信息傳送至應(yīng)用系統(tǒng)。應(yīng)用系統(tǒng)通過采集管理底層讀寫器獲取的RFID標簽信息，實現(xiàn)裝備的全生命周期管理。

2.3 RFID 標簽分類

RFID標簽常見的分類方式主要有兩種[3]：一是按照供電模式分類；二是根據(jù)工作頻率分類。

基于供電模式的不同，可將RFID標簽分為有源標簽、無源標簽以及半有源標簽三種類型。①有源標簽：標簽內(nèi)部預(yù)制有電池，能夠?qū)撕瀮?nèi)部模塊進行供電。優(yōu)點是識別距離長，無需考慮功耗問題，實現(xiàn)功能多，應(yīng)用廣；缺點是維護成本高，使用周期比較短。②無源標簽：該類標簽無內(nèi)置電池，無法主動供電，需要依賴外部讀寫器通過發(fā)射信號產(chǎn)生的電磁場能量來激活標簽工作。優(yōu)點是體積小、壽命長、成本低；缺點是識別距離短，實現(xiàn)功能少，應(yīng)用窄。③半有源標簽：綜合有源和無源標簽的優(yōu)點，內(nèi)置電池，但只起到激活的作用，在初始狀態(tài)處于休眠態(tài)，只有在處于低頻激活器的識別范圍內(nèi)，才開始對外發(fā)射信號進行數(shù)據(jù)傳輸。

基于工作頻率的不同，可將RFID標簽分為四類[3]：低頻標簽、高頻標簽、超高頻標簽以及微波標簽。RFID標簽工作頻率對應(yīng)關(guān)系如下表所示。

表1 各類RFID標簽工作頻率

本文充分調(diào)研了某中心數(shù)據(jù)機房裝備部署情況以及裝備運維管理需求，綜合考慮成本因素，采用無源電子標簽，實現(xiàn)機房機柜裝備U位定位和槽位定位以及裝備進出機房身份識別檢測。

3 基于RFID技術(shù)的裝備智能化管理系統(tǒng)總體設(shè)計

3.1 系統(tǒng)設(shè)計原則

系統(tǒng)設(shè)計遵循如下原則：

1)國產(chǎn)化：核心技術(shù)、關(guān)鍵零部件、各類軟件全部國產(chǎn)化，依靠自身研發(fā)設(shè)計，全面掌握產(chǎn)品核心技術(shù)，實現(xiàn)裝備全生命周期管理系統(tǒng)從硬件到軟件的自主研發(fā)、生產(chǎn)、升級、維護的全程可控。

2)安全性：設(shè)計和建設(shè)過程中充分考慮裝備全生命周期管理系統(tǒng)自身信息存儲、計算和交換的安全。

3)開放性：運用開放的標準規(guī)范整合裝備全生命周期管理相關(guān)的各類系統(tǒng)，采用標準接口和協(xié)議實現(xiàn)系統(tǒng)信息交換和共享。

4)集約性：充分利用已有建設(shè)成果，輔以必要的補充完善，提升裝備運行管理水平。

5)復(fù)用性：采用模塊化和平臺化研制方法構(gòu)建應(yīng)用服務(wù)體系，提高軟件復(fù)用和重用能力，方便建設(shè)成果推廣。

6)實用性：以面向?qū)嶋H應(yīng)用為原則，一切建設(shè)都是為了最終應(yīng)用，選擇可行落地的解決方案，滿足首長、機關(guān)等管理部門和一線裝備管理維護人員的切實需求。

3.2 設(shè)計依據(jù)

系統(tǒng)設(shè)計方案滿足如下技術(shù)規(guī)范：

1)《信息安全技術(shù) 射頻識別(RFID)系統(tǒng)通用安全技術(shù)要求》GB/T 35290-2017；

2)《信息安全技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)安全等級保護安全設(shè)計技術(shù)要求》GB/T 25070-2019；

3)《信息安全技術(shù) 辦公裝備安全測試方法》GB/T 38556-2020；

4)《信息安全技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)安全管理支撐系統(tǒng)技術(shù)要求》GB/T 38561-2020；

5)《信息技術(shù)裝備的無線電騷擾限值和測量方法》GB 9254-2008；

6)《信息技術(shù)裝備 抗擾度限值和測量方法》GB/T 17618-2015；

7)《信息技術(shù)裝備 安全 第一部分：通用要求》 GB 4943.1-2011；

8)《電磁兼容 限值 諧波電流發(fā)射限值(裝備每相輸入電流≤16A)》；

9)《電磁兼容 限值對每相額定電流≤16A且無條件接入的裝備在公用低壓供電系統(tǒng)中產(chǎn)生的電壓變化、電壓波動和閃爍的限制》GB 17625.2-2007。

3.3 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)采用基于RFID的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用無線和有線相結(jié)合的技術(shù)手段，結(jié)合通道檢測和機柜溫濕度等微環(huán)境實時監(jiān)控，實現(xiàn)裝備自動判讀、自動記錄、自動盤點、機柜內(nèi)部溫濕度監(jiān)控、出入機房監(jiān)控、異常告警等功能，從而完成數(shù)據(jù)機房裝備全生命周期智能化管理。

系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)和服務(wù)展示系統(tǒng)，詳見2圖所示。

圖2 局部快速索引模型

采集管理系統(tǒng)：由RFID電子標簽和采集設(shè)備組成。

數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)：由出入口管控、機柜內(nèi)部管控、日常作業(yè)管理、裝備基礎(chǔ)信息管理、系統(tǒng)管理等模塊組成。

服務(wù)展示系統(tǒng)：由統(tǒng)計分析、報警展示和三維展示等模塊組成。

4 基于RFID技術(shù)的裝備智能化管理系統(tǒng)功能設(shè)計

4.1 采集管理系統(tǒng)

采集管理系統(tǒng)包括電子標簽和采集裝備。電子標簽分為三種，包括單模電子標簽、雙模電子標簽、雙功能電子標簽。采集裝備包括手持讀寫器、桌面讀寫器、無線信號采集裝備、有線信號采集裝備、裝備識別通道、電子門禁識別設(shè)備等。功能設(shè)計如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)

4.2 數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)

數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)包括出入口管控、機柜內(nèi)部管控、系統(tǒng)管理、裝備基礎(chǔ)信息管理、日常作業(yè)管理等，通過對裝備所在物理空間的全方面監(jiān)控和裝備運行周期的全時段監(jiān)控管理，實現(xiàn)裝備全生命周期無死角管理。功能設(shè)計如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)

出入口管控模塊：包括裝備出入管控和人員出入管控等功能，確保裝備進出機房安全。

機柜內(nèi)部管控模塊：包括機柜U位監(jiān)控、刀箱槽位監(jiān)控、微環(huán)境管理、智能燈光管理和空間容量管理等功能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)機房機柜內(nèi)部實時監(jiān)控和安全管控。

系統(tǒng)管理模塊：包括權(quán)限管理、日志管理、消息公告管理和個人工作臺管理等功能，實現(xiàn)對系統(tǒng)狀態(tài)實時監(jiān)控以及運維人員的管控。

裝備基礎(chǔ)信息管理模塊：包括機(庫)房信息管理、裝備數(shù)據(jù)庫管理和裝備運行計劃管理等功能，實現(xiàn)對裝備信息的高效存儲管理和裝備運行計劃管理。

日常作業(yè)管理模塊：包括到貨驗收、入機(庫)房、裝備領(lǐng)用、出機房、自動盤點、退機房、裝備備件管理等功能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)機房的全生命周期管理。

4.3 服務(wù)展示系統(tǒng)

服務(wù)展示系統(tǒng)包括統(tǒng)計分析、報警提示、三維展示等內(nèi)容，通過直觀的圖形化展示實現(xiàn)對裝備全生命周期管理數(shù)據(jù)和裝備運行狀態(tài)的直觀呈現(xiàn)。功能設(shè)計如圖5所示。

圖5 服務(wù)展示系統(tǒng)

統(tǒng)計分析模塊：裝備統(tǒng)計分析，是對運行中和倉儲中的裝備信息進行統(tǒng)計分析，從不同角度了解裝備的使用情況、狀態(tài)信息、維修情況、匯總報表等。同時可進行報表統(tǒng)計、各要素組合查詢，形成分析圖，可導(dǎo)出相應(yīng)的Excel表。并對庫容、存量、效期等方面進行預(yù)警，包括圖形化展示、對賬統(tǒng)計、單據(jù)查詢統(tǒng)計、出入機(庫)房統(tǒng)計、收發(fā)貨統(tǒng)計、套裝備統(tǒng)計、基數(shù)裝備統(tǒng)計、機(庫)房供給實力分析、庫容預(yù)警、存量預(yù)警、效期預(yù)警等。

報警提示模塊：對裝備全生命周期管理過程中出現(xiàn)的異常情況進行報警展示，采用彈窗、圖形、聲光等多種方式實現(xiàn)報警提示功能。如裝備非法移動報警、裝備非法進出機房報警、機柜內(nèi)溫濕度超標報警、裝備逾期未保養(yǎng)維護等。

三維展示模塊：采用最新的三維圖形技術(shù)，實現(xiàn)對項目范圍內(nèi)所有裝備管理對象的虛擬仿真，以完全三維模式構(gòu)建整個機房環(huán)境。系統(tǒng)中任何裝備對象均以與實際裝備完全一致的三維模型進行展示，對裝備類型應(yīng)有單獨對應(yīng)的模型。采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的全三維展示方式，建立三維可視化管理環(huán)境，實現(xiàn)機房、機柜、裝備級全三維瀏覽和全鼠標操作?？梢詫θS場景實現(xiàn)放大/縮小、上下左右的平移和任意角度旋轉(zhuǎn)等操作。具備機房漫游功能，可以第一視角方式體驗在機房內(nèi)任意走動的場景。

5 原型系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，基于物聯(lián)網(wǎng)、無線電通信、數(shù)據(jù)庫管理、人臉識別以及三維可視化建模等技術(shù)，構(gòu)建一套基于RFID技術(shù)的數(shù)據(jù)機房裝備智能化管理原型系統(tǒng)。如圖6和圖7所示。

圖6 原型系統(tǒng)登錄界面

圖7 原型系統(tǒng)管理界面

系統(tǒng)前端管理界面實現(xiàn)數(shù)據(jù)機房裝備從驗收、入場、設(shè)備上下架、設(shè)備運行監(jiān)控、設(shè)備退役報廢等全生命周期管理。系統(tǒng)后端通過數(shù)據(jù)庫存儲管理底層采集設(shè)備實時采集的設(shè)備信息，記錄設(shè)備參數(shù)信息、運行狀態(tài)信息、設(shè)備變更信息、告警信息等內(nèi)容。

圖8 原型系統(tǒng)三維展示界面

通過3D可視化技術(shù)，以三維視圖展現(xiàn)機房、機柜和裝備使用率和剩余率，以及各項資源容量綜合對比，不同色彩分割展現(xiàn)不同容量范圍的機柜空間，可顯示統(tǒng)計范圍內(nèi)的U位空間容量，顯示總空間、已用空間和使用率等詳細指標，同時能夠?qū)崟r顯示裝備異常告警信息，便于快速定位故障設(shè)備，提高裝備管理效率。

6 結(jié)語

針對機房裝備管理涉及到貨驗收、出入機房、裝備上架下架、裝備位置變動、裝備運行狀態(tài)、裝備維修報廢、裝備備件管理等全生命周期的諸多環(huán)節(jié)，主要依靠人工登記記錄和簡單信息系統(tǒng)管理等手段，管理過程繁瑣、容易出錯，管理效率低下且資源利用率低。本文提出一種基于RFID的數(shù)據(jù)機房裝備智能化管理技術(shù)。解決了人工管理和簡單信息系統(tǒng)管理存在的盤點效率低下、能力底數(shù)不清、審批周期長的問題，實現(xiàn)機房裝備到貨驗收、出入機(庫)房、上架下架、運行環(huán)境、維修報廢、備品備件管理等全生命周期的智能化管理。