基于大数据应用的水利数据中心机房建设

葛瑛芳，徐群飞，朱 勇，黄健辉，金 蕾

（1.浙江省水利水电工程质量与安全管理中心，浙江 杭州 310007；2.上海中电电子系统科技股份有限公司，上海 200233；3.浙江省水利河口研究院（浙江海洋规划设计研究院），浙江 杭州 310020）

1 问题的提出

数字化转型是当前浙江省实现治理体系与治理能力现代化建设的重要途径之一。目前，各行各业数据基础与信息化水平均存在不同程度的与短板，水利作为经济社会发展的基础支撑行业，数据汇聚、整理入库及运用维护是水利数字化的重要工作前提，而数据中心机房作为水利大数据的重要承载体，存在资源不足、环境不匹配等问题。因此，加快水利数据中心建设成为当前满足水利数字化转型需求的首要工作。

水利数据中心机房区别于传统机房，由于水利数据具有数据量大、实时响应、要求高等特点，各类系统与应用对数据依赖程度很高，因此，需要充分考虑数据中心的能耗控制、基础架构的合理性及安全性、日常维护便捷性、扩展性与兼容性等问题，遵循建设规范、理念先进、安全可靠的基本原则，满足浙江水利行业对大数据、云计算等技术综合运用需求，提供必要、有效、可持续的基础支撑。

满足水利行业应用需求的数据中心机房按照GB 50174—2017《数据中心设计规范》[1]B级标准建设，建设内容包括配电、综合布线、暖通、消防、室内装饰及环境监控等系统，总规模不少于100个机柜，预计建设总投资2 000万元。鉴于投资与使用效率，数据中心机房分为2期建设，建设规划达到不间断运行要求，且能耗比达到绿色环保要求。

2 数据中心机房建设

2.1 选址与布局

数据中心机房选址在杭州市主城区，交通便利，且远离住宅区和商业区，附近无工厂企业，无强震源、强噪声源、强电磁场干扰，发生自然灾害的概率极低。

数据中心机房平面布局要兼顾功能需求、各系统建设原则、维护管理合理性等因素。根据大楼总体功能布局，数据中心机房位于大楼的地下1层、地上4和5层部分场所，共约1 000 m2。其中，地下1层作为UPS机房区，主要部署UPS主机、蓄电池及配电柜；地上4层划分为网络接入区1和接入区2、高密度数据中心机房、配电区及附属用房，主要部署传输设备机柜、配电柜及备品备件存放；地上5层划分为数据中心机房1~4以及控制室。考虑到数据中心机房对承重负荷要求较高，将地上4、5层区域的地板承重调整为8 kN/m2。

2.2 供配电系统

由于水利行业信息系统服务的特殊性，不允许出现停电、瞬断等情况，在维护、施工、发生故障时不能影响数据中心机房总体运行，可靠性要求达到99% 以上。大楼采用双路市电供电，城市供电相对可靠且稳定，同时由于场地受限，未配备柴油发电机作为备用电源。供配电系统主要负载包括计算机设备、空调系统、机房照明及新风/排风设备等的用电。

2.2.1 UPS配电

按照水利行业信息系统运行需要，数据中心机房服务器机柜、传输机柜、配线列头柜、高密度数据中心，分别按单柜用电量5，3，1，7 kVA计算，UPS用电总量达716 kVA。

数据中心不间断电源（UPS）系统采用2 N双总线结构。双路独立变压器配合2组互相独立的不间断电源（UPS），分2路向IT设备供电，以保证IT设备均可以从2个独立的路径获得高质量的电源，提高供电系统可靠性，降低运行风险，可真正实现系统在线维护的容错要求。风冷精密空调采用（N+1）方式备用，满足制冷量等要求的同时，也满足设备、空调系统备份要求。UPS配电结构示意见图1。

图1 UPS配电结构示意图

2.2.2 机柜支干配电方式

考虑到数据中心机房分期、分批建设，且后续建设过程中不能影响数据中心机房整体运行，因此，机柜支干配电方式采用母线槽系统。母线槽系统全点带电，可在带电情况下随时加载或卸载单一回路负载，并可从16 A到63 A，以单相或三相任意选项给用电设备提供准确电力供给，降低投资损耗。相较传统电缆加列头柜方式，体现部署周期短、施工难度低、使用周期长、提高后期更改或扩容的灵活性、不产生日常运维费用等优势。

2.2.3 智能配电信息安全系统（DIPS）

机柜PDU作为物联网设备，极易遭受攻击，数据易受损失且维护费用高昂。物联网设备典型的信息安全风险问题包括固件版本过低、缺少安全补丁、存在权限漏洞、设备有过多的网络端口、未加密的信息传输等。区块链的全网节点验证的共识机制、不对称加密技术及数据分布式存储可大幅降低黑客攻击的风险。智能配电信息安全系统（DIPS），由管理软件、安全加固型电源分配单元（PDU）和网络安全控制器构成[2-4]（见图2）。

图2 智能配电信息安全系统DIPS示意图

2.3 暖通系统

数据中心机房服务器密集，散热量大，若采用传统的冷热通道分离设计，即地板下送风顶上回风方式，会使冷风和热风在机柜列的末端或顶部大量混合，导致机柜进风温度升高，空调回风温度降低，从而导致空调效率降低。为此采用封闭冷通道方案，冷风被封闭在“冷池”内，冷风进入热通道的唯一路径是经过服务器热交换后由机柜背部排出，因此冷风利用效率得到极大提高。同时，回风路径上没有冷风进行混合，空调回风温度提高，进而可以提高空调工作效率。封闭冷通道系统送风温度可提高至17~20 ℃，回风温度提高至28~30℃。经测算，封闭冷通道可带来至少4% 的综合节能率。

2.4 消防系统

数据中心机房消防系统采用高压细水雾灭火系统，由高压细水雾泵组、分区控制阀组、细水雾喷头、不锈钢管道等组成。灭火机理是：高效吸热，细水雾雾滴的直径和相对表面积较一般水滴大1 700倍，在火场能完全蒸发，吸热率极高；阻隔辐射热，细水雾蒸发形成的蒸汽迅速将燃烧物、火焰和烟羽笼罩，具有良好的阻隔能力；三维移动，横向灭火，部分直径小的雾滴受到空气阻力，不完全沿喷射方向前进，雾滴在射流方向产生横向和向上翻腾运动，进入喷头上部空间，使细水雾能够充满保护区域的整改空间，对火灾的扑灭深度较高；隔绝氧气，细水雾喷入火场后迅速蒸发形成蒸汽，体积急剧膨胀，排除空气，在燃烧物周围形成一道屏障阻挡新鲜空气吸入。

在高压细水雾灭火系统设计中须考虑3个因素：1水质。为避免喷头堵塞，灭火系统用水的最低标准为国家饮用水标准。用水需进行预处理，一般采用过滤器进行预处理，同时注意灭火系统储配水容器、管道等，避免造成二次污染，应定期清理水箱并换水，以免影响喷头喷雾效果或堵塞喷头。2管材。高压细水雾系统的设计压力达12 MPa以上，高于其他消防系统。设备、组件、管道的选材要求耐高压及腐蚀，综合考量性价比和使用寿命。3通风。高压细水雾雾滴的质量较轻，发生火灾时，排烟增加火羽流的浮升力，造成高压细水雾很难到达火焰根部，降低灭火效果。由于风速＜3 m/s时可以保持较好的控火灭火效果，所以设计时需要和暖通等专业共同协商相关设计参数[2]。

2.5 节能与固废处理

数据中心选择多种节能减排措施。采用高频模块化UPS主机，根据实际负荷增减或休眠功率模块；在满足照明质量的前提下，数据中心优先采用细管径直管型LED灯；空调冷媒管道采用满足要求的保温材料；主机房顶面、墙面、地面采用满足要求的保温材料进行隔热；在满负荷运行时，数据中心电源使用效率PUE值为1.39（PUE=数据中心总能耗/IT设备总能耗=1 000/716=1.39），满足GB/T 32910—2016《数据中心资源利用第3部分：电能能效要求和测量方法》要求[5]。

本数据中心未配置柴油发电机组等高噪声源设备，且远离0～1类声环境功能区，排放的噪声对环境噪声敏感目标无影响。数据中心正常运行情况下，不产生废气、固体废弃物，仅有风冷空调产生少量冷凝水，满足GB/T 31962—2015《污水排入城镇下水道水质标准》要求[6]。

2.6 投资造价

数据中心建设总投资约2 000万元，共147个标准机柜，计716 kVA，造价为2.79万元/kVA。在建设范围和建设内容相同的条件下，与某企业或运营商同等规模数据中心相比，单位造价相近；与某互联网企业的中大型数据中心相比，单位造价略高。主要因为互联网企业中心规模化及集约化等原因带来建设成本优势。水利数据中心与其他企业数据中心投资比较见表1。从表1可知，水利数据中心建设成本符合当前同类项目造价标准，且可根据近远期需求分期建设，降低初始投资，节省成本。

表1 水利数据中心与其他企业数据中心单位造价比较表

3 结 语

数据中心机房建设投入大，使用周期长，技术更新快，需要前期做好详细的使用规划与设计，充分考虑后续应用需求，确保数据中心机房满足发展需求。水利数据中心机房建设在设计过程中尽可能采用成熟的技术与产品，结合数据中心功能性需求与实地情况，通过采用冷通道封闭的暖通系统来提升PUE值，有效降低数据中心机房运行过程中的能耗损失，通过采用母线槽为主干的智能配电系统，配合双路可切换UPS系统，满足数据中心机房日常巡检、排查问题、容量扩充等动态管理需求，确保数据中心机房各项参数计算有效可靠。

与此同时，数据中心机房在布局选址等环节中，需全面考量环境与设施情况。在选址与楼层部署时，充分考虑建筑物的承载力与层高等具体因素，特别是考虑设备搬运过程中可能遇到的电梯尺寸、无障碍通道、房间门与过道门的尺寸兼容性问题。综合考量后确定设备选型，以免造成后续设备搬运及安装过程中的实际困难。

数据中心机房作为各行各业推进数字化转型的基础设施之一，可以满足行业中对数据安全要求较高、数据计算较频繁、大数据研发运用较普遍的功能要求。随着云端安全技术不断完善，各地数据中心机房可以作为云端资源的有益补充，打破行业和系统壁垒，得到更加广泛的运用。