数据中心生产环境的智能化系统工程建设

文｜同济大学建筑设计研究院 蒋跃智

同济大学高等技术学院 沈 晔

数据中心智能化系统工程的建设，是为计算机设备及工作人员创造一个良好的生产环境，提供包括能源、环境、安全、监控、指挥、防灾和自动化等方面的技术支持，形成一个可靠、安全、可持续发展的空间环境。

1 建筑功能

大型数据中心分为动力区、生产区和办公区。动力区设高压配电房、发电机房及水池、水泵房、变压器房及低压配电房。生产区主要包含专用机房或托管机房区、设备维护调试区、终端操作区、网络设备区、通信设备区、网络运营管理区（如机房监控、管理、维护、运营等）、紧急事件管理区、机房配套设备区、辅助管理功能区（如接待、值班、保安等）。其中的中心机房用于核心生产业务，设有主机区、机房配套设备区和CA中心、存储设备区、外设区、通信设备区和总控中心等。办公区设有多功能厅、贵宾接待厅、相应的配套及服务设施以及各类办公室。

为数据中心服务的建筑设备主要有：

（1）电气：变电站、机房UPS供配电系统、应急柴油发电机供电系统。

（2）空调：冷热源、机房精密空调、UPS电池室的通风系统、办公区域的空调系统和机房新风系统等。

（3）给排水：消防水泵、给水泵及排水泵等系统。

2 智能化系统

智能化系统对数据中心内各种机电设备运行情况进行监视、控制及管理以延长设备的使用寿命，节约运行能耗，从而减少整个建筑生命周期内的费用支出。

2.1 BA系统

系统监控内容有供配电系统、专用空调系统、给排水系统、电梯和照明系统、应急发电系统、UPS供电系统。系统对热泵机组、空调水泵、压差旁通阀等设备进行监控，并根据设备的特点及工艺要求进行监控；按照工作区域不同的工艺要求控制空调机组及新风机组；对送风机、排风机等设备监控；对给水泵及排水泵监控，水位监视；通过网关及变送器采集高低压配电系统、UPS系统与柴油发电机的各种重要参数；对公共照明及泛光照明等进行监控；通过DDC采集电梯的各种重要参数。

（1）变配电系统（EMS）：对于高压配电、低压配电、柴油发电机、UPS系统通过采用通信网关的方式采集其有关参数，考虑到系统的安全性，BAS系统不对变配电设备进行控制，只进行监视。中央站显示、记录与打印各种参数、状态、报警、累计时间和其历史数据。

（2）冷热源站控制系统：空调冷热源系统分成两部分，一部分是办公区的空调冷热源，另一部分是生产区/动力区的空调冷热源。

根据供水管的流量及集水器、分水器的温差计算负荷，对热泵机组进行群控。机组启动后通过彩色图形显示，显示不同的状态和报警，显示每个参数的值，通过鼠标任意修改设定值，以达到最佳的工况；机组的每一状态点都有列表汇报、趋势显示图、报警显示；设备发生故障时，自动切换；程序控制冷冻水系统可达到最低的能耗与设备折旧；根据数据中心的工作日程安排自动开关热泵机组；累计每台机组运行时间自动切换，均衡每台机组运行时间，以延长机组使用寿命。

（3）照明控制：按时间程序控制公共区域照明，对照明回路运行状态进行监测。

2.2 火灾报警系统

系统设计分为自动、电气手动、机械手动三种启动方式。

自动状态下，防护区发生火警时，火灾报警控制器接到防护区两路独立火灾报警信号后立即发出联动信号（关闭通风空调等）。经30秒延时，自动启动灭火系统。HFC-227ea经管道施放到防护区，控制器面板喷放指示灯亮，同时，报警控制器接收压力讯号器反馈信号。防护区门灯显亮，避免人员误入。

电气手动状态下防护区经常有人工作，通过防护门外的手/自动转换开关，使系统从自动状态转换到手动状态，当防护区发生火警时，报警控制器只发出报警信号，不输出动作信号。由值班人员确认火警按下控制器面板或防护区门外紧急按钮，启动系统，喷放灭火剂。

机械手动状态下，当自动/手动紧急启动都失灵时，可进入储瓶间内实现机械应急操作启动。拔出对应防护区启动瓶上的手动保险销，拍击手动按钮，完成启动喷放工作。气体灭火系统在两个钢瓶间设有铜管连接，在主钢瓶间机械手动操作时，一键可释放所有的灭火气体。

2.3 安全防范系统

（1）电视监控系统：采用控制矩阵和硬盘录像机作为核心。前端设置57台彩色固定摄像机、10台一体化球型摄像机和6台室外一体化球型摄像机，以保证监视无盲区。系统采用7台16路硬盘录像机录下前端图像信号，使用17〃显示器进行多画面监视，以达到重要信号不丢失的目的。发生警情时即进行实时录像。

机房区域闭路电视监控系统对机房内的人员情况及机器运行状态等进行监控，同时为机器维护指导提供辅助手段。系统设有监控中心，为方便领导、总控中心等处对机房区域情况的了解，可设置多个分控中心，通过软件授权进行权限的设置。

监控系统通过主控/分控操作键盘控制矩阵切换器，实现遥控操作，对摄像机进行组合切换，将任意一组摄像机切换到指定的监视器上。矩阵控制器还与门禁系统联动控制。

系统同时提供四路视频信号给大屏幕显示器，能将任意一组摄像机的信号通过显示系统的分割，在大屏幕显示器上（2个单元）显示或切换。在总控室设置了10台14〃监视器（其中1台主监视器可作为报警显示）和3台17〃PC显示器组成操作台和电视屏墙。

（2）防盗报警系统：前端设置了44个吸顶式双鉴探测器和20个报警按钮，报警控制主机可对所有探头进行设防、撤防或旁路。设防时当系统发生报警，控制主机将会发出声光报警信号，提醒安保人员。同时在主机房设置报警按钮1个，警情一旦被确认，立即报至110报警中心。动力区的主控中心采用闭路电视监控与防盗报警相结合的方式。在监控中心（楼宇自动化控制中心）设控制台，承担整个中心的控制，并用以监视相关防区的图像，接收报警信息。

（3）巡更管理系统：系统采用在线方式，专设IC卡巡更点，部分门禁读卡器点由于与巡更点的位置接近，同时兼作巡更点。

2.4 通信网络系统

（1）OA网：OA网络系统采用两台核心交换机，分管理区的接入交换机通过不同的链路与两台核心交换机连接，以保证网络系统的高可靠性。为满足视频应用的需求，充分考虑OA网络的带宽和交换能力，系统支持VLAN的划分及三层交换。为了更好地利用网络资源，实现数据中心内部用户之间、管理中心之间、备份中心之间、其他城市分支机构之间以及和外部之间的语音通信，节省长途电话费，统一内部的拨号规则，实现语音信箱、无线漫游、IP视频会议等增值功能，建立融合于数据网络的IP语音系统。在此基础上构建和扩展无线通信、视频会议，实现多网合一、管理统一，充分发挥网络的效益，提高生产效率、提升服务的质量。

OA网使用两台Cisco的Catalyst4503交换机作为核心层的主交换设备，在正常工作的情况下互为备份，并行处理进而分担网络流量；而在有一台机器失效的情况下，另一台机器能接管其所有工作，两台Catalyst 4503之间使用两条千兆位的SX多模光纤链路进行连接，在连接中使用Cisco的EtherChannel技术把光纤链路捆绑成为一条光纤链路，在一个逻辑链路中最多可以合并4个千兆以太网链路，设备间的吞吐量可达8Gbps。

IP电话通信采用Cisco的CallManager解决方案。基于Cisco AVVID（集成语音、视频和集成的数据体系结构）体系架构上的IP语音系统具有标准开放的体协结构、地理位置无关性、快速应用部署、低成本等优点。在安装和配置好Call Manager之后，将预先配置好的IP电话机插至网络端口，IP电话可以自动寻找Call Manager注册并获得号码。Cisco Works 2000 Voice Manager管理功能，能方便地统一监测管理。Cisco IP电话7940G有两个以太网接口：一个与以太网交换机相连，另一个与桌面PC相接。系统结构如图1所示。

图1 网络系统拓扑图

（2）固定电话：采用数字程控交换机。

（3）无线对讲系统：为实现控制中心对保安人员的应急调度和保安人员之间的通信联系，设置无线对讲主机一套，在楼顶安装全向天线、在一层安装吸盘天线，以实现移动对讲通信。

（4）数据中心的布线系统符合以下要求：

◆ 为数据及高清晰图像等多媒体信息提供高带宽的传输，满足千兆以太网的需求；

◆ 通过改变接点的连接位置可以方便地更改网络结构（星型、总线、环型）；

◆ 采用6类/光缆混合型，符合ISO11801、EN50173和 EIA/TIA568A-5的技术要求，并通过EIA/TIA、UL、CSA、ITU-T等标准认证；

◆ 采用标准模块化的接插件，基于开放功能的系统，能很容易地在配线上进行话音、数据、多媒体等应用的互换和重新组合以及扩充，适应未来的性能升级；

◆ 安装、检测和维护简便，产品拆卸、更换方便，具有很强的灵活性。工作区的信息插座可随意定义为话音、数据或多媒体接口。

（5）有线电视与卫星电视系统：卫星接收的电视节目和市有线电视网传输的CATV节目分为两套系统传输。在终端位置设置双口面板的2个射频端口分别用于接收卫星电视和有线电视信号。卫星通信机房申请专线接收路透社、美联社的财经信息。

（6）背景音响与紧急广播系统：数据中心背景音响/紧急广播系统涉及各功能楼层、设备房、走廊和庭院等，实现机房无人操作的消防疏散自动播音以及公共广播的功能，公共广播系统用于服务性和事务性广播，紧急广播系统用于火灾或其他灾害时的报警，当发生事故时利用广播疏导人员。紧急广播不受音量调节器的影响，以全音量进行广播，消防应急广播为第一优先。按防火分区将生产区、办公区与动力区共分为10个区域。

2.5 信息应用系统

（1）多媒体信息查询系统：用于介绍数据中心各机构职能、园区功能分布、大楼各楼层功能分布等，同时提供公告、办事指南、各类时事信息和便民服务信息等。查询方式采用触摸屏，可查询图像、文字、声音、视频等多媒体信息，能根据查询的文字信息查询到相应的空间位置，并以图、文、声像等展现，能根据图形上的位置查询到相应文字和声像介绍，如图2所示。

（2）电子公告系统：上位控制计算机对显示内容、显示方式进行全面控制，其控制软件提供界面实现对运行状态的监视。系统中的计算机设备组成局域网，实现内部资源共享。标准网络接口提供了与OA网连网能力。网络软件提供网络信息发布，实现网络管理，并支持Internet网和有线电视网等功能。

图2 多媒体信息引导系统

（3）一卡通系统：数据中心是国家机密和要害部门，安全防范要求较高。智能卡系统不仅是数据中心安全保卫系统中的重要部分，也是现代化办公环境及现代化管理不可或缺的技术手段。一卡通系统将门禁管理、考勤管理、消费管理和巡更管理、资料管理、停车场管理等统一纳入综合管理系统， 实现“一卡多用”，实现数据查询、汇集、积累，运行状态的监视，报警显示等功能。

门禁、考勤、巡更前端选用非接触读卡机，可兼用做考勤和巡更，组成联网型非接触卡的门禁、考勤、巡更系统。门禁控制由感应卡、读卡器、门禁控制器、电控锁、通信转换器、上位PC机、门禁管理软件等组成。现场门控制器分布在各楼层弱电间，通过通信转换器与管理工作站相连。控制器间采用屏蔽5类线链接，使用RS485通信方式通信，回路末端的现场控制器与网络控制器的距离不超过1500m。链接型的连接方式便于布线，现场控制器与工作站共用一组接地端子板。防火门采用磁力锁，单开木门采用阴极电锁扣；双木门和玻璃门采用电插销锁。读卡器、出门按钮、电控锁和门磁开关组件与现场控制器之间的距离不超过60m。

在办公区前台设置考勤用读卡机，读卡数据经过考勤管理软件处理，形成考勤明细表、考勤汇总表等供查询打印。

在线巡更控制系统采用集中控制的方式。在动力区、办公区和生产区选取巡更点，部分门禁读卡器点与巡更点位置接近，无需重复设置。监控主机通过巡更软件可对系统进行各种参数设置、实时监控和数据处理等，并可打印巡更情况，如巡更次序、巡更点位编号、巡更日期、巡更员卡和姓名、巡更是否遗漏等。

持卡人身份管理包括卡的制作和发卡的管理，一卡通管理系统可以按日、月、年统计每张卡的使用情况，供管理者结算和使用。发出卡片的卡号具有唯一性，持卡人的活动范围由出入口管理系统授权。系统采用分级密码管理机制，设有操作员级密码、管理员级密码、系统工程师级密码。操作员级只能浏览实时监控数据，执行服务操作；管理员级还可以进行卡片管理、查询管理；系统工程师级除具有以上权限外，还可以对整个系统的前两级密码进行修改和系统硬盘参数的设置。

（4）电子会议系统：是采用电子化、数字化和网络化的会议设施，通过多元和多媒体的展示手段，将各类数据和图像以声图并茂的视听效果传递给会议出席者。

①总控中心会议室：实现多媒体投影显示、会议扩声、摄像联动、视频会议、同声翻译、信号集中中央控制处理等功能。显示系统根据室内的环境布置及显示效果，采用大屏幕正投影方式。投影所显示的内容来源于计算机网络、录像机、影碟机、卫星/有线电视等。

会议室摄像系统可实现会议实况录像、远程会议视频信号传输以及现场投影显示的功能，摄像系统的高清晰度变焦镜头能360o旋转，以多角度拍摄会场全景与发言人。

智能中央集中控制系统，通过彩色无线液晶触摸屏界面，对会议室的视音频播放设备、投影机、投影幕、各种输入信号源等做统一集中控制。

会议系统配备主席机1台，代表机多台，同声翻译机3台，无线红外接收器12套。红外无线方式的同声传译系统提供旁听用的接收机和耳机，接收器具有7个独立通道供选择需要收听的语种，并可调节音量。采用2块红外发射板以确保会场内无接收死角。

②办公区会议室：显示系统的投影机采用带微型透镜的液晶板以提高透光率，并辅以150W的UHP冷光源灯泡，通过P/S光的偏振系统提高光线的利用率，可得到2200ANSI流明的亮度，分辨率为1024×768。

（5）集成信息管理系统（IBMS）：集成信息管理系统IBMS以Windows2000 Server为系统软件平台，通用数据库管理系统为核心，各工作站通过各种标准接口进行数据交换，实现信息交换和共享。正常情况下，系统中流通的主要是综合监视信息、协调运行和优化控制信息、统计管理信息等；发生紧急或报警事件时，则为报警和联动信息。综合监控工作站运行监控组态软件，提供丰富的图形、动画功能，利用组态配置工具生成丰富的监控界面。

在建筑设备管理事务中，IBMS执行上层应用下达的管理控制指令，实现完善的报警和事件管理；综合各个控制系统的状态信息，提供相关报告；记录历史数据，为信息管理系统提供基础数据；汇集与积累机电设备运行和检测数据，进行运行状态监视与控制；实施楼宇自控系统与消防报警系统的联动、消防报警系统与门禁管理系统的联动。

在安全防范事务中，IBMS与安全防范系统实现控制和报警的双向通信，在IBMS服务器上配置视频捕获卡，可显示所选择的视频监视画面。并按一定时间间隔扫描安全防范系统的设备状态与控制台状态等数据，在集成管理工作站上显示运行状态信息。IBMS可通过控制矩阵，切换视频画面、调整聚焦、转动云台等。当获得非法侵入、异常读卡等信息时，立即在工作站上报警。FAS发出火警信号时，对应区域摄像机信号自动切换到控制室的IBMS监视器上，以验证火情。

3 机房工程

（1）数据中心机房功能：数据中心机房是计算机主机设备、服务器、网络设备、主控设备、主要附属设备（磁盘机、磁带机、软盘输入机、高速打印机、通信控制器、监视器等）的安置场地，也是生产的核心区域，主要由主机房、服务器机房、网络通信机房及其他专用设备机房等组成。其功能划分如表1所示。

（2）UPS供配电系统：数据中心对供电的可靠性要求极高，因此必须由两个独立的电源进行供电，一路工作，一路热备。工作电源发生异常时，自动转换开关ATS可快速地将故障电源切断，投入热备电源。不停电电源UPS设备并联使用，每组承担50%以下负荷；一旦部分UPS设备发生故障，可平滑地由无故障的UPS设备承担全部负荷。

表1 机房区域功能表

（3）防雷与接地：防雷包括建筑物防雷和电器设备安全防护，亦可视为外部防雷和内部防雷。机房防雷工程设计重视全方位防护，综合治理，层层设防。为了提高机房设备及网络系统的运行可靠性与安全性，为机房工作人员提供安全的工作环境，在架设良好的避雷针/避雷带，采取完善的直击雷防护措施的同时，数据中心对建筑物的电源系统（所有的供电设备、用电设备、备用发电设备）、反馈系统、信号采集传输系统、程控交换系统、计算机网络系统等设备采取了可靠有效的防护，在拦截、分流、均衡、屏蔽、接地、布线等方面进行完整的，多层次的防护。

根据《电子信息机房设计规范》（GB 50174-2008）、《民用建筑电气设计规范》（JGJ16-2008）等相关标准与规范采用联合接地。

（4）空调系统：数据中心机房开机时电子计算机机房内的温、湿度要求见表2。停机时电子计算机机房内的温、湿度要求，如表3所示。

表2 开机时电子计算机机房内的温、湿度要求

表3 停机时电子计算机机房内的温、湿度要求

重要机房的空调系统采用N+1备份方式和冷量冗余方式备份，各台空调之间通过监控网络控制模式实现主备切换。考虑备份情况，如表4所示。

表4 空调系统备份情况

根据数据中心机房常年发热量高的情况，采用风冷独立式空调机型。由于机房设备自带顶出风散热风扇，选取下送风上回风机型。为了进一步确保机房安全和可靠性，采用双压缩机回路机型。当其中一台压缩机出现故障时，另一台压缩机自动启动。此外，当一台压缩机制冷量不足以满足要求时，另一台也将启动补充制冷量。机房将由BA系统监控，空调系统配置了与BA兼容的接口，提供开放式通信协议。

（5）装修：机房区域和总控中心铺设防静电活动地板， 铺设高度500mm。地板下均作网格接地处理。为保证地面的洁净度，地坪做平整清洁处理后，刷防静电环氧树脂地坪漆。为防止机房楼板产生结露，采用空调的机房区域楼板底面用保温棉进行保温。考虑到吸音与美观，在总控中心防静电活动地板上再铺设防静电块毯。

机房区域围护墙内墙面采用防静电彩钢板做饰面材料，板后作网格接地处理，以达到抗干扰和防静电的效果。内部采用钢化铯钾防火玻璃隔断，视野透明，便于监察计算机设备的运行情况。总控中心区域的墙面，采用定制铝板与玻璃材料相结合，并辅以灯光配合。作战室的观察玻璃隔断采用单向透光玻璃——镀膜玻璃隔断，从总控中心不能看到作战室内的情况，而从作战室可以观察到总控中心内的情况。

天花吊顶主要采用进口铝合金微孔条板和方板吊顶，并加有吸音棉，具有吸音和防静电的效果。为防止水源进入机房而造成线路短路，在机房与外部区域交接处的轻钢龙骨隔断下方做防水墩，并刷水密封防水涂料，其固化后形成一整体无缝护膜，能防止地下无压水（渗流水、毛细水等）及一般有压水、静压水的侵入。

4 智能化系统在数据中心的价值

数据中心业务设备的投资是巨大的，而其中业务数据的价值更是无法估量。因此，对数据中心而言，保障设备安全运行、保护数据安全、提升服务质量与工作效率，是十分重要的。

从文中介绍的安全防范系统、机房、会议系统及一卡通系统等的工程情况可见，在每个系统的实施过程中，每个细节都被精细地考虑，各个系统的专业功能都通过信息共享的方式进行集成，最后以总体智能化的形式来保障数据中心的正常安全运行，为数据中心各岗位的工作人员提供人性化的服务。可以说，如果没有智能化系统，任何行业的数据中心都是不可能投入运行的。