摘" 要：数据中心机房是信息化建设的主要物理承载体，机房的稳定性、可靠性直接影响信息系统的稳定运行，而数据中心机房各类设备设施众多，接口复杂，管理难度高，文章构建了基于物联网和3D建模技术的机房数字孪生管理平台，通过物联网实时感知机房运行状态，通过3D建模叠加机房、机柜、设备等信息，实现数据中心机房集成展示、集中调度和统一处置，提升机房可靠性和运维便利性。
关键词：物联网；3D建模；数字孪生；机房管理；数据中心管理
中图分类号：TP277；TP308 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2024）24-0171-05
3D Digital Twin Management Platform for Data Center Computer Room Based on Internet of Things
ZHOU Zihang1， ZHOU Mingsheng2，3
（1.High School Affiliated to Fudan University， Shanghai" 200433， China;
2.Shanghai Waigaoqiao Free Trade Zone United Development Co.， Ltd.， Shanghai" 200131， China; 3.School of Information Management and Engineering， Shanghai University of Finance and Economics， Shanghai" 200433， China）
Abstract： The data center computer room is the main physical carrier of information construction. The stability and reliability of the computer room directly affect the stable operation of the information system. The data center computer room has many kinds of equipment and facilities， complex interfaces， and high management difficulties. This paper builds a Digital Twin management platform for the computer room based on the Internet of Things and 3D modeling technology， perceives the operation state of the computer room in real time through Internet of Things， and superimposes the computer room， cabinet， equipment and other information through 3D modeling. The integrated display， centralized scheduling and unified disposal of the data center computer room are realized， improving the reliability of the computer room and the convenience of operation and maintenance.
Keywords： Internet of Things; 3D modeling; Digital Twin; computer room management; data center management
0" 引" 言
随着数字化转型和信息化建设的推进，作为各类服务器、网络设备、存储设备等信息系统承载的物理空间，数据中心机房对高安全性、高可靠性和运维便利性要求越来越高，数据中心机房涉及供电、空调、温湿度、机柜容量等多个专业内容，其稳定可靠运行需要一套集成化的系统支撑，为机房管理方提供统一的可视化和动态化的运维平台。
数据中心机房数字化管理近几年是一个研究热点。彭灿华等构建了基于物联网技术的数据中心机房管理系统，对机房温湿度、环境、动力、服务器等进行监管[1]。胡春瀛等构建了区块链技术下的机房管理系统，为对外服务机房管理提供了管理思路[2]。董傲通等构建了机房智能管理系统，可远程开启机房和空调，通过集成视频监控和门禁系统，实现无人值守[3]。赵越等构建基于RFID的机房设备智能管理架构，结合机房温湿度采集、通道监测、人脸识别等手段，提高机房管理智能化水平[4]。吴云芸等构建了数据中心能耗管理系统，通过机房能耗分析提升机房能耗管理和协调能力[5]。陈昕等阐述了中科院数据中心建设实践和运维管理模式，运用了物联感知等技术[6]。黄晋等[7]和张波等[8]通过三维动态场景实时展示机房环境和设备信息，提高机房运维可视化水平。冼锂东等[9]构建了基于物联网技术的机房物料管理系统，对机房设备设施进行管理。这些研究对机房数字化管理提供了思路和技术路线，一定程度上实现了机房环控、动力、设备等监控，有的学者也进行了3D建模，但整合性尚待加强，管理平台信息与真实环境存在差异，没有实现机房数字孪生管理。
本文基于物联网和3D建模技术，构建数据中心机房数字孪生管理平台。在数据中心机房加装传感器，通过物联网实时感知机房各类设备设施和环境状态。进行3D建模，将机房空间、机柜容量、设备资产、信息系统等数据中心机房动态运行态势数字化管理，各专业集成展示、集中调度和统一报警处置，从而构建机房数字孪生管理平台，为数据中心机房稳定可靠运行提供保障。
1" 需求分析
传统数据中心机房管理存在如下不足：各专业系统（如供电、空调、环控等）各自为政，不能精准实时获取机房、机柜和关键设备的环境监控数据；缺少动态可视化工具支撑，无法快速查看机房资源占用、能源消耗等情况，无法快速熟悉机房环境和设备情况；网管软件可以监控服务器等设备状态，但功能较为单一，无法监管网络设备、机房环境设备等，无法完整及时掌握数据中心机房运行态势[6-7，10]。
本文构建一个基于物联网和3D可视化建模的机房数字孪生管理平台，通过虚拟3D建模，叠加物联网感知的温湿度、动环、设备运行等实时动态数据，实现机房信息展示、资产管理、集中监控和集成告警等数字孪生功能。
平台主要功能需求包括：机房、环境、机柜、设备等机房设备三维展示；机房运行信息感知和展示，如机房设备、空调、配电箱、环境、网管信息等；机房能耗展示，包括空调、电力负载、UPS状态等[5]；后台管理功能，如设备维护、用户权限管理等。
2" 平台总体设计
2.1" 平台架构设计
如图1所示，平台总体架构分为数据层、接口层、交换层、业务层和展示层共五层。
数据层负责平台数据汇集，完成机房、机柜、设备、环控等平台相关动态信息采集和传输；接口层提供数据接口、图形接口和视图接口三个接口，数据接口负责与机房设备设施专业系统数据交互，图形接口完成与三维模型交互，视图接口完成3D模型呈现和人机交互；交换层完成数据处理和加工，构建机房、机柜、设备和报警等模型；业务层完成功能实现，提供3D展示、容量管理、资产管理、网络管理、环控管理、能耗管理、报警管理、后台管理等功能模块；展示层可以提供电脑端、移动端及大屏端展示。
2.2" 平台数据交互设计
如图2所示，本文构建基于物联网和3D模型的机房数字孪生管理平台，平台通过数据接口获取外部专业系统数据，如电力监控、空调监控、网管监控、环境监控等信息；通过图形接口与三维模型交互，三维模型包括机房模型、机柜模型、设备模型、报警模型等；平台提供可视化展示（包括资产可视化、容量可视化、网络可视化和报警可视化）和可视化服务（包括资产管理、网络集成、动环集成、权限配置）两类服务，通过视图接口实现模型呈现和人机交互。
2.3" 平台功能设计和架构
2.3.1" 平台功能设计
数据中心机房数字孪生管理平台功能上要实现3D引擎、数据接口以及资产、网络、动环等可视化管理，具体如下：
1）3D引擎。平台提供驱动图形显示的3D组件，可以基于浏览器访问，无须安装插件。可通过鼠标对3D场景进行操作，如放大、缩小、平移、旋转等，可层级化展示机房、机柜、设备等信息。为实现数字孪生，3D建模需要与真实环境布局一致具有高度的辨识性，在机房运维过程中实现虚拟场景与物理场景一一对应。
2）数据接口。平台为数据中心机房加装了传感器，集成资产展示、机柜容量、设备设施、报警信息等各类专业系统信息。
3）资产管理可视化。平台提供3D可视化运维模式，实现各类设备设施的3D建模，包括机柜、配电柜、UPS、服务器、存储、交换机、消防设备、精密空调等。数据中心机房3D模型中各类设备资产与真实环境一致，让资产配置变得直观易用。平台建立设备索引，从而可以快速搜索、定位目标设备，查询设备信息和配置详情，无须频繁出入机房便可清楚掌握设备状况，提高资产管理效率。平台提供便利的设备上下架管理，管理者可以根据实际对设备进行上下架配置，确保平台信息与实际环境一致。
4）网络管理可视化。对接网管平台，对设备实时监控，在3D可视化场景中显示设备的运行状态和告警状态，发现告警可快速定位。
5）动环管理可视化。在现有环境动力设备上加装传感器，采集UPS、配电柜、温湿度传感器等信息，实现3D场景中的运行和告警数据可视化管理。通过图层方式叠加动环数据，方便显示和控制，在3D场景中显示配电柜、UPS等电力设备电压电流等运行数据，展示空调、温湿度传感器等环境空置设备数据。
6）权限管理。平台权限分为管理员权限和用户权限。管理员可以查看所有模型及平台数据，进行设备上下架操作，模型新增、修改和维护等操作。用户权限只能查看特定系统模块的模型和设备数据。
2.3.2" 平台功能架构
如图3所示，平台分为容量管理、资产管理、网络管理、动力管理、环控管理、报警管理、3D展示、系统管理等功能模块。
具体介绍如下：
1）容量管理。平台默认展示全部机房的总容量、已用容量和可用容量，选择某机柜时，展示该机柜的总容量、已用容量和可用容量。
2）资产管理。平台提供了各类设备索引树，点击设备名称可查看设备详情，平台同时切换至该设备视角。可输入关键字搜索设备，管理员可新增、编辑或删除相关设备。
3）网络管理。平台对接设备网管软件，提供机房总出口带宽使用情况（上下行流量），各设备运行情况等信息。
4）动力管理。机房配电柜情况、UPS负载、电能消耗情况等。
5）环控管理。采集机房中消防、空调、机房温湿度等机房运行环境信息，如选中温湿度选项卡后，列示机房当前温湿度和历史曲线图。
6）报警管理。点击可查看报警详情，点击某条报警信息可定位到相关设备，设备修复后由传感器感知，报警消除。
7）3D展示。机房、机柜、设备、环控、能耗、报警等功能与3D模型结合，实现与真实环境一致的数据中心数字化孪生管理。
8）系统管理。管理员可进入后台管理模型，进行用户和权限管理等操作。
2.4" 平台功能实现
根据平台功能设计和架构，接下来重点阐述三维建模和功能开发。
2.4.1 三维建模
如图4所示，数据中心机房数字孪生管理平台三维建模包括模型信息提取、模型搭建、模型渲染、模型加载、模型呈现和模型优化等过程。模型信息提取完成机房内动力、环控、网络等各类信息跨平台提取，通过传感器感知并由物联网传输至建模三维建模服务器；模型搭建完成机房、机柜、设备、报警等各类三维模型搭建；模型渲染通过3ds Max对模型细节进行修饰和渲染（几何体渲染、细节渲染、纹理渲染、材质渲染、灯光渲染等），使模型更加接近真实环境；模型加载通过图形接口完成三维模型接入、轻量化和加载加速，并叠加实时传感器数据；模型呈现在浏览器中层级化展示三维动态模型，可以自动播放，支持模型放大、缩小、平移、旋转、点选等操作；模型优化根据机房数字孪生管理需要扩展设备设施或模型内容，持续优化模型搭建、渲染、加载和呈现功能。
本文通过WebGL技术实现三维建模。WebGL技术支持常见的操作系统，如Windows、Linux、Andriod等，平台提供便利的API接口，方便模型与多源数据交互，它支持跨平台，建模图形可以在不同的浏览器和设备上运行，可以支持硬件加速，可以利用GPU硬件加速能力，提高流畅的3D图形性能。在动画渲染方面，平台调用了3ds Max进行模型渲染，实现几何体、细节、文理、灯光等渲染建模，使得3D模型更加逼真，渲染优化如图5所示。
如图4所示，平台建模工具完成基础模型搭建，创建模型几何体（如机房、机柜、设备等），配置几何体参数（如名称、类型、型号、规格、位置等），关联动力、环控、网络等外部信息实现动态信息获取。三维模型通过图形接口为平台提供模型加载和呈现服务，平台通过JavaScript程序调用和加载三维模型，实现三维模型缩放、平移、旋转、点选等操作，并根据平台运行和用户反馈，按需扩展和优化三维模型。
为使平台三维模型更加接近真实物理环境，实现数据中心机房数字孪生管理，本平台通过3ds Max对3D模型进行渲染和优化。3ds Max可以对几何体样式、细节、纹理、材质、灯光等进行渲染，优化三维模型。如图5所示（以设备模型为例），3ds Max软件中导入消防设备模型（3D模型）和设备三维图片或影像（真实设备），对模型长宽高、形状、视角、纹理、环境等进行比对和优化，确保平台模型中设备加载了真实设备各类相关信息，与真实物理设备和环境更加接近。模型渲染优化后，导回到建模环境，供平台调用和呈现。
2.4.2" 平台功能开发
数据中心机房数字孪生管理平台采用ASP.NET进行业务功能实现以及与网管软件对接，使用Oracle 10g数据库进行数据存储和管理，部分源文件如图6所示。
平台已在上海自贸区智慧园区机房中实现，作为园区招商管理和智慧园区运营的基础资源保障[11-12]，平台部分功能页面如图7、图8所示。
3" 结" 论
本文基于物联网和3D建模技术，构建了数据中心机房数字孪生管理平台。平台通过安装在机房各类设备设施的传感器感知机房运行状态，整合机房环境、机柜容量、设备设施、电力能耗、网络运行等数据中心机房各类动态运行信息，提供标准化统一平台展示。基于WebGL技术进行3D建模，构建机房模型、机柜模型、设备模型和报警模型，通过图形接口传输至服务器，提供机房数字孪生可视化展示和可视化服务，构建容量管理、资产管理、网络管理、动力管理、环控管理、报警管理、3D展示等机房数
字孪生管理平台，提升机房管理数字化和可靠性水平。
本文机房数字孪生平台进行了3D渲染和浏览器加速，可以在主流设备主流浏览器中访问和加载，提供了多角度多维度的机房管理3D模型，可按需进行缩放、穿透、旋转等操作，实现与物理环境一致的数字孪生管理。平台集成了机房及各类设备设施运行和故障信息，相比传统网管软件集成性高，操作便利性高。后续可以按需整合更多专业设备（如消防、精密空调、视频监控等），提供更全面的机房孪生管理信息，也可按需增加远程控制等功能，实现远程值守和远程巡检，为信息系统运行提供更加可靠保障。
参考文献：
[1] 彭灿华，杨呈永，张玉斌.基于HTML5与物联网技术的大数据中心机房智能管理系统 [J].实验室研究与探索，2018，37（4）：140-144.
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[9] 冼锂东，幸敏，倪杰，等.基于ZigBee物联网技术机房物料管理系统的设计 [J].物联网技术，2024，14（4）：70-72+76.
[10] 张雯，周子航，周明升.基于物联网和人工智能的园区安全运营管理平台 [J].计算机时代，2023（2）：132-136.
[11] 周明升，张雯.一种面向多源数据的智慧园区管理平台 [J].计算机与现代化，2023（5）：68-74.
[12] 周明升，张雯.基于数据中台和人工智能的产业园区招商服务平台 [J].现代电子技术，2024，47（12）：150-156.
作者简介：周子航（2011—），男，汉族，上海人，研究方向：计算机应用；周明升（1981—），男，汉族，山东昌乐人，高级工程师，硕士生导师，CCF高级会员，博士，研究方向：智慧城市、决策支持。
