数字孪生技术在海关机房管理的应用与研究-中国口岸科学技术-2024年04期

数字孪生技术在海关机房管理的应用与研究

作者：张波李俊超

张波李俊超

摘要 在信息化时代，传统的粗放型数据机房管理模式已无法满足日益增长的数据量和业务运营需求，对传统的数据机房进行智慧化改造成为提升机房管理能力的迫切要求。基于以上背景，宁波海关积极开展技术创新，利用数字孪生技术对现有的数据机房进行智慧化改造，新增部署千余个物联网传感器，结合三维场景动态实时展示机房资产环境、供线管路、温湿度云图、资源容量、安防监控等关键数据与性能指标。从机房物理环境到机柜、服务器甚至其中的每一个端口，为运维人员提供智能化、沉浸式的远程运维管理新模式。

关键词 智慧海关；科技支撑；数字孪生；孪生机房

Application and Research of Digital Twin Technology in Customs Data Center Management

ZHANG Bo¹ LI Jun-Chao^1*

Abstract In the era of informatization, the traditional extensive data center management is no longer sufficient to meet the ever-growing volume of data and operational demands. The intelligent transformation of traditional data centers has become an urgent requirement for data center management. Under such circumstances, Ningbo Customs has actively undertaken technological innovation and carried out intelligent transformation of existing data centers using digital twin technology. More than 1,000 new Internet of Things (IoT) sensors have been deployed, combined with dynamic real-time display of key data and performance indicators including the asset environment, power supply lines, temperature and humidity cloud maps, resource capacity, and security monitoring of the data center in 3D scenarios. From the entire physical environment to cabinets, servers, and even every port of the data center, it provides operation and maintenance (O&M) personnel with a new intelligent and immersive mode of remote O&M management.

Keywords Smart Customs; scientific and technological support; digital twin; twin data center

信息技术的飞速发展正在快速推进社会和各行业的信息化和智慧化进程，作为支撑行业信息化的重要支撑型基础设施，数据机房的重要程度不言而喻^[1-2]。对于海关这样的数据量庞杂且需要实时进行数据交换的单位，更需要推动机房管理模式向集约化、数字化、智能化方向发展^[3]。

基于数字化时代海关机房智慧化管理的迫切需求，同时考虑到海关机房当前的实际管理需求，宁波海关创新运用数字孪生技术对机房进行资源优化配置和配套管理。本文依托宁波海关机房智慧化改造项目，旨在以宁波海关机房为对象，深入探究海关机房的智慧化改造策略，目标是构建一整套海关数据机房智慧化监控与管理系统，以提升机房的运维效率和管理水平。项目通过采用分布式采集、集中式管理的设计理念，依托数字孪生技术，针对海关数据中心构建了高可用、一体化的监控系统平台，能够协助运维人员及时、准确、全面地掌握数据中心的运行信息，为机房运维提供基础数据的有效支撑。

1 机房信息化管理现状

数字化孪生的机房位于宁波海关隶属鄞州海关大楼9楼，总面积900 m²，设有独立主机房4间，机柜122个，IT设备500余台，为海关总署测试云平台提供部分算力支持。当前该机房已配备信息化系统，但仍面临一些挑战：1）机房内现有的各专业化监控系统品牌不同，数据尚未融合；2）监控点位尚未铺全整个机房环境，运维人员仍需通过人工巡检的方式对部分设备进行健康状态检查；3）目前仍采用固定资产管理软件对机房资产进行条目式记录，运维团队需要投入大量人力进行资产账实的核对；4）原有系统的可视化效果主要运用二维图像和数据报表进行展示，对机房设备的状态展示得不够直观。

2 智慧机房数字孪生解决方案

数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。数字孪生是一种超越现实的概念，可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统^[4]。近年来，基于物理模型、前端感知和数据挖掘等技术衍生而来的数字孪生解决方案，在精细化设备运行监控、环境感知、能耗调控等方面已逐渐发挥其效能^[5-8]。孪生机房涉及动力、暖通、自动控制等多个环节协同工作，集成了各类空间和设备等物理实体与性能状态的映射，支持数据挖掘及仿真模拟，实现故障诊断及控制反馈等流程^[9]，包括以下核心技术：传感器技术、全周期数据存储、3D呈现、高性能计算等^[10]，通过多种传感器采集数据，运用数字化的方式构建出与机房实体相对应的虚拟模型^[11]，并在虚拟维度打通各环节壁垒，构建虚拟孪生模型，实现与实体机房的实时交互^[12]。同时，基于高性能计算与模拟等手段，数字孪生技术能够实现实时分析物理实体的当前状态，确保模型信息与实际保持同步，实现机房可视化运维与管理^[2]。

3 数字孪生机房体系架构

海关数字孪生机房作为大型应用体系，依托于传感器数据测量、数据挖掘、控制反馈技术，以实现各内部系统智慧共生、高效运营。该体系主要有以下五大核心建设内容：

1）智能设备装配。装配具备智能控制功能的设备，实现数字孪生体系设备运行状态映射及交互控制。装配内容主要包括配电柜、UPS设备、精密空调、智能光源等，这些设备需要有相应的数据传输接口，以便系统获取运行数据。

2）传感器部署。机房新增了1000余个物联网传感器，通过在机房不同部位部署温湿度传感器、在蓄电池上装配电池监控设备、机柜上部署U位资产管理条等，实现机房全场景数据采集。

3）系统标准化改造。数字孪生机房作为一体化体系，通过对原有的视频监控系统、门禁管理系统、消防管理系统进行标准化接口改造，最终将监控数据统一对接。

4）国产化适配。配合政策需求，适配国产化服务器、国产化操作系统、国产化数据库。同时，升级作为基础环境监控和数据收集所用的机房动力环境监控系统。

5）孪生应用建设。建设三维可视化模型和集成数据所用的数字孪生应用，实现全场景可视化建模和真实环境模拟。结合三维场景展示机房资源容量、能源消耗、温湿度变化、安全预警、电路负载、网络拓扑等关键数据，实现对机房整体环境、基础设施和信息化设备的实时监测和智能分析。

3.1 数字孪生机房硬件部署

数字孪生机房是基于对物理实体特征的观察描述，以传感器作为信息中转站，实现虚实智能交互。如图1所示，硬件部署架构分为现场设备层、现场设备采集层、数据处理层和业务应用层。其中，最上层的业务应用层是数字孪生机房的体现，通过三维可视化界面对机房环境进行模拟仿真，面向用户实现展现和交互；而其他三层都是对孪生机房的软硬件和数据支撑。

现场设备层组包括被监控的智能设备，智能设备接口通过通信线缆连接至现场设备采集层，实现采集。

现场设备采集层配置了一体化数据采集器，通过RS485接口、DI接口采集底端电力设备数据，实现底端数据解析、存储、处理、联动、上传等。

数据处理层配置了2台冗余核心服务器，能够实现主机故障时备机快速接管，确保系统正常运行；配置1台集成辅助服务器用于处理分散子系统涉及的数据运算，减轻核心服务器的资源消耗；配置1台数据发布服务器，用于通过标准北向接口将数据提供给上层平台进行集成。

业务应用层部署数字孪生机房管理系统，采用B/S架构，通过三维可视化界面对实时监控数据进行可视化展示。

3.2 数字孪生机房软件结构

为实现孪生机房从底端设备层面至交互展示层面的功能执行，如图2所示，数字孪生机房软件逻辑结构有三层：数据采集层、数据处理层和交互展示层。其中，交互展示层采用三维可视化界面展示机房仿真环境，而其他两层则作为数据支撑。

数据采集层作为系统的数据入口，负责收集系统管理所需的基础设施数据。该层通过提供标准接口及协议，接收来自前端系统的监控数据。

图2 孪生机房软件逻辑图

Fig.2 Software logic diagram of twin data center

数据处理层负责处理数据采集层的数据传输，该层通过收集与处理监控数据，实现机房环境及环境设备的全面、实时监控，提供及时、准确的报警，其功能主要包括集中接入、数据预处理、分类分级、关联分析、告警处理功能。

交互展示层结合三维场景动态实时展示机房资产环境、供线管路、温湿度云图、资源容量、安防监控等关键数据与性能指标，包括从物理环境到机柜、服务器甚至其中的每一个端口，为运维人员提供智能化、沉浸式的远程运维管理新模式。

4 数字孪生在海关机房管理中的应用

4.1 基础监控数据采集

机房监控数据的采集是数字孪生机房建设的关键环节，构成机房动力环境监控和管理应用的基础，采集的数据包括机房环境监控、机房基础设施监控和机房信息化设备监控3个方面。

机房环境监控包括：1）机房不同位置的温湿度监测；2）对精密空调和普通空调监测，控制空调启停，调节送风温湿度，监测回风温湿度；3）监测新风系统工作状态，启停控制；4）对精密空调、墙体、窗户、水管、楼内阳台、楼内阳台处的空调外机等进行漏水监测；5）消防主机监测；6）烟雾感应监测；7）监测空气中各种气体成分，检测可燃气体含量、消防气体是否泄漏、电池气体是否泄漏等；8）监测机房中粉尘浓度、成分等；9）防雷监测；10）监测机房灯光，控制灯光的开关，也可以包括其他设备的开关；11）机房视频监控的接入，能对接视频监控平台；12）监测门禁系统工作状态和管理信息，监测机房门的开关状态；13）通过红外感应监测非法入侵；14）人工巡查点位管理。

机房基础设施监控包括：1）通过配电柜监测机房电力系统运行情况，包括电压、电流、频率、功率、电度等；2）监测UPS系统运行情况，包括输入、负载、旁路的电压、电流、频率等；3）通过列头柜监测机柜功率超限、机柜开关状态、频率超限、过载、负载不平衡等；4）对蓄电池监测每个电池的电压、单体电池的温度、电池组总电压、电池充放电电流、环境温度等；5）机柜U位管理，包括基础信息管理、架位系统设置、资产管理、设备监视、资产报表等；6）在机柜上中下三块区域进行机柜微环境温湿度的监测。

机房信息化设备监控包括：1）监测服务器硬件状态，包括CPU、内存、磁盘、网络接口等；2）监测网络运行状态，包括网络设备硬件、网络故障、网络性能、网络流量和网络配置监控；3）监控部署的安全设备的运行情况，包括防火墙、堡垒机、网闸、漏洞扫描、入侵检测设备等。

4.2 机房动力环境监控系统

利用数字孪生技术对海关数据机房进行智慧化升级，需要建立一整套机房动力环境监测系统。如图3所示，该系统将机房现有的各个专业系统有机融合在一起，构建覆盖数据中心基础设施的统一化、集中化平台，支持数据中心日常监控管理工作。具体来说，机房动力环境监控系统能够将采集到的机房基础数据进行存储、处理、管理、展示等，包含监控业务、运维工具、综合管理三项功能。

监控业务包括：1）实时监控机房基础设施的状态、告警状态等信息，包含服务器、交换机、安全设备的监控，能够自动获取设备信息而无需手工维护；2）数字地图全面了解接入平台的基础设施实时状态，不同颜色区分状态是否正常；3）告警业务包括告警管理、告警配置、告警屏蔽和告警通知；4）门禁管理包括区域管理、准进时间、卡管理、门管理、卡授权和控制队列；5）视频管理包含实时预览、视频回放、轮询管理和配置管理；6）报表管理包括告警报表、历史数据报表、指标报表、日志记录、电池报表、定时报表和其他报表；7）统计分析包括百分比统计分析、同比/环比趋势图分析、设备状态大数据分析。

运维工具包括：1）配电管理以单线图的方式呈现实时配电系统的运行状态和逻辑运行关系，展示配电拓扑图和配电仿真功能；2）容量管理从设备、机架和IT设备多个维度进行管理，提供容量属性配置功能，对整个机房电力、制冷、空间等项目的容量状态通过各种图表进行展示，以实现更佳的容量规划；3）温度云图以可视化的方式呈现机房环境热力图；4）巡检管理通过线下巡检来弥补监控线上巡检的盲区或不足；5）预警管理提供数据中心预警查询、预警配置、预警等级、预警过滤和预警屏蔽功能；6）联动控制实现以时间或告警事件触发控制功能；7）移动APP，通过巡检PAD或手机进行信息查询、录入等；8）通信方式可通过南向接口服务与本地或远程设备通信，接入和集成各种第三方子系统；9）数据上传通过北向协议接口向总署运管平台上传数据。

综合管理包括：1）能耗管理包括能源驾驶舱、能源全景图、能耗节能措施、电价分析等，计算PUE、PLF、CLF、ALF等能效指标；2）资产管理，对资产进行统计、管理分析，特别是服务器、交换机、安全设备的管理，能够自动获取设备信息，并支持检索、树形菜单；3）系统拓扑，展示物理设备的拓扑连接关系，并呈现系统连接和监控设备的运行状态；4）权限管理包括权限分类、权限列表、角色权限、设备权限、区域权限和人员权限；5）日志管理包括系统操作日志、系统运行日志、系统性能日志、设备实时通信日志、异常报文跟踪和解码日志等，可详细记录系统的运行情况和用户操作记录，系统日志原则上不可被任何人修改和删除；6）任务管理或工单管理；7）综合展示，呈现关键指标信息，采用组件化配置解决方案，通过组态配置可随时调整应呈现的关键指标。

4.3 数字孪生技术实现场景可视化

数字孪生进行场景可视化是在机房动力环境监控系将采集来的机房基础数据统一处理后，通过三维可视化的方式将机房实景还原到用户眼前，运维人员能够直观地观察到设备位置、资产和环境信息，能够快速地分析环境问题并决策。宁波海关数字孪生机房系统场景可视化包含以下功能：

整体场景如图4所示，需要进行漫游设置，从地图开始缩小定位到宁波，一直缩小直到大楼，然后定位到机房楼层，楼层可以具体到每间机房和其他功能用房。

机房视图如图5所示，展示机房基本信息、资源数量统计、当前告警信息、容量统计和平均温湿度趋势图，主要包括资产可视化、管线可视化、温湿度可视化、气流可视化、安防可视化等。

管网如图6所示，实现网络、电力、消防、管道等的可视化，并实现能源或信息的模拟流动，形成网络、电力、管道拓扑图，直观了解链路层级关系和告警影响。

设备视图如图7所示，展示机柜基本信息、机架内设备、关键告警，展示机柜U位信息，直接进行设备的可视化上下架操作，展示机柜内信息化设备的基本信息、告警信息和关键指标，精细到业务板卡、端口。

5 结语

基于宁波海关机房的管理和运维现状，依托宁波海关机房智慧化改造项目，笔者在本研究中提出依托数字孪生技术进行海关机房智能化改造的创新策略。通过数字孪生技术的应用，能够实现对海关机房的实时监控、预测性维护、智能调度和决策支持，从而显著提高机房的运行效率和管理水平。同时，还部署了空调AI调节进行节能控制、构建蓄电池AI模型提高安全系数等，为数据中心设计智能化及安全运营、绿色运营、高效运营提供全过程智能化服务。这不仅有助于提升海关机房管理的智能化水平，为海关业务连续性和数据安全提供坚实的技术保障，也对信息化时代下的其他行业的机房管理具有重要的参考价值。

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