一种基于闭环反馈优化的IDC基础设施造价评估模型

李劲芝，雷 蕾

（中国移动通信集团广西有限公司，广西南宁530028）

0 引 言

随着云计算和互联网应用需求的不断攀升，支撑这些应用的IDC（互联网数据中心）也引起了更广泛的关注。许多研究更侧重于IDC建成后如何最优化管理和降低运营成本［1，2］，而关注IDC建设初期的投资和效益评估［3，4］的较少，尚未提出一个成熟的造价评估模型［5］。特别是在IDC项目启动阶段进行可行性研究评估其经济效益时，传统的评估方式对基础设施方面的成本评估缺少有力的支撑手段。在IDC整个生命周期的前几年，基础设施成本占了大部分的运营成本，一个合理准确的IDC造价模型，不但能够为IDC项目效益评估提供参考，还能够为企业IDC业务初期推广提供依据。

IDC（互联网数据中心）的基础设施除了机房建筑和配套的消防设施外，还包括电源系统、制冷系统、监控系统、缆线等。随着IDC设备功耗近年的迅猛提升，电源、制冷系统等配套设施造价在基础设施造价中所占比例约85%～90%，已接近整个IDC基础设施造价。一个能精确地描述电源、制冷系统等造价的模型即能准确地预测IDC基础设施造价，进一步可以预测每个机柜的造价。本文提出将其中电源、制冷系统以功耗为单位建立造价模型，并引入了一种闭环反馈机制对模型参数进行调整来改善准确度，通过实际项目的估算结果，展现本模型在IDC项目启动阶段造价估算准确度方面的优势。

1 基于反馈优化的造价模型建模

1.1 基本模型

IDC机房基础设施造价建模的过程是对基础设施项目解构并进行归纳总结的过程，将所有基础设施项目从逻辑关系和时间顺序上进行划分，分为需求、规模和造价等3个模块，图1显示了模块之间的关系。图中：“需求”包括了未来客户需求，以及将客户需求转化为各类建设和设备所需的设计依据；“规模”则为满足需求所需配置的设备数量；“造价”是模型需要输出的最终预测结果。为了简化模型结构，要研究需求和造价之间的关系，并实现从“需求”到“造价”的直接表达。

图1 造价模型中模块关系

对于IDC造价模型而言，从“需求”到“造价”即虚线表示的关系是整个模型的“输入”和“输出”。为了研究“需求”和“造价”间的量化关系，依照项目规划建设流程引入“规模”这个中间量。通过“需求”模块得到需求数据，经过“规模”模块分解和细化得到所需的项目规模，再经过“造价”模块得到项目的具体造价。本文的建模过程即是按照实线所指向的顺序依次量化出“需求”、“规模”和“造价”模块，然后得出模型的表达式。图2展示了造价模型的建模过程和结构。后文分别对其中的关键问题进行介绍。

图2 造价模型结构

1.1.1 需求处理

IDC机房基础设施是为了满足机房内的服务器及其他用电设备的正常、安全运行，应关注供电和制冷两方面影响。这两方面影响均与服务器和其他用电设备的运行功耗有直接关系，所以规划建设基础设施的基础数据即为机房内用电设备的功耗，这些数据也是基础设施造价模型的输入。由于用电类型不同，所配置的设备也不同，故直流、交流需求分别进行统计。

需求处理部分实现将原始的功耗需求数据转化为配置基础设施规模所需要的数据，将机柜功耗需求转化为各类设备所需满足功耗需求的过程。此部分的输入为：用直流电机柜的数量Nz和单柜功耗Pz，用交流电机柜的数量Nj和单柜功耗Pj，分别求积得到直流和交流用电容量Wz和Wj，如式（1）、（2）所示。

为了将交直流用电容量转化为各类设备的规划需求，需要考察所能采购到各类设备的效率参数，开关电源运行效率ηk，UPS运行效率ηu，设备的热转化率α（即设备运行所发出的热量占运行功耗的比值），其他发热量Q＇包括：建筑围护结构发热量、开关电源、UPS和空调设备本身的发热量，空调设备能效比即空调设备的效率ηc，机房内其他用电设备的需求X＇。通过式（3）～式（6）得到，开关电源需求Xk，UPS需求Xu，空调需求Xc，油机需求Xy和配电系统需求Xp，即为本模块的各项输出。

1.1.2 设备配置

最终为IDC机房服务的基础设备是以套为单位呈现的，如，开关电源以整流设备、配电屏、蓄电池为1个单位，UPS以主机、配电屏、蓄电池为1个单位，配电设备以高压设备、变压器、低压设备为1个单位，油机设备以油机为1个单位，空调系统以空调室内机和室外机（或分摊的水系统）为1个单位。水冷中央空调最终表现其满足需求能力是以单台室内机制冷量的形式，冷水机组及冷却塔等设施为室内机服务，将其能力和造价分摊到各台室内机上，故在模型中体现的空调系统均以室内机为单位。基础设施规模即是开关电源、UPS、空调、配电系统、油机这几类设备的数量，也是设备配置模块的输出。

从需求处理部分得到了各类设备需求，再通过研究每个单位设备解决需求的能力以及设备的安全备用要求，将设备需求转化为设备数量。需要考虑各类设备的能力系数，UPS、低压配电系统和油机通常以功率因数λu／y／p来表示有功功率与视在功率的比值，且单位设备也以有功功率进行标识，开关电源系统能力直接以整流模块和蓄电池配置的情况来确定θ，空调系统则以显冷量与总冷量之比β来表示，通过式（7）～式（9）得到Yk／u／c／y／p，其表示各类设备满足需求的能力。

用各类设备能力值除以单位设备能力φk／u／c／y／p，并向上取整即可得到满足需求所需配置的设备最小数量，此外还需要考虑不可用度要求，配置相应的备份设备，各类设备的备份比例根据需求和企业标准确定，备份系数δk／u／c／y／p是一个大于1.0的数，通过式（10）得到基础设施规模nk／u／c／y／p。

1.1.3 造价输出

规模数据是基础设施的一个抽象数据，每个单位的设备除包含其设备本身外还汇集了其他材料或费用的分摊，故每个单位设备的造价也是决定基础设施造价的关键。通过对同类项目历史竣工决算数据分类，将每个时期设备的价格与当时配置标准结合进行分析，可以得到此类设备在目前环境下1个单位的造价。

在建立单位造价数据库（表）的基础上，很容易得到各类造价和总造价。用ik／u／c／y／p表示各类设备单位造价，Mk／u／c／y／p表示各分类造价，M 表示总造价，其关系如式（11）、（12），至此IDC机房基础造价模型搭建完成。通过上述分析发现造价和总功耗存在某种线性关系，为了便于表达和应用可以计算出单位功耗造价I，在各类参数环境变化小的情况下，该简化式的结果可以作为近似估算的参考数据，如式（13）。

由上述推导过程可知，IDC基础设施造价M在机房配置标准和外部采购环境未改变的情况下与规划的机房总功耗Mz和Mj、各类设备采购单价i有最直接的关系。总功耗是每次使用模型时的输入，各次输入数据之间没有必然的联系，但在设计模型时考虑的是实际的设备用电数据，需求数据与实际数据间往往存在着不一致，这导致了过度的初期投资，造成初期成本偏高，压缩了盈利空间。设备的采购单价是一个相对固定的数据，会根据企业采购环境和设备安装环境变化，这个值的变化也应该及时反映到模型中。

1.2 引入闭环反馈优化模型输出

IDC基础设施造价是一个动态变化的过程，从上述建模结果可以得知该模型的关键影响因素是实际功耗和设备采购单价，其他参数在采购范围、工艺改进和企业标准没有大的变化下不会有太多调整。IDC的建造者和运营者会更在乎实际功耗与需求功耗的匹配情况，因为需求功耗高于实际功耗的程度决定了这期项目超预期满足需求的比例，这些超需求的规模所需要的费用对IDC建造者和运营者来说都是不必要的投资和成本，而且会对项目效益评估产生直接影响。为了降低这种情况的影响，有必要在需求阶段考虑引入一个经验系数对需求数据进行修正，将需求功耗分解为需求机柜数量和需求机柜平均功耗，再把其中的需求机柜平均功耗与现有类似设备的实际平均功耗作比较，比值作为模型的经验系数在输入阶段对需求数据进行处理。当这期IDC建成后采集这期的机柜实际运行数据，并入实际平均功耗数据，对实际平均功耗值进行修正以供下次模型计算使用，以此提供一个准确的目标造价而实现节省投资。

设备采购单价也是建造者和运营者更多关注的因素，建造者会通过各种采购手段在满足条件的情况下降低设备造价以便压低后期的运营成本，采用的手段包括引入竞争和联合多家进行更大规模的采购等，最终的结果均会导致设备采购单价的变化，故采用与需求／实际功耗比值相同的方法在模型的造价估算部分引入修正系数，模型的造价输出结果将更接近于实际财务核算成本。引入反馈调节系数的修正模型如图3所示。

图3 引入反馈调节系数

修正方式可以进行比例修正等线性调整方式或者引入其他非线性调整机制，在此给出最简单的按比例修正，其中i表示修正后的单位造价，i＇表示原单位造价，ε是修正系数，j是新的造价数据，如式（14）。类似的单位直流、交流功耗Pz／j也容易计算得出，如式（15）。

2 实例验证

以广西移动公司已验收交付的2个位于广西南宁的IDC项目和2个分别位于广西南宁、柳州的通信机房项目完整的造价资料数据作为验证对象，其中各项目的可行性研究报告里提供的造价数据是通过各个编制单位有造价资质的预算员编制的，各造价有严格的取费依据，在此作为传统估算方式的代表。上述4个项目均已经交付使用并取得经财务和审计确认的竣工决算报告，该报告中的竣工决算数据作为项目的实际造价，也是衡量估算造价准确程度的标准。整理4个项目的各项估算和总造价估算情况如图4所示。

各项目的可行性研究估算造价均大幅高于实际造价，最终的总造价值最大偏差超过30.28%，而通过本模型估算的造价，数据非常接近于实际造价，偏差在7%以内，如表1所示。可以看出由于引入闭环反馈控制机制，IDC基础设施造价模型比传统估算造价方法得出的估算结果更接近于实际造价，通过模型估算的造价数据与实际数据的偏差度已从最大＋30.28%降低至±6.31%以内。本文所描述的引入闭环反馈方式建立的模型作为IDC项目基础设施的造价评估，准确度已十分接近实际造价，用于项目启动阶段进行效益分析优势显著，通过偏离度比较，证明该模型也可以应用于通信机房配套设施的造价估算。

表1 偏离度比较表

图4 可行性研究、模型估算和竣工决算费用比较图

3 结束语

为了在IDC项目启动初期对项目造价有较精确的评估，本文提出了一种引入闭环反馈方式对模型参数进行调节的IDC基础设施建模评估方法。模型的关键是通过不断积累最新的实际数据，对“设备单价”和“需求功耗”两个关键因素进行调节，使得模型的输出更接近实际造价，从而在项目启动阶段能够更准确进行效益评估。该模型除可以对IDC基础设施进行评估外，还可以应用于通信、广电和IT机房项目的初期效益评估，因为其提供的造价数据准确，可以考虑在项目未完工前用其估算的造价数据作为相关的各种业务、服务的定价参考。

［1］ Jie Li，Zuyi Li，Kui Ren，Xue Liu.Towards Optimal Electric Demand Management for Internet Data Centers［J］.IEEE Transactions on Smart Grid，2012，3（1）：183-192.

［2］ Mahdi Ghamkhari，Hamed Mohsenian-Rad.Energy and Performance Management of Green Data Centers：A Profit Maximization Approach［J］.IEEE Transactions on Smart Grid，2013，4（2）：1017-1025.

［3］ Chandrakant D Patel，Amip JShah.Cost Model for Planning，Development and Operation of a Data Center［R］.HPL-2005-07（R.1），2005.

［4］ 韦 鑫，樊升亮.基于共建分成模式的IDC机房经济效益评估方法研究［J］.互联网天地，2014，（6）：60-67.

［5］ 李 慧，王建国，陈建勤.工程造价管理成熟度模型的分析［J］.工程管理学报，2014，28（2）：103-106.