基于數字孿生技術的廣電機房智能化管理系統

葉逢春

（余姚市融媒體中心，浙江 寧波 315400）

0 引 言

廣播電視機房是數據存儲、數據播發的樞紐，每天都在產生、傳遞、處理海量的數據。隨著信息技術的快速發展，機房的數據安全正面臨越來越多的安全隱患[1]。目前的機房管理存在以下問題：一是大規模設備、復雜環境下的監控系統，無法做到監控數據實時同步、快速響應，發生問題以后很難進行應急處理；二是現有監控系統可視化效果較差，機房監控數據主要顯示的是二維圖像和數據報表等，無法直觀展示機房設備的狀態；三是現有的監控系統人機交互性能較差，使用者在操作的時候使用計算機進行查看，很難進行沉浸式訪問機房內部。為此，升級機房管理正成為各地廣電單位迫在眉睫的主要任務之一[2]。余姚市融媒體中心借中心大樓改造建設的契機，將數字孿生技術應用于機房的管理。數字孿生借助多種傳感器獲取數據，采用數字化的表達方式，建立與機房物理實體相似的虛擬化模型，并利用實際測量、仿真計算等方法，實時分析當前物理實體的狀態，實現了模型信息同步，很好地解決了目前機房管理存在的問題。

1 基于數字孿生技術管理環境的構建

1.1 廣電機房設備三維建模

機房三維建模是將物理機房內的設備、機房場景等映射到計算機系統中，主要采用Blender建模軟件構建機房三維模型，并借助WebGL三維引擎庫將模型添加到畫布上，最后完成渲染[3]。建模時，首先測量機房設備結構、尺寸和相關材質，同時收集設備的實物照片，利用Blender建模軟件建立一個立體模型，在編輯模式下立體縮放設備的X軸、Y軸、Z軸，建立與實際設備完全一致的模型。模型建立完成以后，為使模型更接近實際，將設備模型導出，利用Photoshop軟件進行簡單的紋理操作處理。

1.2 廣電機房場景構建

廣電機房場景構建是機房在完成主要設備模型設計以后，將設備模型放置在虛擬化場景中，按照物理機房的實際布局進行排列。機房采用了場景樹模型管理方法，根節點是整個機房的場景，枝節點為內部環境、資產設備及動力環境，葉節點包括服務器、交換機、傳輸線路及機柜等具體設備，布局如圖1所示。具體場景構建流程[4]如下：

圖1 廣電機房場景構建布局

（1）根據實際的廣電機房布局，部署虛擬機房各個模型所在的位置；

（2）借助WebGL的三維引擎庫構建場景設施，包括視圖窗口、門窗等，進行初始化操作；

（3）對搭建好的場景進行功能劃分，利用three.js庫中的Three.ObjectLoader方法加載JOSN格式的模型到搭建好的場景中；

（4）對搭建好的場景進行渲染，優化可視化界面。

1.3 廣電機房場景優化

機房模型建立以后，通過軟件將其加載到計算機系統。但大樓的廣電機房面積大、場景復雜，僅僅依靠計算機無法對模型進行完整顯示。為確保虛擬化場景能夠正常顯示，對場景采用層次結構模型技術作進一步優化處理。

2 廣電機房孿生數據采集

2.1 機房數據采集

孿生技術的關鍵是如何將物理機房的各項數據映射到虛擬機房。機房數據包括靜態數據和動態數據兩種[5]。其中，靜態數據是機房場景、設備的固有屬性數據，包括主要設備的名稱、型號、生產廠家、報修時間及運維狀態等，靜態數據一般情況下不會發生變化；動態數據是機房運行過程中產生的數據，包括機房設備運行狀態、設備參數和流量傳輸信息等。數據采集使用多源異構方式，根據不同設備的通信接口，實時采集設備運行參數。余姚市融媒體中心機房采用了智能數據采集設備對機房環境參數進行采集，并借助簡單網絡管理協議（Simple Network Management Protocol，SNMP）完 成 通 信 數據的采集，獲取機房設備的網絡流量、主機CPU利用率以及主要設備運行狀態等，然后由網絡管理系統負責發送管理命令，如數據存儲、數據查詢等。通過SNMP和網絡管理系統（NetWare Management System，NMS）進行數據交流，接收NMS系統下發的各類指令。

2.2 機房數據實時交互

數據交互方面，機房采用WebSocket協議進行通信。該協議能夠完成瀏覽器與服務器之間的數據交互，同時也可以讓服務器主動將信息數據推送到瀏覽器中，確保數據傳輸的實時性和有效性[6]。具體運行采用了表示層、業務邏輯層和數據層共三層次的結構。

（1）表示層。為用戶提供人機交互平臺，平臺使用three.js三維建模技術，可視化顯示機房場景，并向業務邏輯層發送請求，對返回的數據進行渲染和處理，實現虛擬機房的實時更新。

（2）業務邏輯層。根據表示層的請求，為相關業務提供操作接口。

（3）數據層。通過數據采集設備及SNMP協議獲得數據以后，將這些數據存儲到數據庫中，執行數據管理工作。

3 機房管理系統的設計與實現

3.1 系統功能概述

機房管理系統主要具有三維場景交互、場景漫游、機房監控以及異常報警等功能。三維場景交互是利用計算機實現模型和場景的操作，實現值機人員和模型之間的人機交互。場景漫游是值機人員在使用系統的時候可以通過第一人稱的視角查看廣電機房場景。機房監控是利用數據采集設備對機房主要設備進行監控，值機人員可以隨時查看主要設備的狀態，并利用虛擬化機房查看機房環境，監控機房運行情況是否正常。異常報警功能是在系統運行有異常的時候，系統可以借助頁面彈窗、手機短信等方式將報警信息通知管理人員。

3.2 三維場景交互功能的設計與實現

三維場景可以讓值機人員通過第一人稱視角來瀏覽和查看系統，屬于三維可視化系統的重要功能模塊。通過該模塊，值機人員能夠熟悉機房內部各個設備的布局，檢查機房可能存在的異常和不足。場景交互使用了碰撞檢測技術，該技術可以防止場景出現重疊現象。機房場景借助three.js庫的Raycaster類進行碰撞檢測。該方法是對移動模型的頂點坐標進行變換，獲取模型中心點指向頂點的向量direction Vertor，并且將場景中所有網絡模型定義為數組，然后利用檢測移動模型發出的射線與數組的相交情況，判斷是否有碰撞出現。值機人員進入系統以后，使用計算機改變場景的視角，系統在運行的時候會判斷場景中模型可能發生的碰撞情況，從而改變場景中的情景。

3.3 機房監控功能的設計與實現

機房監控功能采用了多種可視化監控的方式，完成機房環境和設備的監控和查看，如狀態查看、三維虛擬場景查看、視頻監控情況查看等。三維虛擬化機房借助人機交互操作以沉浸式的方式查看機房設備實時運行狀態。系統Web端數據可視化采用前后端分離的模式，在瀏覽器前端使用Echarts開源可視化圖庫，利用各種圖形展示實時數據，同時值機人員可以利用計算機進行操作，顯示對應的模塊和數據。后端采用了SpringBoot框架，在框架內部的底層將application.xml文件進行解析，然后制定MyBatis基礎配置文件和實例類映射文件的地址，并對請求數據重新整合，調用Dao方法，將數據結果寫入數據庫中。在對機房進行監控的時候，采用ElementUI組件庫的對話框彈出方式展示監控數據，如果值機人員需要查看機房內部的具體設備信息，通過數據表雙擊這個設備的模型即可。

3.4 異常報警功能的設計與實現

為了實現對機房進行實時監控，系統對機房主要設備設置了監控的閾值，這樣后臺傳輸數據能夠及時傳送到表示層。當設備數據參數大于設置的告警閾值，設備的顏色就會變成黃色；如果設備的數據參數異常情況明顯，影響機房安全的時候，設備模型就會變成紅色。管理人員可以及時查看歷史告警信息，判斷設備出現的異常，并進行針對性的操作和處理。

4 結 語

基于數字孿生技術的智能化機房管理系統實現了機房內通信設備和動環監控設備的運行狀態和參數的自動采集、分析和預警處理，提升了機房的風險預警和故障處理能力，為機房運維提供了智能決策支撐。系統也解決了機房運維監控方式單一、實時性差、透明度低等問題，有效地提高了運維效率，縮短了故障響應時間，減輕了工作人員的壓力，減少了機房運維的人工投入以及費用支出。