基于数字孪生技术的广电机房智能化管理系统

叶逢春

（余姚市融媒体中心，浙江 宁波 315400）

0 引 言

广播电视机房是数据存储、数据播发的枢纽，每天都在产生、传递、处理海量的数据。随着信息技术的快速发展，机房的数据安全正面临越来越多的安全隐患[1]。目前的机房管理存在以下问题：一是大规模设备、复杂环境下的监控系统，无法做到监控数据实时同步、快速响应，发生问题以后很难进行应急处理；二是现有监控系统可视化效果较差，机房监控数据主要显示的是二维图像和数据报表等，无法直观展示机房设备的状态；三是现有的监控系统人机交互性能较差，使用者在操作的时候使用计算机进行查看，很难进行沉浸式访问机房内部。为此，升级机房管理正成为各地广电单位迫在眉睫的主要任务之一[2]。余姚市融媒体中心借中心大楼改造建设的契机，将数字孪生技术应用于机房的管理。数字孪生借助多种传感器获取数据，采用数字化的表达方式，建立与机房物理实体相似的虚拟化模型，并利用实际测量、仿真计算等方法，实时分析当前物理实体的状态，实现了模型信息同步，很好地解决了目前机房管理存在的问题。

1 基于数字孪生技术管理环境的构建

1.1 广电机房设备三维建模

机房三维建模是将物理机房内的设备、机房场景等映射到计算机系统中，主要采用Blender建模软件构建机房三维模型，并借助WebGL三维引擎库将模型添加到画布上，最后完成渲染[3]。建模时，首先测量机房设备结构、尺寸和相关材质，同时收集设备的实物照片，利用Blender建模软件建立一个立体模型，在编辑模式下立体缩放设备的X轴、Y轴、Z轴，建立与实际设备完全一致的模型。模型建立完成以后，为使模型更接近实际，将设备模型导出，利用Photoshop软件进行简单的纹理操作处理。

1.2 广电机房场景构建

广电机房场景构建是机房在完成主要设备模型设计以后，将设备模型放置在虚拟化场景中，按照物理机房的实际布局进行排列。机房采用了场景树模型管理方法，根节点是整个机房的场景，枝节点为内部环境、资产设备及动力环境，叶节点包括服务器、交换机、传输线路及机柜等具体设备，布局如图1所示。具体场景构建流程[4]如下：

图1 广电机房场景构建布局

（1）根据实际的广电机房布局，部署虚拟机房各个模型所在的位置；

（2）借助WebGL的三维引擎库构建场景设施，包括视图窗口、门窗等，进行初始化操作；

（3）对搭建好的场景进行功能划分，利用three.js库中的Three.ObjectLoader方法加载JOSN格式的模型到搭建好的场景中；

（4）对搭建好的场景进行渲染，优化可视化界面。

1.3 广电机房场景优化

机房模型建立以后，通过软件将其加载到计算机系统。但大楼的广电机房面积大、场景复杂，仅仅依靠计算机无法对模型进行完整显示。为确保虚拟化场景能够正常显示，对场景采用层次结构模型技术作进一步优化处理。

2 广电机房孪生数据采集

2.1 机房数据采集

孪生技术的关键是如何将物理机房的各项数据映射到虚拟机房。机房数据包括静态数据和动态数据两种[5]。其中，静态数据是机房场景、设备的固有属性数据，包括主要设备的名称、型号、生产厂家、报修时间及运维状态等，静态数据一般情况下不会发生变化；动态数据是机房运行过程中产生的数据，包括机房设备运行状态、设备参数和流量传输信息等。数据采集使用多源异构方式，根据不同设备的通信接口，实时采集设备运行参数。余姚市融媒体中心机房采用了智能数据采集设备对机房环境参数进行采集，并借助简单网络管理协议（Simple Network Management Protocol，SNMP）完 成 通 信 数据的采集，获取机房设备的网络流量、主机CPU利用率以及主要设备运行状态等，然后由网络管理系统负责发送管理命令，如数据存储、数据查询等。通过SNMP和网络管理系统（NetWare Management System，NMS）进行数据交流，接收NMS系统下发的各类指令。

2.2 机房数据实时交互

数据交互方面，机房采用WebSocket协议进行通信。该协议能够完成浏览器与服务器之间的数据交互，同时也可以让服务器主动将信息数据推送到浏览器中，确保数据传输的实时性和有效性[6]。具体运行采用了表示层、业务逻辑层和数据层共三层次的结构。

（1）表示层。为用户提供人机交互平台，平台使用three.js三维建模技术，可视化显示机房场景，并向业务逻辑层发送请求，对返回的数据进行渲染和处理，实现虚拟机房的实时更新。

（2）业务逻辑层。根据表示层的请求，为相关业务提供操作接口。

（3）数据层。通过数据采集设备及SNMP协议获得数据以后，将这些数据存储到数据库中，执行数据管理工作。

3 机房管理系统的设计与实现

3.1 系统功能概述

机房管理系统主要具有三维场景交互、场景漫游、机房监控以及异常报警等功能。三维场景交互是利用计算机实现模型和场景的操作，实现值机人员和模型之间的人机交互。场景漫游是值机人员在使用系统的时候可以通过第一人称的视角查看广电机房场景。机房监控是利用数据采集设备对机房主要设备进行监控，值机人员可以随时查看主要设备的状态，并利用虚拟化机房查看机房环境，监控机房运行情况是否正常。异常报警功能是在系统运行有异常的时候，系统可以借助页面弹窗、手机短信等方式将报警信息通知管理人员。

3.2 三维场景交互功能的设计与实现

三维场景可以让值机人员通过第一人称视角来浏览和查看系统，属于三维可视化系统的重要功能模块。通过该模块，值机人员能够熟悉机房内部各个设备的布局，检查机房可能存在的异常和不足。场景交互使用了碰撞检测技术，该技术可以防止场景出现重叠现象。机房场景借助three.js库的Raycaster类进行碰撞检测。该方法是对移动模型的顶点坐标进行变换，获取模型中心点指向顶点的向量direction Vertor，并且将场景中所有网络模型定义为数组，然后利用检测移动模型发出的射线与数组的相交情况，判断是否有碰撞出现。值机人员进入系统以后，使用计算机改变场景的视角，系统在运行的时候会判断场景中模型可能发生的碰撞情况，从而改变场景中的情景。

3.3 机房监控功能的设计与实现

机房监控功能采用了多种可视化监控的方式，完成机房环境和设备的监控和查看，如状态查看、三维虚拟场景查看、视频监控情况查看等。三维虚拟化机房借助人机交互操作以沉浸式的方式查看机房设备实时运行状态。系统Web端数据可视化采用前后端分离的模式，在浏览器前端使用Echarts开源可视化图库，利用各种图形展示实时数据，同时值机人员可以利用计算机进行操作，显示对应的模块和数据。后端采用了SpringBoot框架，在框架内部的底层将application.xml文件进行解析，然后制定MyBatis基础配置文件和实例类映射文件的地址，并对请求数据重新整合，调用Dao方法，将数据结果写入数据库中。在对机房进行监控的时候，采用ElementUI组件库的对话框弹出方式展示监控数据，如果值机人员需要查看机房内部的具体设备信息，通过数据表双击这个设备的模型即可。

3.4 异常报警功能的设计与实现

为了实现对机房进行实时监控，系统对机房主要设备设置了监控的阈值，这样后台传输数据能够及时传送到表示层。当设备数据参数大于设置的告警阈值，设备的颜色就会变成黄色；如果设备的数据参数异常情况明显，影响机房安全的时候，设备模型就会变成红色。管理人员可以及时查看历史告警信息，判断设备出现的异常，并进行针对性的操作和处理。

4 结 语

基于数字孪生技术的智能化机房管理系统实现了机房内通信设备和动环监控设备的运行状态和参数的自动采集、分析和预警处理，提升了机房的风险预警和故障处理能力，为机房运维提供了智能决策支撑。系统也解决了机房运维监控方式单一、实时性差、透明度低等问题，有效地提高了运维效率，缩短了故障响应时间，减轻了工作人员的压力，减少了机房运维的人工投入以及费用支出。