姚舜禹 郭洹辰 郭牧凡

摘要：隨著數(shù)據(jù)大爆炸時代的到來，數(shù)據(jù)存儲已成為重要的問題。本文主要針對海底數(shù)據(jù)中心集裝箱的散熱能力，對集裝箱外殼的金屬材質(zhì)、放置深度等問題進行了討論與研究。本文結(jié)合相關(guān)資料得到相關(guān)數(shù)據(jù)進行歸一化處理，用TOPSIS法對材料進行加權(quán)排序，最終選擇最佳材料。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)對我國海洋深度與溫度的關(guān)系進行擬合處理，并繪制相關(guān)曲線，結(jié)合所選材料，在保證材料抗壓性的情況下選擇適當(dāng)?shù)臏囟群Ｋ畬?yīng)的深度作為達到最佳散熱效果的深度。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)處理與分析;TOPSIS方法;歸一化;海底數(shù)據(jù)中心集裝箱

1 概述

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展與蓬勃騰飛，世界迎來了數(shù)據(jù)驅(qū)動的時代，海量的數(shù)據(jù)需要大量的數(shù)據(jù)中心進行記錄與存儲。為了使數(shù)據(jù)中心能安全平穩(wěn)的運行，數(shù)據(jù)中心需要配置強大的散熱系統(tǒng)進行散熱，使服務(wù)器的溫度處于一定的合理的區(qū)間，但是由于數(shù)據(jù)中心正常冷卻時需要消耗大量的電能和冷卻水資源，并花費大量建設(shè)成本，而海水冷卻具有明顯的優(yōu)勢，首先海底數(shù)據(jù)中心通過與海水進行熱交換，利用巨量流動的海水對互聯(lián)網(wǎng)設(shè)施進行散熱，有效節(jié)約了能源;其次海底數(shù)據(jù)中心對岸上土地占用極少，沒有冷卻塔，無需淡水消耗，既可以包容生態(tài)類活動，又可與工業(yè)類活動互相服務(wù);最后海底數(shù)據(jù)中心可以極大的縮短數(shù)據(jù)與用戶之間的距離，盡可能的減小時延。

因此越來越多的高科技企業(yè)選擇摒棄傳統(tǒng)方案，選擇數(shù)據(jù)中心海水冷卻的模式。因此研究如何選擇合適的材料和海底深度對服務(wù)器集裝箱進行優(yōu)化設(shè)計，進一步提高散熱效果，并盡可能降低成本，提高使用年限具有十分重要的意義。

2 模型的建立與求解

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)篩選與可視化

綜合考慮成本，抗壓強度，耐腐蝕性等因素[1]。部分貴重金屬如：金、鈦等由于造價過高，故不考慮在內(nèi)。部分耐腐蝕性較差的材料、遇水易產(chǎn)生形變的材料以及易產(chǎn)生裂縫的材料也可排除。故初次篩選后，剩下29種材料。對這些材料的性能分別進行數(shù)據(jù)可視化處理，結(jié)果如下

2.2 材料篩選

最終在6個被選材料中選取，共考慮彈性模量、抗彎強度、抗拉強度、造價四個因素，其具體數(shù)值如下。

2.3 構(gòu)造價值評價矩陣

以Xij表示第i個材料的第j個指標評價值，則材料的指標評價值矩陣為：

故本題中的指標評價矩陣為：

2.4 數(shù)據(jù)歸一化處理

由于各個評價指標的量綱不同，為了便于比較，需對數(shù)據(jù)進行歸一化處理，將所有數(shù)據(jù)歸成（0，1）間分布的數(shù)。

2.5 各指標決策信息熵值

信息熵[2]是利用數(shù)學(xué)概率理論來衡量信息不確定性的一種測算方法，表明數(shù)據(jù)分布越分散，其不確定性也越大。各個指標的決策信息可以用其信息熵值wj來表示：

2.6 加權(quán)評價值矩陣

在確定各指標的權(quán)重因子wj之后，可計算材料的指標加權(quán)評價值矩陣

而最理想和最不理想的指標加權(quán)評價值集合分別為：

各個材料的topsis值可由下列公式計算：

其中分別為最理想之與最不理想值之間的距離

綜上所述，幾種材料的topsis值分別為：

根據(jù)表2可知，AISI 1080 Steel 的topsis值為1.000，為這六種材料里的最大值 ，因此選擇AISI 1080 Steel為海底數(shù)據(jù)中心的外殼的設(shè)計材料，能夠進一步提高散熱效果，并盡可能降低成本，提高使用年限。

2.7 海水深度與溫度

查閱數(shù)據(jù)[3]可知，南海海水的深度與溫度的關(guān)系為如下曲線

為了滿足散熱要求，同時盡量減少因壓強造成的損耗，可將集裝箱放置在水深為0.816km處。

3 潮汐變化帶來的海水流動變化

由于潮汐的改變，海水流量從定量變化轉(zhuǎn)變成動態(tài)變化，并且在單位之間變化。因其是變量，所以在一定程度上不便于進行研究，所以對流量進行一定的限制，假設(shè)將兩者與其功能關(guān)系結(jié)合起來。經(jīng)過篩選后，我們決定將兩者之間的關(guān)系設(shè)置為正弦函數(shù)，并選定為最簡單的形式：

基于此公式通過MATLAB繪制不同n值下的函數(shù)曲線，判斷散熱速度大小。

通過圖像顯示，n的取值決定了正弦函數(shù)的收縮，換句話說，n的值越大，圖像越陡;n的值越小，圖像越平緩。因此，我們將n的取值看作是反應(yīng)流量變化快慢的一個參數(shù)。同時假定：

當(dāng)n=1時，流量變化速率較慢;

當(dāng)n=2時，流量變化速率適中;

當(dāng)n=3時，流量變化速率較快。

由此流速隨時間的關(guān)系式我們就可以寫作：

我們就可以得到一個熱量隨時間變化的關(guān)系式：

該熱量可以近似看作是集裝箱所吸收的熱量，并將以上表達式繪制成曲線如圖所示：

由上述圖像可看出，當(dāng)n取不同值時，曲線的熱量所對應(yīng)的峰值與時間所對應(yīng)的峰數(shù)都不同，這也就意味著，當(dāng)流量變化速率較快時，產(chǎn)生的熱量也就越多，那么相應(yīng)地在同一坐標上，該點的溫度應(yīng)比之前的要高。

因此，在潮汐的變化過程中，流量變化速率越快，溫度越高，對海底數(shù)據(jù)中心集裝箱的散熱效果越不利。

4 結(jié)語

在進行殼體最優(yōu)材料選擇時使用TOPSIS方法，實現(xiàn)了對多個目標權(quán)重的分析，并根據(jù)權(quán)重為數(shù)據(jù)艙集裝箱殼體選擇合適的材料和海底工作深度。在材料的選擇上，選擇高權(quán)重的金屬材料，并根據(jù)金屬材料的特性和海域的水位資料確定合適的海底深度。這樣就使得在外殼的材料選擇上，既考慮到材料的價格，也兼顧到外殼的耐壓和耐腐蝕性，以及合適的海水散熱條件，從而保證了模型的合理性。并且通過分析潮汐和季節(jié)變化帶來的海水流動的影響，從而得到對海底數(shù)據(jù)中心集裝箱散熱效果的影響。

參考文獻：

[1] 徐金. 當(dāng)代主要海洋設(shè)備散熱材料的發(fā)展分析[J]. 現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2017年第9期：19-22.

[2] 朱孝勇，程 明，趙文祥，等.現(xiàn)代工程中常用的數(shù)學(xué)算法[J].電工技術(shù)學(xué)報，2008， 23（1）：30-39.

[3] 韋 萍.2002-2012南海水文條件分析[J] .中國海洋，2012（6）：105-107.

[4] 陸曉峰.近年來南海的水文變化研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2019：7-9.

蘭州交通大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院 甘肅 蘭州 730070

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