智能一体化机柜的应用方案研究

赵 耀

随着云计算、大数据、物联网、人工智能、AR/VR、机器人、智能感知、5G 等新技术越来越多地应用在铁路行业，为适应智能铁路的发展，行业应用系统的数据量、计算量也在不断加大，完全依靠数据中心集中处理已难以满足部分系统现场实时计算的需求，因此信息、通信部分设备将倾向边缘计算的方式部署，形成云、边协同的新型系统架构，对设备部署的灵活性及运行的可靠性均提出了更高的要求［1］。

本文以区间信息机房为重点，从机房空间、设备部署、节能降耗、建设运维等方面对比典型设置与智能一体化机柜设置方案的差异，研究智能一体化机柜在铁路行业应用，以及在未来智能高铁、智慧铁路的推广价值。

1 存在问题

在目前铁路建设中，数据中心、调度所机房、站段机房、区间小型建筑机房、设备和配线间等均按照《数据中心设计规范》（GB50174—2017），根据重要性划分等级［2］。然而无论按照哪级标准，这类机房均需配置供配电、UPS 电源、空调等机电设备［3］。由于各类机电设备分立设置，集成度不高，设备部署占用空间很大；尤其对于区间小型信息机房、通信机房及部分配线设备间，修建配套房屋及设备的投资远高于设备本身，也不是最经济的解决方案［4］。

国内外部分厂家提出了模块化机房方案，集成了UPS、电源、空调等机电设备，可以在占用较少空间情况下提供信息、通信设备的运行环境［5］。但这些方案往往功能不全，出现如缺少空调、备用时间不足、机柜空间预留不合理、系统规模、监控功能单一等问题。为此提出整合铁路信息机房、通信机房、设备及配线间相关设备，构成适用于在铁路应用的智能一体化机柜系统，实现各类设备及功能的统一部署及统一监控，节省空间、节约投资，满足边缘计算的需求，为既有线路扩能改造提供设备灵活部署条件，也为设备提供更好的运行环境。

2 系统分析

智能一体化机柜系统是指将设备机柜、配线柜、配电柜、UPS、蓄电池组、防雷、空调等基础设施进行整合，为信息、通信设备提供满足《数据中心设计规范》（GB50174—2017）等标准规定运行环境的机柜系统［6］。其特点如下。

1）空间集约化，功能模块化。智能一体化机柜采用一体化设计理念，将传统机房分散布置的机电设备统一规格、统一安装方式，在机柜中纳入设备机架，实现传统机房内分散设备的集约化，充分利用机柜空余空间，减少对机房的空间需求，提高机房的使用率。智能一体化机柜按照功能模块原则进行设计，将机柜、配线、配电、UPS 电源、蓄电池、空调、电源及环境监控系统等设备模块化，根据不同的项目特点选择适用的模块，可以适应各类场景需求。

2）生产敏捷化，部署灵活化。传统信息机房设施的设计、生产、施工、调试等涉及多个专业、厂家，由于不同厂家、不同型号设备的接口、尺寸存在差异，导致接口复杂、机房布局难以稳定，甚至会由于部分设备尺寸与预计不同导致工程返工［7］；因既有线路改造、新系统上线而出现机房能力不足，也造成系统建设难度加大的情况。而智能一体化机柜根据项目需求选择功能模块，实现便捷生产，在生产制造阶段解决接口问题，提高建设效率；而且能够独立为通信、信息设备提供不间断供电和制冷等运行环境，达到等同于机房环境的效果，满足既有站改造、偏远场所不具备机房环境情况下部署信息通信设备的需要，具备部署的灵活性。

3）设计可视化，运维智能化。从设计阶段便引入BIM 技术［8］，实现智能一体化机柜的设计、生产、运维全生命周期可视化信息展示，可以在各阶段更直观地对机柜样式、状态进行布局仿真，确保智能一体化机柜设计的合理性。

铁路信息、通信设备的部署非常分散，对运维的要求也相应提高。通过智能化监控系统对机柜内设备的运行环境实现精细化远程集中监控，可预测机柜内环境、设备的故障并提出预警［9］；对机柜内微环境的优化控制，在保障信息、通信设备运行环境的同时，实现节能控制、数据分析等智能化运维功能［10］，在独立站点、偏远地区应用，更可以有效减少运维人员工作量。

3 方案设计

为满足区间信号楼、综合楼、线路所，以及其他生产、生活房屋部署办公网终端的需求，需要在楼内设置信息机房，以部署办公网接入设备。区间信息机房内部署网络设备一般为数台办公网交换机。本次以部署一台网络交换机的场景为例，开展典型方案及智能一体化方案的比较研究。

3.1 典型机柜

在目前的主流实施方案中，为保证信息机房的运行环境，需要设置的主要设备包含：设备机柜、配线柜、配电柜、UPS、蓄电池组、机房专用空调、机房电源及环境监控系统等，各类设备布置均需满足安全距离且具备维护空间。

3.1.1 机柜设施设置情况

1）机柜及配线设备。考虑到办公网接入交换机尺寸较小，对机柜空间要求不高，结合信息系统典型机柜尺寸600 mm（宽）×800 mm（深）的标准，网络机柜即可满足要求；配线及设备间的高度充裕，结合未来发展需求，选用600 mm（宽）×800 mm（深）×2 000 mm（高）的42U 标准机柜承载设备；考虑到机柜实用空间很少，可以将设备机柜与配线机柜合一，即在机柜内部署1 台办公网接入交换机、光纤配线架及铜缆布线架各1套。

2）配电箱。配线及设备间实际用电量为200 W，考虑未来设置其他设备，电力用电容量预留5 kW，电力专业设置壁挂式配电箱以满足配电需求。外电源配电箱由电力专业设置，建筑物供配电系统中机房的末端配电箱，一般由电力专业提供双电源供电，经ATS双电源切换设备后，供给信息专业取电。

3）UPS及蓄电池。由信息专业设置UPS及蓄电池，为信息系统设备提供不间断电源。一般配线及设备间内的UPS 电源至少选择2 kVA 型号。按照《高速铁路设计规范》要求，备用时间为1 h，根据2 kVA满容量选择蓄电池组。

4）机房专用空调。由暖通专业设置，根据机房整体热负荷情况测算规格，机房专用空调为机房提供恒温、恒湿条件，保障机房内信息设备稳定运行。

5）防雷箱。信息专业设置，对机房内设备及出入机房的线缆进行防雷保护。

6）机房电源及环境监控系统。区间信息机房不一定设置机房电源及环境监控系统，若设置，则需将机房电源及环境监控系统主机设置在机柜内，并在房屋内设置温湿度、感烟、水浸告警等传感器，通过网络将数据上传至上级管理终端。

3.1.2 机房布置情况

综合考虑设备尺寸、安全距离、维护空间等因素，机房典型布置图见图1。

图1 典型区间信息机房设备布置

由图1 可以看出，为了部署1 台办公网接入交换机，在保证合理安全距离及维护空间条件下，该信息机房的最小布局为4.65 m（长）×3 m（宽），占用建筑面积约14 m2。区间信息机房典型机柜布置见图2。

图2 区间信息机房典型机柜布置

机柜上方设置光纤配线架、数据配线架及办公网接入交换机。考虑理线及操作空间，按照隔空布置；在机柜底端设置电源及环境监控系统主机。采用这种布置方式，42 U 标准机柜内占用空间约为8 U，仅为可用空间的19%。标准机柜占地面积为0.48 m2，而配线及设备间面积为14 m2，有效占地面积仅为3.4%。因此，机房机柜的实际空间使用效率不及1%。

3.2 智能一体化机柜

智能一体化机柜就是将设备机柜、配线柜、配电柜、UPS、蓄电池组、机房专用空调、机房电源及环境监控系统等进行一体化整合，作为一整套系统统一进行部署。

3.2.1 机柜设备设施设置情况

1）配线设备。考虑到机柜实用空间很少，可以将设备机柜与配线机柜合并，即在机柜内部署1 台办公网接入交换机及光纤配线架、铜缆布线架各1套。

2）配电箱。按照5 kW 带ATS 双切的配电箱，采用机架式安装模式，直接在机柜内部署。

3）UPS及蓄电池。定制2 kVA机架式UPS及满足1 h备用的机架式安装蓄电池组包。

4）机房专用空调。采用一体化机架式机房专用空调，制冷量按照3 kW 选取，满足极端情况下的制冷需求。

5）防雷箱。采用机架式箱体设置SPD 浪涌保护器等防雷设备，满足防雷功能要求。

6）机房电源及环境监控系统。在机柜内设置机房电源及环境监控系统主机，并设置温湿度、烟感、水浸告警等传感器，实现对机柜内运行环境的精确感知；根据机柜环境对一体化机房专用空调进行监控，避免空调长时间制冷导致的能源消耗，满足节能需求；通过网络将数据上传至上级管理终端。

7）机柜系统。结合上述设备的安装及机柜内冷通道封闭需求，选用2 000 mm（高）的42 U 标准机柜承载。机柜前方为冷通道，后侧为热通道，考虑空调损坏或其他特殊原因导致高温，设置了应急排风系统，整个机柜尺寸为600 mm（宽）×1 200 mm（深）×2 000 mm（高）。

3.2.2 机房布置情况

智能一体化机柜自身宽600 mm，深1 200 mm，占地面积为0.72 m2，略大于传统机柜。由于是单个机柜进行布置，机柜侧面没有维修需求，可以一侧贴墙放置。考虑维修距离、安全距离及运输通道后，机房内机柜布置如图3所示。

图3 智能一体化机柜在机房内布置示意

在分析了冷通道、热通道及应急排风后，增加了机柜的厚度，从典型方案的800 mm 深调整为1 200 mm 深，且机柜内信息设备部署空间依旧满足19 吋标准机柜的要求。在机柜内对上述设备设施进行集成后，机柜设备布置见图4。

由图4 可以看出，在自下而上顺序布置空调、机架式电池包、UPS 主机、配电单元、防雷单元和电源及环境监控主机后，尚有20 U 的空余空间可用于部署信息设备，不但满足设备部署需求，机柜外还不需设置其他设备设施。

图4 智能一体化机柜设备布置

考虑必要空间后，机房面积需求仅为4.2 m2，与典型布置方案的14 m2有显著面积节省。同时，智能一体化机柜自身可以为电子信息系统设备提供完备的运行环境，因此机柜可以部署在环境适宜的非机房环境内，有助于进一步减少占用面积。

3.3 对比分析

典型方案与智能一体化机柜方案的对比见表1。

表1 典型方案与智能一体化机柜方案的对比

虽然智能一体化机柜的自身尺寸略微变大，占地面积相应较多，是传统方案的1.5 倍；但必要的机房面积显著下降，仅是传统方案的30%，明显节约了建筑面积。

采用智能一体化机柜后，机柜内空余空间由34 U 降低为20 U，考虑到配线及设备间的实际需求仅为6 U，未来扩展需求不大，因此智能一体化机柜的空余空间可以满足未来的发展需求；基础设施布置由机房内散布调整为机柜内统一部署，集中化的布置有利于统一排除故障，便于运维管理和统一监控；集中柜内闭环制冷也有助于精确制冷提高能效。

综合以上分析，虽然机柜内预留的设备部署空间有所降低，但区间信息机房应用智能一体化机柜在节约空间、统一运维监控、提高能效方面有较为明显的优势。

4 总结

随着智能铁路的发展需求及5G 技术的应用，边缘计算+云数据中心的云边结合将成为信息系统的重要架构方式。届时，边缘计算设备高质量、高可靠的部署将会对铁路信息化基础设施提出新要求，智能一体化机柜的优势将更加显著，并且为既有线路扩能改造提供了更优的技术方案，具有良好的应用前景。有必要以区间信息机房等典型场景为基础，开展智能一体化机柜的应用研究，可向室外、隧道洞室等方向或其他专业应用发展，为未来铁路信息化建设积累技术基础。