[发明专利]一种基于模型预测控制的数据中心节能控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种数据中心节能控制方法，尤其是涉及一种基于模型预测控制的数据中心节能控制方法。

背景技术

数据中心是指在通讯和信息技术领域，用于放置服务器的机房。随着现代计算机和互联网技术的飞速发展，数据中心在各行各业发挥着举足轻重的作用。然而其机房内的服务器等设备的散热及冷却耗费了大量的电能。能耗问题催生了绿色数据中心的概念。在绿色数据中心的建设当中，高效率的计算设备及新兴的冷却技术及降低数据中心能耗及提高能源效率的基本措施。同时对于现有的数据中心，优化各项设备的运行状态，协调功率分配的优化措施也可以有效的提高数据中心的能源效率。

数据中心具有复杂的内部结构。由服务器及网络设备等组成的信息系统通过消耗电能完成计算任务并产生热能。由机房空调等组成的冷却系统通过消耗电能排出数据中心机房里的热。数据中心的信息系统及冷却系统是整个数据中心能耗的主体。信息系统及冷却系统之间热力学关系复杂，同时信息系统内部也存在复杂的任务处理关系。数据中心的能耗过高主要是由于以下三方面。(1)数据中心内部气流组织不合理，热风回流、冷气短路等现象降低了制冷效果；(2)多个空调设备之间工作不协调，空调的各参数设置不合理，过度消耗了不必要的电力。(3)信息设备能耗与空调能耗的增长成正比，降低信息设备的能耗，空调设备便能同时降低。

虽然数据中心的能量消耗较大，但是鲜有从数据中心层面采用实时的节能控制措施。针对数据中心能耗问题的研究中，对于信息设备及冷却设备的控制相对独立。提出了如虚拟化技术、动态电压频率调节技术(DVFS)、能耗感知的任务调度技术、风扇控制及空调控制等控制技术。这些技术只是从某些方面提升数据中心设备的能源效率。但从数据中心整体来考虑，可以根据机柜与空调机柜之间的传热影响关系，在虚拟化技术、动态电压调节(DVS)技术、风扇控制、空调控制等基础技术的基础上，应用实时优化控制方法，合理优化信息设备功率分布，协调信息设备与空调设备之间的工作状态。从而降低数据中心的整体能耗，提高能源效率。而在这方面却缺乏研究。

目前，现有的数据中心普遍采用的温度管理方式是设置温度传感器，被动地探测出环境中的温度热点并加以处理，无法对温度的分布进行总体的估计与预测；数据中心内部热力学特性是联系信息设备能耗与冷却设备能耗的桥梁。在数据中心的热力学研究中，多数使用计算流体动力学(CFD)的方法对整个数据中心进行建模，并优化数据中心的内部排布。运用CFD的方法可以正确的估计数据中心温度的分布，但计算负荷太大，其可用于数据中心的设计。但在现有数据中心的实时优化控制当中运用CFD进行温度估计，其无法满足实时性的要求。

与本发明相关的文献和专利中，文献Parolini L,Sinopoli B,Krogh B H,et al.A cyber–physical systems approach to data center modeling and control for energy efficiency[J].Proceedings of the IEEE,2012,100(1):254-268.初步研究了在数据中心中应用模型预测控制方法，讨论了潜在的能效提高。但文献中的只考虑了线性化模型简化的任务处理模型及服务器功率等模型，由于模型的简单性，其并未考虑服务器状态动态切换及服务质量的控制。相关专利一种机房温度智能控制的方法及装置(CN 102818338A)此专利提出一种机房温度智能控制的装置，利用SNMP管理协议，定期轮询机房内环境最恶劣的网络设备上的实时的入风口温度和关键芯片温度，通过入风口温度来调节空调的基础温度，再根据对关键芯片温度采用预测的方式，加权调节空调的温度；根据最终计算获得的空调温度实现对机房内空调设备的温度控制，从而实现对机房内温度的调节，同时提供了一种机房温度智能控制的方法。此专利没有考虑整个数据中心的温度分布，仅在机房内可能出现高温的点查询温度；所提供的控制方法仅调节空调温度，而不是对整个数据中心的任务分配和空调温度进行全局控制。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于模型预测控制的数据中心节能控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于模型预测控制的数据中心节能控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)基于数据中心的内部分布，采用计算流体动力学仿真实验，获得数据中心的快速温度估计模型；

2)基于服务器及空调的功率模型，出口温度变化模型及快速温度估计模型，建立数据中心的状态空间模型；