數(shù)字孿生驅(qū)動的數(shù)據(jù)中心集成熱管冷卻系統(tǒng)能耗管理
中文題目：數(shù)字孿生驅(qū)動的數(shù)據(jù)中心集成熱管冷卻系統(tǒng)能耗管理
論文題目：Digital twin-driven energy consumption management of integrated heat pipe cooling system for a data center
錄用期刊/會議：Applied Energy (中科院SCI大類一區(qū), Top)
原文DOI：https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.123840
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261924012236?utm_campaign=STMJ_219742_AUTH_SERV_PA&utm_medium=email&utm_acid=115496990&SIS_ID=&dgcid=STMJ_219742_AUTH_SERV_PA&CMX_ID=&utm_in=DM490584&utm_source=AC_
錄用/見刊時間：2024年7月1日
作者列表：
1）朱海濤 中國石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 智能科學(xué)與技術(shù)系 博21
2）林伯韜 中國石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 智能科學(xué)與技術(shù)系 教師
摘要:
傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)能耗管理（ECM）方法缺乏對實時信息和自動反饋控制的集成，導(dǎo)致系統(tǒng)運行風(fēng)險難以診斷，節(jié)能潛力難以挖掘。因此，提出了一種數(shù)字孿生驅(qū)動的冷卻系統(tǒng)能耗管理方法。首先，建立了分層數(shù)字孿生架構(gòu)，以指導(dǎo)物理系統(tǒng)與數(shù)字孿生之間的無縫集成和實時交互；其次，開發(fā)了監(jiān)測、仿真、能耗評估與優(yōu)化等數(shù)字孿生模型，以驅(qū)動相應(yīng)的數(shù)字孿生服務(wù)；最后，在某數(shù)據(jù)中心的集成熱管冷卻（IHPC）系統(tǒng)中對該方法進(jìn)行了驗證。結(jié)果表明，在滿足冷卻需求的前提下，該方法降低了系統(tǒng)23.63%的能耗。
背景與動機(jī):
隨著信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的數(shù)量和規(guī)模迅速增加，同時數(shù)據(jù)中心的能源消耗量也顯著增加。其中，冷卻系統(tǒng)的能耗約占數(shù)據(jù)中心總能耗的35-50%，是能耗管理的核心部分。然而，現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)的能耗管理方法自動化程度低并且嚴(yán)重依賴于歷史數(shù)據(jù)，缺乏與實時信息及自動化模塊的集成。無法及時響應(yīng)冷卻系統(tǒng)運行環(huán)境及數(shù)據(jù)中心冷卻需求的快速變化，導(dǎo)致能耗管理的滯后及不必要的能源消耗。
設(shè)計與實現(xiàn):
一、數(shù)字孿生架構(gòu)設(shè)計
該分層架構(gòu)如圖1所示，旨在實現(xiàn)物理實體和數(shù)字孿生體之間的無縫融合和實時交互，如圖1所示。該架構(gòu)遵循關(guān)注點分離原則，高度模塊化，可重用性及可擴(kuò)展性高，可以降低數(shù)字孿生的開發(fā)難度。
圖1 冷卻系統(tǒng)數(shù)字孿生架構(gòu)
二、數(shù)字孿生模型建立
（1）監(jiān)控模型
建立了數(shù)字孿生監(jiān)控模型，結(jié)合數(shù)字孿生連接層中的硬件單元，對冷卻系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控，捕捉異常并進(jìn)行應(yīng)急管理。其運行邏輯如算法1和算法2所示。
（2）仿真模型
IHPC系統(tǒng)包括室內(nèi)/外風(fēng)通道、熱管子系統(tǒng)和蒸汽壓縮子系統(tǒng)。在空氣循環(huán)過程中，各個子系統(tǒng)中的傳熱傳質(zhì)過程遵循質(zhì)量、動量及能量守恒定律。
（3）能耗評估及優(yōu)化模型
IHPC系統(tǒng)主要的耗能部件為風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)，其總能耗為風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)的能耗之和:
建立能耗優(yōu)化模型如下所示：
三、數(shù)字孿生服務(wù)及交互
數(shù)字孿生內(nèi)部組件在提供相應(yīng)服務(wù)時的交互及協(xié)作機(jī)制如圖2所示。
圖2 數(shù)字孿生架構(gòu)內(nèi)部組件間的交互機(jī)制
四、案例應(yīng)用
將該數(shù)字孿生系統(tǒng)部署于上海某數(shù)據(jù)中心的IHPC系統(tǒng)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及氣流循環(huán)如圖3所示。其中，熱管子系統(tǒng)提供自由冷卻，蒸汽壓縮子系統(tǒng)提供機(jī)械制冷。IHPC系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備通過雙絞線連接，使用CANBUS通信協(xié)議。與外部系統(tǒng)使用RS-485物理接口連接，使用Modbus協(xié)議。通過XML和標(biāo)準(zhǔn)API實現(xiàn)數(shù)字孿生各單元間的數(shù)據(jù)傳輸。感知單元由傳感器矩陣和歷史資料組成，實現(xiàn)靜態(tài)和動態(tài)數(shù)據(jù)感知。可編程邏輯控制器(PLC)被用于控制物理系統(tǒng)。此外，利用JavaScript開發(fā)了人機(jī)交互界面如圖4所示。
圖3 數(shù)據(jù)中心及IHPC系統(tǒng)的空氣循環(huán)示意圖
圖4 數(shù)字孿生系統(tǒng)人機(jī)交互界面
實驗結(jié)果及分析:
如圖5所示，當(dāng)實時測量的關(guān)鍵參數(shù)超過其閾值時，經(jīng)過數(shù)字孿生的自動調(diào)整，其值又迅速回歸正常范圍。這表明了該數(shù)字孿生方法的有效性。
圖5 關(guān)鍵參數(shù)的實時異常檢測及調(diào)整結(jié)果
如圖6所示，實施該數(shù)字孿生方案后，共節(jié)約電能5.5161 × 105 kWh，占總能耗的23.63%。
圖6 應(yīng)用數(shù)字孿生后的能耗結(jié)果
小結(jié):
1.與傳統(tǒng)方法相比，數(shù)字孿生方法能夠及時響應(yīng)冷卻系統(tǒng)運行環(huán)境及數(shù)據(jù)中心冷卻需求的快速變化。
2.該數(shù)字孿生方法可在線獲取冷卻系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)并動態(tài)模擬其工作流程，實現(xiàn)物理實體的實時映射，異常捕捉及能耗優(yōu)化。
3.集成多個系統(tǒng)級數(shù)字孿生，可為數(shù)據(jù)中心的能耗管理做出更有價值的決策。
通訊作者簡介
林伯韜，中國石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院智能科學(xué)與技術(shù)系教授/博導(dǎo)。主要研究方向為智能石油工程、工業(yè)數(shù)字孿生和智慧能源金融。