分布式智慧高校实验室机房系统方案实践与探索

余鹏　沈振兴

摘   要：高校实验室机房在辅助实验教学、促进智能管理等方面具有举足轻重的作用。文章针对实验室机房在智慧管理、极简运维、安全生产方面的痛点问题，引入分布式智慧实验室机房系统方案。该方案以一种全新的一体式机柜作为基础，融合了动态可扩展的多级微模块设备单元，构建了高校实验室智能模块化一体式机柜微环境，在实验室机房便捷化建设、高可靠监控、智能化管理等方面体现出较好优势。

关键词：高校实验室机房;一体式机柜;微模块;微环境

中图分类号：TP393;TP399 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2020）09-0052-04

一、背景分析

随着大数据时代的到来，云计算、移动互联和物联网等产业蓬勃发展，数据中心规模不断增大并呈现两极化发展趋势，末端的微型数据中心（例如实验室机房、核心交换机房等）越来越多。而零星分布的微型数据中心因地理、环境、建筑等方面的差异，一直面临着难以统一规划、建设与运维管理的窘境，为信息化业务的快速上线带来了极大的挑战，直接关系到实验室服务器、虚拟机、路由交换系统是否能够稳定可靠地运行，是否能够保证各类信息通畅无阻。

高校分布式智慧实验室机房（以下简称“实验室机房”）作为末端微型数据中心典型的应用场景之一，承载着实验教学服务、实验室各类物联网终端数据交换与共享的核心节点[1]。因其具有建设分散、管理人员繁多、管理水平参差不齐、管理模式与标准不统一等问题，加上承载业务较多、非24小时专人值守的特点，给机房管理者与维护人员带来极大运维压力[2]。一般情况下，实验室机房的投入与建设规模无法与标准化数据中心IDC机房比拟，但其所承载的业务功能却与IDC机房相近，无论从建设资金投入、标准化管理方面均与数据中心IDC机房有着较大差别。加之基本常年处于工作状态，实验室机房内部各类服务器、虚拟机、路由交换等设备能耗开销高、基础运行环境较差，管理智能化与故障应急响应时效得不到很好的保障。

一方面，实验室机房要保障机房内部各类设备安全可靠地运行，延长相关系统使用寿命;另一方面，又要为实验室管理人员与运维人员构建一个安全稳定的运行环境，满足其对室内温湿度、洁净度、安全监管、电源配电及防雷接地的要求[3]。同时，还应具备较好的远程科学化管理、可视化监控、智能化数据采集与分析、多样化报表输出与展示功能，具备高可靠性、高安全性、绿色节能环保及较好的可扩展性。

在此背景下，为较好解决上述问题，实现实验室机房的标准化管理与运行，本文设计了一种分布式智慧实验室机房创新方案，该方案具有“麻雀虽小、五脏俱全”的特点，由微模块的方式构建，具备与数据中心IDC机房相仿的“UPS”、“空调制冷”、“动环”、“监控”、“身份识别门禁”等基础设施单元，能够根据实验室机房规模及应用功能的实际需求，灵活配置微模块，大幅降低建设成本，减小设备能耗开销，提高实验室管理运维效能，提升综合安全管理水平。

二、建设方案

1.总体思路

为满足分布式智慧实验室的发展需要，实现易实施、易使用、易管理的需求，论文设计方案在标准机柜物理空间内，整合了动力输入、制冷、智能配电、浪涌保护、环境监控、温度调节、消防、布线管理和安全防范等微模块，为实验室机房内部服务器等核心IT设备营造一个高可靠的运行环境。分布式智慧实验室机房创新方案的实施与应用，旨在降低机房规划实施难度，提高IT 基础设施使用体验，实现快速部署、节约空间、灵活扩展、绿色节能、维护简易的管理模式。

微模块化的基础设施单元是各类高性能计算服务器、虚拟机、云桌面、网络系统、信息安全系统的承载实体，以智能模块化一体式机柜作为硬件载体，主要包括如下微模块单元[4]：供配电系统微模块、不间断电源（UPS）系统微模块、柜内制冷单元微模块、动环监控微模块、通道封闭组件微模块、安防及消防微模块、远程集中式综合管理系统等。将实验室机房基础设施（例如UPS、供配电、制冷、机柜、布线、监控、门禁、消防等系统）整合为一体，融合至一套网控平台进行集中化管理，构建为“一个中心 + 多个异地节点”的分布式机柜级的智慧实验室机房系统实施方案，为分布式智慧实验室提供安全、可靠、高效的运行支撑与智能運营环境。

2.系统架构

图1和图2分别是分布式智慧实验室机房系统结构图及供配电结构示意图，通过全封闭的智能模块化一体式机柜作为微模块和服务器、虚拟机等设备的载体。一方面，机柜可以由单个或多个机柜并柜的方式部署，单个占地空间为与实验室机房常用的普通42U机柜相近，不额外增加空间开销。全封闭环境的构建，能有效实现其内部装载设备与微模块工作环境的恒温、恒湿与无尘，保障空调系统在密闭的空间中实现循环制冷，效能得到最大化发挥。其功能模块组件为：

（1）安全环控微模块：主要包含水浸传感器、烟雾传感器、温湿度传感器等传感单元、防雷单元，以提供实验室机房的安全监控保障。水浸传感器部署于一体式机柜的底部，适用于实验室机房建设在可能出现淹水的低楼层环境，实现对机房水浸的监控;烟雾传感器部署于一体式机柜顶部，实现对柜内火警烟雾的监控;温湿度传感器部署于一体式机柜顶部，实现对是一体式机柜内部温湿度数据的采集与管理;防雷单元做接地处理，用于保护机柜内部设备、防雷PDU不受雷电影响。

（2）自动安全开门微模块：包含自动开门门禁系统，通过API接口完成与高校校园一卡通 （动态下发白名单）系统对接，确保机柜门安全，实现对所授权人员的开门动作的记录;并配备门磁，防止有恶意暴力破门行为的记录;并对机柜门未关闭时向中控发送告警信息。

（3）UPS供配电微模块：根据实际需要配置电池容量，集成UPS输入输出、IT负载、监控系统配电。为PDU模块、摄像机、门禁系统、各类传感器、应急风扇等、照明单元在市电中断情况下提供基础供电。

（4）视频监控微模块：在实验室机房周边部署全角摄像头，24小时监控实验室及机柜周围环境，将视频在NVR中存储录像，以便回查可疑事件。

（5）空调制冷微模块：包含冷媒型分体式制冷单元、机架式室内机、空调室外机、空调控制器等组件构成。空调由两路市电供电，空调制冷单元仅对柜内机架式高性能计算服务器、虚拟机、路由交换等设备进行无间断侧送风内循环制冷;空调控制器可本地和远程管理制冷系统，实现控制柜内温度、湿度的需求。

（6）应急通风微模块：当空调系统故障或在市电中断时，通过UPS供电系统供电工作，机柜前顶部应急送风模块进行往下送风，机柜后顶部应急排风模块进行外排热风，保障柜内温度。

（7）集中监控管理模块：高校分布式实验室机柜中控系统通过校园网与集中监控管理平台连接，集中监控管理平台实时采集各实验室中控系统存储的各类微模块工作状态数据。建立告警知识库和故障字典库，支持告警信息分等级，依据事件影响程度，分为1、2、3……不同等级告警，等级越高，告警密度越大。通过JSON API接口，与微信企业号、钉钉企业号等应用实现对接，在告警发生时，将不同等级的告警信息向实验室管理人员推送故障消息，实现问题的实时监督与排查。

3.集中监控管理平台

如图3所示，集中监控管理平台通过校园物联网专线对分布式实验室智能模块化一体式机柜中控系统进行统一管理。平台基于分布式的星型网络架构构建，采用主、从方式的IP数据网上传并下发各类业务数据，为有效的保证数据通信的实时性，集中监控管理平台采用多线程模式，同时与多个异地分布式设备进行并发通讯，便于对各类异常事件的实时响应。各远程实验室节点中控系统可存储本站的监控信息，并将数据副本上报至集中监控管理平台。在分布式的星型网络架构中，在监控网络偶遇异常故障的情况下，所有的报警信息、实时记录及历史数据存储于本地中控主机内，为事后分析故障起因、优化系统结构及部署方式、改善机房基础环境提供了保障。

集中监控管理平台采用图形化的数据清单及报表界面，有组织地管理高校各实验室智能模块化一体式机柜节点的各类微模块。平台通过主、备监控服务器的方式 ，实时向远端分布式实验室采集报警信息、参数、实时监测数据。集中监控管理平台由监控管理软件（管理客户端）、数据采集服务器、大屏幕告警显示服务器、微服务消息服务器等功能单元组成。监控管理软件（管理客户端）与数据采集服务器主要实现对各节点中控系统上报的数据采集，根据故障字典库进行分类分析、存储，将采集所有的实时数据和报警内容，并统一对所有事件作出响应与展示;同时，通过JSON API接口，将数据同步至微服务消息收发前置端，向所授权的管理人员推送故障告警。

4.方案优点

（1）智慧一体化

智能化一体式机柜系统融合了集UPS电源、配电、制冷、机柜、照明、消防、动环监控、应急通风等多个微模块应用单元，通过集中监控管理系统对实验室智能模块化一体式机柜实现统筹管理，将实验室机房管理、设计、建设及运维流程大幅简化。

（2）高可用性

构建全密封柜式工作空间，实现各类设备运行的内部环境与外部空间的物理隔离，极为便捷地部署至环境空间各异的实验室机房环境中，无需单独建立机房;构建高可靠的UPS电源配电系统，为柜内各类设备稳定可靠运行提供全面的保障;构建机架式空调系统，保证柜内恒温、恒湿环境，并实现冷通道、热通道的有序分离，满足良好的循环制冷效果;构建应急通风系统，当空调故障或市电中断制冷失效时，柜顶应急送风系统有效接管下送风降温任务，柜侧应急排风模块接管外排热风任务，实现科学智能化的应急响应;动环监控系统实时监控环控模块运行状况，发现异常实时上报中控系统，并协助定位故障点，缩短异常事件处理时间，有效提升排障效率。

（3）高效节能环保

节约机房面积：一体化设计比传统机房节约40%以上的占地面积节约配套投资。

节省建设时间：一体化设计大幅缩短建设周期、降低建设陈本与人力开销。

高效节能环保： 高频模式的UPS电源，供电效率达到93%;全密闭机柜冷热通道设计，比传统机房制冷节能30%以上，可使得实验室PUE值可至1.5以下。

（4）灵活扩容

灵活扩容性：根据实际场景需要，动态配备柜体单元、空调模块单元、UPS模块单元等，实现灵活冗余扩容，便于扩容与运维。

三、应用场景及效果

中南民族大学目前已将该方案应用于部分所改造的分布式智慧实验室机房中。智能化一體式机房机柜系统使用12个月以来，共计应急保障各级实验室业务不中断58次，采取7×24的实时监控，能够保存视频、故障监控数据30天，较改造前的实验室机房相比，年度能耗下降约30%。通过与校园IDC机房集中监控管理平台进行对接，较好地实现对校内多处实验室机房湿度、温度、各类微模块参数实时数据的采集与监控，有效地保障了工作环境的安全监管。部分效果如图4-7所示。

四、结束语

分布式智慧实验室机房建设是高校实验室发展环节中必不可少的重要环节。在智慧校园背景下，以“一个中心 + 多个基本点”构建的分布式机柜智慧实验室机房系统方案，更凸显出时代性与必要性。本文提出的基于智能模块化一体式机柜作为硬件载体，融合多元微模块单元的实验室机房系统，大幅简化了实验室机房管理、设计、建设与运维流程，打破了传统实验室机房对环境、空间、电力保障等方面条件的约束。该系统集可视化安全管理、一体化智能运维、实时化故障监测与告警、高效化节能环保等优点，具有较好的应用前景。

参考文献：

[1]余翀翀，黄丽萍.机房和多媒体教室管理系统的虚拟化建设[J].实验室研究与探索，2014，33（4）：228-232，276.

[2]黄国富，王海.基于SDN的高校实验室机房VDI云桌面设计[J].实验技术与管理，2018，35（98）： 243-245， 256.

[3]贺占魁，黄涛.综合治理视角下的高校实验室安全管理体系构建[J].实验技术与管理，2019（1）：4-7.

[4]吴晓冰.试析高校计算机实验室设备网络化管理策略[J].中国新通信，2018（20）：76.

（编辑：王晓明）