浅谈虚拟现实技术在数据中心中的应用

2017-05-18石慧煊

网络安全技术与应用 2017年5期

关键词：演练数据中心虚拟现实

◆石慧煊

(中国电子科技集团公司第二十八研究所江苏 210007)

浅谈虚拟现实技术在数据中心中的应用

◆石慧煊

(中国电子科技集团公司第二十八研究所江苏 210007)

本文在工程实践的基础上，从规划设计、运维以及应急演练三个角度，分析虚拟现实技术在数据中心生命周期管理中的应用场景以及总体思路。同时针对实施的技术难点，如快速模型构建技术、基于云数据中心的分享技术等提出了解决思路。

虚拟现实；数据中心；运维；应急演练

0 前言

近年来，随着云计算、大数据、移动互联网等领域的高速发展，正把我们带入“万物均互联、一切皆数据”的新时代，数据中心作为信息基础设施最核心的板块，越来越受到政府、运营商、互联网公司以及各类大中型企业的重视。

数据中心取得成功的关键，不仅在于前期建设，也在于建成后的运营管理，即所谓的“三分建设，七分运维”。例如，虽然目前的数据中心都部署了监控系统，如电力监控（EPMS）、暖通制冷监控（BMS）、消防与安防监控、动环监控等，并也取得了一定的管理效果，但比较缺乏从统一视角整合监控数据，构建整合的可视化操作平台；同时，现有的监控系统的操作方式和使用界面在易用性、友好性方面也有待提升[1]。

与此同时，虚拟现实（VR）作为当下最热门的的话题，是通过各种技术手段创建出一个新的虚拟环境，让人感觉如同处在真实的客观世界中一样，具有沉浸性、交互性和想象性，被称为人机交互的革命[2]。

本文将探讨虚拟现实在数据中心全生命周期管理中的应用场景，分析总体思路及技术难点。

1 应用场景

虚拟现实技术可在规划设计、运维、应急演练等阶段发挥积极作用，提升管理效率。

1.1 仿真规划与设计

数据中心的规划和设计具有很强的实践性特点，实际的规划方案和建设工艺，都需要在一定的基础环境中得到验证和优化。通过实际的建设过程来验证规划和设计的代价是巨大的，如何在规划和设计阶段获取接近实际建设过程的“仿真”经验，通过针对建设过程中的各类关键指标和对象进行虚拟建模，在建设之初，搭建一个虚拟的可供调整的“仿真”环境，对规划和设计进行验证，甚至预见到建成后的运营状态，将是虚拟现实在建设和规划阶段可解决的重点问题。

1.2 可视化运维

数据中心日常运维的挑战主要来自于技术环境和运营流程管理，以及如何将管理对象、管理流程，组织人员、技术平台整合起来，达到协同一致的运营服务。

在技术环境管理中的主要需求，是基础环境和技术架构可视化。

基础环境可视化：主要指数据中心的物理机房、安保系统、环境和设备管理，由于安全规定、机房环境特征、以及人力物力的限制，导致管理方式不可能通过派驻人员现场值守的方式进行，而日常运营又需要时刻了解这些系统的状态，可以如身处现场的沉浸式实时管理。通过虚拟现实技术，可以创建出与现实物理环境一致的虚拟环境，并将关键管理对象和运行参数的实时监控信息与该虚拟环境集成，使管理员获取身临其境的感受，同时又克服了地域、环境和管理制度的限制。同时，由于虚拟现实中可以采取多镜头多视角、甚至透视图展示，用户可以获取超越实际环境的管理能力，实现各种管理场景的自由切换，其管理效率又将远远超过实地管理。

技术架构可视化：是指由业务、应用、IT组件、基础架构等共同构成的数据中心抽象运行模型，这部分的管理难度主要来自于各个专业技术领域的割裂，而相关技术领域又是互相关联，共同构成整体运营环境，任何一个环节的运行状态都可能影响到周边环境，同时也受到周边环境的影响，所以需要一个整合的视角将分散的管理对象从架构层面整合成一个整体，以一种清晰可见的管理方式，使各类不同的技术和管理人员对相关领域的定位和关系达成共识，当出现问题或进行系统调整时，能够清晰的界定彼此的分工，找到合理的协作方式。可视化管理通过层次模型的方式，对业务、应用、平台、网络等架构进行建模，并建立起彼此的关联关系，同时与基础环境可视化整合，形成完整的数据中心技术架构可视化管理模型。

1.3 应急演练

数据中心运营的核心要务就是稳定，然而依然会遇到突发事件：

（1）频度低，但可能造成重大损失。

（2）发生时间和危害难预测。

（3）应对处置需多部门协作。

（4）具有社会性影响。

因此，进行一定的应急演练是非常必要的。通过虚拟现实技术可以提供一个虚拟的应急演练场景，在这个环境里，参演者可以沉浸其中，体验数字世界的事物和环境，感受突发事件的发生、发展的过程，并通过计算机、虚拟现实交互设备等进行应对处置，从而完成演练。

应急演练具有灵活、便利、无限、高效、低成本等特点，可作为实战演练的有效补充，起到事半功倍的作用[3]。

2 总体思路

总体架构如图1所示。

图1 总体架构

2.1 感知层

通过各种传感器获取原始数据及其联系，全面感知数据中心的运行状态以及参与者的状态，尤其重点需要关注如语音交互、手势识别等新一代交互方式。

2.2 通信层

通信层是数据传输的基础，对于实际的项目应用而言，由于网络建设的水平不同，需要考虑好对应的解决方案。

2.3 数据层

数据层为整个平台提供内容支撑和数据支撑。可考虑通过建设共享的VR模型库，将模型库云化，让VR使用者从繁琐的建模和维护工作中摆脱出来，使现有的VR产品具有了良好的扩展性和可用性。

2.4 业务支撑层

业务支撑层为系统的核心层，主要包含地理空间VR场景构建、模型构建和体感支撑、异构系统互联等。需要考虑快速模型构建技术、模型实时渲染优化技术，以及与不同异构系统的互联技术。

2.5 应用层

提供仿真规划设计、综合运维管理、应急演练等核心应用，满足不同管理着的使用需求。未来，也完全可以考虑通过 SAAS方式提供云端服务。

2.6 显示层

显示层重点要考虑，面向现在及将来各种各样的VR头盔、触摸屏、数据墙、手持终端等，提供的良好的跨平台跨终端适配的能力。

3 关键技术

3.1 快速模型构建技术

数据中心展现的数据正确性和效果逼真度，取决于场景中三维模型构建的逼真度。目前实施项目，大部分时间都消耗在虚拟场景及模型的构建上。

因此，需要研究可视化设计工具，采用所见即所得的操作方式，让数据中心的设计者可以灵活高效地实现三维场景创建；同时，应考虑采用各类3D扫描设备、深度摄像机、无人机航拍等方式，结合CAD图纸导入等进行辅助构建。

3.2 基于云数据中心的分享技术

数据中心设备众多，而且会随着时间推移不断增加新的设备型号，要有效支撑三维模型的长期使用和维护的方便性，就要求平台能提供可扩展的、模型种类丰富、型号齐全的设备模型库，不只提供设备三维形象，还应提供各设备的标准属性和指标参数（如厂商、型号、U高、尺寸、功耗和重量等），为数据中心管理中的容量和统计提供数据支撑。

3.3 基于沉浸式感知的模型实时渲染优化技术

通过三维引擎选优、内存监听释放、着色器开发、仿真模型优化、动态数据加载等技术手段综合形成互补的技术方案，解决数据中心的海量设备逼真效果展现和计算效率问题，充分挖掘计算能力，保障用户获得良好的沉浸体验。

3.4 动作捕捉技术

目前VR中主要有激光定位、红外光学定位、可见光定位、计算机视觉动作捕捉、基于惯性传感器等多种动作捕捉技术，每个技术都有各自的优缺点，如HTC Vive的激光定位技术精度高、可移动范围广，但稳定性和耐用性差，虽然Oculus Rift的主动式红外光学定位技术解决了这个不足，但可移动范围却成了短板。综合来看，目前应用在VR上最实用的还是HTC Vive的激光定位技术，毕竟在消费级别里面其能实现最大范围的空间定位和交互，而且定位精度非常高。

同时，结合基于惯性传感器的动作捕捉技术更佳，既能实现更为精细的动作捕捉又满足更大空间的游走，实现混合动作姿态捕捉支撑[4]。

3.5 VR引擎的选择

目前专业用于VR应用开发的引擎还没成熟，因此主要还是基于游戏引擎进行开发，如Unity 3D与Unreal。前者易于使用，普及率高，但由于其门槛低，能即时调用的工具较少，开发复杂程序时比较麻烦；后者渲染效果最好，有丰富的新工具和功能，但使用门槛比较高、易用性差，学习成本相对也较高[5]。针对数据中心应用而言，通过项目实践，笔者采用Unity 3D即可满足需求。

3.6 与异构系统互联的技术

从实用角度出发，虚拟场景的互联、互通、互操作能力是虚拟现实能否发挥作用的重要指标。数据中心中异构系统众多，而系统架构及标准规范存在较大差异，如何突破现有系统架构的限制，将系统部署到一线，发挥综合管理的作用，是一个较大的难题。

在具体实践中，可根据现场不同的情况做对应的解决方案。如部署有DCIM的数据中心，可直接与DCIM进行数据对接即可满足需求；而对于如消防、动环等不同专业系统的对接，可根据数据时效性的要求，采用Web Service、数据库集成等多种不同方案。