谷金宇，張 寧，高 峰，尚嘉楓，矯荻薇，王廷杉

(1.中國(guó)人民解放軍63861部隊(duì)，吉林 白城 137000；2.中國(guó)航天科工集團(tuán)第二研究院七〇六所，北京 100854)

0 引 言

本文融合應(yīng)用了SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、全景漫游、智能機(jī)器人控制，全感知傳感器等技術(shù)，構(gòu)建了一套全感知虛擬機(jī)房控制系統(tǒng)。以SDN網(wǎng)云端網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為基本平臺(tái)，利用現(xiàn)有的物理模型、傳感器、數(shù)據(jù)庫(kù)，構(gòu)建虛擬數(shù)字空間，將溫濕度、水位、電梯、消防、門(mén)禁、工業(yè)視頻和機(jī)器人自動(dòng)化分析處理系統(tǒng)采集來(lái)的信息進(jìn)行智能處理融合與虛擬化構(gòu)建。完成對(duì)數(shù)據(jù)中心設(shè)備與傳感器的數(shù)據(jù)采集、分析、告警和展示等功能，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)中心設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制，巡檢機(jī)器人配合VR數(shù)字全景漫游，可實(shí)現(xiàn)機(jī)房全面巡查，發(fā)現(xiàn)異?？蛇h(yuǎn)程指揮控制巡檢機(jī)器人，排除設(shè)備隱患和故障。系統(tǒng)智能化、數(shù)字化、全面保障機(jī)房基礎(chǔ)設(shè)施及應(yīng)用系統(tǒng)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)，極大提升了數(shù)據(jù)中心信息智能化水平。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)包含硬件、軟件兩部分。硬件部分包含基于SDN的網(wǎng)云端網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，為整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)建的基本平臺(tái)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)采用三層架構(gòu)；智能門(mén)禁與智電梯系統(tǒng)采用RFID射頻識(shí)別技術(shù)，用于檢測(cè)識(shí)別附近是否有合法的RFID卡，自動(dòng)開(kāi)啟智能門(mén)鎖；智能消防系統(tǒng)用于控制消防聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)[5]，配備的聲光報(bào)警；智能排水系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)采集水情信息，自動(dòng)判斷水情并逐級(jí)啟動(dòng)水泵，排出機(jī)房存水；智能恒溫控制系統(tǒng)接收溫度傳感器、電暖氣、排風(fēng)機(jī)返回的信號(hào)，判斷機(jī)房溫度及設(shè)備運(yùn)行情況；機(jī)器人自動(dòng)化分析處理系統(tǒng)用于視頻采集傳輸與自動(dòng)巡檢。數(shù)據(jù)中心專(zhuān)家系統(tǒng)為系統(tǒng)采集顯示軟件；SDN網(wǎng)絡(luò)控制軟件為底層資源控制分配軟件；機(jī)器人組態(tài)軟件用于機(jī)器人采集信息圖形化展示。系統(tǒng)基本框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

1.1 基于SDN的網(wǎng)云端網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

本系統(tǒng)搭建一套基于網(wǎng)云端架構(gòu)的自主創(chuàng)新云協(xié)同辦公平臺(tái)[1]。私有云建設(shè)引入云化技木[2]、虛擬技術(shù)和SDN技木[3]等，網(wǎng)絡(luò)信息化體系按照“網(wǎng)云端”架構(gòu)，架構(gòu)分為資源層、服務(wù)層、應(yīng)用層，并采用SDN控制的Dijkstra算法控制。技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)

系統(tǒng)設(shè)置資源層，為系統(tǒng)提供高速交換和轉(zhuǎn)發(fā)功能。網(wǎng)絡(luò)虛擬化系統(tǒng)云平臺(tái)服務(wù)設(shè)備提供管理接入功能。

系統(tǒng)設(shè)置應(yīng)用服務(wù)層，為應(yīng)用服務(wù)器云平臺(tái)提供萬(wàn)兆網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)，配置安全保密區(qū)提供安全支撐，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全保障服務(wù)。

系統(tǒng)設(shè)置存儲(chǔ)區(qū)，包含桌面云存儲(chǔ)和私有云存儲(chǔ)。

系統(tǒng)設(shè)置運(yùn)維管理區(qū)，運(yùn)維管理區(qū)為普客戶(hù)機(jī)，鏈接云平臺(tái)、硬件設(shè)備、應(yīng)用系統(tǒng)、身份認(rèn)證等軟硬件系統(tǒng)的統(tǒng)一管理和運(yùn)維，管理網(wǎng)與業(yè)務(wù)網(wǎng)隔離。

容災(zāi)備份服務(wù)區(qū)為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)容災(zāi)備份服務(wù)。

系統(tǒng)設(shè)置用戶(hù)應(yīng)用層，提供終端接入網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，用于部署數(shù)中心專(zhuān)家系統(tǒng)軟件及輔助監(jiān)控采集軟件，用于擴(kuò)展軟件開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，用于數(shù)據(jù)中心視頻信息系統(tǒng)顯示，用于監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)顯示，用于機(jī)器人系統(tǒng)顯示與控制。

本系統(tǒng)應(yīng)用基于SDN控制的Dijkstra算法設(shè)計(jì)。SDN是將傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)平面與控制平面緊耦合的結(jié)構(gòu)，改變?yōu)閿?shù)據(jù)平面與控制平面解耦分離的結(jié)構(gòu)，將路由器的網(wǎng)絡(luò)控制平面功能集中到SDN控制器。算法步驟如下：

定義G={V，E}

(1)定義變量S和T，并初始賦值，S={V0}，T=V-S={其余頂點(diǎn)}。

(2)從T中選一個(gè)與S中頂點(diǎn)有關(guān)聯(lián)的且權(quán)值最小的頂點(diǎn)W，加入到S。

(3)對(duì)T中其余頂點(diǎn)的距離值進(jìn)行修改：若W作中間頂點(diǎn)，距離縮短，則修改此距離值。

重復(fù)上述步驟(2)、(3)，直到S中包含所有頂點(diǎn)。

程序代碼如下：

type

bool=array[1..10]ofboolean;

arr=array[0..10]ofinteger;

var

a:array[1..10,1..10]ofinteger;

c,d,e:arr;

i,j,n,m:integer;

inf,outf:text;

begin

assign(inf,inputfile);

assign(outf,outputfile);

reset(inf);

rewrite(outf);

read(inf,n);

for i:= 1 to n do

begin

for j:= 1 to n do

begin

read(inf,a[i,j]);

if a[i,j]=0 then

a[i,j]:=10000;

end;

end;

end;

proceduredijkstra(qi:integer;t:bool;varc{,d}:arr);

var

i,j,k,min:integer;

begin

t[qi]:=true;

for i:= 1 to n do

d[i]:= qi;

d[qi]:=0;

for i:=1 to n do

c[i]:=a[qi,i];

for i:= 1 to n-1 do

begin

min:=maxint;//改為最大值

for j:=1 to n do

if(c[j]

begin

k:=j;

min:=c[j];

end;

t[k]:=true;

for j:=1 to n do

if(c[k]+a[k,j]

begin

c[j]:=c[k]+a[k,j];

d[j]:=k;

end;

end;

end;

procedure make(zh:integer;d:arr;vare:arr);

var

i,j,k:integer;//節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)

begin

i:=0;

while d[zh]<>0 do

begin

inc(i);

e[i]:=zh;

zh:=d[zh];

end;

inc(i);

e[i]:=qi;

e[0]:=i;

end;

通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真比較單向Dijkstra算法、雙向Dijkstra算法、A*算法的計(jì)算效率。隨機(jī)多次選取樣本，記錄最短路徑計(jì)算的運(yùn)行時(shí)間以及擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)數(shù)量。對(duì)比分析如圖3所示。

仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明大部分情況下，DIjkstra算法在搜索空間和計(jì)算效率上均優(yōu)于A*算法，SDN控制的網(wǎng)云端網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可極大提高網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算效率，縮短計(jì)算的運(yùn)行時(shí)間。

1.2 智能門(mén)禁與電梯系統(tǒng)

智能門(mén)禁與智能電梯系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心安全管理的重要組成部分。智能門(mén)禁采用RFID射頻識(shí)別技術(shù)[4]用于檢測(cè)識(shí)別附近是否有合法的RFID卡，自動(dòng)開(kāi)啟智能門(mén)鎖。外來(lái)訪(fǎng)客則需要通過(guò)門(mén)禁系統(tǒng)與管理員取得聯(lián)系。訪(fǎng)客能通過(guò)智能門(mén)禁系統(tǒng)來(lái)錄制語(yǔ)音消息，經(jīng)服務(wù)器將語(yǔ)音消息發(fā)送至數(shù)據(jù)中心專(zhuān)家系統(tǒng)訪(fǎng)客通過(guò)智能門(mén)禁系統(tǒng)可實(shí)時(shí)視頻，智能門(mén)禁系統(tǒng)將視頻數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至數(shù)據(jù)中心專(zhuān)家系統(tǒng)軟件和管理員手機(jī)客戶(hù)端，當(dāng)訪(fǎng)客關(guān)閉視頻連接請(qǐng)求時(shí)停止，訪(fǎng)客與管理員溝通后，管理員可發(fā)送指令給門(mén)禁系統(tǒng)，開(kāi)啟或關(guān)閉門(mén)鎖。智能電梯系統(tǒng)能夠?qū)﹄娞葸M(jìn)行有效管理，通過(guò)管理軟件給RFID射頻卡授權(quán)，經(jīng)過(guò)授權(quán)后的射頻卡可以按規(guī)定使用電梯。在電梯使用過(guò)程中，用戶(hù)只可以上到射頻卡被授權(quán)的樓層和區(qū)域。對(duì)于訪(fǎng)客管理，采用與門(mén)禁系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制，訪(fǎng)客與管理員通過(guò)門(mén)禁系統(tǒng)聯(lián)系后，管理員通過(guò)數(shù)據(jù)中心專(zhuān)家系統(tǒng)軟件將信號(hào)發(fā)送給智能電梯系統(tǒng)，系統(tǒng)接收到管理員信號(hào)后，可將訪(fǎng)客送至指定樓層與區(qū)域。通過(guò)智能門(mén)禁與智能電梯管理，有效做到了各層與區(qū)域的安全管理，極大提高了數(shù)據(jù)中心的安全性。數(shù)據(jù)中心提供雙路市電輸入，配備模塊化UPS系統(tǒng)[5]。

智能電梯與智能門(mén)禁系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心安全管理的重要組成部分。自動(dòng)化控制部分接入數(shù)據(jù)中心專(zhuān)家監(jiān)測(cè)控制軟件系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)監(jiān)控門(mén)禁系統(tǒng)和電梯系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀況，也可在數(shù)據(jù)中心專(zhuān)家控制系統(tǒng)軟件內(nèi)啟停設(shè)備。系統(tǒng)框架如圖4所示。

1.3 智能消防系統(tǒng)

消防系統(tǒng)是保障數(shù)據(jù)中心設(shè)備免于火災(zāi)事故的必要保障手段，包含火災(zāi)探測(cè)器、控制器、報(bào)警裝置等。煙霧感知傳感器安裝機(jī)房屋內(nèi)上方，當(dāng)數(shù)據(jù)中心出現(xiàn)火災(zāi)或大量煙塵時(shí)，煙霧感知傳感器第一時(shí)間發(fā)出報(bào)警信號(hào)，數(shù)據(jù)中心專(zhuān)家控制軟件中顯示報(bào)警信息，控制消防聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)[6]，配備的聲光報(bào)警裝置同時(shí)響應(yīng)動(dòng)作。管理員可在數(shù)據(jù)中心專(zhuān)家軟件中打開(kāi)氣體消防設(shè)備進(jìn)行滅火，也可設(shè)置自動(dòng)開(kāi)啟設(shè)備滅火。系統(tǒng)控制如圖5所示。

圖5 氣體消防控制系統(tǒng)

1.4 智能排水系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心在建設(shè)之初設(shè)計(jì)的排水系統(tǒng)未考慮雨水倒灌、供暖管道和消防管道季節(jié)性事故，易導(dǎo)致機(jī)房被水浸泡，如遇雷雨天氣或晚間降雨，會(huì)給設(shè)備帶來(lái)?yè)p毀隱患，給巡檢人員人身帶來(lái)威脅。智能排水系統(tǒng)[7]有效解決了事故漏水浸泡地下機(jī)房及其引起的人員和設(shè)備安全問(wèn)題。該控制系統(tǒng)能實(shí)時(shí)采集水情信息，自動(dòng)判斷水情并逐級(jí)啟動(dòng)水泵，排出機(jī)房存水，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和串口協(xié)議，將存水情況傳輸至數(shù)據(jù)中心專(zhuān)家控制系統(tǒng)顯示，達(dá)到閾值水位可啟動(dòng)遠(yuǎn)程報(bào)警。經(jīng)實(shí)際安裝使用后驗(yàn)證，可有效應(yīng)對(duì)各種管道爆裂和雨水倒灌造成的機(jī)房險(xiǎn)情，極大程度保證了人員和設(shè)備的安全。

本系統(tǒng)為一種機(jī)房自動(dòng)檢測(cè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主控單元為西門(mén)子PLC可編程控制器[8]，主要元器件為傳感器、流量計(jì)和報(bào)警器。通過(guò)對(duì)采集的液位信號(hào)融合判斷控制水泵、蜂嗎器、聲光報(bào)警器動(dòng)作，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)位機(jī)房液位的采集、顯示、閾值報(bào)警和水泵啟停智能控制?？刂破骺砂惭b布置于機(jī)房?jī)?nèi)任意墻體下方控制箱內(nèi)，信號(hào)采集部分可布置于機(jī)房?jī)?nèi)任意地板下方，水泵安裝至機(jī)房?jī)?nèi)靠墻一側(cè)地板上，地板開(kāi)孔安裝，控制箱靠墻一側(cè)安裝，與水泵及傳感器就近選址。

控制核心為西門(mén)子PIC可編程控制器，模塊中可實(shí)現(xiàn)采集信號(hào)處理、閾值判斷、控制信號(hào)輸出及報(bào)警信號(hào)輸出，通過(guò)屏蔽信號(hào)線(xiàn)和網(wǎng)線(xiàn)與傳感器、顯示器相連接，在可編程控制器模塊中運(yùn)用梯形圖編寫(xiě)各類(lèi)傳輸程序。實(shí)現(xiàn)輸出控制和報(bào)警控制并將采集的數(shù)據(jù)傳輸至顯示器進(jìn)行圖表化顯示。液位傳感器可選擇浮球式液位傳感器和激光液位傳感器。安裝方式可選擇固定式螺紋安裝和浮球式安裝。浮球式液位傳感器和激光液位傳感器實(shí)時(shí)將信號(hào)傳送至PLC可編程控制器，控制器將采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，傳送至顯示器可視化圖標(biāo)軟件中實(shí)時(shí)顯示[9]。數(shù)據(jù)中心專(zhuān)家控制系統(tǒng)顯示各類(lèi)采集信息。排水系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 智能排水控制系統(tǒng)

1.5 智能恒溫系統(tǒng)

機(jī)房在建設(shè)之初不具備專(zhuān)門(mén)的溫度控制系統(tǒng)，機(jī)房溫度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)造成設(shè)備的故障、損壞、老化，增加設(shè)備的維護(hù)成本。存儲(chǔ)設(shè)備一旦損壞，將會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，無(wú)法恢復(fù)。極端的溫度環(huán)境也會(huì)造成維護(hù)人員工作困難，降低維護(hù)效率，增加維護(hù)成本。智能恒溫控制系統(tǒng)[10]通過(guò)控制單元接收溫度傳感器、電暖氣、排風(fēng)機(jī)返回的信號(hào)，判斷機(jī)房溫度及設(shè)備運(yùn)行情況，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)控制單元向數(shù)據(jù)中心專(zhuān)家控制系統(tǒng)發(fā)送溫度信息及設(shè)備運(yùn)行情況信號(hào)，實(shí)現(xiàn)溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)、火災(zāi)及防凍預(yù)警，設(shè)備自動(dòng)監(jiān)控，可以及時(shí)處理機(jī)房環(huán)境溫度隱患問(wèn)題，不需要人為干預(yù)，也可以實(shí)時(shí)向管理人員反應(yīng)環(huán)境隱患，令管理人員實(shí)時(shí)了解機(jī)房環(huán)境溫度情況，及時(shí)處理隱患問(wèn)題，可有效降低機(jī)房環(huán)境溫度隱患，有效應(yīng)對(duì)火災(zāi)和防凍險(xiǎn)情。避免了暖氣管道爆裂等事故造成機(jī)房設(shè)備損壞的隱患，減輕了維護(hù)人員工作困難。

智能恒溫系統(tǒng)采集紅外測(cè)溫傳感器、溫度開(kāi)關(guān)的模擬信號(hào)，將采集的信號(hào)傳送至可編程控制單元?？删幊炭刂破魍ㄟ^(guò)對(duì)比融合控制電暖氣、風(fēng)機(jī)、蜂鳴器、聲光報(bào)警器動(dòng)作，網(wǎng)絡(luò)通信與監(jiān)測(cè)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高速通信、實(shí)時(shí)顯示，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)機(jī)房溫度的采集顯示、報(bào)警，實(shí)現(xiàn)電暖氣、排風(fēng)機(jī)的智能控制。溫度監(jiān)測(cè)單元包括紅外測(cè)溫傳感器和溫度開(kāi)關(guān)，均通過(guò)信號(hào)線(xiàn)分別與控制單元相連。紅外測(cè)溫傳感器安裝于機(jī)房四圍電暖氣上端，當(dāng)機(jī)房?jī)?nèi)四圍溫度變化時(shí)，紅外測(cè)溫傳感器采集墻面附近溫度，判斷機(jī)房溫度。溫度開(kāi)關(guān)安裝于機(jī)房電暖氣下方，通過(guò)采集電暖器下方溫度判斷周?chē)@度。電暖氣、溫度開(kāi)關(guān)、紅外測(cè)溫傳感器均設(shè)有4個(gè)以上，設(shè)置溫度閾值，當(dāng)機(jī)房溫度達(dá)到閾值時(shí)，按區(qū)域啟動(dòng)、停止電暖氣、排風(fēng)機(jī)的工作。

通過(guò)控制單元實(shí)時(shí)接收紅外測(cè)溫傳感器、溫度開(kāi)關(guān)的溫度信息，同時(shí)接收電暖器、排風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。PLC控制系統(tǒng)[11]通過(guò)分析控制電暖氣，排風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)單元向數(shù)據(jù)中心專(zhuān)家控制系統(tǒng)和指定管理人員及時(shí)發(fā)送故障情況，實(shí)現(xiàn)溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)、火災(zāi)和防凍預(yù)防自動(dòng)報(bào)警、供暖自動(dòng)監(jiān)控，可以及時(shí)處理機(jī)房過(guò)熱或過(guò)冷的環(huán)境問(wèn)題，不需要人為干預(yù)，也可以實(shí)時(shí)向管理人員反映溫度過(guò)高或過(guò)低的安全隱患，有效應(yīng)對(duì)各種環(huán)境溫度造成的機(jī)房險(xiǎn)情。智能恒溫系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 智能恒溫控制系統(tǒng)

1.6 機(jī)器人實(shí)景漫游系統(tǒng)

實(shí)景漫游采用巡檢機(jī)器人系統(tǒng)，主要采用主從式(C/S)構(gòu)架[12]，巡檢機(jī)器人系統(tǒng)包擴(kuò)遠(yuǎn)程檢測(cè)及控制系統(tǒng)、視頻采集系統(tǒng)、傳感器檢測(cè)系統(tǒng)等。用磁軌道導(dǎo)航方式和激光導(dǎo)航方式全面巡視。巡檢機(jī)器人主要功能如下：

(1)視頻采集傳輸功能。

(2)自動(dòng)巡檢功能。當(dāng)機(jī)器人收到巡檢指令時(shí)，機(jī)器人按系統(tǒng)預(yù)設(shè)的激光導(dǎo)航功能，在規(guī)定路線(xiàn)上進(jìn)行巡邏檢查，把采集到的視頻數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)中心專(zhuān)家系統(tǒng)，將采集的視頻數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，方便查看。

(3)機(jī)器人具備對(duì)動(dòng)態(tài)物體的檢測(cè)和跟蹤功能。機(jī)器人在執(zhí)行巡檢指令時(shí)，其安裝的傳感器探測(cè)發(fā)現(xiàn)有火焰、煙霧、溫度過(guò)載等情況，發(fā)出報(bào)警，報(bào)警信息傳送至數(shù)據(jù)中心專(zhuān)家系統(tǒng)。

(4)機(jī)器人具備遠(yuǎn)程操作功能。數(shù)據(jù)中心工作人員可以對(duì)機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，查看報(bào)警信息，可以手動(dòng)控制機(jī)器人，使其移動(dòng)到便于觀測(cè)地點(diǎn)，詳細(xì)觀察事故情況、分析事原因。

機(jī)器人啟動(dòng)后，按照程序設(shè)定，自動(dòng)初始化電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、攝像頭模塊，對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位工作，按程序設(shè)定連接至模塊路由器。初始化程序中設(shè)定對(duì)電池電量自行檢測(cè)功能，如果低于閾值，機(jī)器人無(wú)法按操作員指令啟動(dòng)，機(jī)器人自動(dòng)按軌跡返回充電位置進(jìn)行充電。若電量高于閾值，機(jī)器人則正常啟動(dòng)，機(jī)器人將自身攜帶的視頻系統(tǒng)信號(hào)傳輸至數(shù)據(jù)中心，工作人員可以在數(shù)據(jù)中心專(zhuān)家系統(tǒng)上對(duì)機(jī)人傳輸?shù)囊曨l進(jìn)行查看，工作人員此時(shí)可開(kāi)啟機(jī)器人自動(dòng)巡檢功能，機(jī)器人收到信號(hào)后，按預(yù)設(shè)程序進(jìn)行巡檢。程序會(huì)對(duì)機(jī)器人巡檢過(guò)程中傳輸?shù)囊曨l進(jìn)行分析處理、判斷，如發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)異常的情況，機(jī)器人會(huì)向數(shù)據(jù)中心發(fā)出報(bào)警信號(hào)。工作人員可以通過(guò)數(shù)據(jù)中心專(zhuān)家系統(tǒng)遠(yuǎn)程查看異常情況或?qū)C(jī)器人切換至手動(dòng)控制狀態(tài)，移動(dòng)機(jī)器人位置，控制機(jī)器人手臂完成危險(xiǎn)處置操控并排除警報(bào)。機(jī)器人巡檢控制如圖8所示。

圖8 機(jī)器人巡檢控制

技術(shù)人員也可通過(guò)頭戴VR，對(duì)機(jī)房進(jìn)行無(wú)紙化巡檢，實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)中機(jī)器人軌跡跟蹤[13]。基于5G和VR技術(shù)，VR眼鏡采集巡視設(shè)備的細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)傳回后臺(tái)，技術(shù)人員可遠(yuǎn)程分析，準(zhǔn)確處置，極大提高工作效率。自主巡檢機(jī)器人搭載電源、自動(dòng)控件、雙星定位模塊和5G通訊模塊等部件，在不使用時(shí)自動(dòng)回到指定位置待命，一旦收到工作指令，自主執(zhí)行巡檢任務(wù)。

自動(dòng)巡檢機(jī)器人配合VR數(shù)字全景漫游，實(shí)現(xiàn)了機(jī)房的全面巡查，發(fā)現(xiàn)異?？蛇h(yuǎn)程指揮控制機(jī)房的巡檢機(jī)器人，排除設(shè)備隱患和故障。VR系統(tǒng)視覺(jué)如圖9所示。

圖9 VR控制系統(tǒng)視覺(jué)

機(jī)器人巡檢系統(tǒng)采用蟻群優(yōu)化算法(ACO)。在機(jī)器人巡檢系統(tǒng)中，提供到達(dá)設(shè)備的最短路徑，并且任何設(shè)備只能被訪(fǎng)問(wèn)一次。ACO算法的第一步是初始化信息素蹤跡和機(jī)器人參數(shù)。蟻群機(jī)器人算法優(yōu)化流程如圖10所示。

1.7 3D全感知虛擬機(jī)房控制系統(tǒng)

3D可視化計(jì)算機(jī)管理是應(yīng)用人機(jī)交互的三維數(shù)據(jù)協(xié)同可視仿真技術(shù)[14]，構(gòu)建一套3D的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景[15]，用戶(hù)可在虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行信息的管理、查詢(xún)、檢索、監(jiān)控等操作。

機(jī)房建模如圖11所示。

圖11 虛擬機(jī)房建模控制系統(tǒng)

3D數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)采用BS架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)[16]，3D全感知虛擬機(jī)房控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用層次包圍盒算法(BVH)，利用圖元細(xì)分的光線(xiàn)相交加速方法，將圖元被劃分為不相交集的層次結(jié)構(gòu)。

3D的虛擬現(xiàn)實(shí)機(jī)房實(shí)景漫游需對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)建模進(jìn)行碰撞檢測(cè)，利用BVH算法，將要存儲(chǔ)的每個(gè)圖元體的包圍盒質(zhì)心、其完整的包圍盒和其索引存儲(chǔ)在BVHPrimitiveInfo的結(jié)構(gòu)體數(shù)組中。

std::vector//構(gòu)建數(shù)組primitiveInfo(primitives.size());

for (size_t i = 0; i

primitiveInfo[i]= { i,primitives[i]->WorldBound() };

structBVHPrimitiveInfo {

BVHPrimitiveInfo(size_tprimitiveNumber,const Bounds3f &bounds)

:primitiveNumber(primitiveNumber),bounds(bounds),

centroid(.5f * bounds.pMin +.5f * bounds.pMax) { }

size_tprimitiveNumber;

Bounds3f bounds;

Point3f centroid;

};

然后開(kāi)始構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)，每一次遞歸接受一個(gè)左閉右開(kāi)的區(qū)間，若區(qū)間中的圖元數(shù)小于一個(gè)給定的值(葉節(jié)點(diǎn)最大圖元數(shù)目)，則遞歸終止并返回一個(gè)葉節(jié)點(diǎn)。

BVHBuildNode//構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)*BVHAccel::recursiveBuild(MemoryArena&arena,

std::vector&primitiveInfo,int start,

int end,int *totalNodes,

std::vector>&orderedPrims) {

BVHBuildNode*node= arena.Alloc();

(*totalNodes)++;

<>

intnPrimitives = end-start;

if (nPrimitives == 1) {

<>

intfirstPrimOffset =orderedPrims.size();

for (int i = start; i

{

intprimNum= primitiveInfo[i].primitiveNumber;

orderedPrims.push_back(primitives[primNum]);

}

node->InitLeaf(firstPrimOffset,nPrimitives,bounds);

return node;

} else {

<>

<>

}

return node;

}

<>=

Bounds3f bounds;

for (int i = start; i

bounds=Union(bounds,primitiveInfo[i].bounds);

At leaf nodes,the primitives overlapping the leaf are appended to the orderedPrims array and a leaf node object is initialized.

<>=

intfirstPrimOffset = orderedPrims.size();

for (int i = start; i

intprimNum = primitiveInfo[i].primitiveNumber; orderedPrims.push_back(primitives[primNum]);

}

node->InitLeaf(firstPrimOffset,nPrimitives,bounds);

return node;

對(duì)于每一個(gè)節(jié)點(diǎn)檢查光線(xiàn)和該節(jié)點(diǎn)的包圍盒是否相交，不相交則不再需要對(duì)該節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遍歷，相交且該節(jié)點(diǎn)為葉節(jié)點(diǎn)，則對(duì)該葉節(jié)點(diǎn)下的每一個(gè)圖元進(jìn)行相交測(cè)試，若該節(jié)點(diǎn)為內(nèi)部節(jié)點(diǎn)則對(duì)遍歷其子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遍歷。

1.8 數(shù)據(jù)中心專(zhuān)家控制系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心專(zhuān)家系統(tǒng)是一個(gè)智能計(jì)算機(jī)程序軟件，應(yīng)用人工智能技術(shù)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)危險(xiǎn)情況自動(dòng)采取措施并報(bào)警。本文將智能門(mén)禁與電梯系統(tǒng)、智能排水系統(tǒng)、智能恒溫控制系統(tǒng)、機(jī)器人巡檢系統(tǒng)、實(shí)景漫游系統(tǒng)及虛擬機(jī)房控制系統(tǒng)集成在專(zhuān)家系統(tǒng)中，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)房?jī)?nèi)數(shù)據(jù)并完成設(shè)備遠(yuǎn)程控制。專(zhuān)家系統(tǒng)如圖12所示。

2 應(yīng)用驗(yàn)證

基于SDN云網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的全感知虛擬機(jī)房控制系統(tǒng)目前應(yīng)用在靶場(chǎng)數(shù)據(jù)中心，已建立完成一套動(dòng)態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、一套智能排水系統(tǒng)、一套智能恒溫系統(tǒng)。并已經(jīng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了智能門(mén)禁與智能電梯系統(tǒng)、智能消防系統(tǒng)及智能機(jī)器人輔助系統(tǒng)，將全部應(yīng)用于全感知虛擬機(jī)房控制系統(tǒng)中。本系統(tǒng)經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證后能達(dá)到預(yù)期要求，可準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中心各設(shè)備狀態(tài)，可在數(shù)據(jù)中心專(zhuān)家系統(tǒng)軟件中實(shí)時(shí)顯示溫度、消防、電梯、門(mén)禁、排水、機(jī)器人巡檢狀態(tài)等各類(lèi)信息；出現(xiàn)異常后，專(zhuān)家系統(tǒng)可顯示報(bào)警信息，并將情況報(bào)告給管理員，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備和環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于SDN云網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的全感知虛擬機(jī)房控制系統(tǒng)的全部設(shè)備接入數(shù)據(jù)中心專(zhuān)家管理系統(tǒng)，完成對(duì)數(shù)據(jù)中心設(shè)備與傳感器的數(shù)據(jù)采集、分析、告警和展示等功能，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)巡檢和VR 數(shù)字全景漫游巡檢。隨著新技術(shù)、新領(lǐng)域的不斷發(fā)展，本系統(tǒng)未來(lái)可接入更多的智能監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)。數(shù)據(jù)中心全感知控制系統(tǒng)也可應(yīng)用于其它領(lǐng)域，相信未來(lái)全感知控制系統(tǒng)的應(yīng)用與研究，將會(huì)有廣闊的發(fā)展前景。