面向通信机房的数字孪生技术及其应用

张亚南，韩冰洋

（北京中电飞华通信有限公司，北京,100070）

0 引言

由于当今和未来电力系统中IT/OT的日益融合，新的信息源可以实现更复杂的监控和控制应用程序。特别是数字孪生技术，它是具备强化建模，分析和预测功能的关键技术。为了保证电力系统的安全运行，电力行业普遍采用专用的网络模式进行网络资源管理。然而，随着物联网和信息技术在电力领域的快速发展，电力行业的通信机房规模和数量正在迅速增加，导致日常运维的工作量和复杂性急剧增加。因此，迫切需要利用信息技术来实现对现有机房的智能化运维、监控和管理，以更好地保证电力行业的健康发展和稳定运行。但是，当前电力通信机房管理、运行维护的方法仍然较为传统，每个机房尚未实现对设备的集中监控，智能分析和预测报警，这使得网络控制室值班人员无法监控信息系统的整体运行状况。因此，他们既不能有效地分配和优化信息资源，也不能保证信息系统的可靠运行。显然，这不能满足智能电网建设工程的需求。国外很多研究机构已经对机房智能化运维进行了相应的研究，如林雪平基于B/S模式开发的核电站诊断与演示系统，瑞士ABB公司的电力设备远程监控系统等，以及由加拿大Granby公司设计和开发的用于通过以太网对机器工具进行诊断的远程监控系统。西安电子科技大学，中国华能集团等国内相关单位也在这方面进行了研究，例如HG系列机房综合监控系统软件，“飞思网巡”机房监控管理系统等。这些系统实现了电力设备运维支撑的功能，提高了中国电力行业信息管理业务的效率和质量。但是，这些系统主要是分配，维护和管理网络资源，用于机房运行状态监视和运行维护管理的系统在文献中很少报道。本文将基于数字孪生通信机房智能运维系统，开展通信机房设备、配套设施三维建模研究以及通信机房设备实时数据接收与状态仿真模拟展示研究[1]。

1 数字孪生技术研究发展概况

在向工业4.0的数字化转型的时代，制造和生产过程都处于最前沿。为了实现这种数字化转型，需要将现实生产世界和数字化生产世界融合在一起，所有部分都相互连接，包括传感器，机器，产品，系统，过程和人员。在这方面，网络物理系统，数字基础设施和专用软件可以对生产过程中包括的物理资产进行连续监控。这有效促进了事件检测，并实现了生产资产和流程的模拟和优化，从而为相关人员提供了明确的决策支持。数字孪生（DT）是这种数字转换的重要推动力，它定义了物理世界向数字领域的虚拟转移。数字孪生技术可以为当代生产系统提供许多功能。基础数字孪生架构如图1所示，主要包括物理空间、虚拟空间以及这些空间之间的连接三部分[2]。

图1 基础数字孪生架构

数字孪生可以通过创建一个连接的物理和虚拟孪生来解决物联网与数据分析之间无缝集成的挑战。数字孪生环境允许快速分析和通过精确分析做出实时决策。自21世纪初以来，关于数字孪生的正式想法就已经出现。也就是说，我们有可能更早地定义数字孪生。第一个术语是由Grieves在2003年的一次演讲中提出的，后来在白皮书中进行了记录，为数字孪生的发展奠定了基础。美国国家航空航天局(NASA)在2012年发表了一篇题为《未来美国航空航天局和美国空军飞行器的数字孪生范例》的论文，为定义数字孪生树立了一个重要的里程碑。文献3描述：“数字孪生是物理设备或系统的计算机模型，它代表了所有的功能特征和与工作元件的联系。”文献4描述：“数字孪生实际上是物理资产或系统的生命模型，它基于收集到的在线数据和信息不断适应业务变化，并可以预测相应的物理对等物的未来。”文献5描述：“数字孪生是一组虚拟信息，它从微观原子水平到宏观几何水平，完全描述了潜在的或实际的物理生产。”文献6描述：“数字孪生是物理系统的虚拟实例，在物理系统的整个生命周期中都会不断更新其性能，维护和运行状况数据。”《未来美国航空航天局和美国空军飞行器的数字孪生范例》论文是NASA的星际飞行器的模棱两可的定义，也是早期定义数字孪生的论文之一。尽管文献3和文献6之间的时间间隔超过6年，但共识仍然是没有根本或有意义的改变。学术界和工业界都没有将DT与一般的计算模型和模拟区分开来，未来的工作需要对数字孪生做出更明确的定义。

2 面向通信机房的数字孪生部署

通信机房作为电力通信行业业务运行的中枢系统，具有极高的商业价值，业务的有序开展取决于通信机房的正常运行，而通信机房的正常运行取决于机房中各支撑系统设备及传感器能否正常工作，一方面需要全方位的手段保证机房各项支撑系统的稳定运行，包括动力系统、空调系统、环境系统、安防系统、IT系统，机房管理人员需要详尽掌握上述系统的实时运行状况以及告警信息，实现对机房的精细化管理；另一方面，针对机房设备运行故障告警能启动运维流程，下发工单至运维人员或代维人员，管理员可对维护质量全方位监督，实现智能化运维管理。如图2所示为机房运维监控系统架构图，分为接入层、网络层、私有云、应用层三层架构。

图2 机房运维监控系统架构

机房也是数据信息计算、交换和存储的中心，是数据处理最集中、数据价值最高的核心区域，机房具备强大的数据处理能力、存储及带宽资源，安全可靠的机房设施、高水平的维护管理是业务正常运行的必要条件，机房的管理必须能够全面满足业务正常运行的各项需求，物联网应用管理系统在设计之初即充分考虑到机房管理的全方位需求，针对性的对机房的各个系统提出管理方案，系统遵循以下设计原则：

（1）智能化：系统提供智能化处理物联网数据，通过大数据分析，掌握机房各子系统的运行状态并预测发生故障的可能性，实现预防性的机房管理，真正做到防范于未然。

（2）兼容性：物联网网关全面兼容各种传感器、智能设备、IT设备、网络设备、安防设备接入，提供机房各类状态数据的统一入口，仅需一台物联网网关设备即可全面兼容各类子系统数据的汇聚及解析。

（3）扩展性：无论部署在机房的物联网网关，还是部署在云端的物联网应用管理平台，均具有弹性拓展能力，在机房内部，用户可根据被管理设备的类型和数量，选择物联网网关及扩展模组实现设备的适配。在云端系统可根据用户接入机房和设备的规模弹性分配资源，动态地分配业务所需资源。

（4）安全性：系统各组成部分均提供完善的安全防护能力，业务全流程数据采用HTTP Digest加密认证，物联网网关内置软件防火墙，并且具备物理隔离能力。视频监控采用P2P方案，视频数据不经过平台点对点传输，保证视频信息安全；物联网应用管理平台采用RBAC权限模型，可以精确控制用户权限，保证用户权限受控。

（5）可用性：系统具备高可用性，物联网网关设备具备高性能ARM处理器，能够对采集的各类设备协议进行现场解析处理，即使与云端平台通讯中断，也不会影响物联网网关本地数据采集、分析和联动，保障系统的稳定运行。

3 系统功能概述

3.1 三维模型库

包含通信机房主要基础设施三维模型库，能够对模型进行增加、删除、修改、查询、展示，包括通信设备、网络设备、配线架、线缆、机柜、空调、UPS、电源等。

3.2 机房管理

（1）告警管理

能够对信息通信机房整体及设备运行状态告警进行记录、查询、展示、提醒，能够与巡检机器人、网管系统的告警功能对接。

（2）运行记录

支持信息通信机房内基础设施运行信息的增加、删除、修改、查询、数据展示，包括设备上架、更换、下架的时间、设备型号、批次、状态、投运日期、维修次数等。

（3）动环管理

具备信息通信机房动环系统状态监测、告警、分析、视频监控等功能，支持告警提示、数据存储、图表辅助分析。

电源系统：具备电源系统状态监测与展示功能，包括UPS蓄电池剩余电量、负载额度及异常告警、直流配电设备使用情况、状态监测等。

空调系统：支持空调系统状态监测与展示，包括温湿度、工作状态、告警等。

消防系统：支持消防设备管理、报警信息处理、机房地图展示、远程监控、数据统计等。

温度：能够展示机房内环境温度、设备温度，支持图表展示。

（4）人员管理

支持人员角色、权限管理，包括工作人员、临时访客等。支持与视频监控、门禁系统对接，实现人员进出记录、违规进入告警等。

（5）巡更管理

支持与移动端对接，支持巡视计划制定、指令下达、人员定位、拍照录像、轨迹回放、巡更打卡、告警、分析、公告管理。

3.3 资产管理

支持信息通信机房内在运设备和板件以及基础设施等基本信息的增加、删除、修改、查询、资产标签展示，包括规格、批次、出厂日期等。

3.4 能耗PUE曲线

支持信息通信机房整体、各个机柜的能耗计算与数据动态实时展示，支持图表、曲线等多方式展示。

3.5 应急演练

包含虚拟互动应急演练库，支持三维动画模拟展示通信机房设备故障、网络故障、突发事故等，建立预案、设置故障、录制处置故障操作流程、回放录制预案、故障恢复模拟操作。

4 结论

本文面向通信机房智能运维需求，采用三维虚拟化技术实现了通信机房的动环监控和机柜智能检测，满足数字化移交要求，同时为智能化、精益化运维应用奠定基础。该系统可以实现对机房环境和机柜相关数据的自动采集，分析和预警处理，对电力信息通信的运维进行了新的探索，提升了通信机房风险预警与故障处置能力，打造通信机房智能管控新模式，为通信机房建设运维提供智能决策支持，有效地提高了运维效率和运行质量。