周昊

（吉林大學(xué) 汽車工程學(xué)院，吉林 長春 130022）

0 引言

目前，國內(nèi)的大數(shù)據(jù)中心主要是建設(shè)在內(nèi)陸地區(qū)，需要占用大量的土地，冷卻時就需要消費(fèi)大量的風(fēng)力發(fā)電能源與冷卻水等自然資源，并且還花費(fèi)了大量的建設(shè)成本。

“海底數(shù)據(jù)中心項目（Project UDC）”是將服務(wù)器等互聯(lián)網(wǎng)設(shè)施安裝在帶有先進(jìn)冷卻功能的海底密閉的壓力容器中，用海底復(fù)合纜供電，并將數(shù)據(jù)回傳至互聯(lián)網(wǎng)；海底數(shù)據(jù)中心通過與海水進(jìn)行熱交換，利用巨量流動海水對互聯(lián)網(wǎng)設(shè)施進(jìn)行散熱，有效節(jié)約了能源，是完全綠色可持續(xù)發(fā)展的大數(shù)據(jù)中心解決方案。

海底數(shù)據(jù)中心的建設(shè)已經(jīng)逐漸得以落實，但很多方面仍需要進(jìn)一步改善，其中集裝箱殼體材料和所處海洋深度的選擇是一項非常有挑戰(zhàn)性的問題。本文通過建立并求解模型，對集裝箱殼體材料和所處的海洋深度進(jìn)行綜合分析，最終求取合適的材料以及合理的安裝深度。

1 材料篩選模型的建立

本文根據(jù)影響海底數(shù)據(jù)中心外殼性能的各種因素，從海洋環(huán)境常用的60多種材料中初步篩選出鈹銅CDA192等9種材料。然后，建立材料篩選模型，綜合運(yùn)用熵權(quán)法和TOPSIS對所選9種材料的各性能指標(biāo)進(jìn)行綜合評價，最終得出最優(yōu)材料。

1.1 材料初步篩選

海洋常用的60多種材料可分為合金、純金屬、聚合物、橡膠、彈性體等。所選殼體材料的工作環(huán)境位于海底深處，這對材料的耐壓能力和抗腐蝕能力有較高的要求。

首先，聚合物、橡膠和彈性體在海洋環(huán)境中都有不同程度的吸水性，這將降低其抗拉強(qiáng)度，即其耐壓能力受到限制。而且這些材料中的大部分在陽光直射下，有不同性能、不同程度的削弱，比如變黃變脆、粉末化、性能降級等。其次，銅、鎂、鋅等純金屬在海洋環(huán)境中極易腐蝕，這將極大地限制了它們在海洋尤其是海底中的使用壽命。

考慮以上因素，我們只能從合金材料中選取合適的材料。在合金材料中，最終選出Beryllium-Copper CDA 172、Inhibited Admiralty Brass、90-10 Copper-Nickel、70-30 Copper-Nickel、Inconel 625、Maraging 300 Steel、Titanium 6Al-4V、304 Stainless Steel和410 Stainless Steel共九種材料。它們一方面具有較高值的彈性模量、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，另一方面還具有較好的耐腐蝕性，較為適合應(yīng)用于海底環(huán)境。

1.2 建立材料篩選模型

海底數(shù)據(jù)中心的性能要求以及所處的工作環(huán)境決定了材料的工作環(huán)境為高壓且具腐蝕性的海底環(huán)境，故應(yīng)該在材料的耐壓性能、抗腐蝕性能以及成本中選擇合適的評價指標(biāo)，下面將針對這三個方面進(jìn)行詳細(xì)分析[1]。

（1）耐壓性能。經(jīng)分析可知，在其他因素相同的情況下，材料的耐壓能力正比于其彈性模量E以及屈服強(qiáng)度σy，故將彈性模量E和屈服強(qiáng)度σy作為材料耐壓性能的評價指標(biāo)。

（2）耐腐蝕性能。海洋中金屬的腐蝕絕大多數(shù)都是電化學(xué)腐蝕。本文采用極化曲線法，通過電化學(xué)工作站，測出金屬的極化曲線，運(yùn)用塔菲爾曲線外延法，在極化曲線的兩側(cè)強(qiáng)極化區(qū)做切線，切線的交點的橫坐標(biāo)為腐蝕電流密度，縱坐標(biāo)為腐蝕電位[2]。

根據(jù)法拉第定律求得合金的腐蝕失重率：

其中W為合金的失重（g），A為合金的反應(yīng)面積（cm-2），t為腐蝕時間（s），icorr為腐蝕電流密度（A·cm-2），M為合金的平均相對原子質(zhì)量，n為合金進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)時的化合價，F(xiàn)為法拉第常數(shù)（96485 C/mol）。

根據(jù)合金的腐蝕失重率可以求得其年平均腐蝕深度：

其中ρ為合金的密度。

另外，合金在海中的腐蝕電位對其耐腐蝕性也有重大影響，電位值越正，代表著抗腐蝕能力越強(qiáng)；反之，抗腐蝕能力越弱。

所以本文選取合金的年平均腐蝕深度P以及腐蝕電位作為評價其耐腐蝕性能的指標(biāo)。

（3）成本。本文中材料的成本數(shù)據(jù)是基于FOB價格，即只考慮了產(chǎn)品的價值，沒有考慮工廠到港口的運(yùn)費(fèi)、港口的雜費(fèi)用、交易費(fèi)用等其他費(fèi)用。

所以，最終確定以材料的彈性模量E、屈服強(qiáng)度σy、年平均腐蝕深度P、腐蝕電位U以及成本Cost共5個評價指標(biāo)來綜合評價各材料的綜合性能。

綜上，建立起材料篩選模型，所用最終評價公式如下：

其中Q為材料的綜合性能指數(shù)，其值越高代表材料的綜合性能越強(qiáng)，越適合選作海底數(shù)據(jù)中心的殼體材料。

2 材料篩選模型的求解

本文綜合利用熵權(quán)法和TOPSIS法對材料的性能進(jìn)行綜合評價，這樣比單獨運(yùn)用一種評價方法更加可靠，而且熵權(quán)法和TOPSIS法都是對對象進(jìn)行客觀評價，消除了主觀因素帶來的影響。

2.1 熵權(quán)法定權(quán)

假設(shè)有m個待評價樣本，n項評價指標(biāo)，形成原始指標(biāo)數(shù)據(jù)矩陣：

其中Xij表示第i個樣本第j項評價指標(biāo)的數(shù)值。

（1）數(shù)據(jù)預(yù)處理。

對各指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理。

正向指標(biāo)：

負(fù)向指標(biāo)：

其中xj為第j項指標(biāo)值，xmax為第j項指標(biāo)的最大值，xmin為第j項指標(biāo)的最小值。

（2）計算比重

計算第 j 個指標(biāo)中，第 i 個樣本標(biāo)志值的比重：

計算第j個指標(biāo)的熵值

（4）定義第 j 個指標(biāo)的差異程度

（5）定義權(quán)重

本文共有9個待評價材料樣本，5項評價指標(biāo)。將所得數(shù)據(jù)進(jìn)行上述運(yùn)算之后得出各項指標(biāo)的權(quán)重αi

2.2 TOPSIS法進(jìn)行綜合評價

（1）數(shù)據(jù)預(yù)處理。

將原始數(shù)據(jù)歸一化：

（2）尋找最優(yōu)值和最劣值。

找出各項指標(biāo)的最優(yōu)值和最劣值，建立最優(yōu)值向量z+和最劣值向量z-

（3）計算各個評價對象與最優(yōu)值和最劣值之間的距離。

（4）計算各個評價指標(biāo)與最優(yōu)值的相對接近度。

（5）排序。

根據(jù)Ci的大小進(jìn)行排序，Ci越大，表明評價對象越接近最優(yōu)值。見表1。

表1 各材料歸一化后的Ci值

將所得數(shù)據(jù)用TOPSIS法進(jìn)行處理得到各材料歸一化后的Ci值：

由上表可知，鉻鎳鐵合金625（Inconel 625）的Ci值最大，再經(jīng)仔細(xì)分析其各項性能，最終確定選擇鉻鎳鐵合金625為集裝箱殼體材料。

3 深度H模型的建立

隨著深度H的增大，溫度T在逐漸降低，這有利于數(shù)據(jù)中心的散熱。但同時周圍環(huán)境的壓強(qiáng)也在逐漸整加，這將對集裝箱外殼產(chǎn)生一些負(fù)面影響。

下面首先分析壓強(qiáng)P和溫度T隨深度H的變化規(guī)律。

3.1 壓強(qiáng)P隨深度H的變化規(guī)律

本文基于Saunder根據(jù)1980海水狀態(tài)方程（Equation of State of Seawater 1980，EOS-80）提出的一種實用的壓強(qiáng)與深度的轉(zhuǎn)換方法，探求壓強(qiáng)P隨深度H的變化規(guī)律[3]。

EOS-80 標(biāo)準(zhǔn)采用的深度的壓強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)算法：

式中，c1=(5.92+5.25sin2φ)×10-3[mdb-1]，c2=2.21×10-6[mdb-2]，φ為當(dāng)?shù)氐木暥?，z為海洋深度，p為當(dāng)前深度的壓強(qiáng)。

3.2 溫度T隨深度H的變化規(guī)律

根據(jù)基于Argo數(shù)據(jù)所得的海洋溫度場數(shù)據(jù)，本文切割了ArcGIS Server發(fā)布的地圖，并將所得到的海洋溫度場數(shù)據(jù)保存在輸出目錄里。依據(jù)時間順序切割所發(fā)布的海溫地圖中的所有圖層。之后，按時間順序?qū)⑺脠D片的URL存儲到圖片數(shù)組中[4]。

然后從中提取2 月、5月、8 月和11 月為四個季節(jié)的代表月份， 由此得出南海18°N， 115°E位置點2009年四季的溫度垂向變化。

從溫度垂向變化圖中，選取11個深度點計算其年度平均溫度，后對此11個點進(jìn)行四階多項式曲線擬合，得圖1。

圖1 年平均溫度垂直變化圖

并得到擬合后的公式：

4 深度H模型的求解

本文取南海18°N，115°E位置點，運(yùn)用熵權(quán)法對溫度T和壓強(qiáng)P兩個指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，將在海洋深度1m-500m范圍內(nèi)求得最佳深度H。其中評價對象個數(shù)取500個，即每隔1m取作一個評價對象。

根據(jù)溫度T和壓強(qiáng)P關(guān)于深度的公式，可以求得南海18°N，115°E位置點處海底1m-500m的溫度和壓強(qiáng)數(shù)據(jù)。綜合公式如下：

經(jīng)過熵權(quán)法定權(quán)之后得：

后對各評價對象進(jìn)行綜合評價：

得到500個評價對象的綜合評價值F，求得深度為334m時，F(xiàn)取最大值0.002054266。

綜上所述，可以得出結(jié)論：在南海18°N， 115°E位置點，海平面以下500m范圍內(nèi)，深度為334m處最適合放置集裝箱殼體。

5 結(jié)語

為了使得數(shù)據(jù)中心滿足深海作業(yè)的基本要求，集裝箱外殼必須選用抗壓且耐腐蝕的金屬材料。本文在綜合考慮了材料的耐壓、耐腐蝕和成本等因素后，建立了材料篩選模型，并綜合運(yùn)用了熵權(quán)法和TOPSIS法對多種材料進(jìn)行了綜合分析，最終確定選用鉻鎳鐵合金625（Inconel 625）為集裝箱的殼體材料。此外，我們建立了安裝深度的評價模型，并將此模型運(yùn)用到南海18°N，115°E位置點海平面以下1m-500m范圍，求出此處適宜安防集裝箱殼體的最佳深度H為334m，得以驗證此模型的準(zhǔn)確性以及有效性。