数字孪生技术为数据中心绿色运营“增能减负”——访北京瑞思博创科技有限公司总经理黄冬梅博士
数字文明时代的数字经济,推动了数字中心基础建设的高速发展。从公开的信息可以看到,2019年中国数据中心数量达到了7.4万个,大约占全球数据中心总量的23%。由于大量的数据中心主要从事为客户提供机柜租用、带宽租用、服务器代理运维等服务业务的特殊性,所以,数据中心硬件资源利用率不稳定,出现了核心资源利用率偏低:数据业务扩张,机柜数量增加带来压力;监控手段繁琐,难于高效管理;特别是数据中心耗能巨大,核心设备忙闲不均、环境条件冗余波动等种种问题,成为建设和运营绿色数据中心的拦路虎。北京瑞思博创科技有限公司的数字孪生技术,为数据中心“增能减负”,建设和运营绿色数据中心打开了智慧之门。
近日,北京瑞思博创科技有限公司总经理黄冬梅博士接受了本刊记者采访。
黄博士:北京瑞思博创科技有限公司是数据中心行业专业的CFD工程软件及服务提供商,成立于2009年,专门从事数据中心冷却及电子产品散热方面业务,在数据中心气流组织CFD评估分析、运维管理、节能改造、AI节能等方面有丰富的实战经验和科研实力。
公司独家代理英国FutureFacilities公司的数据中心CFD仿真系列软件6SigmaDCX,并提供技术支持和培训服务。
6SigmaDCX系列软件包括:6SigmaRoom数据中心及园区级CFD仿真软件
6SigmaRack机柜级CFD仿真软件
6SigmaET设备级CFD仿真软件
公司在中国数据中心行业活跃10年有余,积累了大量的实际数据中心项目案例,包括腾讯T-Block项目,华为乌兰察布AHU项目,阿里张北液冷项目等具有先进技术和里程碑的项目,获得行业广泛认可,并拥有良好的口碑和综合实力。公司愿景是让数字孪生技术不再高不可攀,为中国数据中心行业良性发展助力!
公司从2013年至2020年,连续8年获得多个数据中心行业权威奖项:
2013年荣获CDCC当年数据中心产品应用奖
2014年荣获CDCC当年数据中心产品应用奖
2015年荣获CDCC当年数据中心产品应用奖
2016年荣获GDCT中国高效能数据中心优秀产品奖
2017年荣获GDCT中国数据中心最佳绿色节能产品奖
2018年荣获国家科技成果奖优秀奖(二等奖)
2019年荣获NIISA技术创新项目奖(一等奖)
2020年荣获国家云计算中心科技奖卓越奖(一等奖)
公司在国内受到广大用户的认可,典型用户有华为、中兴、百度、腾讯、阿里巴巴、京东、快手、维谛、伊顿、科华数据、秦淮数据、世源科技、中国建筑设计院、中讯设计院、中移动设计院、上海邮电院、电子十一院等。
黄博士:数字孪生是在工业产品数字化基础上成长的。数字孪生概念,2002年由美国密西根大学教授提出,2011年在美国空军研究项目第一次公开使用。后续在工业产品设计生产、加工制造以及维保服务阶段都得到了大量应用。2018、2019年开始在数据中心行业兴起。
什么是数字孪生呢?按照Gartner的定义就是物理世界和数字世界的动态连接,重点体现在动态上,也就是说两个孪生兄弟(或姐妹)从出生开始就保持非常高的相似度,不仅包括外形一致,更重要的是包括心跳等指标一致。对于数据中心来说,外形一致,可以理解成实际数据中心和该数据中心的3D数字模型一致;心跳一致,则意味着各种参数一致,比如,空调送回风温度、流量、高架地板出风流量、机柜进风温度等各种参数。下面是数据中心数字孪生示意图。
黄博士:随着新基建政策的提出,数据中心行业得到了快速发展。为了适应当下互联网的需求,数据中心在国内大规模扩建,建设速度大大提高,从以前的2-3年建成,到现在的6个月建成。然而,数据中心生命周期至少10年以上,如何做好数据中心后期运维,保证数据中心的安全性、可用性和经济性将成为困扰数据中心运营的难题。
数字孪生将是能够解决这一难题的最佳途径。我们公司从2018年,开始在国内率先倡导数字孪生技术在数据中心的应用。我们利用6SigmaDCX软件搭建数据中心的3D数字模型,实现外形一致,并导入实测数据与之匹配,完成心跳一致。在建立好数字孪生模型之后,可以为数据中心运维提供更多信息,为数据中心运维决策提供依据,从而让数据中心提升业务价值。
那么数字孪生到底能为数据中心提供哪些信息?带来哪些价值?
我们先回答数字孪生能为我们提供哪些信息?我们都知道,数据中心正常运行所需的电力供应可以通过各种电力装置读取,而数据中心正常运行所需要的环境参数只能通过部署一定量的传感器采集获得,传感器数量是有限的,只能获取个别点的数据,比如,通常数据中心会根据DCIM或动环系统要求在冷通道布置几个,或者在机柜前后门布置几个温度传感器,而不可能在每一台服务器进口位置都部署,那么问题来了,只了解这一些点的温度数据是否足够?答案肯定是不够。或者又说了那在每一台服务器前后都安装传感器?首先传感器安装越多,肯定获得信息越多,但是一个机房都有几千台服务器,安装这么多的传感器,一是成本,二是复杂,不太现实。而数字孪生模型搭建好以后,通过CFD仿真可以为数据中心提供任何位置你想要的信息，这个孪生模型计算结果是连续的，不是散点。大大弥补了DCIM或动环采集数据的不足。
黄博士:好的,我们再来看数字孪生模型能为数据中心带来哪些价值?
第一，人员上岗培训，对数字模型的操作不会带来风险，因此，对新员工上岗培训，可以利用数字孪生模型进行，让新手了解数据中心并能熟练操作以后再上岗，减少人员误操作的风险。
第二,对数据中心机房数字化,可以全面获得数据中心全域热环境结果，快速定位局部热点位置及分析热点产生的原因，为故障诊断提供数据支持和依据。
第三,运维管理中设备上下架风险预测,如果没有孪生模型之前,数据中心运维中设备上下架变更,都是直接在操作,而这样的操作是不是会带来风险,只有在安装之后才有可能知道,那是不是再抬着服务器到其它机柜去试呢?有了数字孪生模型之后,所有的设备上下架都可以先在数字模型上尝试,确认没有风险再去实际机房安装部署,那么就减少传统上下架可能存在的风险。
第四,数据中心可用容量挖掘,数据中心容量利用率越高它还来的价值也越高,而如果实际数据中心容量只用到设计容量的50%,那么它的价值也就打了对折,但是剩余的50%可用容量在哪里?其实它就在那里,只是由于运维管理系统获得的信息不足,为了保险起见,运维人员不敢上架更多设备。而刚刚前面提到,数字孪生模型能为我们提供数据中心内任何位置的信息,这样将大大提升运维管理人员对数据中心的掌控,可以挖掘出潜在的可用容量,从而使数据中心找不到的50%容量可见并得到有效的利用。
第五,数据中心能效优化,基于物理的数字孪生模型通过协同仿真气流组织、空调末端、空调系统运行参数,在确保数据中心可靠性的同时,对运行参数进行调优,实现能源效率的最大,达到绿色节能的目的。
第六,可进行应急风险演练,比如突发断电情况下空调失效、电力失效等情况的应急处置预案,都可以在数字模型上进行演练,提供一些应急预案。
第七,与现在最前沿的AI(机器学习)技术结合,实现数据中心自动节能运行。这个课题国内很多公司都在研究并实践。机器学习是需要大量样本数据的,而实际数据中心运行的数据量有可能不够,也有可能很多重复数据,实际能够用于训练的样本不够,而数字孪生模型可以为机器学习提供大量实际运行中跑不出来的数据。实际上数字孪生能做的事情还有很多,我们在《数据中心建设+》这里抛砖引玉,期待更多公司更多专家的研究,让数字孪生技术在数据中心中发挥更大的作用。
黄博士:建立数字孪生模型的步骤如下:
①模型创建:将从CAD图纸创建基线模型,包括任何基本基础设施详细信息、设备布局和设备详细信息搭建3D模型;
②现场勘测:进行现场测量,包括空调送回风温度,风量等用于验证模型的数据;
③模型校准:将实际测量数据与模型仿真结果进行比较,更新基准模型,产生与测量结果一致的结果;
④仿真分析:分析数据中心性能并识别潜在问题;提供改进建议。
黄博士:针对数字孪生技术在数据中心领域的应用,我们已与多家公司进行了合作,下面举几个项目案例与大家分享。
实践案例一,国外某数据中心房间尺寸8800平方英尺,ACU数量12,机柜数量198,总冷量626kW,冗余的冷量522kW,如下图。
实践案例二,与华为的合作。从2019年5-6月,我们公司与华为开始了数字孪生技术研究合作,到目前为止,已经在华为乌兰察布和东莞团泊洼实验室得到了应用。华为的理念是自己的技术要自己先体验。这两个项目也非常具有代表性,一个是近些年火爆的间接蒸发冷却技术的应用案例,一个是相对传统的实验机房。
为此,我们在12月10日在深圳与华为共同举办了数据中心AI与数字孪生研讨会,分别向业内人士将我们的合作成果进行了汇报。AHU项目实现了室内外联合仿真,这在国内外业内都是首屈一指。
实践案例三，与中移动设计院合作，通过DCIM+仿真的方法实现数字孪生，并在移动某数据中心进行了试点部署。
按照业主的需求，每天根据当天的DCIM采集到的数据进行一次CFD仿真并存储结果数据和图片到指定的位置。具体流程如下:
每天开启计算时间与计算间隔可根据具体数据机房情况另行修改。如果模型大,计算时间长,需要把计算间隔加大。
DCIM采集到的一天数据可以取峰值也可以取平均值。计算结果保存到指定的路径,以备后续追溯时方便查找。
实践案例四,与清华大学AI团队合作。我们跟清华大学AI团队也进行了深入合作,利用Python编写AI程序,与6SigmaDCX(CFD)联动求解,实现数据中心节能运行。
大致流程如下:
通过Python可以开发各种控制程序,如模糊控制,PID控制等,以实现与数据中心匹配的控制逻辑。
请您谈一下数字孪生技术在数据中心领域的发展前景。
黄博士:在12月10日的会议中我们请到了业界大咖就此话题进行了讨论,这几位专家有来自设计院的,有来自设备商,有咨询顾问,也有业主。设计院的专家认为设计阶段数字孪生技术也发挥着巨大的作用,包括BIM和CFD技术,已在数据中心设计中得到广泛应用。来自设备商的顾问专家分享了多年的项目经验,由于运维系统提供信息有限,当前运维工作对人员需要数量庞大,如果有了数字孪生技术,可大大减少对运维人力的需求。还有专家从《三体》的“降维打击”想到了DC未来的管理:管理技术和手段一定要提升一个维度,“升维管理”才能驾驭越来越难管的DC,才能最终实现自动化的智能DC运维/运营。而数字孪生技术为升维管理提供可能。业主单位的专家更有切身体会,更期待数字孪生技术能够早日在项目上实现。
今年参加的几次研讨会,包括CDCC,GDCT,ODCC等,都可看出,AI是个不可或缺的话题，有不少学者加入，为我们数据中心增砖添瓦。目前为止,我们的研究也是刚刚起步，未来的路还很长。相信数字孪生技术在不久的将来将会成为数据中心节能运行的一种重要手段。
黄博士:数字孪生能够为数据中心带来四个方面的经济效益:
(1)降低投资风险:通过预判部署方案及优化方案效果,最大限度避免由于设计原因带来的机房运行问题,减少由于运行问题造成的机房整改投入,保护业主投资。
(2)提升运营效率:模拟机房的各种使用情况,对运营分阶段负载投入、节能运行、安全运行起指导作用。
(3)增加运营收入:平衡机房设施能力,最大化实现机房容量,增加IT机架数量,增加运营收入。
(4)减少运营支出:通过仿真优化机房运行环境,提升冷量利用效率,降低机房能耗,节约电费开支。
预则立,不预则废。数据中心建设应用数字孪生技术后,可以实现“增能减负”,提高有限核心资源算力,减少运维支出,降低运维成本。最为直接的,可以看得到的是国内用电高峰、峰谷价差政策存在,就为运营商提供了套利空间。
数据孪生技术任重道远,风光无限。
（来源：《数据中心建设+》杂志）