数字孪生背景下的机房环境监控预警系统研究

王强

中徽建技术有限公司 安徽 合肥 230088

引言

机房环境监控管理是机房日常管理非常重要的工作之一，同时也是确保机房设备实现稳定运行的关键。机房环境监控是一种利用数据库技术、计算机网络技术、自动控制技术、通信技术等发展起来的计算机网络，其借助现代化、智能化、自动化的技术手段，实现了对机房环境设备和动力设备的控制和监管[1]。在机房环境监控系统需求量较大的影响下，监控技术已经非常成熟，但如何基于监控的基础上实现预警成为了研究热点[2]。本研究拟通过数字孪生技术，对接机房环境监控系统，打造全新的监控预警系统，旨在更好地为机房管理提供服务。

1 数字孪生技术监控预警系统架构

基于数字孪生技术下的监控预警系统主要是配合客户端/服务器（C/S）来实现架设，具体可以划分为用户层、业务逻辑层与数据存储层。

用户层主要呈现出可实时交互的虚拟场景界面，其能够较好的展现出数据和模型成果，同时也能够对用户在业务逻辑层以及操作层的相关信息做出及时有效的响应[3]。

用户数据主要通过登录系统，环境参数数据则能够对机房的整体环境情况做出实时监测，报警预警数据则可以提供相应的预警信息与告警提示，设备数据可及时对各组设备的模型定位情况和具体信息进行查看[4]。

业务逻辑层则主要体现为对系统数据以及模型的处理，本层是上下两层的连接层，具体包括各个功能模块和服务器模块，其最主要的功能是经由数据库来实现对实时数据驱动三维模型的采集，同时可根据用户层的操作请求及时对不同场景模型做出反馈[5]。

数据存储层主要包括了设备管理信息、用户信息、报警预警信息以及环境参数信息。本层主要搭配My SQL数据库来实现对存储管理系统的构建，这就能够较好地实现对业务逻辑层业务请求参数数据的及时反馈。

2 机房环境信息预警算法

RBF神经网络是基于BP神经网络下的特例，其主要分为输入层、输出层、隐藏层，从输入层到隐藏层的空间变化属于非线性关系，而从隐藏层到输出层的空间变化则属于线性关系，这使得网络结构不仅有着较快的学习速度，同时也有效实现了对局部极小现象的预防[6]。

径向基神经网络中的激活函数常用高斯核函数表示：

隐含层的结点数为h，输出样本数为n，径向基神经网络的输出为：

损失函数所采用的最小二乘的公式为：

根据本次研究实际情况，最终确定基于RBP下的RBFTIME信息预测模型。通过Fprophet、LSTM来实现对机房数据的建模处理，再配合RBP对两个模型结果实施非线性组合，再基于最优权重实现预测分析[7]。

3 孪生机房数据实时交互

本系统主要配合Web Socket协议双向通信的特性来实现前后端之间数据的实时交互处理，Web Socket协议主要来实现对服务器、浏览器两个端口数据的传输，服务器主要承担起多个浏览器关系的中转处理[8]。当浏览器在成功与服务器连接之后，经由创建的高速通道即可实现对服务器信息的交互处理，服务器在接收到相关信息后，随后传输到浏览器。前端主要通过Java Script语言来实现连接处理，并通过air Condition.vue文件来完成创设处理，Web Socket对象创设，配合浏览器面向服务器完成数据的传输处理。后端则主要通过Web Socket Query Server类、Web Socket Config类以及Controller 类等创设，从而实现数据的发送与页面的响应。

前端在对后端数据接口的信息进行调取之后，后端即可及时调取接口给予前端服务，再基于请求内容完成对Controller 类方法映射，通过对数据库数据的比对，可实时完成结果到页面的反馈。若系统需要针对数据做出调整处理，后端还可通过更改方法完成对信息的存储处理。当数据存储完成操作之后，即可提供相对应的数据接口更新处理，触发Web Socket中的onmessage内容，实时面向浏览器页面来做好相应的数据更新处理。

结合本次所创设的孪生机房的监控预警需求，传输的数据主要是通过机房设备来实现数据管理与运行处理，为此，在进行数据请求处理时，主要通过以下两种方法来实现：

3.1 实时数据请求

主要经由URL方式来完成对数据请求，例如：ws://ip Address:port/query?json&id={id}&device={device}，主要是通过ip Address来完成对服务器IP地址的请求，其中port主要是指服务器的端口号，device主要是指设备信息，id主要是指设备的id数据。

3.2 历史数据请求

同样通过U R L方式来完成对历史数据的请求，但所请求的参数存在明显差异，例如：ws://ip Address:port/history Query?json&start Time={start Time}&end Time={end Time}&id={id}&device={device}，主要是通过ip Address、port与实时请求相同，end Time与start Time则分别是指服务器、数据库查询条件，其能够从数据库中获取相关信息，并将其转变为JSON格式来快速传输处理。

4 监控预警模块

4.1 监控模块

用户在进入到了相应的系统界面之后，即可对机房环境数据的实时情况进行了解，及时掌握是否存在异常警报信息。通过“漫游模式”即可进入到机房虚拟场景，配合键盘控制器即可实现对机房巡检，在此过程中，可随意确定相应机柜设备，完成对设备编号、实时温度、湿度、电位状态的查看，获取相应的数据信息，还可选取“温度、湿度数据信息”生成近1个小时内的温湿度数据信息图。在完成信息查看之后，可返回到上一个界面。监控模块需要对多个界面信息进行调取，这里的Unity3D中能够实现对各个不同场景功能的设计，并添加对应的逻辑脚本，从而实现对界面的切换处理。

4.2 预警模块

在本次监控预警系统中，预警是非常重要的模块，其主要分为预警、报警两个部分。预警主要是通过对数据库中的温湿度信息进行调取后，在经由分析后确定其与阈值之间的关系，若超出阈值范围即表示触发预警模块。报警则主要是在数据库日常实时监控期间，一旦发现机柜电位、温湿度、烟雾浓度等相关信息超出阈值标准，随即进行事件报警，并通过场景定位数据异常设备，此时设备模型即可形成红色闪亮状态，界面也会给出具体的报警信息。具体的预警流程见图1。

图1 预警模块运作流程

在预警模块中，报警信息主要结合《电子信息系统机房设计规范》GB50174-2017中相关参数信息来设置阈值标准，即机房的温度在21-24℃之间，而预警范围设定为21.5-23.5℃，报警范围设定为24℃。

5 结束语

本研究结合机房环境监控管理的需求，构建了一条以预警系统为主的监控预警系统，得出以下几点结论：①基于客户端/服务器（C/S）完成对数字孪生技术监控预警系统架构，形成了三个主要架构，即用户层、业务逻辑层与数据存储层。②采用3D Max建模软件来进行模型构建，并通过RBF-TIME信息预测模型来实现预警信息处理。③通过Web Socket协议双向通信完成对孪生机房数据实时交互设计。④最后介绍了监控和预警两大模块功能，明确了预警模块的运作流程和呈现方式。