医院模块化数据中心机房设计与实施

彭益多

摘要：分析医院传统数据中心机房建设所面临的问题， 提出从设计入手采用模块化数据中心机房解决方案，旨在通过分析阐述模块化数据中心的特点、功能和应用对医院新建数据中心机房起到参考和指引作用。

关键词：医院数据中心;模块化设计;实施

中圖分类号：TP311        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）26-0016-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

医院信息化建设近年来高速发展，HIS（医院信息管理系统）、电子病历系统、LIS临床检验、PACS（影像归档和通信系统）、CA数字签名等信息系统已广泛运用到医院管理和临床业务的方方面面，信息系统是否安全、平稳的运行关系到为患者服务是否稳定开展的关键因素，而信息系统数据的采集、存储、交换、传输又必须要一个满足信息系统运行环境的数据中心机房，保证关键、核心设备的稳定、高效运行，因此设计、建造一个符合国家标准、满足信息系统运行环境的数据中心机房为医院信息化建设的重中之重。

1 医院数据中心机房的现状

医院数据中心机房建设由于资金、技术等原因与金融、电信等行业相比大都起步较晚，随着信息系统的应用增多，矛盾逐渐突出，但大多医院临时应对，根据场地增加机柜、布置网络线路等，传统式的设计方式，对机房安全、绿色节能以及运用现代运维软件、技术较少，不能满足《数据中心设计规范》

（GB50174-2017）、《信息安全技术 网络安全等级保护基本要求》（GB/T22239-2019）等国家相关规范、标准对数据中心机房基础环境、物理安全的基本要求。

2 模块化数据中心机房主要特点和设计模式

2.1 特点

模块化数据中心机房自2006年美国SUN公司提出以来[4]，经不断地发展和完善已在金融、电信等行业机房建设中广泛的应用，模块化数据中心机房已成为新一代数据中心部署形式，它可以应对云计算、虚拟化、高密化等服务器发展的趋势，采用模块化设计理念，最大限度地降低基础设施对机房环境的耦合，提高数据中心的整体运营效率，实现快速部署、弹性扩展、智能运维和绿色节能。

2.1.1 高可靠性

供电架构设计：供电系统采用环形供电架构，任一环节中断，弱电供电和信号不中断，保证IT设备、制冷和信号传输无单点故障。

质量控制：传统机房工程质量完全依托现场施工水平和施工管理，而模块化数据中心将传统的工程施工产品化（比如机柜拼装等），依托现代生产管理流程精细化品质管控，确保品质的一致性和合格性。

2.1.2 易扩容性

传统数据中心配电、制冷在建设前期一次性规划好，架构僵硬，后期难扩容。模块化数据中心采用模块化部件（如模块化UPS、行级空调等），通过简单的接口将相关模块进行组合，快速形成一个完整的数据中心，有良好的灵活性与可扩展性。

2.1.3 高维护性

数据中心配备智能化管理系统，信号传输部件和链路全部可视化掌控，出现告警通过分析处理迅速定位故障位置，并能够通过网管系统派送工单给相应责任人，迅速排查故障。

2.1.4 高密度性

过去的数据中心呈现分散化布局，随着大数据、云计算的兴起，单机柜发热密度也会越来越高。传统数据中心采用上送风或下送风方式，在较高功率密度时，会导致局部热点而引起设备宕机。

冷通道数据中心采用行间空调就近水平送风、密闭冷通道的方案，送风和回风都处于较小范围内，气流组织互不干扰，大大提高制冷效率，实现了精确制冷，确保了对高密数据中心制冷能力的支持，单机柜功率最高可达21KW。

密度对比：微模块式更适应中高密机房。

2.1.5 经济性

节省建设工期：传统的数据中心从规划到建设完成通常需要六七个月，模块化数据中心从设计到正式部署应用，只需几周的时间，而且更节约占地，可以快速部署。

2.1.6 智能管理性

随着业务的不断发展，对数据中心管理的任务必定会日益繁重。模块化数据中心机房实现集中管理，实时监控整个机房的运行状况，实时灯光、短信等报警，实时事件记录，这样可以迅速确定故障，简化数据中心管理人员的维护工作，为系统可靠的运行提供最有力的保障。

2.1.7 绿色节能

传统数据中心冷热气流混合严重，能耗浪费严重，PUE通常高于2.0。模块化数据中心使用密闭通道方式，有效隔绝冷热气流，避免无效热交换，行间级空调通过精确制冷，减少能耗的浪费，PUE低至1.5以下。微模块数据中心相比传统数据中心节能25%以上。

2.2 主要设计模式

2.2.1 单排冷热封闭通道

此设计为通道一边为金属板，一边为机柜，中间为冷或热通道，两端为通道门，一体化UPS、电池可集成在机柜中。此模式通常用于机房面积较小狭窄的环境。

2.2.2 双排冷热封闭通道

此设计为通道两边为机柜，冷通道由天窗、端门与机柜连 接组合而成，模块两端通道门。此模式通常用于机房面积相对宽松的环境。效果图如图1所示：

其中：（1）端门;2）翻转天窗;3）控制天窗;4）智能ETH插座;5）走线槽;6）声光告警器;7）PAD;8）门禁机。

2.2.3 冷热通道全封闭

此设计由一个或多个IT机柜组成，将空调、配电、IT设备、动环、监控管理平台集成一体 ，冷风和热风在机柜中隔离循环，无须与外界热交换，制冷效率高，环境影响较小，节能环保、节约空间，用户将市电和网络连通即可投入使用，多用于面积小机柜用量较少的场景。

3 案例

我院是一家三甲综合医院，床位1200余张，营业额约8亿，信息系统运行已达30多个。数据中心主机房位于综合大楼一楼，2006年4月正式使用，面积仅约70㎡。传统机房设计，无气体灭火装置、环境监控系统、精密空调等。随着信息系统的增加，面积太小，布局不合理，安全性差，不能滿足核心设备运行环境要求日益突出，因此急需按照现代数据中心建设标准新建机房。

3.1 设计目标

根据医院5-10年业务发展的需求，以及服务器技术和云技术等发展的综合考虑，基于模块化机房的可扩展性，按照冗余20%设计，确定以下建设目标：

（1）按照《数据中心设计规范》（GB50174-2017）标准，参照B级标准建设，设计1个微模块化冷通道。

（2）设计20个IT机柜，2个综合布线柜，2台一体化UPS主机，2台不低于40kW冷量行级空调。

（3）功耗设计：IT柜4kW/柜、布线柜2kW/柜，UPS总功耗实际配置要求不低于100kW，机房总负荷不低于213kW。

（4）配置环境监控、自动气体灭火和防雷系统、KVM远程操作系统。

（5）布线要求：主供电电缆采用静电地板下走线到配电柜，机柜内部强、弱电线缆分开布局，强电走静电地板下桥架到机柜，网络布线走上桥架到机柜。

（6）数据安全性设计，增加防电磁泄漏措施。

（7）能耗设计，PUE≤1.5。

3.2 总体布局

数据中心面积总体规划114.72㎡，其中：主机房面积68.8㎡，监控室28.8㎡，UPS室17.12㎡。平面布局如图2所示：

3.3 实施建设

3.3.1 冷通道微模块

密封冷通道天窗实现联动及单独控制天窗开启及闭合，天窗开启实现与通道内消防告警信号联动，在消防状态下电磁锁打开，旋转天窗在重力作用下自动打开，保证灭火气体进入密封冷通道。

通道尺寸规格为≥1200mm，模块两端采用微电脑控制电动门，在消防状态下断电自动打开。配置门禁管理系统，实现密码、刷卡门禁管理。

3.3.2 配电系统

供电电源设计：

设计两个电源供电，主供电采用主设备和空调分别双路供电设计，其中：

空调系统负荷 ≥ 73kW，主设备系统负荷 ≥140kW，UPS系统负荷≥100kW。采用2个UPS配电柜，UPS主机采用150KW 模块化主机，电源模块配置2块以上，功率不低于30KW/块，后备UPS电池保障时间设计不低于2小时，电池配置2组蓄电池组，40只/组，150Ah蓄电池，并配置智能管理采集模块、电量传感器。

3.3.3 空调系统

制冷系统采用风冷行级精密空调+密封通道的制冷方式，见下表：

3.3.4 防雷及气体消防

1）防雷系统

感应雷防雷系统设计，要求对机房的电源系统和机柜进行感应雷的防范。接地系统采用“联合接地”方式，机房内设计独立的接地汇流铜排，铜排连接到大楼接地铜排上。对机房采用三级电源防雷，接地工程设计接地电阻≤1欧，为了保证地网的质量，地网工程需要采用联合接地（保护接地、工作接地、防雷接地）。

在机房采用截面为40*4铜带组成纵横网敷设在地板下，组成M型或SM混合型等电位接地网络。

2）气体消防

采用“无管网式”七氟丙烷气体灭火系统。设计存储压力2.5MPa，最大工作压力：4.2MPa，喷放时间不大于10毫秒。自动控制，手动控制，机械应急操作。配置：火灾报警探测器、放气指示灯、声光报警器、火灾报警控制器、气体紧急启动停止按钮、手动报警按钮，探测器连接线等。实现与医院总消防联动。

3.3.5 综合布线

1）网络布线

每个通道设置一个布线列头柜，列头柜与每个IT设备柜之间做24芯单模LC光缆预端，光预端接配线架采用单模配线。在列头柜和每个IT设备柜之间做一个24口铜配线架连接，布线要求走机柜上桥架，布线要求整齐、平整、美观。主机房与灾备机房采用万兆单模光纤连接。

2）强电布线

强电电缆采用阻燃A级。输入电缆要求满足设备设计功率要求，布线走桥架或线管，走线要求整齐、美观。

3.3.6 动力环境监控系统

B/S物理架构设计的思路，实现对机房的动力、行级空调、UPS系统、温湿度、视频、门禁等设备状态、环境的实时数据、告警等的监控管理。实现能效管理、电池管理、权限管理、移动APP运维功能。

3.3.7 电磁泄漏

为了满足国家对信息安全的要求，增加了防电磁泄漏设计。机房内采用100目铜网隔离，墙面采用0.6mm的金属彩钢板，地面和顶面采用铜网加镀锌铁板保护。机房进出采用屏蔽门，防电磁干扰设施建设接地，接地电阻小于1Ω。

4 结束语

我院数据中心新机房2019年7月实施完成投入使用，运行良好，达到了预期设计和建设目标，提高了信息系统运行的安全性、稳定性、准确性，为我院未来5-10年信息化建设打下了良好的基础。

参考文献：

[1] GB50174-2017，数据中心设计规范[M].中国计划出版社，2017.

[2] GB/T22239-2019，信息安全技术网络安全等级保护基本要求[M].中国国家标准化出版社，2019.

[3] 陈武鑫，王琮禹.医院数据中心的设计思考与应用研究[J].检验医学与临床，2017（14）：377-378.

[4] 王宪明.商业银行二级分行模块化数据中心建设研讨[J].中国金融电脑，2017（6）：72-76.

[5] 李崇辉.模块化在金融业数据中心机房建设中的应用研究[J].中国金融电脑，2015（4）：63-69.