国家图书馆数据中心建设与管理研究

赵立辉

（国家图书馆信息技术部,北京 100000）

近十年来国家高度重视文化发展,国家图书馆也迎来了快速发展的十年,随着《中华人民共和国公共图书馆法》的颁布,图书馆事业迎来了新纪元。在国图110年华诞之际,习主席给国图老专家回信,对国图寄予很高的期望,提出了更高的要求,为十四五期间国家图书馆发展指明了方向。十年来,国家图书馆坚持正确的政治方向,紧跟科学技术发展,把握好广大人民群众最迫切、最普遍、最全面的需求,结合自身历史定位和发展规律,大力开展数字图书馆建设,依托办公自动化、数图推广工程、专网、移动端服务、直播发布、工程融合、大数据、智慧图书馆等项目,为读者提供更全面、更精准、更便捷、形式更多样的全媒体服务。

与此同时,国家图书馆数据中心无论是从面积规模、设备数量、配套设施、先进技术运用、管理制度等软硬件建设上都呈现出了爆发式增长和跨越式发展的态势。2009年国家图书馆总馆北区数据中心建成投入使用,2013古籍馆灾备数据中心建成投入使用,2014年总馆南区数据中心改造升级完成,2019年总馆南区专用数据中心改造升级完成。目前国家图书馆拥有总馆南区、总馆北区、古籍馆灾备三处数据中心,总面积为2350m2,各种设备逾千台,为国家图书馆乃至全国图书馆界众多网站、平台、系统、存储、链路、安全、网络相关设备提供了国家A类数据中心环境,多年来积攒了丰富的数据中心建设与管理经验。

1 数据中心建设概述

1.1 数据中心定义

数据中心是一种依托特定设备、特定环境的数据集合,为这些数据能够实现存储、传输、分析、计算的设备集合,以及为所需电子信息设备提供运行环境的场所,可以是一幢建筑物或建筑物的一部分。

国家图书馆拥有海量资源,将这些资源数字化,进而实现实时发布和长期保存是国家图书馆重要职责之一。国家图书馆很早就开展数据中心建设,目前按照“两地四中心”的标准稳步推进。

1.2 建设数据中心的意义

数据中心的存在对于一个单位、企业或者组织来说重要意义不言而喻,既是大势所趋又是现实需要。以图书馆界为例,目前人们获取知识、信息的渠道已经早就不局限于纸质书籍这一单一来源,信息技术不断发展深刻地影响了人们的生活习惯。各种APP、短视频、订阅号、广告以更加直接、更加精准、更加容易接受的方式充斥在我们周围。在这样的背景下,图书馆也必须跟紧时代步伐,以更加开放的姿态拥抱新技术、新业态、新需求,大力发展数字图书馆,依托大数据、智慧图书馆等先进技术满足人们多样化的文化和精神需求。建设和利用好更先进、安全、稳定的数据中心,对图书馆未来发展起着基础性的支撑作用。

近年来,国家图书馆数据中心与全国各地省市图书馆建立专网、虚拟网链接,最大限度地实现了资源的标准统一和共建共享。

1.3 数据中心分类

数据中心分类可以参照不同的标准,《数据中心设计规范》GB50174-2017中按照使用性质、数据丢失或网络中断在经济或社会上造成的损失与影响程度将数据中心分为：A、B、C三类,其中A类要求最高。

国家图书馆数据中心在设计和建设中都是按照国家A类标准实施,采用双路市电接入并配备UPS不间断供电系统,蓄电池满额供电两小时。风冷、水冷两种方式制冷,并有备机循环启动。联通、电信、专线网络接入,24小时环境监控等都具有一定的冗余容错能力,按照分类规则属于中小型国家A类数据中心。

1.4 数据中心区域划分

数据中心的组成应根据系统运行特点及设备具体要求确定,一般由主机房、辅助区、支持区、行政管理区等功能区组成。

主机房的使用面积应根据电子信息设备的数量、外形尺寸和布置方式确定,并应预留今后业务发展需要的使用面积。辅助区和支持区面积之和一般为主机房面积的1.5～2.5倍。

1.5 数据中心环境要求

《数据中心设计规范》GB50174-2017中对数据中心内不同区域的环境有明确的规定。

（1）温湿度（见表1）

表1 温湿度标准

（2）尘埃。主机房的空气粒子浓度,每立方米空气中粒径大于或等于0.5μm的悬浮粒子数应少于1760万粒。

（3）噪声。数据中心内,在长期固定工作位置测量的噪声值应小于60dB（A）。

（4）静电。主机房内绝缘体的静电电位应≤1kV。

（5）接地电阻。接地电阻﹤1Ω,零地电位差﹤2V。

2 国家图书馆总馆南区数据中心建设方案

该数据中心面积为620m2,层高约3.7m,位于总馆南区一层。1987年按照机房标准设计建设,1998年9月进行改造,使用至今。

平面图如图1所示。

图1 原总馆南区数据中心布局图

由于建成时间过长,主要有以下不足：（1）网线都是5类线,对于目前的交换机端口已经不适合。（2）机房内的电源配电已经落后和老化。（3）部分采用互动式小功率UPS电源性能已落后。（4）由于过去的服务器都是台式机,采用的机柜都是非标准机柜,不适合安装新的机架式服务器,但又占了较大面积,使机房目前已处于饱和状态。（5）缺少温湿度和电力等环境监控。（6）地板下走线的方式严重浪费制冷量。（7）地板、墙面、照明等基础设施需要重新装修。

基于以上原因决定在原基础上进行全面升级改造,通过改造使其达到国家A级数据中心的规范要求。

2.1 建设基本原则

此次数据中心改造原则主要体现在以下几点：（1）整体性原则。数据中心所有系统的设计要根据业务发展需要与设备使用进行整体规划,统筹考虑,保证整体可用性。（2）可靠性原则。数据中心建成后必须具有高可靠性,保证提供连续不间断的7×24小时服务,各系统都具有足够的备份能力。具有完整的安全策略和切实可靠的安全手段保障数据中心运行系统基础环境的安全。（3）节能、环保原则。数据中心设计及建设要采用切实有效的措施和技术,充分体现节能、环保、减排的要求,建设绿色的数据中心。（4）灵活性及可扩展性原则。各系统应具有可持续发展的能力,应考虑部分设备需分期实施,确保日后可以方便增容。对隐蔽性工程要有足够的前瞻性,为了保证较长时间内的系统扩容、变更、升级等可能性而预留相应预埋管线和接口。（5）可管理性原则。各系统应具有较强的集中式管理加分布式实施的可管理性逻辑,并且为分布式实施调整提供清晰的管理逻辑。

2.2 建设选址

此次改造升级是在原机房的基础上进行,但是在实施之前对该区域也进行了评估,满足作为数据中心的需求：（1）国家图书馆总馆南区东南角一层,层高3.7m,满足承重和层高要求。（2）区域相对独立,远离阅览室、停车场、办公室、水管道等不会噪音干扰,安全性较高。（3）是联通、电信、专线网络的接入点,便于路由规划。（4）两侧各有一个出口,便于大型设备进出。（5）与地铁线路的距离大于100m,满足防震需要。（6）两路市电接入,满足供电需求。（7）经济方面考虑原机房基础上改造可最大程度节约成本。

2.3 功能区划分

根据实际情况国家图书馆总馆南区数据中心设置有中心机房、专用机房、UPS配电室、空调机房、空调室外机区、电池室、消防钢瓶间、监控值班室、会议室、拆卸区、储藏室、参观走廊等区域,如图2所示：

图2 总馆南区数据中心机房平面布局图

2.4 基础装修

数据中心基础装修要满足防火、防水、防尘、防静电、抗干扰、保温和隔热、消声和减振、防鼠虫害等要求。

（1）地面。项目工程地板采用承重不小于500kg/m2的抗静电活动地板,尺寸为600mm×600mm,厚度不小于35mm,铺设高度不小于400mm,地板颜色与墙面装饰效果相协调,材质为高压铸铝合金,防火性能A级,并留有10套抗静电活动地板作为备件。（2）吊顶。主机房区域采用600mm×600mm,0.6mm以上铝合金微孔板吊顶,有较好的吸音及回风效果。吊顶具有一定的承载能力,能够承受住全部安装设备的重量,天棚顶面须做防潮、防尘预处理,确保天花板基础部分不起尘。（3）墙面。主机房立面采用轻钢龙骨彩钢石膏复合板装饰,并填充50mm厚岩棉,保温、隔热、隔音,防火性能A级,颜色乳白色。（4）门窗。对外的门采用防火玻璃密闭门及甲级钢质防火门,使数据中心外面的空气不能轻易进入,不同功能区域使用不锈钢玻璃隔断墙分隔。（5）挡水坝及防水。在空调设备的四周设置高度为100mm高的挡水坝,并对挡水坝内的地面及挡水坝做防水处理。

2.5 设备布局及综合布线

国家图书馆南区数据中心的中心机房使用面积200m2多,目前共布置38台标准机柜,采用上走线下送风,冷热通道设计,利于工作,节约能耗。按照机柜与机柜之间间隔1.5m,采用面对面、背对背方式放置,两侧均有通道。（见图3、图4）

图3 机柜下送风

图4 机柜上走线

从网络区汇聚机柜到中心机房每台布线列头柜布置1根24芯室内单模光纤、1根24芯室内多模光纤。从中心机房布线列头柜到各服务器机柜分别布置24根六类非屏蔽双绞线。监控室每个工位布置4个六类非屏蔽信息点,共计48个。

3 国家图书馆总馆南区数据中心各子系统介绍

为了给数据中心一个稳定可靠、安全舒适、绿色环保、设备可控,并具有良好展示能力的环境,需要同时建设相应的各个子系统。主要包括UPS不间断供电系统,恒温恒湿空调系统,照明、防雷接地系统,动环监控系统,行为监控与门禁系统,新风、排风系统,大屏显示系统等。

3.1 UPS不间断供电系统

供电系统是数据中心最基础最主要的系统之一,数据中心各种IT设备需要一个稳定的不间断的电力供应。国家图书馆南区数据中心提供双路市电接入UPS配电系统。不间断的供电范围是：主机房、专用机房一、专用机房二、空调设备及应急照明,其中为IT设备供电和为空调的供电来自不同UPS。UPS系统架构采用2N双母线冗余方式,并配置提供设备满载运行两小时的2V蓄电池组,当UPS故障或检修时自动切换旁路供电模式,市电出现问题时自动电池供电。

3.2 恒温恒湿空调系统

国家图书馆南区数据中心采用的是风冷式制冷方式,共分为两个专用空调分区。主机房、UPS配电室采用机房专用空调,辅助机房区域的监控室采用一套分体空调系统。

根据机房空调冷负荷量,合理地配置机房空调,对机房空调的气流组织、风道等进行设计,保证空调能较好地发挥作用。对机房空调的给排水系统进行设计,保证该系统供、排流畅,不易出现漏水现象。

3.3 照明、防雷接地系统

数据中心区域照明包括正常照明及疏散指示照明,光源采用高效节能荧光灯或LED照明系统。正常照明标准照度为500lx,照明均匀度不小于0.7。疏散指示照明照度为5lx,除双电源配电外,每个灯具内还设蓄电池,应急时间不小于30分钟。数据中心采用三级防雷,配置在不同级别的配电柜端。

3.4 动环监控系统

动环监控系统主要实现对机房温湿度、配电、UPS、空调、漏水、安防等状态实时监测、控制并通过3D模型的形式直观展现出来,同时主要指标可设置预警阈值,一旦异常,立即通过多种形式报警,各项参数记录可查。

3.5 行为监控、门禁子系统

数据中心行为监控系统包括视频监控系统和入侵报警系统。视频监控系统采用基于TCP/IP网络的数据架构模式,前端摄像机采用720P高清摄像机,对机房出入口和机房内设备通道进行全天候无死角监控。

门禁系统对象为数据中心的防火防盗门及玻璃门。该系统由系统管理软件、门禁控制器、读卡器、出门按钮、电控锁及运行硬件组成。

3.6 新风、排风系统

新风系统新风量根据数据中心设计规范要求选择,主机房必须维持一定的正压,UPS室内由于放置了电池,需要有连续运行的排风系统。

3.7 大屏显示系统

大屏显示系统,可根据数据中心具体情况灵活控制。国家图书馆南区数据中心大屏在监控室北墙方向,由4个46英寸的液晶屏2×2排列,无缝拼接构成。其中每个单屏的分辨率不低于1280×1024。可实现多路信号的单屏或多屏显示。

4 国家图书馆数据中心管理

数据中心管理是数据中心建设完成后在使用过程中如何科学、规范、高效、稳定发挥数据中心价值,延长使用周期,避免各种故障、事故的重要手段,贯穿整个数据中心生命始终。需要专业的人员、先进的技术和完善的制度作为保障。

GB/T51314-2018《数据中心基础设施运行维护标准》中将数据中心管理定义为运行和维护。主要包括日常巡检、起停控制、参数设置、状态监控、优化调节,以及为达到提高可靠性、排除隐患、延长寿命期所进行的预防性维护、预测性维护、维修等工作。

4.1 严格制度流程、注重日常管理

数据中心管理相当一部分工作是反复性、经常性的,我们在日常工作中总结了一些管理制度,比如《值班登记表》《日常巡检情况登记表》《人员进出登记表》《工作申请单》《设备进出申请单》《应急流程图》《应急预案》等。对每一名进出的人员,每一台进出的设备都严格做好审查、备案,确保有据可查。虽然大部分故障都是在日常巡检中发现的,但仍然有一部分问题是难以提前发现的,有赖于动环监控系统及时告警,只有对数据中心非常熟悉,工作经验非常丰富才能够准确判断故障症结所在,迅速做出处理。

4.2 防患于未然,注重规律性问题

管理工作也是有规律可循的,重要时间节点、重要区域、重要零部件需要相应的给予重点关注。比如高温和严寒时的空调压缩机,柳絮和落叶时节的室外机、滤网,强降雨时节的几个易漏水点,停电检修前的UPS和电池,春节、“两会”重要时期期间的安防等。容易出故障的零部件如空调的皮带,UPS的电容、控制板,门禁的控制器、大屏、KVM等。抓住了这些规律,有的放矢提前着手就可以有效减少故障几率。

5 结束语

随着新基建浪潮的到来,大数据、人工智能、区块链、5G、物联网等新技术不断发展,数据中心作为其他各项内容的数字化底座,未来的战略性基础资源,将成为新一代信息技术发展的数据中枢和算力载体。未来数据中心必定是向着云数据中心与边缘数据中心深度融合,智能化、标准化、模块化、绿色节能程度更高的方向发展。