基于物聯網的數據中心機房3D數字孿生管理平臺

摘" 要：數據中心機房是信息化建設的主要物理承載體，機房的穩定性、可靠性直接影響信息系統的穩定運行，而數據中心機房各類設備設施眾多，接口復雜，管理難度高，文章構建了基于物聯網和3D建模技術的機房數字孿生管理平臺，通過物聯網實時感知機房運行狀態，通過3D建模疊加機房、機柜、設備等信息，實現數據中心機房集成展示、集中調度和統一處置，提升機房可靠性和運維便利性。

關鍵詞：物聯網；3D建模；數字孿生；機房管理；數據中心管理

中圖分類號：TP277；TP308 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）24-0171-05

3D Digital Twin Management Platform for Data Center Computer Room Based on Internet of Things

ZHOU Zihang1， ZHOU Mingsheng2，3

（1.High School Affiliated to Fudan University， Shanghai" 200433， China;

2.Shanghai Waigaoqiao Free Trade Zone United Development Co.， Ltd.， Shanghai" 200131， China; 3.School of Information Management and Engineering， Shanghai University of Finance and Economics， Shanghai" 200433， China）

Abstract： The data center computer room is the main physical carrier of information construction. The stability and reliability of the computer room directly affect the stable operation of the information system. The data center computer room has many kinds of equipment and facilities， complex interfaces， and high management difficulties. This paper builds a Digital Twin management platform for the computer room based on the Internet of Things and 3D modeling technology， perceives the operation state of the computer room in real time through Internet of Things， and superimposes the computer room， cabinet， equipment and other information through 3D modeling. The integrated display， centralized scheduling and unified disposal of the data center computer room are realized， improving the reliability of the computer room and the convenience of operation and maintenance.

Keywords： Internet of Things; 3D modeling; Digital Twin; computer room management; data center management

0" 引" 言

隨著數字化轉型和信息化建設的推進，作為各類服務器、網絡設備、存儲設備等信息系統承載的物理空間，數據中心機房對高安全性、高可靠性和運維便利性要求越來越高，數據中心機房涉及供電、空調、溫濕度、機柜容量等多個專業內容，其穩定可靠運行需要一套集成化的系統支撐，為機房管理方提供統一的可視化和動態化的運維平臺。

數據中心機房數字化管理近幾年是一個研究熱點。彭燦華等構建了基于物聯網技術的數據中心機房管理系統，對機房溫濕度、環境、動力、服務器等進行監管[1]。胡春瀛等構建了區塊鏈技術下的機房管理系統，為對外服務機房管理提供了管理思路[2]。董傲通等構建了機房智能管理系統，可遠程開啟機房和空調，通過集成視頻監控和門禁系統，實現無人值守[3]。趙越等構建基于RFID的機房設備智能管理架構，結合機房溫濕度采集、通道監測、人臉識別等手段，提高機房管理智能化水平[4]。吳云蕓等構建了數據中心能耗管理系統，通過機房能耗分析提升機房能耗管理和協調能力[5]。陳昕等闡述了中科院數據中心建設實踐和運維管理模式，運用了物聯感知等技術[6]。黃晉等[7]和張波等[8]通過三維動態場景實時展示機房環境和設備信息，提高機房運維可視化水平。冼鋰東等[9]構建了基于物聯網技術的機房物料管理系統，對機房設備設施進行管理。這些研究對機房數字化管理提供了思路和技術路線，一定程度上實現了機房環控、動力、設備等監控，有的學者也進行了3D建模，但整合性尚待加強，管理平臺信息與真實環境存在差異，沒有實現機房數字孿生管理。

本文基于物聯網和3D建模技術，構建數據中心機房數字孿生管理平臺。在數據中心機房加裝傳感器，通過物聯網實時感知機房各類設備設施和環境狀態。進行3D建模，將機房空間、機柜容量、設備資產、信息系統等數據中心機房動態運行態勢數字化管理，各專業集成展示、集中調度和統一報警處置，從而構建機房數字孿生管理平臺，為數據中心機房穩定可靠運行提供保障。

1" 需求分析

傳統數據中心機房管理存在如下不足：各專業系統（如供電、空調、環控等）各自為政，不能精準實時獲取機房、機柜和關鍵設備的環境監控數據；缺少動態可視化工具支撐，無法快速查看機房資源占用、能源消耗等情況，無法快速熟悉機房環境和設備情況；網管軟件可以監控服務器等設備狀態，但功能較為單一，無法監管網絡設備、機房環境設備等，無法完整及時掌握數據中心機房運行態勢[6-7，10]。

本文構建一個基于物聯網和3D可視化建模的機房數字孿生管理平臺，通過虛擬3D建模，疊加物聯網感知的溫濕度、動環、設備運行等實時動態數據，實現機房信息展示、資產管理、集中監控和集成告警等數字孿生功能。

平臺主要功能需求包括：機房、環境、機柜、設備等機房設備三維展示；機房運行信息感知和展示，如機房設備、空調、配電箱、環境、網管信息等；機房能耗展示，包括空調、電力負載、UPS狀態等[5]；后臺管理功能，如設備維護、用戶權限管理等。

2" 平臺總體設計

2.1" 平臺架構設計

如圖1所示，平臺總體架構分為數據層、接口層、交換層、業務層和展示層共五層。

數據層負責平臺數據匯集，完成機房、機柜、設備、環控等平臺相關動態信息采集和傳輸；接口層提供數據接口、圖形接口和視圖接口三個接口，數據接口負責與機房設備設施專業系統數據交互，圖形接口完成與三維模型交互，視圖接口完成3D模型呈現和人機交互；交換層完成數據處理和加工，構建機房、機柜、設備和報警等模型；業務層完成功能實現，提供3D展示、容量管理、資產管理、網絡管理、環控管理、能耗管理、報警管理、后臺管理等功能模塊；展示層可以提供電腦端、移動端及大屏端展示。

2.2" 平臺數據交互設計

如圖2所示，本文構建基于物聯網和3D模型的機房數字孿生管理平臺，平臺通過數據接口獲取外部專業系統數據，如電力監控、空調監控、網管監控、環境監控等信息；通過圖形接口與三維模型交互，三維模型包括機房模型、機柜模型、設備模型、報警模型等；平臺提供可視化展示（包括資產可視化、容量可視化、網絡可視化和報警可視化）和可視化服務（包括資產管理、網絡集成、動環集成、權限配置）兩類服務，通過視圖接口實現模型呈現和人機交互。

2.3" 平臺功能設計和架構

2.3.1" 平臺功能設計

數據中心機房數字孿生管理平臺功能上要實現3D引擎、數據接口以及資產、網絡、動環等可視化管理，具體如下：

1）3D引擎。平臺提供驅動圖形顯示的3D組件，可以基于瀏覽器訪問，無須安裝插件。可通過鼠標對3D場景進行操作，如放大、縮小、平移、旋轉等，可層級化展示機房、機柜、設備等信息。為實現數字孿生，3D建模需要與真實環境布局一致具有高度的辨識性，在機房運維過程中實現虛擬場景與物理場景一一對應。

2）數據接口。平臺為數據中心機房加裝了傳感器，集成資產展示、機柜容量、設備設施、報警信息等各類專業系統信息。

3）資產管理可視化。平臺提供3D可視化運維模式，實現各類設備設施的3D建模，包括機柜、配電柜、UPS、服務器、存儲、交換機、消防設備、精密空調等。數據中心機房3D模型中各類設備資產與真實環境一致，讓資產配置變得直觀易用。平臺建立設備索引，從而可以快速搜索、定位目標設備，查詢設備信息和配置詳情，無須頻繁出入機房便可清楚掌握設備狀況，提高資產管理效率。平臺提供便利的設備上下架管理，管理者可以根據實際對設備進行上下架配置，確保平臺信息與實際環境一致。

4）網絡管理可視化。對接網管平臺，對設備實時監控，在3D可視化場景中顯示設備的運行狀態和告警狀態，發現告警可快速定位。

5）動環管理可視化。在現有環境動力設備上加裝傳感器，采集UPS、配電柜、溫濕度傳感器等信息，實現3D場景中的運行和告警數據可視化管理。通過圖層方式疊加動環數據，方便顯示和控制，在3D場景中顯示配電柜、UPS等電力設備電壓電流等運行數據，展示空調、溫濕度傳感器等環境空置設備數據。

6）權限管理。平臺權限分為管理員權限和用戶權限。管理員可以查看所有模型及平臺數據，進行設備上下架操作，模型新增、修改和維護等操作。用戶權限只能查看特定系統模塊的模型和設備數據。

2.3.2" 平臺功能架構

如圖3所示，平臺分為容量管理、資產管理、網絡管理、動力管理、環控管理、報警管理、3D展示、系統管理等功能模塊。

具體介紹如下：

1）容量管理。平臺默認展示全部機房的總容量、已用容量和可用容量，選擇某機柜時，展示該機柜的總容量、已用容量和可用容量。

2）資產管理。平臺提供了各類設備索引樹，點擊設備名稱可查看設備詳情，平臺同時切換至該設備視角。可輸入關鍵字搜索設備，管理員可新增、編輯或刪除相關設備。

3）網絡管理。平臺對接設備網管軟件，提供機房總出口帶寬使用情況（上下行流量），各設備運行情況等信息。

4）動力管理。機房配電柜情況、UPS負載、電能消耗情況等。

5）環控管理。采集機房中消防、空調、機房溫濕度等機房運行環境信息，如選中溫濕度選項卡后，列示機房當前溫濕度和歷史曲線圖。

6）報警管理。點擊可查看報警詳情，點擊某條報警信息可定位到相關設備，設備修復后由傳感器感知，報警消除。

7）3D展示。機房、機柜、設備、環控、能耗、報警等功能與3D模型結合，實現與真實環境一致的數據中心數字化孿生管理。

8）系統管理。管理員可進入后臺管理模型，進行用戶和權限管理等操作。

2.4" 平臺功能實現

根據平臺功能設計和架構，接下來重點闡述三維建模和功能開發。

2.4.1 三維建模

如圖4所示，數據中心機房數字孿生管理平臺三維建模包括模型信息提取、模型搭建、模型渲染、模型加載、模型呈現和模型優化等過程。模型信息提取完成機房內動力、環控、網絡等各類信息跨平臺提取，通過傳感器感知并由物聯網傳輸至建模三維建模服務器；模型搭建完成機房、機柜、設備、報警等各類三維模型搭建；模型渲染通過3ds Max對模型細節進行修飾和渲染（幾何體渲染、細節渲染、紋理渲染、材質渲染、燈光渲染等），使模型更加接近真實環境；模型加載通過圖形接口完成三維模型接入、輕量化和加載加速，并疊加實時傳感器數據；模型呈現在瀏覽器中層級化展示三維動態模型，可以自動播放，支持模型放大、縮小、平移、旋轉、點選等操作；模型優化根據機房數字孿生管理需要擴展設備設施或模型內容，持續優化模型搭建、渲染、加載和呈現功能。

本文通過WebGL技術實現三維建模。WebGL技術支持常見的操作系統，如Windows、Linux、Andriod等，平臺提供便利的API接口，方便模型與多源數據交互，它支持跨平臺，建模圖形可以在不同的瀏覽器和設備上運行，可以支持硬件加速，可以利用GPU硬件加速能力，提高流暢的3D圖形性能。在動畫渲染方面，平臺調用了3ds Max進行模型渲染，實現幾何體、細節、文理、燈光等渲染建模，使得3D模型更加逼真，渲染優化如圖5所示。

如圖4所示，平臺建模工具完成基礎模型搭建，創建模型幾何體（如機房、機柜、設備等），配置幾何體參數（如名稱、類型、型號、規格、位置等），關聯動力、環控、網絡等外部信息實現動態信息獲取。三維模型通過圖形接口為平臺提供模型加載和呈現服務，平臺通過JavaScript程序調用和加載三維模型，實現三維模型縮放、平移、旋轉、點選等操作，并根據平臺運行和用戶反饋，按需擴展和優化三維模型。

為使平臺三維模型更加接近真實物理環境，實現數據中心機房數字孿生管理，本平臺通過3ds Max對3D模型進行渲染和優化。3ds Max可以對幾何體樣式、細節、紋理、材質、燈光等進行渲染，優化三維模型。如圖5所示（以設備模型為例），3ds Max軟件中導入消防設備模型（3D模型）和設備三維圖片或影像（真實設備），對模型長寬高、形狀、視角、紋理、環境等進行比對和優化，確保平臺模型中設備加載了真實設備各類相關信息，與真實物理設備和環境更加接近。模型渲染優化后，導回到建模環境，供平臺調用和呈現。

2.4.2" 平臺功能開發

數據中心機房數字孿生管理平臺采用ASP.NET進行業務功能實現以及與網管軟件對接，使用Oracle 10g數據庫進行數據存儲和管理，部分源文件如圖6所示。

平臺已在上海自貿區智慧園區機房中實現，作為園區招商管理和智慧園區運營的基礎資源保障[11-12]，平臺部分功能頁面如圖7、圖8所示。

3" 結" 論

本文基于物聯網和3D建模技術，構建了數據中心機房數字孿生管理平臺。平臺通過安裝在機房各類設備設施的傳感器感知機房運行狀態，整合機房環境、機柜容量、設備設施、電力能耗、網絡運行等數據中心機房各類動態運行信息，提供標準化統一平臺展示。基于WebGL技術進行3D建模，構建機房模型、機柜模型、設備模型和報警模型，通過圖形接口傳輸至服務器，提供機房數字孿生可視化展示和可視化服務，構建容量管理、資產管理、網絡管理、動力管理、環控管理、報警管理、3D展示等機房數

字孿生管理平臺，提升機房管理數字化和可靠性水平。

本文機房數字孿生平臺進行了3D渲染和瀏覽器加速，可以在主流設備主流瀏覽器中訪問和加載，提供了多角度多維度的機房管理3D模型，可按需進行縮放、穿透、旋轉等操作，實現與物理環境一致的數字孿生管理。平臺集成了機房及各類設備設施運行和故障信息，相比傳統網管軟件集成性高，操作便利性高。后續可以按需整合更多專業設備（如消防、精密空調、視頻監控等），提供更全面的機房孿生管理信息，也可按需增加遠程控制等功能，實現遠程值守和遠程巡檢，為信息系統運行提供更加可靠保障。

參考文獻：

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[12] 周明升，張雯.基于數據中臺和人工智能的產業園區招商服務平臺 [J].現代電子技術，2024，47（12）：150-156.

作者簡介：周子航（2011—），男，漢族，上海人，研究方向：計算機應用；周明升（1981—），男，漢族，山東昌樂人，高級工程師，碩士生導師，CCF高級會員，博士，研究方向：智慧城市、決策支持。