基于模塊化技術的高校數據中心建設與應用

摘要：作為萬物智聯和海量數據的堅實底座，數據中心在“智慧校園”的建設中發揮著不可或缺的作用。然而，傳統數據中心面臨維護難、擴展難、效率低、能耗高、建設周期長等諸多問題。文章以中國藥科大學為例，探討了智能模塊化數據中心的設計理念、技術特點及其在高校中的應用成效，為高校數據中心建設提供參考。

關鍵詞：數據中心；模塊化；機房；信息化

中圖分類號：G432" " " "文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）24-0095-03

開放科學（資源服務） 標識碼（OSID）

0 引言

隨著智慧化校園賦能越來越普及，數據中心作為支撐信息系統運行的核心基礎設施，在推動數字化轉型中發揮著至關重要的作用。但是，傳統數據中心的建設面臨著諸多棘手難題。

首先，有限的資金難以支撐起從前期規劃、硬件采購到后期運維等一系列繁雜且耗資巨大的環節。其次，新技術層出不窮，數據中心的建設剛有起色，可能就已經落后于前沿技術標準，更新換代的壓力巨大。再次，緊張的建設空間也給數據中心的布局與拓展設下重重障礙，隨著數據量爆炸式增長，既有設備容量的局限，機房很快就不堪重負，難以為日益增長的教學、科研與管理需求提供穩定、高效的數據服務。

因此，傳統數據中心存在配電系統結構不穩定、整體結構布局不合理、空間有限、擴展性差等歷史問題，現有基礎設施已不能滿足未來高校信息化不斷發展的需求[1]。

面對這些挑戰，Sun公司推出第一個集裝箱式數據中心“黑盒”，引發業內關注。隨著云計算的普及，物聯網技術的廣泛應用，新興科學技術的高效管理和靈活擴展能力在應對此挑戰時扮演著愈加重要的作用。

1 傳統數據中心存在的問題

在當今數字化突進的時代，新挑戰與新需求持續涌現，如：高帶寬、低延時、高效制冷、低能耗等。傳統數據中心建設模式愈發難以契合日新月異的需求，弊端主要集中在以下維度：

（1） 運維效率低

首先，匯聚、接入在原有網絡交換設備或有線線路出現故障時，運維工作量大、效率低、擴展難。尤其是膠紙標簽易脫落，長時間的使用導致字體模糊，無法辨認，亟需簡化運維。

其次，運維存在眾多潛在風險，如火災水災風險、設備單點風險、設備單電源風險、光模塊風險、光纜線纜風險和交換機預配置風險。龐雜的通信網絡、大量計算機設備和7×24小時連續不間斷長期運行，注定了機房運行風險的客觀存在。

（2） 管理復雜

首先，數據中心業務系統繁多，且承載著大量不同業務部門的業務，有大量物理機設備的存在，造成出現故障時難以快速定位和排除。

其次，數據中心機房相關設施基本到位，但是匯聚機房和接入機房缺少監管。管理不到位，人員進場操作沒有記錄。弱電間淪為物業雜物間，堆放的各種易燃物造成校園消防安全隱患。

智慧化校園應用系統加速建設、基礎設施需求持續攀升，信息化服務邁向更高水平、網絡安全被寄予更高期望，這些與相對滯后的機房建設矛盾愈發尖銳。

2 模塊化數據中心機房設計理念與技術特點

模塊化數據中心是一種預制化、模塊化、易于部署和擴展的數據中心設計方案。它將傳統數據中心的各個組件集成在一個標準化的模塊中，一個標準模塊即為一個數據中心。依據使用需求，可擴展成兩聯機、三聯機等N+X形式。如圖 1所示。

模塊化數據中心在全封閉的標準機柜內，模塊化整合包括但不限于空調、UPS、PDU、PDF、布線、照明、制冷以及綜合管理系統等綠色智能基礎設施，為全部IT設備提供穩定可靠的運行環境。標準智能模塊化數據中心機柜示意圖如圖 2所示。

2.1 設計理念

智能模塊化數據中心是新一代數據中心部署形式，其理念源于“積木式”構建方式。將傳統數據中心劃分為若干個獨立模塊，每個模塊都具有獨立的功能和特性。然后，按照模塊化的方式進行組構，這種設計方式使得數據中心的建設和擴展變得像搭積木一樣簡單快捷，最大程度降低基礎設施對機房環境的耦合。

2.2 技術特點

（1） 快速部署。由于各個模塊都是預先設計好的，因此模塊化數據中心機房可以在現場進行快速安裝和調試，使得數據中心的建設達到無工程化的效果，大大縮短了傳統工程施工作業周期，解決了施工管理難問題。

（2） 標準化與高可靠。模塊化數據中心機房采用標準化設計，各個模塊都遵循統一的規范和標準，且在工廠內預制完成，保證了模塊化的高質量。

（3） 分期建設與靈活擴展。高校可以根據業務按需部署，既降低了數據中心初期投資，又避免了國有固定資產的閑置浪費。隨著模塊動態的增減，既降低了數據中心在使用中的生命周期成本，又保證了數據中心在使用中的基礎設施配置保持一個最佳狀態。

（4） 高效節能。模塊化數據中心機房采用先進的節能技術和綠色IT理念，通過優化設備配置，讓供電和制冷系統的容量與負載需求更為匹配。冷通道封閉隔離，冷熱氣流互不干擾，避免了風量和冷量損耗，實現能源節約環保。

2.3 關鍵系統

（1） 電源系統

數據中心電源系統是數據中心最重要的組成部分之一，通常由兩種類型的電源組成，分別是市電電源、UPS電源。市電電源是數據中心主要的電源來源，可靠數據中心要求引入兩路市電電源。UPS電源是備用電源，用于在市電停電或電壓波動時保障數據中心的電力供應。

模塊化數據中心采用模塊化電源系統，確保每個模塊都具備獨立的電源供應能力，能夠實現在線熱插拔和更換，從而滿足數據中心對高負荷、高可靠性和快速故障恢復的需求。

（2） 冷卻系統

模塊化數據中心采用先進的冷卻技術實現數據中心制冷，以確保設備在高負載下的穩定運行。典型的制冷方式主要有風冷、水冷和液冷三種。

在相同規模的機房，采用風冷方式的PUE值在1.5～2.0之間，能耗較高。水冷方式制冷PUE值在1.3～1.5之間，優點更節能省電，缺點是在使用過程中可能會產生一定濕度。液冷技術的PUE值通常可以低至1.1甚至更低。但是，液冷技術目前屬于創新技術，存在標準不統一、成本高等缺點。

（3） 智能監控系統

數據中心機房設備數量多、種類多、價值高、使用周期長，需要切實可行的智能監控管理系統，為機房的安全運營提供有力保證。通過采集模塊對機房各模塊組進行數據采集，統一實時監測、告警，將數據快速發送給指定人員，及時定位問題根源[2]。

（4） 綜合布線系統

數據中心猶如“數字心臟”，匯聚的計算機網絡設備縱橫交錯，綜合布線必須做到科學嚴謹、合理有序。兼容性是第一要素，要確保布線部件、設備之間相互適配；開放性原則要求布線方案不能局限于特定廠商品牌；靈活性也不可或缺，合理的布線規劃須能輕松應對不同區域場景的功能變更，快速實現線路調整；可靠性更是重中之重，穩固鏈路的選用搭建，保證網絡長時間穩定傳輸數據，最大限度減少故障發生率。同時，秉持先進性原則，讓網絡具備一定的前瞻性，從容應對未來較長時間的技術迭代。經濟性原則在滿足上述各項要求的基礎上，選擇合理長度的網線，避免浪費，控制成本，達成性能與成本的最佳平衡。

（5） 消防報警系統

消防系統是數據中心機房必不可少的一個保障。當防護區內探測器發出報警時，自動釋放滅火氣體使其均勻地充滿整個保護區，保證區域中的任意部位火災都可被完全撲滅[3]。

（6） 資產管理系統

資產管理系統是在對機房相關實物資產進行全生命周期管理，給用戶提供面向內部統一的資產管理平臺，并為機房容量管理、配置管理等IT服務管理提供數據接口，協助管理員高效運維機房業務[4]。

資產管理的方式主要有：便簽管理、條碼管理和RFID 管理。便簽管理在三者中綜合成本最低，使用最廣泛；條碼管理依賴掃碼設備，成本高一些；RFID管理擁有最高的準確率，但標簽成本頗為高昂。

3 建設成果

我校江寧校區數據中心機房升級改造采用國家B級機房建設標準，目標為未來10～20年的信息化發展打造一個可持續發展的數據運行環境。中國藥科大學數據中心選擇建在圖書館7樓，地理位置優越，無洪澇災害風險。機房處在圖書館，圖書館地面承重標準為500kg/平米，配合自由體圖、散力承重支架能分散樓板承重力，滿足樓板地面承載力設計值要求。

智能化模塊由8臺服務器、2臺網絡匯聚、2臺導風柜、2臺電池柜、底座及冷通道封閉組件構成。模塊外型尺寸為寬、深、高分別為3 600mm、5 700mm、2 970mm，內部走道為1 200mm。數據中心機房示意圖如圖 3所示。

（1） 節約空間

我校根據實際需求將數據中心劃分為數字化校園數據中心、網絡數據中心、財務數據中心、托管數據中心和監控數據中心。

每9個機柜整合為一個緊密協作的模塊組，這種分組模式經過精密測算與實踐驗證，能最大程度優化資源配置。每組配置1個配電列頭柜，負責電力的精準分配與調控，保障電力供應穩定無虞；搭配2個配線列頭柜，讓錯綜復雜的線路得以有序連接；再加上14個服務器設備柜，累計拓展出126個機柜位。

（2） 綠色節能

從兩個不同220kV主變電站引入兩路10kV市電，容量為12 000kVA。大樓配電室引入雙路電源經過ATS后接入市電輸入配電柜，兩臺400KVA UPS分別可提供15kW、6kW、3kW三種容量。機柜內雙路PDU保證機房電子設備雙電源供電。

冷卻系統單元安裝在機柜底座，不占用微模塊空間。采用深度節能智能群控技術，服務器最大功耗為6.5 kW/Rack，核心網絡最大功耗為12k W/Rack，末端空調節電率達70％以上。截至2024年12月，完成1年累計節電1.4萬千瓦時。數據中心PUE從2022年的1.45持續壓降至2024年的1.36。

（3） 維護高效

數據中心監控采用一體化的網管和動環綜合管理，實現對數據中心基礎設施的環境監控，管理人員通過瀏覽器遠程實現機房規劃、拓撲管理、設備監控、告警管理、PUE分析等功能[5]。

（4） 布線美觀

為避免強電信號與弱電信號的干擾，采用強電下走線、弱電上走線的方式，微模塊走線橋架敷設線纜[6]。模塊化數據中心與傳統數據中心的建設管理對比如表 1 所示。

4 總結

模塊化數據中心作為一種新興的數據中心部署方式，具有高效性、靈活可擴展性和高效能性，解決了傳統數據中心建造面臨的一些難題。隨著人工智能等高性能計算應用的發展，數據中心的功率密度要求不斷提高。未來模塊化數據中心如何支持更高的單機柜功率，如何采用更加綠色高效的液冷技術，如何進一步提升模塊的集成度等問題仍需進一步探索。

參考文獻：

[1] 張瑞康.淺談高校智能模塊化數據中心機房建設[C]//中國計算機用戶協會網絡應用分會.中國計算機用戶協會網絡應用分會2023年第二十七屆網絡新技術與應用年會論文集.中央戲劇學院信息網絡中心;2023：4.DOI：10.26914/c.cnkihy.2023.055353.

[2] 高翔.模塊化數據中心機房建設[J].通信設計與應用，2019（5）：68-69.

[3] 黃波.大型綜合醫院數據中心機房建設的實踐[J].微型電腦應用，2022，38（7）：140-143.

[4] 魯學亮.高校智能模塊化數據中心機房建設[J].電腦知識與技術，2018，14（30）：40-42，45.

[5] 盧嵐，蘭文臣，張祥勇，等.預制模塊化分布式數據中心機房的設計與建造應用研究[J].綠色建造與智能建筑，2024（1）：99-104，124.

[6] 林志偉.中職模塊化數據中心建設的探索與實踐[J].創新創業理論研究與實踐，2020，3（7）：16-18.

【通聯編輯：梁書】