羅珊珊　冷佳

摘 要：針對(duì)當(dāng)前機(jī)房的監(jiān)控管理方式單一、實(shí)時(shí)性差、透明度低等問題，構(gòu)建了一種基于數(shù)字孿生機(jī)房的三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)。以數(shù)字孿生的五維模型為指導(dǎo)，構(gòu)建機(jī)房虛擬場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)機(jī)房三維可視化。論文采用Three.js三維引擎搭建機(jī)房三維場(chǎng)景，使用JavaScript語言實(shí)現(xiàn)各模塊間的功能交互，運(yùn)用深度學(xué)習(xí)算法完成機(jī)房故障診斷的功能。實(shí)驗(yàn)證明：基于數(shù)字孿生的機(jī)房三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)，動(dòng)態(tài)展示設(shè)備信息，提高了管理效率。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生;三維可視化監(jiān)控;故障診斷;虛擬機(jī)房

中圖分類號(hào)：TP39????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Design and Realization of Computer Room 3D Visual

Monitoring System Based on Digital Twin

LUO Shan-shan， LENG Jia

（Jiangsu University of Science &Technology， Zhenjiang， Jiangsu 212100，China）

Abstract：Aiming at the problems of single monitoring and management modes， poor real-time performance and low transparency in the current computer room， a 3D visual monitoring system for computer room based on digital twin is constructed. Guided by the five-dimensional model of the digital twin， the virtual scene of the computer room is constructed to realize the 3D visualization of the computer room. The paper uses three.js which is a 3D engine to build the 3D scene of the computer room， uses JavaScript language to realize the functional interaction between the modules， and uses deep learning algorithms to complete the function of fault diagnosis. Experiment has proved that the 3D visual monitoring system of the computer room based on digital twin can monitor the system status in real time， dynamically display equipment information and improve management efficiency.

Key words：digital twins; 3D visualization monitoring; fault diagnosis; virtual computer room

隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)迅速發(fā)展，信息技術(shù)對(duì)于數(shù)據(jù)的強(qiáng)大計(jì)算和分析能力為各行業(yè)發(fā)展開辟嶄新的發(fā)展空間，對(duì)數(shù)據(jù)的安全性要求也隨之提高。隨著機(jī)房的設(shè)備越來越復(fù)雜，系統(tǒng)愈發(fā)增多，使得管理越發(fā)困難。目前，機(jī)房管理存在幾個(gè)問題：一是機(jī)房管理系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)之間缺乏有效的信息交互手段;二是無法實(shí)時(shí)獲取機(jī)房設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)中斷、設(shè)備故障等問題無法及時(shí)處理;三是多數(shù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)維護(hù)還采用人工記錄、二維報(bào)表等方式，沒有采用統(tǒng)一化管理，實(shí)時(shí)性和可視化效果較差。

數(shù)字孿生[1]的出現(xiàn)為解決上述問題提供了新的方案，數(shù)字孿生是數(shù)字模型對(duì)物理系統(tǒng)的真實(shí)等價(jià)映射。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)，動(dòng)態(tài)更新數(shù)字模型，能夠提升數(shù)字模型的診斷、評(píng)估與維護(hù)能力。數(shù)字孿生最初是由Grieves[1]在美國(guó)密歇根大學(xué)的產(chǎn)品全生命周期管理課程中提出。自2017年開始，涌現(xiàn)了一大批相關(guān)的研究與應(yīng)用，其中主要在生產(chǎn)車間、航空航天、船舶等方面取得一定的成果。劉義[2]等人針對(duì)目前智能車間存在的管理效率低、精準(zhǔn)決策難等問題，設(shè)計(jì)了基于數(shù)字孿生智能車間的管控體系架構(gòu)，開展了智能車間管控平臺(tái)應(yīng)用建設(shè)。李利民[3]等人提出了船舶與海洋工程裝備智能車間可視化管控系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用。

而基于數(shù)字孿生機(jī)房的三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)目前還沒有得到較多應(yīng)用，數(shù)字孿生機(jī)房的應(yīng)用可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)房系統(tǒng)狀態(tài)，動(dòng)態(tài)展示設(shè)備信息，提高管理效率，降低管理成本，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患并解決故障。

1 基于數(shù)字孿生機(jī)房的三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)分析

1.1 需求分析

數(shù)字孿生機(jī)房是物理機(jī)房、虛擬機(jī)房、服務(wù)數(shù)據(jù)和孿生數(shù)據(jù)的集成融合，物理機(jī)房和虛擬機(jī)房通過服務(wù)數(shù)據(jù)和孿生數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)交互和真實(shí)映射。通過三維可視化監(jiān)控從幾何維度展現(xiàn)數(shù)字孿生機(jī)房，并從監(jiān)控需求出發(fā)，建立了三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)，如圖1所示。

機(jī)房三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)，要求能夠?qū)C(jī)房的基礎(chǔ)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控并通過界面實(shí)時(shí)展示設(shè)備運(yùn)行信息，并通過二維圖表實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)設(shè)備功耗、空間利用率等數(shù)據(jù)。系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)記錄機(jī)房設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)以及故障數(shù)據(jù)，出現(xiàn)告警信息時(shí)，管理人員能及時(shí)查找設(shè)備及處理解決告警狀況。

針對(duì)機(jī)房設(shè)備出現(xiàn)的故障問題建立故障歷史數(shù)據(jù)庫，通過深度學(xué)習(xí)算法[8]對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清理、數(shù)據(jù)融合，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘從而預(yù)防設(shè)備故障的發(fā)生。

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

基于數(shù)字孿生機(jī)房的三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)分為兩部分：數(shù)字孿生機(jī)房模型三維可視化展示和數(shù)字孿生監(jiān)控系統(tǒng)，功能框圖如圖2所示：

1.2.1 數(shù)字孿生機(jī)房模型三維可視化展示

（1）機(jī)房環(huán)境可視化是根據(jù)實(shí)際機(jī)房的建筑結(jié)構(gòu)、機(jī)房布局建立虛擬機(jī)房三維模型場(chǎng)景，包括機(jī)房中機(jī)柜布局?jǐn)[放位置、配電設(shè)備、精密空調(diào)設(shè)備、攝像頭、溫濕度傳感器、漏水繩等輔助設(shè)施布局的擺放位置都在系統(tǒng)中展示。對(duì)機(jī)柜空間、機(jī)柜載重、功耗統(tǒng)計(jì)等進(jìn)行展示實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、告警信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（2）資產(chǎn)配置可視化是將各個(gè)機(jī)柜以及機(jī)柜里設(shè)備的基本信息通過三維建模方式導(dǎo)入到機(jī)房可視化系統(tǒng)，通過點(diǎn)擊模型設(shè)備可查看相應(yīng)的配置信息。并且提供歷史查詢記錄，完善信息管理檔案。

（3）機(jī)柜容量可視化將機(jī)房的機(jī)柜U位展示在平臺(tái)，機(jī)柜空間和機(jī)柜載重都使用柱狀圖來展示每個(gè)機(jī)柜當(dāng)前的空間利用率和承重情況，通過顏色區(qū)分當(dāng)前機(jī)柜的空間利用情況和承重情況。

1.2.2 數(shù)字孿生監(jiān)控系統(tǒng)

（1）動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)控UPS、精密空調(diào)、漏水、溫濕度、煙霧傳感器、消防等設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，在監(jiān)控服務(wù)平臺(tái)實(shí)時(shí)可視化展現(xiàn)各設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)以及功耗統(tǒng)計(jì)，讓管理人員及時(shí)了解機(jī)房的健康狀態(tài)。

（2）故障診斷系統(tǒng)通過采集機(jī)房各設(shè)備異常數(shù)據(jù)，使用深度學(xué)習(xí)算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找出故障原因，定位到故障設(shè)備。監(jiān)控系統(tǒng)將發(fā)出多種形式的告警信號(hào)，同一報(bào)警源按照權(quán)限和等級(jí)分別推送到管理人員的PC端，管理人員可及時(shí)處理故障。

1.3 平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)機(jī)房三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)需求，進(jìn)行機(jī)房三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，如下圖3。平臺(tái)采用Ajax引擎的B/S架構(gòu)[4-6]三層結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)庫中主要存儲(chǔ)了機(jī)房設(shè)備的各類信息，包括機(jī)房環(huán)境三維模型、資產(chǎn)配置、機(jī)柜容量數(shù)據(jù)以及設(shè)備告警數(shù)據(jù)等，采用JSON（JavaScript Object Notation）格式來存儲(chǔ)。服務(wù)器采用Tomcat小型輕量級(jí)應(yīng)用服務(wù)器提供Web服務(wù)，啟動(dòng)服務(wù)器后，系統(tǒng)可以自動(dòng)加載Web應(yīng)用程序。瀏覽器端采用JavaScript和WebGL[7-9]技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)房模型三維可視化和設(shè)備信息的交互查詢功能。

2 基于數(shù)字孿生機(jī)房的三維可視化系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法

實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生機(jī)房三維可視化監(jiān)控，需要對(duì)虛擬機(jī)房場(chǎng)景和機(jī)房故障進(jìn)行有效管理。使用WebGL技術(shù)及其Three.js三維引擎實(shí)現(xiàn)機(jī)房虛擬模型構(gòu)建，使用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)歷史故障數(shù)據(jù)建立訓(xùn)練模型，不斷的訓(xùn)練優(yōu)化從而提高診斷的正確率。

2.1 虛擬機(jī)房場(chǎng)景建模

虛擬機(jī)房場(chǎng)景構(gòu)建主要由幾何建模、場(chǎng)景構(gòu)建、人機(jī)交互構(gòu)成。幾何模型是虛擬機(jī)房場(chǎng)景的基礎(chǔ);場(chǎng)景構(gòu)建是對(duì)幾何模型的優(yōu)化，通過添加材質(zhì)、紋理貼圖、燈光等效果，使得虛擬機(jī)房更加逼真;人機(jī)交互可以通過鼠標(biāo)、鍵盤對(duì)機(jī)房模型進(jìn)行控制，改變虛擬場(chǎng)景展示的內(nèi)容。

2.1.1 幾何建模和場(chǎng)景構(gòu)建

采用三層組織結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)房幾何模型管理，機(jī)房幾何模型結(jié)構(gòu)如圖4所示，機(jī)房幾何模型以機(jī)房為為父節(jié)點(diǎn)，機(jī)房環(huán)境和資產(chǎn)為子節(jié)點(diǎn)，通過對(duì)葉子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行三維建模，構(gòu)建和實(shí)際機(jī)房布局一致的虛擬機(jī)房場(chǎng)景。

本系統(tǒng)采用基于原生WebGL封裝運(yùn)行的Three.js三維引擎[10-11]進(jìn)行幾何建模。以機(jī)房機(jī)柜模型為例，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

step1： 場(chǎng)景初始化，建立一個(gè)空白的三維場(chǎng)景，包括場(chǎng)景（Three.Scene）、相機(jī)（Three.Camera）、光源（Three.PointLight）、渲染器（Three.Render）。

step2： 通過Geometry幾何模型創(chuàng)建機(jī)柜幾何模型，使用Material紋理對(duì)機(jī)柜進(jìn)行紋理貼圖，使用Three.mesh（Geometry，Material）三維網(wǎng)格動(dòng)態(tài)創(chuàng)建機(jī)柜場(chǎng)景模型;

step3： 渲染機(jī)柜場(chǎng)景模型，使用Three.WebGLRenderer.render（scene，camera）渲染模型;

Step4： 頁面展示機(jī)柜場(chǎng)景模型。

2.1.2 人機(jī)交互

人機(jī)交互可以對(duì)事件進(jìn)行響應(yīng)，以此來改變虛擬場(chǎng)景的展示內(nèi)容。借助Three.js中的OrbitControls.js控件實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)控制三維場(chǎng)景，OrbitControls.js控件會(huì)使瀏覽器自動(dòng)檢測(cè)鼠標(biāo)事件，把鼠標(biāo)平移的距離按照一定算法轉(zhuǎn)化為相機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度。模型操作如表1所示：

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 動(dòng)環(huán)監(jiān)控

系統(tǒng)使用物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)作為數(shù)據(jù)總線，通過ModBus、SNMP等協(xié)議對(duì)機(jī)房基礎(chǔ)設(shè)備監(jiān)控信號(hào)接入監(jiān)控主機(jī)，由監(jiān)控主機(jī)內(nèi)置的軟件模塊對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)以及參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過文本、圖像的方式直觀的展示在平臺(tái)上。同時(shí)還增加實(shí)時(shí)視頻的方式對(duì)關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控，可以了解機(jī)房具體狀況，及時(shí)處理狀況的發(fā)生。

2.2.2 故障診斷

機(jī)房監(jiān)控系統(tǒng)的故障診斷實(shí)施方案結(jié)構(gòu)如下圖5所示，機(jī)房故障診斷采用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法，使用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實(shí)現(xiàn)機(jī)房的故障診斷。具體步驟為：獲取機(jī)房真實(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)和機(jī)房模型測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清理、數(shù)據(jù)集成和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等數(shù)據(jù)預(yù)處理操作，然后將數(shù)據(jù)樣本送入到訓(xùn)練模型中進(jìn)行學(xué)習(xí)，生成故障診斷模型。將產(chǎn)生的結(jié)果與設(shè)備的歷史故障數(shù)據(jù)庫、故障專家知識(shí)庫進(jìn)行全方位比對(duì)，將比對(duì)結(jié)果使用數(shù)據(jù)融合等算法得到設(shè)備故障特征值。通過對(duì)故障結(jié)果進(jìn)行反饋，產(chǎn)生新的訓(xùn)練樣本，再通過訓(xùn)練模型生成新的診斷模型。通過上述過程的反復(fù)迭代，逐步提高故障診斷的準(zhǔn)確性。

3 系統(tǒng)驗(yàn)證

以某高校機(jī)房為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，根據(jù)本文方法設(shè)計(jì)了機(jī)房三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)，便于管理人員的運(yùn)維，及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)房設(shè)備異常，優(yōu)化管理。系統(tǒng)使用VS Code（Visual Studio Code）軟件平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，基于Three.js引擎構(gòu)建虛擬機(jī)房三維場(chǎng)景，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫MySQL存儲(chǔ)機(jī)房實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，同時(shí)使用Ajax引擎對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通信。使用Javascript腳本控制機(jī)房功能的實(shí)現(xiàn)并進(jìn)行人機(jī)交互，監(jiān)控界面如圖6所示。

管理人員可以通過控制設(shè)備的狀態(tài)信息面板進(jìn)行人機(jī)交互，機(jī)房中的告警異常會(huì)通過彈窗的方式提醒管理人員，如圖7所示。

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了一種基于數(shù)字孿生的智能機(jī)房的三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)，通過基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集方法，對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。以Three.js三維引擎構(gòu)建虛擬機(jī)房場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景三維可視化，并對(duì)實(shí)體設(shè)備的要素部分進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)展示。使用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)機(jī)房故障進(jìn)行診斷，減少機(jī)房故障?；跀?shù)字孿生機(jī)房三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)解決了機(jī)房監(jiān)管系統(tǒng)監(jiān)控方式單一、實(shí)時(shí)性差、透明度低等問題，提高機(jī)房系統(tǒng)管理效率，降低故障率，減少機(jī)房的運(yùn)維費(fèi)用。

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