5G通信技术在数据中心消防系统中的应用分析

2021-01-13史新宇吴新杰通信作者

数字通信世界 2021年2期

史新宇，吴新杰通信作者，杨军，陈晨

（1.北京经济管理职业学院，北京 100102；2.华北油田勘探开发研究院，河北任丘 062550）

1 5G通信技术概述

1.1 5G通信技术发展现状

2019年6月6日，我国发放5G商用牌照；2020年7月，5G通信技术标准的R16版本冻结；到2020年底，我国已建成71.8万座5G基站，5G从大规模建设发展阶段开始进入到逐步成熟阶段[1]。此外，5G通信标准的R17版本计划将于2022年6月完成，R17版本更加注重高可靠、低时延的物联网通信，更好地支持工业物联网低成本、低功耗传感器和高精度定位。

1.2 5G通信技术主要特点

5G通信技术是蜂窝移动通信技术逐渐发展而来的，采用了基于OFDM优化的波形和多址接入技术、大规模MIMO技术、可扩展的时间间隔技术、自包含集成子帧技术、D2D技术等多种关键技术。

5G通信技术是广域连接，连接可靠，具有高带宽、低时延、广覆盖等特点。5G通信技术主要具有三个应用场景：增强型移动宽带（eMBB），主要应用于高速上网，比如在线视频等；大规模物联网通信（mMTC），主要应用于大量的设备之间通信，如物联网等；高可靠、低时延通信（uRLLC），主要用于自动驾驶等对实时性要求高的场合。

2 数据中心特点与消防要求

2.1 数据中心的特点

数据中心是集中放置服务器、存储器等计算机设备并提供运行环境的建筑或建筑群，一般包括主机房、辅助区、支持区和行政管理区等。主机房是数据中心的核心区域，其余设备和设施均为主机房可靠运行提供服务保障。

数据中心是海量数据的交汇、处理和存储的重要节点，是大数据和人工智能技术的物理基础设施，是国家新基建的建设重点之一。数据中心的评价指标很多，如能量使用效率（PUE）、基础设施效率（DCiE）等，但显然安全稳定运行时间才是数据中心最重要的评价指标，而火灾导致的断网和中断运行将不仅带来直接的经济损失，还将带来巨大的间接经济损失，所以，数据中心的消防工作是特别重要的一项工作。

2.2 数据中心消防需求

数据中心根据使用性质和重要程度分为A、B、C三级，其中A级等级最高，不同等级的数据中心主机房的防火要求有所不同。在数据中心设计规范（GB50174-2017）中，A级主机房推荐首选气体灭火系统，其次是细水雾灭火系统，在有数据备份系统时也可以选用自动喷水灭火系统。因为机房设备主要是计算机设备，为了在火灾恢复阶段能够快速恢复运营生产，实际上主机房通常采用气体灭火系统。

由于气体灭火系统建设和维护成本较高，通常只适用于密闭的空间，所以在数据中心除主机房外的区域常采用自动喷水灭火系统，同时配备消火栓系统和灭火器。大中型数据中心常有多栋建筑，不同的建筑有不同消防需求，消防系统设计较为复杂，另外，大中型数据中心都设有柴油发电机，备用柴油是消防需要重点防范的物资。有的小型数据中心没有柴油发电机，没有独立建筑，与其他单位共用建筑物，会给消防系统设计增加部分难度。数据中心的高压供变电部分、UPS蓄电池部分都是需要特别重视的消防重点。按照设计规范，数据中心不分等级，均应配置火灾自动报警系统。

因为数据中心有单独设计规范，所以数据中心在设计之初就具有较完备的消防设施，在施工阶段铺设了所需的管路、电力线、信号线。数据中心的主要设备设施属于固定安装，很少移动，消防设施也是以固定设施为主。这些固定设施优点是连接可靠、简单有效，缺点是不够灵活高效，不能方便地在移动终端查看消防人员和设施的状态，不利于随时随地检查消防设施的完好率，在火灾发生时异地指挥布控不方便。

3 “智慧消防”的关键技术

“智慧消防”是“智慧城市”的子集概念，与物联网技术密不可分，可以认为“智慧消防”是构建于物联网基础之上的应用技术。按照物联网分层方法，“智慧消防”关键技术包括感知层的传感器、RFID等传感技术，网络层的5G、ZigBee等通信技术，应用层的大数据、人工智能等数据应用技术。

从信息处理角度，“智慧消防”的技术框架主要分为信息收集、信息处理和决策使用三个层级。对于消防系统来说，实时性是极为重要的技术指标。物联网的通信技术常侧重于低功耗、低成本、自组网等性能，对于实时性重视不够，比如ZigBee是典型的低速通信技术，数据传输速率为20 kb/s～250 kb/s，一般时延在30 ms左右，而且随距离变远，时延会增大；NB-IoT在250 m左右的

距离内平均上行速率约为4 kb/s，下行速率为13 kb/s～18 kb/s，不同距离下的PING时延范围为350 ms～380 ms[2]。5G通信技术的低时延、高可靠特点更适合于消防行业，5G时延可以低至1 ms，而且与传输距离无关，这对于及时高效处理火灾救援非常重要。5G通信的大规模MIMO技术是指通信终端采用多天线技术与多个基站同时连接，这不仅提高了数据传输速率，还提高了连接的可靠性，使得5G通信具有高可靠性，极大地避免了关键时刻数据传输中断。除了大带宽、海量连接、高可靠、广覆盖等优点外，5G的R16版本还支持NB-IoT和eMTC的带内部署，这使得5G通信技术既有先进性，又能对下兼容，在消防行业具有很好的应用前景。

4 5G技术在数据中心消防系统的应用

4.1 原有系统改造

对于数据中心原有消防系统，可以利用5G通信技术进行升级改造，主要包括以下一些方面：

（1）增加基于5G通信技术的通信设备，如在需要的地方增设5G对讲设备、5G手动报警按钮等，这比有线方式更加灵活方便。

（2）增设基于5G通信技术的消防摄像头，对重点区域加强监控，可以使用人工智能技术自动监控。

（3）在旧有设备故障或寿命到期时，更换支持5G通信技术的新设备。

（4）发展机器人巡视，减少人工劳动。机器人一方面利用物联网和5G通信技术与消防物资、设备进行物物相连，也可以利用视觉识别技术进行智能判断，还可以通过5G通信技术与监控中心和监控人员实时通信将数据和视频上传存储。由于单摄像头无法有效判断距离，因此，采用双摄像头进行立体图像采集可以获取更加丰富的信息，而立体图像的数据量更大，更适合使用5G通信技术传输。

（5）采用5G可穿戴设备，在消防演练中全程监控，查找消防演练中的遗漏或错误行为，在灭火过程中将更加有利于提高灭火效率、减少人员和财产损失。

（6）与RFID技术结合，对消防物资和危险品进行密切管控。5G的R17版本将支持不活跃状态下的小数据包通信，这更适合数据中心的物资管理场景。

4.2 新建系统

对于数据中心新建消防系统，应从方案设计源头进行把控，采用“智慧消防”思路，合理选择通信技术，融合大数据、人工智能技术，对人防、技防、物防进行统筹考虑。数据中心新建消防系统的通信技术选择需要考虑以下几种情况。（1）有线通信可靠性高、抗干扰能力强，具有无线通信无法替代的优点，所以在新建消防系统中，仍然具有重要地位。5G通信技术可以作为备份进一步提高系统可靠性。

（2）无线通信中应尽量采用5G通信技术，5G低时延、高可靠、海量连接等优点使得消防传感器网络能够及时将信息传送到信息处理端，便于快速高效地完成消防任务。

（3）5G通信设备在短时间内可能存在价格高、使用成本高等问题，在可以使用RFID技术、ZigBee技术、NB-IoT技术或eMTC技术时，也可以先用廉价设备替代，但是将增加系统的复杂度和维护难度，需要权衡利弊进行取舍。