葉逢春

（余姚市融媒體中心，浙江 寧波 315400）

0 引 言

廣播電視機房是數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)播發(fā)的樞紐，每天都在產(chǎn)生、傳遞、處理海量的數(shù)據(jù)。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，機房的數(shù)據(jù)安全正面臨越來越多的安全隱患[1]。目前的機房管理存在以下問題：一是大規(guī)模設(shè)備、復(fù)雜環(huán)境下的監(jiān)控系統(tǒng)，無法做到監(jiān)控數(shù)據(jù)實時同步、快速響應(yīng)，發(fā)生問題以后很難進行應(yīng)急處理；二是現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)可視化效果較差，機房監(jiān)控數(shù)據(jù)主要顯示的是二維圖像和數(shù)據(jù)報表等，無法直觀展示機房設(shè)備的狀態(tài)；三是現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)人機交互性能較差，使用者在操作的時候使用計算機進行查看，很難進行沉浸式訪問機房內(nèi)部。為此，升級機房管理正成為各地廣電單位迫在眉睫的主要任務(wù)之一[2]。余姚市融媒體中心借中心大樓改造建設(shè)的契機，將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于機房的管理。數(shù)字孿生借助多種傳感器獲取數(shù)據(jù)，采用數(shù)字化的表達(dá)方式，建立與機房物理實體相似的虛擬化模型，并利用實際測量、仿真計算等方法，實時分析當(dāng)前物理實體的狀態(tài)，實現(xiàn)了模型信息同步，很好地解決了目前機房管理存在的問題。

1 基于數(shù)字孿生技術(shù)管理環(huán)境的構(gòu)建

1.1 廣電機房設(shè)備三維建模

機房三維建模是將物理機房內(nèi)的設(shè)備、機房場景等映射到計算機系統(tǒng)中，主要采用Blender建模軟件構(gòu)建機房三維模型，并借助WebGL三維引擎庫將模型添加到畫布上，最后完成渲染[3]。建模時，首先測量機房設(shè)備結(jié)構(gòu)、尺寸和相關(guān)材質(zhì)，同時收集設(shè)備的實物照片，利用Blender建模軟件建立一個立體模型，在編輯模式下立體縮放設(shè)備的X軸、Y軸、Z軸，建立與實際設(shè)備完全一致的模型。模型建立完成以后，為使模型更接近實際，將設(shè)備模型導(dǎo)出，利用Photoshop軟件進行簡單的紋理操作處理。

1.2 廣電機房場景構(gòu)建

廣電機房場景構(gòu)建是機房在完成主要設(shè)備模型設(shè)計以后，將設(shè)備模型放置在虛擬化場景中，按照物理機房的實際布局進行排列。機房采用了場景樹模型管理方法，根節(jié)點是整個機房的場景，枝節(jié)點為內(nèi)部環(huán)境、資產(chǎn)設(shè)備及動力環(huán)境，葉節(jié)點包括服務(wù)器、交換機、傳輸線路及機柜等具體設(shè)備，布局如圖1所示。具體場景構(gòu)建流程[4]如下：

圖1 廣電機房場景構(gòu)建布局

（1）根據(jù)實際的廣電機房布局，部署虛擬機房各個模型所在的位置；

（2）借助WebGL的三維引擎庫構(gòu)建場景設(shè)施，包括視圖窗口、門窗等，進行初始化操作；

（3）對搭建好的場景進行功能劃分，利用three.js庫中的Three.ObjectLoader方法加載JOSN格式的模型到搭建好的場景中；

（4）對搭建好的場景進行渲染，優(yōu)化可視化界面。

1.3 廣電機房場景優(yōu)化

機房模型建立以后，通過軟件將其加載到計算機系統(tǒng)。但大樓的廣電機房面積大、場景復(fù)雜，僅僅依靠計算機無法對模型進行完整顯示。為確保虛擬化場景能夠正常顯示，對場景采用層次結(jié)構(gòu)模型技術(shù)作進一步優(yōu)化處理。

2 廣電機房孿生數(shù)據(jù)采集

2.1 機房數(shù)據(jù)采集

孿生技術(shù)的關(guān)鍵是如何將物理機房的各項數(shù)據(jù)映射到虛擬機房。機房數(shù)據(jù)包括靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)兩種[5]。其中，靜態(tài)數(shù)據(jù)是機房場景、設(shè)備的固有屬性數(shù)據(jù)，包括主要設(shè)備的名稱、型號、生產(chǎn)廠家、報修時間及運維狀態(tài)等，靜態(tài)數(shù)據(jù)一般情況下不會發(fā)生變化；動態(tài)數(shù)據(jù)是機房運行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，包括機房設(shè)備運行狀態(tài)、設(shè)備參數(shù)和流量傳輸信息等。數(shù)據(jù)采集使用多源異構(gòu)方式，根據(jù)不同設(shè)備的通信接口，實時采集設(shè)備運行參數(shù)。余姚市融媒體中心機房采用了智能數(shù)據(jù)采集設(shè)備對機房環(huán)境參數(shù)進行采集，并借助簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（Simple Network Management Protocol，SNMP）完 成 通 信 數(shù)據(jù)的采集，獲取機房設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)流量、主機CPU利用率以及主要設(shè)備運行狀態(tài)等，然后由網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)發(fā)送管理命令，如數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢等。通過SNMP和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)（NetWare Management System，NMS）進行數(shù)據(jù)交流，接收NMS系統(tǒng)下發(fā)的各類指令。

2.2 機房數(shù)據(jù)實時交互

數(shù)據(jù)交互方面，機房采用WebSocket協(xié)議進行通信。該協(xié)議能夠完成瀏覽器與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交互，同時也可以讓服務(wù)器主動將信息數(shù)據(jù)推送到瀏覽器中，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和有效性[6]。具體運行采用了表示層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)層共三層次的結(jié)構(gòu)。

（1）表示層。為用戶提供人機交互平臺，平臺使用three.js三維建模技術(shù)，可視化顯示機房場景，并向業(yè)務(wù)邏輯層發(fā)送請求，對返回的數(shù)據(jù)進行渲染和處理，實現(xiàn)虛擬機房的實時更新。

（2）業(yè)務(wù)邏輯層。根據(jù)表示層的請求，為相關(guān)業(yè)務(wù)提供操作接口。

（3）數(shù)據(jù)層。通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備及SNMP協(xié)議獲得數(shù)據(jù)以后，將這些數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，執(zhí)行數(shù)據(jù)管理工作。

3 機房管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)功能概述

機房管理系統(tǒng)主要具有三維場景交互、場景漫游、機房監(jiān)控以及異常報警等功能。三維場景交互是利用計算機實現(xiàn)模型和場景的操作，實現(xiàn)值機人員和模型之間的人機交互。場景漫游是值機人員在使用系統(tǒng)的時候可以通過第一人稱的視角查看廣電機房場景。機房監(jiān)控是利用數(shù)據(jù)采集設(shè)備對機房主要設(shè)備進行監(jiān)控，值機人員可以隨時查看主要設(shè)備的狀態(tài)，并利用虛擬化機房查看機房環(huán)境，監(jiān)控機房運行情況是否正常。異常報警功能是在系統(tǒng)運行有異常的時候，系統(tǒng)可以借助頁面彈窗、手機短信等方式將報警信息通知管理人員。

3.2 三維場景交互功能的設(shè)計與實現(xiàn)

三維場景可以讓值機人員通過第一人稱視角來瀏覽和查看系統(tǒng)，屬于三維可視化系統(tǒng)的重要功能模塊。通過該模塊，值機人員能夠熟悉機房內(nèi)部各個設(shè)備的布局，檢查機房可能存在的異常和不足。場景交互使用了碰撞檢測技術(shù)，該技術(shù)可以防止場景出現(xiàn)重疊現(xiàn)象。機房場景借助three.js庫的Raycaster類進行碰撞檢測。該方法是對移動模型的頂點坐標(biāo)進行變換，獲取模型中心點指向頂點的向量direction Vertor，并且將場景中所有網(wǎng)絡(luò)模型定義為數(shù)組，然后利用檢測移動模型發(fā)出的射線與數(shù)組的相交情況，判斷是否有碰撞出現(xiàn)。值機人員進入系統(tǒng)以后，使用計算機改變場景的視角，系統(tǒng)在運行的時候會判斷場景中模型可能發(fā)生的碰撞情況，從而改變場景中的情景。

3.3 機房監(jiān)控功能的設(shè)計與實現(xiàn)

機房監(jiān)控功能采用了多種可視化監(jiān)控的方式，完成機房環(huán)境和設(shè)備的監(jiān)控和查看，如狀態(tài)查看、三維虛擬場景查看、視頻監(jiān)控情況查看等。三維虛擬化機房借助人機交互操作以沉浸式的方式查看機房設(shè)備實時運行狀態(tài)。系統(tǒng)Web端數(shù)據(jù)可視化采用前后端分離的模式，在瀏覽器前端使用Echarts開源可視化圖庫，利用各種圖形展示實時數(shù)據(jù)，同時值機人員可以利用計算機進行操作，顯示對應(yīng)的模塊和數(shù)據(jù)。后端采用了SpringBoot框架，在框架內(nèi)部的底層將application.xml文件進行解析，然后制定MyBatis基礎(chǔ)配置文件和實例類映射文件的地址，并對請求數(shù)據(jù)重新整合，調(diào)用Dao方法，將數(shù)據(jù)結(jié)果寫入數(shù)據(jù)庫中。在對機房進行監(jiān)控的時候，采用ElementUI組件庫的對話框彈出方式展示監(jiān)控數(shù)據(jù)，如果值機人員需要查看機房內(nèi)部的具體設(shè)備信息，通過數(shù)據(jù)表雙擊這個設(shè)備的模型即可。

3.4 異常報警功能的設(shè)計與實現(xiàn)

為了實現(xiàn)對機房進行實時監(jiān)控，系統(tǒng)對機房主要設(shè)備設(shè)置了監(jiān)控的閾值，這樣后臺傳輸數(shù)據(jù)能夠及時傳送到表示層。當(dāng)設(shè)備數(shù)據(jù)參數(shù)大于設(shè)置的告警閾值，設(shè)備的顏色就會變成黃色；如果設(shè)備的數(shù)據(jù)參數(shù)異常情況明顯，影響機房安全的時候，設(shè)備模型就會變成紅色。管理人員可以及時查看歷史告警信息，判斷設(shè)備出現(xiàn)的異常，并進行針對性的操作和處理。

4 結(jié) 語

基于數(shù)字孿生技術(shù)的智能化機房管理系統(tǒng)實現(xiàn)了機房內(nèi)通信設(shè)備和動環(huán)監(jiān)控設(shè)備的運行狀態(tài)和參數(shù)的自動采集、分析和預(yù)警處理，提升了機房的風(fēng)險預(yù)警和故障處理能力，為機房運維提供了智能決策支撐。系統(tǒng)也解決了機房運維監(jiān)控方式單一、實時性差、透明度低等問題，有效地提高了運維效率，縮短了故障響應(yīng)時間，減輕了工作人員的壓力，減少了機房運維的人工投入以及費用支出。