关于预制模块化数据中心建设发展的研究Word格式文档下载.docx

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举例来说，最早的一体化数据机柜是2006年SUN微系统公司研发的BlackBox，具有便携、灵活的特点，此后在各类需求的持续推动下，一体化机房的形式也不断扩展。

在军用领域，有美军为舰载研发的电子模块化封装箱EME以及戴尔公司推出的可空投数据中心TMDC。

在商业领域，微软、谷歌早在2009年即利用集装箱模块建设出各自的大型数据中心，我国也于2013年获得了全球数据中心组织UPTIME颁发的集装箱式数据中心TIER认证，并在数据中心模块化领域积极发展。

1.数据中心模块化架构设计

一般而言，数据中心本身具有地产和IT两种属性，传统建造过程冗长、成本颇高，而且在投产后的能耗和成本更高，而根据模块化思路，数据中心从园区层面即可进行模块化划分。

例如，一个大型数据中心在发展过程中会随着容量需求变化进行二期乃至多期的扩展，形成多期机房格局，或根据阶段过程分为投产区和预留区等。

但是，在模块化部署模式下，ECC、柴发、冷站等系统均可部署在单独的建筑单元，如UPS、IT设备、空调、配电、消防等模块则可集中堆叠部署在机房主产区。

在此模式下，工厂模块预制生产和现场土建将可以同步施工，且模块化单元将全部在工厂调测完成后再运输到土建现场，堆叠时只需在带有钢构件的水泥基座上对模块进行吊装、安装、拼接即可。

总体而言，预制模块化布置方式不受建筑形式限制，且机房的抗震性能较强。

数据中心模块化架构如图1所示。

图1数据中心模块化架构示意

在组建吊装环节，模块化单元主要可分为一体化模块和功能性模块两种。

其中，功能性模块又可分为IT模块、供电模块、空调模块等，且各功能模块参数按客户需求设计，只有完成严格标准的调验后才能出厂交付。

此外，在堆叠布局时，数据中心还可按实际需求设计摆放位置以及完成模块间连接。

上述模块化方式不仅对线路、管道的连接难度将比非模块化大幅降低，且由于接口形式统一，在变更、扩增时对模块化单元的处理也将更加简单易行。

除此之外，为持续优化运行方略、实现精细化管控，上述模块化程度还可进一步提升到微模块层面，即实现部件模块化。

举例来说，无论是一体化机柜还是专一功能区间内的锂电池、UPS、温控、母线接入等设备，通过对每个功能模块进行体量精简，可使大功能模块由这类小模块拼接组成，真正做到标准化“即插即用”。

同时，功能微模块还可支持独立供电、储能或控温，从而实现冗余运行、可靠运维。

此外，对于一些高端设备还可进一步模块化至器件，诸如开关、断路器、风扇等模块也可采用“即插即用”的形式进行冗余排列。

2.各子系统模块化建设要点

（1）配电模块

配电模块是数据中心运行的根本支撑，大型数据中心的供电要求通常为双路市电或一路市电加备用发电机，并配置不间断电源系统。

一般情况下，供电系统可分为母线接入、配电柜、UPS、电池、柴发等几部分，而采用集成ATS的智能精密配电柜、一体化UPS以及高密度锂电池，能有效提高电能密度。

此外，柴发模块因其体量、工作特性及备用特性可集中布置在底层，而电池模块则应视需求选择集中布置或紧靠IT设备布置。

在此模式下，模块化单元的布置方式将极大地降低走线布缆的复杂度。

（2）暖通模块

暖通系统一般可分为风冷、水冷、混合冷源等几种类型，涉及冷站、空调机、除湿机、配电开关柜等多个组件，该系统不仅是维持生产设备平稳运行的重要辅助系统，也是改善PDU的重点领域。

模块化暖通系统主要由空调模块、新风模块和排风模块组成，通过将繁杂的管道铺设施工转变为现场拼接，可大幅降低施工难度。

同时，将设备微模块嵌入列间空调或者底座式空调，不仅能优化通风路径，还可通过增设多点传感器的方式实时反馈温、湿度数据，进而实现自主式灵活调节，避免浪费电力。

此外，部件模块同样可采用冗余方式排列，从而进一步提升制冷系统的可靠性。

（3）监控模块

监控模块是模块化数据中心实现智能化综合管理的关键，从嵌入各功能模块的检测传感器到园区级的视频监控，该模块结合设备硬件监测和软件系统检测，可将结果统一反馈于ECC监控平台，最终形成一套贯穿于细微局部与顶层设计的分类监控体系，真正做到全面收录。

同时，监控信道采用环路架构，还可避免单点故障对监控造成影响，不仅能快速检测过程量、状态量、安全量的变动情况，管理系统还可对统计数据进行分析、处理，且一旦发生异常也可快速定位到具体模块，并及时用短信、电话、网络等方式向运维人员报警。

此外，监控平台界面的数据中心模型视图采用模块化方式搭建，将能够灵活调出、展示各项模块的3D视图，并配备详细的数据情况，使监控工作更加直观、简洁。

（4）消防模块

消防模块主要由灭火控制器、紧急气体启动、停止按钮、放气指示灯、门禁控制器几部分组成，在监控系统检测到高温时能自动及时启动。

同时，模块化数据中心的结构还具备良好的灾情隔离功能，在发生火灾、水灾时凭借外壳材质良好的隔绝特性，可有效避免风险扩散并控制消除灾情。

3.预制模块化数据中心优势分析

相比于传统数据中心，模块化数据中心的优势主要体现在两个阶段：

一是体现在初期建造阶段，二是体现在后期运维阶段。

预制模块化数据中心较传统数据中心建设对比见表1，预制模块化数据中心与传统数据中心运维表现对比见表2。

除此之外，模块化数据中心还支持采用更为科学的技术手段来维持高效运行。

例如，随着物联网程度的不断提高，未来模块化数据中心一方面可提升设备检测入网水平，进一步增强对故障告警进行预判和定位的能力，减少告警风暴和故障排查时间；

另一方面通过对检测数据进行科学归类统计，可利用AI分析替代人工分析，科学计算出最优制冷状态，最终有效地降低温控系统能耗。

表1预制模块化数据中心与传统数据中心建设对比

表2预制模块化数据中心与传统数据中心运维表现对比

二、模块化数据中心设计构想

1.重点考虑因素

从数据中心使用建设的角度，前期方案设计和决策将会深刻影响后期运维方式的选择和工作人员安排，因此在方案初期即需要重点考虑的相关影响因素，包括运行需求、成本、供能制冷环境、配套产业环境、政策指引以及标准规定等，然后再进一步制定设计形式、布局等详细方案。

具体来说：

一是运行需求，运行需求主要指数据中心容量规模和重要等级，以及各功能模块的运行效率等。

从行业整体上看，安全、稳定是数据中心的基本运行需求，同时也包括目前正大力倡导的绿色运行理念等。

二是成本方面，主要包括资金成本、时间成本、人力成本与场地成本等，其中资金成本包括初期建造成本和后期维护成本，而专业化人才的完善配置更是确保数据中心顺利建成及平稳运行的关键。

三是供能制冷环境，主要指供能制冷系统与数据中心的地理位置、自然条件以及附近能源公司的协调配合关系。

四是配套产业环境，配套产业主要指构建预制化模块所必需的承接工厂，以及数据中心需要采购的各类专业服务，而这一因素也将深刻影响数据中心的选址，且在进行招标前要对具有承接能力的厂家进行详细考察和比较。

五是政策指引，政策指引主要指国家在节能减排、自主创新等方面的一系列宏观指引，数据中心设计建造前需深刻研读国家战略方针，把握潮流风向。

六是标准规定，标准规定主要指涉及具体建设的指标要求，包括目前关于模块化数据中心已经出台的机房通用规范等。

2.核心建设思路

在采用模块化预制方案前，数据中心应首先根据业务需求确定数据中心相关指标，明确上述考虑因素，并以此来确定场地和协调合适的厂家，最终制定可行的建设方案。

同时，还应提前确定模块化程度，从园区级自顶向下进行分层规划，并针对未来可能的扩建需求预留相应场地。

在施工阶段，模块化数据中心建设一般采用现场施工和工厂预制化制造同步进行的方式，因此要先期确定模块需求，再综合考虑成本等要素计算出模块相应参数，并及早协调专业厂家进行流水线制作。

此外，在现场施工过程中，针对模块化组装还需要考虑运输、吊装、安装等问题以及对智能管理系统的选择，尤其要注重安全、稳定、便捷等原则。

模块化数据中心建设流程如图2所示。

图2模块化数据中心建设流程示意

3.后续优化方向

从宏观上讲，未来数据中心在以下几方面仍有待不断改进：

一是在安全领域，主要包括安防和系统安全，其中安防包括人防、物防、消防，系统安全则包括硬件系统安全和软件系统安全。

举例来说，硬件系统安全是指数据中心的建筑必须足够牢固，能承受一定的自然灾害和人为冲击，包括台风、地震、暴雨、火灾、爆炸等。

软件系统安全则是指能有效排查漏洞、抵御网络攻击，以及避免故障、失误等对系统运行带来的破坏。

二是在稳定方面，稳定主要指数据中心必须能保证稳定运行，即在确保安全的基础上，数据中心平时还要做好资源备份以及隐患排查、维修等工作，并制定完备的应急方案，加强应急管理。

例如，在出现突发情况时数据中心应能够能科学、高效地调动资源和技术人员进行处理，并在应急处置完成后积极总结，进一步探索和提升运维能力。

三是在绿色节能方面，主要指采用新能源发电和降低水、电损耗等内容，例如科学规划用水、用电和改进能源架构，以及采用新技术运营形式等。

三、未来数据中心展望

1.面向客户，便捷定制

紧随数字经济时代的发展需求，数据中心的形式也将更加多样化、个性化，规模跨度也会很大。

其中，面向客户灵活、便捷地实现从设计到交付的全过程，将是数据中心发展的一条重要道路，且伴随预制模块化产品的品类更多、品质更高，模块的制作、安装流水线也将会更为成熟，最终大幅缩短数据中心的建设周期。

2.严格标准，灵活伸缩

随着数据中心单元模块形式的逐渐丰富，为实现多样化的厂家模块能够在客户处良好衔接，设计与制作标准也将更为统一，并支持在模块单元与模块单元之间、模块单元与功能组件之间通过接口进行搭配拼接。

同时，标准的统一也将使金融机构的机房组建形式更为灵活，能更好地根据自身具体需求博采众长。

此外，对于早期投产的模块化单元，如果因为系统架构调整、技术升级等原因需要缩减或升级，模块化数据中心方案也可以灵活实现拆解、重装过程，避免积重难返造成重大损失和浪费。

3.加强分析，智能管理

加强对各方面数据统计报表的分析和处理能力，是未来数据中心的一大重要特征，这不仅体现在对数据统计更为科学全面，还包括能进行模型分析与学习总结，从而实现最优化运维、自动调节，并大幅降低人为干预程度。

4.适应性强，特殊定制

利用自然环境实现数据中心节能、发电是常见的数据中心绿色开发形式，此类数据机房通常需要适应特殊的气候环境，且其运维保障工作也极为特殊。

因此，有针对性地开发特殊形式的数据机房单元也将是未来行业发展的主流趋势之一。

综上所述，目前模块化数据中心建设尚处在发展阶段，社会上可选的专业化服务仍相对较少，而现有案例也大多是互联网技术公司为自身应用打造，且不少相关技术还处在实验阶段。

后续，在数字经济的引导和推动下，适宜融合新技术、新理念的模块化数据中心也将不断丰富其内涵，并产生新的行业定义和标准，乃至于形成新的标准化模板向全社会开放，并成为一种广泛选择。

本文刊于《中国金融电脑》2022年第2期

作者

中国农业银行数据中心王涛陈昊阳

此外，对于早期投产的模块化单元，如果因为系统架构调整、技术升级等原因需要缩减或升级，模块化数据中心方案也可以灵活实现拆解、重装过程，避免积重