鯨(jīng)品堂|數字孿生搭高台,溫控節能唱新戲

2023-07-24 865

“孿生”的基本思想(xiǎng)最(zuì)早(zǎo)起源於1969年的阿波羅計劃,通過留在地球(qiú)上的航天(tiān)器對發射(shè)到太空的航天器進行工作狀態的仿真(zhēn)模擬,進而輔助航天員完(wán)成決策,減少各種操作結果的未知性(xìng)。


從2002年開始,數字孿生的概念和定義在不同領域逐漸被提起和重視。數(shù)字孿(luán)生的定義在不同時間階段、不同運用領域(yù)會有所不同(tóng),每個階段的定義如下:



階段一:“數(shù)字孿生”概念首次提出(chū)

在虛擬空間構建的數字模型與物理實體交互映射,忠實地描述物理實體全生命周期(qī)的運(yùn)行軌跡。



階段二:“機身數字孿(luán)生體”概念首次提出(chū)

孿生體是一個由數據、模型和分(fèn)析工具構成的集成係(xì)統。該係統不僅可以在整個(gè)生命周期內表達飛機機身,並可(kě)以依據非確(què)定信息對整個機隊和單架機身進行(háng)決策,包括當前診斷和(hé)未來預測。



階段三:“數字孿生體”首次獨立使用(yòng)

集(jí)成了多物理量、多尺度(dù)、多概率的係統(tǒng)或飛行器仿真(zhēn)過(guò)程(chéng)。



階(jiē)段(duàn)四:標(biāo)準化組織開展研究

數字孿生體是現實事物或過程具有特(tè)定目的(de)的數字化表達(dá),並通過適當頻率的同步使物理實例與數字實例之間趨向一致。



階段五:國(guó)內組織開展研(yán)究

數字孿生是綜合運用(yòng)感知、計算(suàn)、建模等信息技術,通過(guò)軟件定義,對物理空間進行描述、診斷、預測、決策,進而實現物理空間與虛擬空間的(de)交互映射。


從這些定義中對比分析可以發現數字孿生的幾(jǐ)個關鍵點

  • 數字孿生體是對物(wù)理實體進行的高保真的數字化建(jiàn)模

  • 物(wù)理實體和數字孿生(shēng)體之間需要進行(háng)相互(hù)交互,實(shí)時映射和控製

  • 數字孿生體具備(bèi)智能化能力(lì),可對物(wù)理空間進行診斷、預測、和(hé)仿真(zhēn)模擬




建模:數(shù)字孿生(shēng)關鍵點




從數字孿生定義及其特點會發現,建模是創(chuàng)建數字孿生體(tǐ)的核心關鍵點,也是數字孿生(shēng)體進行上層操作的(de)基礎(chǔ)。建(jiàn)模不(bú)僅包(bāo)括對物理實體的幾何結構和外形進行三維建模,還包括對物理實(shí)體本身(shēn)的運(yùn)行機理、內(nèi)外部接口、軟件與控製算(suàn)法等信息進行全數字化建模。


數字(zì)孿生建模具有(yǒu)較強的專(zhuān)用特(tè)性,和其孿生應用麵向的領域密切相關。国产亚洲熟妇在线视频科技結合在機房中使用數字孿(luán)生技術的應用場景,需要對整個機房結構、設備狀態進行建模,抽象總(zǒng)結了相應的的孿生體需要具有六類數據,構建了機房(fáng)場景的“六麵孿(luán)生體建模”方法。


圖片關(guān)鍵詞



第一麵:數據信息(xī)模型

定義孿生體的基礎信息,此部分和傳統的管理方式基本一致。例如:給設備(bèi)賦予一個中文名字,在數據庫中記錄其生產廠家、型號、價格、購入時(shí)間、功率、維護人(rén)等,方便日常的(de)管理維護。



第二麵:幾何位置模型

數字(zì)化描述兩個信息:①仿真描繪孿生(shēng)體的(de)外觀畫(huà)像,尺寸大小。通過模擬其(qí)幾何模型,紋理(lǐ)貼圖,環境光照,以(yǐ)及狀態特征化表現,目標與真實物體1:1的呈現。②記錄其空間坐標,戶外設備記錄GIS坐標(經度、緯度(dù)),室內設備記錄其相對空間(jiān)內的坐標(x、y、z)。



第三麵、性能數據模型

仿真(zhēn)物體的實時運行(háng)狀態,實時記錄設備、網絡(luò)運(yùn)行過程中的能(néng)耗、容量、帶寬、時延等。並通過對性能指標的分析,模擬孿生體的健康情況,防止性能劣變,杜絕隱患於未然。



第四麵、告警數據模型

當現實發生(shēng)故障,孿生體發(fā)出告警,有兩種(zhǒng)情況:①告警內生,當(dāng)性(xìng)能劣變到閥值(或滿足第(dì)五麵規則),自主產生告警。例如(rú):傳(chuán)感器溫度超過允許值告警。②被動告警,孿(luán)生體接收到設備告警信息後,產生告(gào)警。



第五麵、運行規則模型

定義孿生體內部的業務邏輯,區別於傳統(tǒng)數(shù)據模型,此部(bù)分(fèn)具(jù)體表現可以是一段代碼、一(yī)個算法、一個表達式或一個流程。例(lì)如:當戶外(wài)溫度<機房溫度,執行熱交換策略,打開(kāi)機房新風,並(bìng)逐漸提(tí)升或關閉(bì)空調。這一段執行過程的邏輯可定義為運行規則模型。



第六麵、控製反饋(kuì)模型

對孿生體進行操作,發出命令執行後,其信息發生變化,給出仿真反饋。例(lì)如:按下某空(kōng)調孿生體的溫度下調按鈕,係統向真實空調係統發出指令,執行成功後反饋其運行溫度,且機(jī)房內溫度環境變化在溫度(dù)雲圖上實時體現。


基於上述建模方法構建(jiàn)的孿(luán)生機房,可以應用於機房空間的規劃場景、機房內設(shè)備的運維和(hé)調控場(chǎng)景、機房內設備的模擬割接場(chǎng)景、機房故障/隱患分析預測等等的(de)業務(wù)場景中。


在孿生機房的基礎上進行機房溫度調控(kòng),將改變機房溫控(kòng)隻能通過運維人員定時(shí)巡檢查(chá)看溫(wēn)度傳感器的數值、監控傳感器報警信(xìn)息,靠人工方式對製冷係統進行(háng)狀態調節的傳統方式(shì);將實(shí)現(xiàn)機房溫度分布仿真和模擬、提前預測和多手段自動調控,改變被動調控為主動調控,確保機房溫度(dù)始終維持在(zài)安(ān)全範圍內,從而進一步實(shí)現機房PUE壓降。



機房溫控老題新解




在傳統模式下整個機房空間的(de)各類設備布局、溫度(dù)分布無直觀的展示;調控的方式相對單一且借助運維經驗;無法提前主動對溫度進行(háng)調節。通過引入數字孿生(shēng)技術(shù),結合機房的六麵模型進行數據融合處理分析,實現機房孿生可視、機房三維溫度的預測和模擬、多(duō)因(yīn)素融合主動溫(wēn)控。


圖片關鍵詞


現階段(duàn)孿生機房溫控的目標是實現機(jī)房溫度趨勢預測、製冷設(shè)備/機(jī)組多參(cān)數最優控製、製冷設備參數調整效果模擬仿真。


結合機房內各類設備的孿生特性,還可以進一步對發熱源設備進行調整,關停設備、減少發熱量、優化散熱(rè)等,從源頭實現機(jī)房溫控(kòng)。包括不(bú)限於如下(xià)場(chǎng)景:

  • 機架U位容(róng)量規劃,仿真模擬設備上架位置調整、優化散熱和溫度傳播

  • 高發(fā)熱設備業務分析,仿真模擬(nǐ)業(yè)務割接、設備(bèi)割接或退網

  • 動力設備負載分析,降低空載(zǎi)發熱損耗

  • 照明/監控類設備溫控,實現自動(dòng)開(kāi)關



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機房幾何位置建模



為了完整實現整個業務場景過程,從園區的幾何建模開始,到樓棟樓層、機房、機房內的各種設備(機架、動力設備、製冷設備、IT設備、傳感(gǎn)器、監控設備(bèi)等)、以及各類管線的幾何建模,保證孿生場景的業務操作的(de)完整性。


通(tōng)過機房空間位(wèi)置設計器,靈活的實現各(gè)類設(shè)備在(zài)機(jī)房內的(de)相對(duì)位置的建模,從而實現孿(luán)生機房的(de)場景(jǐng)構建,為後續各類業務應用做好準備。

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機房性能和告警建模



針對機房溫控場景中性能和告警數據,是機房的實時三維溫度雲圖,以及從雲圖中實時計算(suàn)分析(xī)其中超過限(xiàn)製的熱(rè)島區(qū)域。


在對(duì)機房三(sān)維溫度雲圖建模時,需要獲取溫度傳感器器的實時溫度數據(傳感器的性能模(mó)型)和超過限定的溫度告警數據(傳感器(qì)的告警模型),同時結合結合傳感器在機房中的空間位置,實現機房三維溫度雲圖的建模,從而(ér)實現了機房內各個區域的溫度精準掌控。


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機房運行規則建模



為了改變(biàn)當(dāng)前被動調(diào)控為主動調(diào)控,涉及(jí)到機房溫控過程(chéng)中的運行規則主要有3個方麵(miàn):



機房溫度(dù)變化預測

機房內的各個孿生體記錄下溫度(dù)這個指(zhǐ)標數據,通過積累的曆史數據,使用趨勢預測算法實現提前(qián)預測將來一(yī)段時間內的機房溫度變化,趨勢預測算法可以使用時(shí)序分解算法、LSTM算法,在訓練模(mó)型是將傳感器(qì)溫度作為主要數據,IT設備的溫度散(sàn)熱、季節性的室溫、節(jiē)假日信息作為影響參數,綜合訓練出適(shì)用的趨勢預測模型。



最優路徑製冷設備搜索

在機房三(sān)維溫度雲圖中找到熱島區域位置後,通過機房空(kōng)間距離(lí)、風道路徑設計等信(xìn)息結合空間路徑搜索能力實現最優路徑查找,找到熱島附近的製冷設(shè)備(bèi),從而得到了最(zuì)直接的溫度調控對象。相應的查找方式有:空間距離(lí)範圍搜索、風道矢(shǐ)量路徑搜索等。

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多種溫控策略的(de)最優節能參數(shù)搜索

數據中心在設計其空調係統時,往往會引入多種降溫節能模(mó)式,比如:

  • 雙冷源空調機組:根據不同季節、以及不(bú)同的室內外(wài)溫差選取采用風(fēng)冷交換熱量、還是水冷交換熱量,還是(shì)通過壓縮(suō)機交換熱(rè)量

  • 新風係統:在冬季室外溫度低於室內時,直接采用新風係統進行降溫,降低空調(diào)的使用節約能源



分析發現當(dāng)機房(fáng)內出現熱島(dǎo)時除了查找到最優的空調外,還存在其他多種的控製方式,如:空調停機+新風啟動;新風關閉+空調壓縮機啟動;空調壓縮機關(guān)閉+水冷交換啟動等等。即除了達到滿足機房溫度要求外,還需要尋找能耗最低的控製參數。


通過粒子群優化算法(Particle Swarm Optimization, PSO),在多種降(jiàng)溫模式內進行最優解的搜尋,快速獲取和定位製冷設備的狀態,給出控(kòng)製調整參數,在滿足降溫的前提下,保(bǎo)障能耗最低。


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機房控(kòng)製反饋建模



機房的控製(zhì)實際是對機房內設備的(de)控製,針對溫控場景的控製,是對(duì)末端空調設(shè)備、製冷機組的參數調控。


在定義空調、製冷機組的控製(zhì)模型時,針對(duì)可以(yǐ)調整的參數進(jìn)行(háng)了相應(yīng)的指(zhǐ)令(lìng)和(hé)接口定義。通過機房的運(yùn)行規則模型分析出來的調控參數和最優製冷設備,將需要調控的參(cān)數(shù)下發(fā)給對應的製(zhì)冷設備上,從而實現機房溫度的控製。


機房的(de)反饋(kuì)模型重點是指(zhǐ)模(mó)擬仿真反饋,即(jí)當機房的運行規則模型主動分析了調控(kòng)參(cān)數後,通過將各類調控參數和溫度變(biàn)化之間(jiān)的關聯關係建立AI算法(fǎ)模型,進行調控效果的反饋和仿真,模擬參數下發後的調控效果。通(tōng)過機房溫度三位雲圖模擬出現出來。


通過AI算法提前預測溫度(dù)變化,在多種溫控調參的(de)策略下智能選擇能耗最(zuì)小的策略,針對(duì)選擇的調控參數進行仿真模擬,預測驗證調控效果,最終獲取最(zuì)優的調控策略物理下發(fā)給空調/BA係統執行。


圖片關(guān)鍵詞


將機房的(de)六麵模型數據(jù)進行融合貫通,通過上述過程的強化學(xué)習和持續優化,最終實現機房溫度主動精準調控,進一步壓降機房能耗PUE。


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