智能一體化機柜的應用方案研究

趙 耀

隨著云計算、大數據、物聯網、人工智能、AR/VR、機器人、智能感知、5G 等新技術越來越多地應用在鐵路行業，為適應智能鐵路的發展，行業應用系統的數據量、計算量也在不斷加大，完全依靠數據中心集中處理已難以滿足部分系統現場實時計算的需求，因此信息、通信部分設備將傾向邊緣計算的方式部署，形成云、邊協同的新型系統架構，對設備部署的靈活性及運行的可靠性均提出了更高的要求［1］。

本文以區間信息機房為重點，從機房空間、設備部署、節能降耗、建設運維等方面對比典型設置與智能一體化機柜設置方案的差異，研究智能一體化機柜在鐵路行業應用，以及在未來智能高鐵、智慧鐵路的推廣價值。

1 存在問題

在目前鐵路建設中，數據中心、調度所機房、站段機房、區間小型建筑機房、設備和配線間等均按照《數據中心設計規范》（GB50174—2017），根據重要性劃分等級［2］。然而無論按照哪級標準，這類機房均需配置供配電、UPS 電源、空調等機電設備［3］。由于各類機電設備分立設置，集成度不高，設備部署占用空間很大；尤其對于區間小型信息機房、通信機房及部分配線設備間，修建配套房屋及設備的投資遠高于設備本身，也不是最經濟的解決方案［4］。

國內外部分廠家提出了模塊化機房方案，集成了UPS、電源、空調等機電設備，可以在占用較少空間情況下提供信息、通信設備的運行環境［5］。但這些方案往往功能不全，出現如缺少空調、備用時間不足、機柜空間預留不合理、系統規模、監控功能單一等問題。為此提出整合鐵路信息機房、通信機房、設備及配線間相關設備，構成適用于在鐵路應用的智能一體化機柜系統，實現各類設備及功能的統一部署及統一監控，節省空間、節約投資，滿足邊緣計算的需求，為既有線路擴能改造提供設備靈活部署條件，也為設備提供更好的運行環境。

2 系統分析

智能一體化機柜系統是指將設備機柜、配線柜、配電柜、UPS、蓄電池組、防雷、空調等基礎設施進行整合，為信息、通信設備提供滿足《數據中心設計規范》（GB50174—2017）等標準規定運行環境的機柜系統［6］。其特點如下。

1）空間集約化，功能模塊化。智能一體化機柜采用一體化設計理念，將傳統機房分散布置的機電設備統一規格、統一安裝方式，在機柜中納入設備機架，實現傳統機房內分散設備的集約化，充分利用機柜空余空間，減少對機房的空間需求，提高機房的使用率。智能一體化機柜按照功能模塊原則進行設計，將機柜、配線、配電、UPS 電源、蓄電池、空調、電源及環境監控系統等設備模塊化，根據不同的項目特點選擇適用的模塊，可以適應各類場景需求。

2）生產敏捷化，部署靈活化。傳統信息機房設施的設計、生產、施工、調試等涉及多個專業、廠家，由于不同廠家、不同型號設備的接口、尺寸存在差異，導致接口復雜、機房布局難以穩定，甚至會由于部分設備尺寸與預計不同導致工程返工［7］；因既有線路改造、新系統上線而出現機房能力不足，也造成系統建設難度加大的情況。而智能一體化機柜根據項目需求選擇功能模塊，實現便捷生產，在生產制造階段解決接口問題，提高建設效率；而且能夠獨立為通信、信息設備提供不間斷供電和制冷等運行環境，達到等同于機房環境的效果，滿足既有站改造、偏遠場所不具備機房環境情況下部署信息通信設備的需要，具備部署的靈活性。

3）設計可視化，運維智能化。從設計階段便引入BIM 技術［8］，實現智能一體化機柜的設計、生產、運維全生命周期可視化信息展示，可以在各階段更直觀地對機柜樣式、狀態進行布局仿真，確保智能一體化機柜設計的合理性。

鐵路信息、通信設備的部署非常分散，對運維的要求也相應提高。通過智能化監控系統對機柜內設備的運行環境實現精細化遠程集中監控，可預測機柜內環境、設備的故障并提出預警［9］；對機柜內微環境的優化控制，在保障信息、通信設備運行環境的同時，實現節能控制、數據分析等智能化運維功能［10］，在獨立站點、偏遠地區應用，更可以有效減少運維人員工作量。

3 方案設計

為滿足區間信號樓、綜合樓、線路所，以及其他生產、生活房屋部署辦公網終端的需求，需要在樓內設置信息機房，以部署辦公網接入設備。區間信息機房內部署網絡設備一般為數臺辦公網交換機。本次以部署一臺網絡交換機的場景為例，開展典型方案及智能一體化方案的比較研究。

3.1 典型機柜

在目前的主流實施方案中，為保證信息機房的運行環境，需要設置的主要設備包含：設備機柜、配線柜、配電柜、UPS、蓄電池組、機房專用空調、機房電源及環境監控系統等，各類設備布置均需滿足安全距離且具備維護空間。

3.1.1 機柜設施設置情況

1）機柜及配線設備?？紤]到辦公網接入交換機尺寸較小，對機柜空間要求不高，結合信息系統典型機柜尺寸600 mm（寬）×800 mm（深）的標準，網絡機柜即可滿足要求；配線及設備間的高度充裕，結合未來發展需求，選用600 mm（寬）×800 mm（深）×2 000 mm（高）的42U 標準機柜承載設備；考慮到機柜實用空間很少，可以將設備機柜與配線機柜合一，即在機柜內部署1 臺辦公網接入交換機、光纖配線架及銅纜布線架各1套。

2）配電箱。配線及設備間實際用電量為200 W，考慮未來設置其他設備，電力用電容量預留5 kW，電力專業設置壁掛式配電箱以滿足配電需求。外電源配電箱由電力專業設置，建筑物供配電系統中機房的末端配電箱，一般由電力專業提供雙電源供電，經ATS雙電源切換設備后，供給信息專業取電。

3）UPS及蓄電池。由信息專業設置UPS及蓄電池，為信息系統設備提供不間斷電源。一般配線及設備間內的UPS 電源至少選擇2 kVA 型號。按照《高速鐵路設計規范》要求，備用時間為1 h，根據2 kVA滿容量選擇蓄電池組。

4）機房專用空調。由暖通專業設置，根據機房整體熱負荷情況測算規格，機房專用空調為機房提供恒溫、恒濕條件，保障機房內信息設備穩定運行。

5）防雷箱。信息專業設置，對機房內設備及出入機房的線纜進行防雷保護。

6）機房電源及環境監控系統。區間信息機房不一定設置機房電源及環境監控系統，若設置，則需將機房電源及環境監控系統主機設置在機柜內，并在房屋內設置溫濕度、感煙、水浸告警等傳感器，通過網絡將數據上傳至上級管理終端。

3.1.2 機房布置情況

綜合考慮設備尺寸、安全距離、維護空間等因素，機房典型布置圖見圖1。

圖1 典型區間信息機房設備布置

由圖1 可以看出，為了部署1 臺辦公網接入交換機，在保證合理安全距離及維護空間條件下，該信息機房的最小布局為4.65 m（長）×3 m（寬），占用建筑面積約14 m2。區間信息機房典型機柜布置見圖2。

圖2 區間信息機房典型機柜布置

機柜上方設置光纖配線架、數據配線架及辦公網接入交換機?？紤]理線及操作空間，按照隔空布置；在機柜底端設置電源及環境監控系統主機。采用這種布置方式，42 U 標準機柜內占用空間約為8 U，僅為可用空間的19%。標準機柜占地面積為0.48 m2，而配線及設備間面積為14 m2，有效占地面積僅為3.4%。因此，機房機柜的實際空間使用效率不及1%。

3.2 智能一體化機柜

智能一體化機柜就是將設備機柜、配線柜、配電柜、UPS、蓄電池組、機房專用空調、機房電源及環境監控系統等進行一體化整合，作為一整套系統統一進行部署。

3.2.1 機柜設備設施設置情況

1）配線設備?？紤]到機柜實用空間很少，可以將設備機柜與配線機柜合并，即在機柜內部署1 臺辦公網接入交換機及光纖配線架、銅纜布線架各1套。

2）配電箱。按照5 kW 帶ATS 雙切的配電箱，采用機架式安裝模式，直接在機柜內部署。

3）UPS及蓄電池。定制2 kVA機架式UPS及滿足1 h備用的機架式安裝蓄電池組包。

4）機房專用空調。采用一體化機架式機房專用空調，制冷量按照3 kW 選取，滿足極端情況下的制冷需求。

5）防雷箱。采用機架式箱體設置SPD 浪涌保護器等防雷設備，滿足防雷功能要求。

6）機房電源及環境監控系統。在機柜內設置機房電源及環境監控系統主機，并設置溫濕度、煙感、水浸告警等傳感器，實現對機柜內運行環境的精確感知；根據機柜環境對一體化機房專用空調進行監控，避免空調長時間制冷導致的能源消耗，滿足節能需求；通過網絡將數據上傳至上級管理終端。

7）機柜系統。結合上述設備的安裝及機柜內冷通道封閉需求，選用2 000 mm（高）的42 U 標準機柜承載。機柜前方為冷通道，后側為熱通道，考慮空調損壞或其他特殊原因導致高溫，設置了應急排風系統，整個機柜尺寸為600 mm（寬）×1 200 mm（深）×2 000 mm（高）。

3.2.2 機房布置情況

智能一體化機柜自身寬600 mm，深1 200 mm，占地面積為0.72 m2，略大于傳統機柜。由于是單個機柜進行布置，機柜側面沒有維修需求，可以一側貼墻放置?？紤]維修距離、安全距離及運輸通道后，機房內機柜布置如圖3所示。

圖3 智能一體化機柜在機房內布置示意

在分析了冷通道、熱通道及應急排風后，增加了機柜的厚度，從典型方案的800 mm 深調整為1 200 mm 深，且機柜內信息設備部署空間依舊滿足19 吋標準機柜的要求。在機柜內對上述設備設施進行集成后，機柜設備布置見圖4。

由圖4 可以看出，在自下而上順序布置空調、機架式電池包、UPS 主機、配電單元、防雷單元和電源及環境監控主機后，尚有20 U 的空余空間可用于部署信息設備，不但滿足設備部署需求，機柜外還不需設置其他設備設施。

圖4 智能一體化機柜設備布置

考慮必要空間后，機房面積需求僅為4.2 m2，與典型布置方案的14 m2有顯著面積節省。同時，智能一體化機柜自身可以為電子信息系統設備提供完備的運行環境，因此機柜可以部署在環境適宜的非機房環境內，有助于進一步減少占用面積。

3.3 對比分析

典型方案與智能一體化機柜方案的對比見表1。

表1 典型方案與智能一體化機柜方案的對比

雖然智能一體化機柜的自身尺寸略微變大，占地面積相應較多，是傳統方案的1.5 倍；但必要的機房面積顯著下降，僅是傳統方案的30%，明顯節約了建筑面積。

采用智能一體化機柜后，機柜內空余空間由34 U 降低為20 U，考慮到配線及設備間的實際需求僅為6 U，未來擴展需求不大，因此智能一體化機柜的空余空間可以滿足未來的發展需求；基礎設施布置由機房內散布調整為機柜內統一部署，集中化的布置有利于統一排除故障，便于運維管理和統一監控；集中柜內閉環制冷也有助于精確制冷提高能效。

綜合以上分析，雖然機柜內預留的設備部署空間有所降低，但區間信息機房應用智能一體化機柜在節約空間、統一運維監控、提高能效方面有較為明顯的優勢。

4 總結

隨著智能鐵路的發展需求及5G 技術的應用，邊緣計算+云數據中心的云邊結合將成為信息系統的重要架構方式。屆時，邊緣計算設備高質量、高可靠的部署將會對鐵路信息化基礎設施提出新要求，智能一體化機柜的優勢將更加顯著，并且為既有線路擴能改造提供了更優的技術方案，具有良好的應用前景。有必要以區間信息機房等典型場景為基礎，開展智能一體化機柜的應用研究，可向室外、隧道洞室等方向或其他專業應用發展，為未來鐵路信息化建設積累技術基礎。