本發(fā)明涉及數(shù)據(jù)中心節(jié)能，具體涉及一種電算熱協(xié)同的數(shù)據(jù)中心任務(wù)負載優(yōu)化調(diào)度方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、當(dāng)前，以云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和5g區(qū)塊鏈等為代表的數(shù)字技術(shù)交互發(fā)展，并與傳統(tǒng)的實體經(jīng)濟融合使人類逐步進入數(shù)字經(jīng)濟時代,?全球的數(shù)據(jù)量爆炸式增長。數(shù)據(jù)中心作為處理現(xiàn)代信息技術(shù)的重要物理載體，其規(guī)模和數(shù)量也在迅速增加，巨大的電力消耗，給數(shù)據(jù)中心運營商帶來沉重的經(jīng)濟負擔(dān)，在不影響服務(wù)質(zhì)量的前提下，如何挖掘靈活性資源，提高能量管理水平，降低能耗，減少成本已成為其當(dāng)前發(fā)展面臨的主要問題。一個數(shù)據(jù)中心中處理任務(wù)負載的it設(shè)備和對服務(wù)器降溫的冷卻系統(tǒng)能耗占比最大，二者的能量管理優(yōu)化是目前行業(yè)中普遍關(guān)注的重點。

2、電能利用效率(power?usage?effectiveness，pue)是最常用的衡量數(shù)據(jù)中心全局能耗效率的指標(biāo)，定義為數(shù)據(jù)中心全年總能耗與it設(shè)備能耗的比值。目前無論是數(shù)據(jù)中心本身還是數(shù)據(jù)中心集群對冷卻系統(tǒng)能耗的刻畫都是用pue這一個常數(shù)來簡單表示，然而實際數(shù)據(jù)中心的pue并不是固定不變，因為冷卻系統(tǒng)的出力是和其負載率相關(guān)，一個時刻即使it負載能耗一樣，不同溫度下的冷卻系統(tǒng)出力不同，能耗不同，pue自然也不相同。

3、局部電能利用效率（partialpue，ppue）是全局pue概念的衍生，反映了一個數(shù)據(jù)中心不同區(qū)域如樓層、集裝箱模塊等區(qū)域能效差異，從提升ppue較大值的區(qū)域的能效來提高整個數(shù)據(jù)中心的全局pue，對降低能耗節(jié)約成本也有好處，但很少有研究考慮單數(shù)據(jù)中心區(qū)域能效差異來進行任務(wù)負載的空間調(diào)度。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明旨在提供一種電力-算力-熱力協(xié)同的數(shù)據(jù)中心任務(wù)負載調(diào)度方法及系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心任務(wù)負載調(diào)度未考量數(shù)據(jù)中心各區(qū)域的能效差異進行任務(wù)負責(zé)調(diào)度造成的能源浪費問題。

2、為了解決上述問題，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案：

3、在任務(wù)負載到達時刻，將其安排在能效較高的區(qū)域，若該區(qū)域的計算資源不足或溫度達到最大限值，則為了滿足服務(wù)質(zhì)量和服務(wù)器安全穩(wěn)定運行，按能效高低將調(diào)度任務(wù)負載至下一個區(qū)域。由于單數(shù)據(jù)中心各區(qū)域距離很近，空間維度調(diào)度任務(wù)負載幾乎沒有延時，不考慮類似于跨地域數(shù)據(jù)中心集群任務(wù)負載空間調(diào)度所造成的時延損失。

4、且，對于數(shù)據(jù)中心本身，一方面，為了保證服務(wù)質(zhì)量，延遲容忍型負載可以被安排在截止日期前的電價較低時刻。另一方面，可以通過提高其室內(nèi)溫度設(shè)定點來降低冷卻系統(tǒng)的功耗，在電價較低時冷卻系統(tǒng)出力多將溫度保持在一個較低的程度，電價較高時利用熱慣性，冷卻系統(tǒng)降低出力也可以在一段時間內(nèi)維持溫度不越限。利用這兩種特性可以顯著提高數(shù)據(jù)中心時間維度上任務(wù)負載調(diào)度的靈活性。對于數(shù)據(jù)中心集群，運營商在多個地理位置分布有其數(shù)據(jù)中心，地理位置不同造資源、電價差異，可以通過前端服務(wù)器分配任務(wù)負載的方法，實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心任務(wù)負載時空調(diào)度的靈活性。

5、基于上述思路，形成一種電算熱協(xié)同的數(shù)據(jù)中心任務(wù)負載優(yōu)化調(diào)度方法，包括：

6、根據(jù)數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)中心各區(qū)域涉及的電力、算力和熱力消耗進行建模，得到電力、算力和熱力消耗模型。

7、根據(jù)所述電力、算力和熱力消耗模型計算數(shù)據(jù)中心各區(qū)域總能耗并結(jié)合實時電價以數(shù)據(jù)中心運營的最小成本建立目標(biāo)函數(shù)。

8、根據(jù)目標(biāo)函數(shù)，對數(shù)據(jù)中心任務(wù)負載進行優(yōu)化調(diào)度。

9、進一步，所述目標(biāo)函數(shù)還包括數(shù)據(jù)中心獲取的風(fēng)電能量和光伏能量；所述目標(biāo)函數(shù)為：

10、

11、其中，為實時電價，和分別為時間間隔和總時間，和分別為數(shù)據(jù)中心t時刻獲取的風(fēng)電能量、光伏能量，為數(shù)據(jù)中心總能耗。

12、進一步，對數(shù)據(jù)中心涉及的電力消耗進行建模，得到電力消耗模型包括：

13、根據(jù)數(shù)據(jù)中心所有機房it設(shè)備能耗、冷卻系統(tǒng)總能耗以及照明和不間斷電源ups能耗計算數(shù)據(jù)中心電力能耗，構(gòu)建電力消耗模型：

14、

15、其中，為i區(qū)域t時刻所有機房it設(shè)備能耗，為t時刻冷卻系統(tǒng)總能耗，為t時刻照明和不間斷電源ups能耗。

16、進一步，所述熱力消耗模型包括室內(nèi)溫度模型、風(fēng)機模型、冷水機組模型和冷卻系統(tǒng)模型；

17、所述室內(nèi)溫度模型是基于該區(qū)域的熱通道熱容、該區(qū)域冷卻機組和風(fēng)機提供的冷量、該區(qū)域內(nèi)服務(wù)器產(chǎn)熱、該區(qū)域的外墻傳熱、該區(qū)域外墻不透明表面上太陽輻射產(chǎn)生的熱量以及該區(qū)域照明產(chǎn)生的熱量，以熱力學(xué)第一公式計算室內(nèi)溫度以及基于該區(qū)域的冷通道熱容、冷卻機組和風(fēng)機提供的冷量，以熱力學(xué)第一公式計算送風(fēng)溫度而形成。

18、所述風(fēng)機模型是基于風(fēng)機能耗與其送風(fēng)量的二次函數(shù)而形成。

19、所述冷水機組模型是基于某區(qū)域冷水機組功耗，得到冷水機組總能耗而形成。

20、所述冷卻系統(tǒng)模型是基于冷水機組總能耗、風(fēng)機總能耗和不變能耗，得到數(shù)據(jù)中心整個冷卻系統(tǒng)總能耗而形成。

21、進一步，所述室內(nèi)溫度模型為：

22、

23、其中，為i區(qū)域t時刻的室內(nèi)溫度，為i區(qū)域t+1時刻的室內(nèi)溫度，為i區(qū)域t時刻的送風(fēng)溫度，為i區(qū)域t+1時刻的送風(fēng)溫度，和分別為i區(qū)域熱通道熱容和冷通道熱容，為i區(qū)域t時刻冷卻機組和風(fēng)機提供的冷量，為i區(qū)域t時刻服務(wù)器產(chǎn)熱，為i區(qū)域t時刻的外墻傳熱，為i區(qū)域t時刻外墻不透明表面上太陽輻射產(chǎn)生的熱量，為i區(qū)域t時刻照明產(chǎn)生的熱量。

24、所述i區(qū)域t時刻冷卻機組和風(fēng)機提供的冷量：

25、

26、其中，為i區(qū)域風(fēng)機數(shù)量、為i區(qū)域t時刻風(fēng)機風(fēng)速、為空氣物質(zhì)的量。

27、所述i區(qū)域t時刻服務(wù)器產(chǎn)熱：

28、。

29、所述i區(qū)域t時刻的外墻傳熱：

30、

31、其中，為i區(qū)域外墻傳熱系數(shù)、為i區(qū)域外墻面積、為t時刻室外溫度。

32、所述i區(qū)域t時刻外墻不透明表面上太陽輻射產(chǎn)生的熱量：

33、

34、其中，為t時刻太陽在方向o上的熱輻射強度，o包括東、南、西、北、水平五個方向，為i區(qū)域外墻在方向o上的太陽輻射面積，為i區(qū)域換熱系數(shù)，為i區(qū)域的外墻熱吸收系數(shù)，為i區(qū)域的熱阻，為i區(qū)域外墻的傳熱系數(shù)。

35、所述i區(qū)域t時刻照明產(chǎn)生的熱量：

36、

37、其中，為單位照明密度，為i區(qū)域照明面積。

38、所述風(fēng)機模型為：

39、

40、所述冷水機組模型為：

41、

42、

43、其中，為t時刻冷水機組總能耗，為冷水機組滿載能力，為i區(qū)域t時刻所消耗冷水機組的功耗。

44、所述i區(qū)域t時刻所消耗冷水機組的功耗：

45、

46、其中，為冷水機組盤管的傳熱系數(shù)，為冷水機組的性能系數(shù)：

47、

48、其中，為冷水機組的性能有關(guān)系數(shù)。

49、所述冷卻系統(tǒng)模型為：

50、

51、其中，為i時刻數(shù)據(jù)中心整個冷卻系統(tǒng)的能耗，為t時刻風(fēng)機總能耗，為不變能耗，包括循環(huán)水泵和冷卻塔風(fēng)機能耗。

52、進一步，對數(shù)據(jù)中心涉及的算力消耗進行建模，得到算力消耗模型，包括：根據(jù)數(shù)據(jù)中心的任務(wù)負載，將任務(wù)負載分為延遲敏感型負載和延遲容忍型負載，根據(jù)某區(qū)域某時刻延遲敏感負載到達量、延遲容忍型負載的類別、延遲容忍型負載的每個類別的需求數(shù)、到達時間和截止時間，計算某區(qū)域某時刻所需處理的負載量，根據(jù)某區(qū)域某時刻所需處理的負載量計算某區(qū)域某時刻所有機房it設(shè)備能耗，形成算力消耗模型。

53、進一步，所述算力消耗模型為：

54、

55、其中，為i區(qū)域服務(wù)器臺數(shù)，為i區(qū)域空閑狀態(tài)服務(wù)器能耗，為i區(qū)域忙碌狀態(tài)服務(wù)器能耗，為i區(qū)域t時刻所需處理的負載量，為i區(qū)域總計算容量。

56、所述i區(qū)域t時刻所需處理的負載量：

57、

58、其中，為i區(qū)域t時刻分配到的延遲敏感型負載量，且，為延遲容忍型負載在到達和截止日期之間j類負載i區(qū)域t時刻需要處理的請求總數(shù)。

59、進一步，分別對i區(qū)域t時刻冷卻機組和風(fēng)機提供的冷量和i區(qū)域t時刻所消耗冷水機組的功耗進行線性化后形成混合整數(shù)二次規(guī)劃問題，采用求解器gurobi對混合整數(shù)二次規(guī)劃問題進行求解。

60、一種電算熱協(xié)同的數(shù)據(jù)中心任務(wù)負載優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)，包括模型構(gòu)建模塊、目標(biāo)函數(shù)建立模塊和優(yōu)化調(diào)度模塊。

61、所述模型構(gòu)建模塊，用于根據(jù)數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)中心涉及的電力、算力和熱力消耗進行建模，得到電力、算力和熱力消耗模型。

62、所述目標(biāo)函數(shù)建立模塊，用于根據(jù)所述電力、算力和熱力消耗模型計算數(shù)據(jù)中心總能耗并結(jié)合實時電價以數(shù)據(jù)中心運營的最小成本建立目標(biāo)函數(shù)。

63、所述優(yōu)化調(diào)度模塊，用于根據(jù)目標(biāo)函數(shù)，對數(shù)據(jù)中心任務(wù)負載進行優(yōu)化調(diào)度。

64、進一步，所述目標(biāo)函數(shù)還包括數(shù)據(jù)中心獲取的風(fēng)電能量和光伏能量；所述目標(biāo)函數(shù)為：

65、

66、其中，為實時電價，和分別為時間間隔和總時間，和分別為數(shù)據(jù)中心t時刻獲取的風(fēng)電能量、光伏能量，為數(shù)據(jù)中心總能耗。

67、本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明方法及系統(tǒng)對任務(wù)負載調(diào)度過程進行建模，包括溫度變化、變風(fēng)量系統(tǒng)、負載時空分配等物理模型，考慮了實時電價、區(qū)域能效差異，實現(xiàn)任務(wù)負載在單數(shù)據(jù)中心不同區(qū)域間的時空調(diào)度，降低數(shù)據(jù)中心運營商的成本。