席欣然

（吉林財(cái)經(jīng)大學(xué)，吉林 長(zhǎng)春 130022）

1 研究背景

本文是對(duì)海底數(shù)據(jù)中心的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，在資源矛盾日益突出的今天，該研究完全符合綠色可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，既可以有效的將數(shù)據(jù)回傳給互聯(lián)網(wǎng)，也有效的節(jié)約了資源。針對(duì)如何在有限的集裝箱外殼中放入最多數(shù)量的服務(wù)器、如何達(dá)到最佳散熱效果進(jìn)行合理分析和建模，并在考慮到海水的低溫和壓強(qiáng)的條件下，選擇綜合性能最強(qiáng)的金屬物來制作散熱服務(wù)器，并在研究后給微軟、谷歌、華為等公司的海底數(shù)據(jù)中心的外殼散熱提供設(shè)計(jì)方案，加以推廣和改進(jìn)，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

2 模型的建立

2.1 海底散熱器放置個(gè)數(shù)的最優(yōu)化

結(jié)合實(shí)際情況和題意分析，固體在液體中的冷卻方式為強(qiáng)制對(duì)流傳熱。根據(jù)牛頓冷卻定律，即溫度高于周圍環(huán)境的物體向周圍媒質(zhì)傳遞熱量逐漸冷卻時(shí)所遵循規(guī)律——當(dāng)物體表面與周圍存在溫度差時(shí)，單位時(shí)間從單位面積散失的熱量與溫度差成正比。

僅考慮服務(wù)器的散熱需求，可以對(duì)模型進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，對(duì)于1U 服務(wù)器的安放，我們分別從長(zhǎng)、寬、高三個(gè)角度考慮，開展線性規(guī)劃，同時(shí)結(jié)合體積，散熱等限制因素，計(jì)算出結(jié)果來確定最合適的1U 服務(wù)器數(shù)量。

建立空間直角坐標(biāo)系，規(guī)定平行于海平面的方向?yàn)閄 軸方向，海平面以下垂直于X 軸的方向?yàn)閅 軸方向，而垂直于海平面的方向?yàn)閆 軸方向。x,y,z 分別表示X 軸方向，Y 軸方向，Z 軸方向上的1U 服務(wù)器個(gè)數(shù)。

N=max(x*y*z)考慮到體積的限制，得出以下不等式（圖1）：

圖1 集裝箱橫截面圖

x*525≤12000

y*486.2≤1000

z*44.5≤1000

d2+h2≤5002

經(jīng)過線性計(jì)算，可得出在不考慮散熱條件下的X 軸，Y 軸，Z 軸的1U 服務(wù)器安裝數(shù)量。其余兩個(gè)方面的分析方法同理?？紤]以上限制因素，從長(zhǎng)、寬、高分別考慮服務(wù)器安裝方式結(jié)果如表1。

表1 分別根據(jù)長(zhǎng)、寬、高計(jì)算的安裝方式

對(duì)比以上三種結(jié)果可知，將1U 服務(wù)器的長(zhǎng)平行于海平面安裝，即橫向截面安裝的方法要明顯好于另外兩種。故得出結(jié)論：?jiǎn)蝹€(gè)集裝箱外殼中最多可以放置330個(gè)服務(wù)器。

2.2 海底數(shù)據(jù)中心散熱器材料的最優(yōu)選擇

由于深海海水溫度更低，能夠使得集裝箱獲得更好的散熱效果，但同時(shí)深海海水壓力更大，導(dǎo)致對(duì)集裝箱的抗壓能力要求更高，并且海水具有較強(qiáng)的腐蝕性，因此在價(jià)格合理的情況下，需要找到綜合能力較強(qiáng)的材料作為海底集裝箱的制作。首先將目前發(fā)現(xiàn)的金屬制品分為了鋁合金、鎳合金、鈦及鈦合金、不銹鋼和其他金屬。根據(jù)腐蝕性和價(jià)格因素進(jìn)行篩選后，可認(rèn)為鎳合金中的鉻鎳鐵合金抗腐蝕性較強(qiáng)、鈦及鈦合金腐蝕類型基本均抗腐蝕[1]，可運(yùn)用AHP 層次分析法和熵權(quán)法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。根據(jù)三種金屬的價(jià)格、密度、彈性強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，給予他們不同的權(quán)重，根據(jù)每種合金的含量以及從中國(guó)金屬網(wǎng)獲得的金屬價(jià)格的數(shù)據(jù)，利用標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)計(jì)算出每種材料的價(jià)格，從而計(jì)算出相應(yīng)的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，并根據(jù)價(jià)格、密度、彈性強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度五個(gè)指標(biāo)的重要程度不同，賦予它們不同的權(quán)重，如表2。

表2 金屬材料的各項(xiàng)指標(biāo)

計(jì)算出金屬材料的綜合指標(biāo)，如表3。

表3 金屬材料的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)

綜合指標(biāo)最優(yōu)的金屬材料為鉻鎳鐵合金，其次是鈦6Al-4v。鉻鐵鎳合金雖然價(jià)格較低，但密度僅為鈦6Al-4V 的二分之一，我們認(rèn)為密度太低會(huì)使集裝箱在深海中不夠穩(wěn)定，且兩者的綜合指標(biāo)相差并不多，所以，綜合來看，鈦6Al-4V 性能更優(yōu)，更適合作為深海集裝箱的主材料，鉻鎳鐵合金可以用作鋼絲繩、螺旋槳葉片、彈簧緊固件等配件。

對(duì)于非金屬材質(zhì)，我們將其分為聚合物，橡膠和彈性體、混凝土和玻璃、纖維增強(qiáng)塑料，從彈性強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和水吸收三方面進(jìn)行討論。將各類材料及其特質(zhì)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化描述，并根據(jù)不同特質(zhì)的重要程度，賦予其不同權(quán)重。其中最后三種增強(qiáng)環(huán)氧樹脂我們不對(duì)其水吸收性做出討論，因此我們對(duì)這兩類賦予兩個(gè)不同的權(quán)重，得到表4。

表4 非金屬材料的各項(xiàng)指標(biāo)

最終，計(jì)算出非金屬材料的綜合指標(biāo)，如表5。

表5 非金屬材料的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)

纖維增強(qiáng)塑料中，凱夫拉爾49 增強(qiáng)環(huán)氧樹脂的綜合指標(biāo)最高；聚合物，橡膠和彈性體中，尼龍、縮醛，標(biāo)準(zhǔn)均聚物和丙烯酸指標(biāo)較高，可用于集裝箱船體各種配件的制作。

2.3 潮汐與季節(jié)等因素對(duì)海底數(shù)據(jù)中心散熱的影響及解決

2.3.1 各種因素對(duì)集裝箱的影響

經(jīng)過多方實(shí)驗(yàn)和研究證實(shí)潮汐和季節(jié)的變動(dòng)會(huì)對(duì)水溫等水文因素進(jìn)行影響。這種影響會(huì)讓潮汐區(qū)域地帶處于一種長(zhǎng)期干濕交替狀態(tài)。在濕潤(rùn)的狀態(tài)下為侵蝕提供了電解質(zhì)環(huán)境，而干燥的時(shí)候又為侵蝕提供了充足的氧氣，進(jìn)行侵蝕。海洋腐蝕主要與海水含氧量、海水流速和深度、鈣質(zhì)沉積，以及海水的污染情況和海洋植物的光合作用等有關(guān)。海底技術(shù)難題：受到海底環(huán)境的影響我們對(duì)于電力供給，制冷能力有著很大的考驗(yàn)（海底壓力對(duì)制冷系統(tǒng)有著很大影響），設(shè)計(jì)防止海水浸入，忍耐海下巨大水壓的箱類容器是非常有必要的，這直接聯(lián)系到海下環(huán)境對(duì)于海底數(shù)據(jù)中心散熱效果影響。

海洋環(huán)境：海底環(huán)境與陸面有很大不同，不同海域有不用的壓力，有些高壓對(duì)于海底數(shù)據(jù)中心散熱效果有著巨大的影響，另外海底生物的存在也是一個(gè)很大的變化量。海底生物會(huì)對(duì)海底數(shù)據(jù)中心散熱效果撞擊，個(gè)別生物甚至?xí)街诤５讛?shù)據(jù)中心容器表面，對(duì)于海底數(shù)據(jù)中心散熱效果會(huì)有很大的影響。海底低溫也是一大影響因素。

多變性：對(duì)于海底數(shù)據(jù)中心散熱效果有著很大的影響。

2.3.2 解決方案

通過上面對(duì)于潮汐、季節(jié)與其他因素對(duì)于散熱性影響分析，我們?cè)诰唧w分析各因素對(duì)于海底數(shù)據(jù)中心散熱效果影響時(shí)，應(yīng)該結(jié)合一個(gè)隨時(shí)間變化的多維度影響過程，然后建立一個(gè)基于因子分析和動(dòng)態(tài)規(guī)劃的多元時(shí)間序列分段模型。

步驟一:錄入原始多元時(shí)間序列同時(shí)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，再設(shè)置自回歸階數(shù)最高量和最大分段的個(gè)數(shù)的參數(shù)數(shù)值，見圖2。

圖2 自回歸輸出結(jié)果

步驟二: 計(jì)算任意兩個(gè)變量之間的Pearson 相關(guān)系數(shù),通過我們學(xué)習(xí)到的統(tǒng)計(jì)知識(shí)，根據(jù)顯著的正相關(guān)性對(duì)變量序列進(jìn)行增量聚類,得到多個(gè)簇。

步驟三: 對(duì)于聚類獲得的每個(gè)簇,我們進(jìn)行分情況進(jìn)行下一步分析。

如果某一個(gè)簇中只包含一個(gè)變量,則將該簇中擁有變量序列直接加入到低維的多元時(shí)間序列數(shù)據(jù)中集中。

如果所有簇中都包含多個(gè)變量，則將利用動(dòng)態(tài)的因子模型從該簇中的多變量序列數(shù)據(jù)集提取出一條能夠使用的共同因子序列, 然后將處理后得到的共同因子序列加入低維多元時(shí)間序列數(shù)據(jù)集，準(zhǔn)備下一步分析。

步驟四: 我們用向量自回歸模型對(duì)之前得到的維度為n 的低維多元時(shí)間序列進(jìn)行擬合處理, 然后根據(jù)赤池信息準(zhǔn)則選擇出最大的自回歸階數(shù)pmax。

步驟五:對(duì)于每個(gè)可能的自回歸階數(shù)p=0，1，…,pmax,分別用動(dòng)態(tài)規(guī)劃找到N=2，…對(duì)應(yīng)最優(yōu)分段的相關(guān)位置,并且計(jì)算出最小段的代價(jià)。

步驟六: 將自回歸階數(shù)、分段個(gè)數(shù)量及相應(yīng)的最小段代價(jià)值代入到 貝葉斯信息準(zhǔn)則 計(jì)算公式, 選擇出最優(yōu)的自回歸階數(shù)p 和分段個(gè)數(shù)N。

步驟七: 經(jīng)過回溯,得到低維多元時(shí)間序列的全局最優(yōu)分段位置t,同時(shí)我們也將其也視為原始多元時(shí)間序列的全局最優(yōu)分段位置地點(diǎn)。

3 對(duì)海底數(shù)據(jù)的外殼散熱提供設(shè)計(jì)方案

2021 年1 月10 日，全國(guó)首個(gè)海底數(shù)據(jù)艙在珠海高欄港揭幕，這標(biāo)志著我國(guó)大數(shù)據(jù)中心走進(jìn)了“海洋時(shí)代”。通過對(duì)比計(jì)算結(jié)果可知，將IU 服務(wù)器的長(zhǎng)平行于海平面安裝，即橫向截面安裝的方法要明顯好于另外兩種。并得出在僅考慮服務(wù)器的散熱需求的情況下，單個(gè)集裝箱外殼中最多可以放置330 個(gè)服務(wù)器的結(jié)論，具體數(shù)量可按照實(shí)際情況進(jìn)行靈活調(diào)整的。同時(shí)作為國(guó)內(nèi)首個(gè)海底數(shù)據(jù)艙，雖無經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，但在罐體鋼結(jié)構(gòu)制造中，專業(yè)的焊接技師對(duì)材料從材料和焊接工藝方面進(jìn)行了深入探索和研究，層層把關(guān)質(zhì)量，最終一次性通過壓力密閉試驗(yàn)。

對(duì)材料進(jìn)行分類篩選和詳細(xì)的計(jì)算，推薦使用以下材料。在金屬材料中我們建議采用鉻鎳鐵合金和鈦6Al-4V，價(jià)格較實(shí)惠且性能良好，有較好的彈性強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度且水吸收百分率較小，鈦6Al-4V 性能更優(yōu)，更適合作為深海集裝箱的主材料，鉻鎳鐵合金可以用作鋼絲繩、螺旋槳葉片、彈簧緊固件等配件。非金屬材料建議大量采用凱夫拉爾49 增強(qiáng)環(huán)氧樹脂、尼龍、縮醛，標(biāo)準(zhǔn)均聚物和丙烯酸，用于集裝箱船體各種配件的制作。

考慮到潮汐運(yùn)動(dòng)，季節(jié)變化和海底其他影響因素對(duì)于海底數(shù)據(jù)中心散熱有的不同層面上的影響。如潮汐“濕”作用提供電解質(zhì)環(huán)境，“干”作用提供足夠氧氣，它會(huì)影響附近海域的海水溫度和，這些都會(huì)促進(jìn)對(duì)金屬等物質(zhì)的侵蝕。

通過研究，建議：(1)數(shù)據(jù)中心容器使用的材料應(yīng)該具有強(qiáng)大的抗氧化能力。(2) 它還應(yīng)該擁有一個(gè)堅(jiān)硬的外殼，能抵御外來攻擊或者碰撞。(3)表面涂抹驅(qū)趕生物附著的化學(xué)物質(zhì)，防止生物附著對(duì)海底數(shù)據(jù)中心的散熱功能造成影響。(4)另外容器應(yīng)該有強(qiáng)大的供電能力，能夠長(zhǎng)期供給能源，防止常常動(dòng)力不足失去運(yùn)作能力。(5)并且它所用的材料應(yīng)該要能夠適應(yīng)海底多變的環(huán)境變化。