Digital twins: een troef voor het beheer van datacenters
Datacenters zijn essentiële onderdelen van de moderne IT-infrastructuur geworden: ze maken het mogelijk grote hoeveelheden gegevens te bewaren, beheren en en te verwerken. Het beheer ervan kan echter complex zijn.
De beheervraagstukken
- Complexiteit van het beheer — duizenden onderling verbonden installaties (servers, opslag, koeling, voeding) die veel technische kennis vragen.
- Hoge kosten — aanschaf, infrastructuur, exploitatie; de energiekosten voor voeding en koeling zijn aanzienlijk.
- Onderhoud — essentieel voor de goede werking; geplande stops kunnen diensten tijdelijk onderbreken.
- Schaalbaarheid — de behoeften veranderen snel; de infrastructuur moet zich aanpassen, soms met extra investeringen.
- Beveiliging — gevoelige en vertrouwelijke informatie, een mogelijk doelwit van cyberaanvallen.
Daar komen de digital twins in beeld. Die virtuele replica's van de fysieke installaties en systemen geven de beheerders een volledig en nauwkeurig beeld van hun infrastructuur: continue bewaking, voorspelling van mogelijke storingen, betere energie-efficiëntie en planning van upgrades en reparaties.
In dit dossier bekijken we hoe digital twins in datacenters kunnen worden ingezet om het beheer van de installaties te verbeteren, de exploitatiekosten te verlagen en de duurzaamheid te vergroten, en welke uitdagingen de invoering met zich meebrengt.
Datacenter en digital twin: waar hebben we het over?
Binnen in een datacenter
Een datacenter is een datacentrum met een groot aantal IT-installaties die miljarden gegevens opslaan, verwerken, beheren en verspreiden. Die gegevens staan in opslagsystemen (schijvenkasten, netwerk- of cloudopslag) en worden verwerkt door duizenden servers. Het vermogen van een datacenter kan oplopen tot 100 megawatt (MW).
Datacenters zijn bijzonder goed beveiligde plaatsen omdat ze veel vertrouwelijke informatie bevatten. Het zijn ook geklimatiseerde ruimtes: talrijke koelsystemen houden de temperatuur op de optimale waarde. Ten slotte zijn ze uitgerust met redundante voedingssystemen (noodstroomaggregaten, UPS) om de continue beschikbaarheid van de diensten te waarborgen bij een defect of een stroomstoring.
Deze datacentra spelen een fundamentele rol in de infrastructuur van internet en van de moderne IT, en dragen bij aan het beheer en de beschikbaarheid van de onlinediensten die dagelijks worden gebruikt.
De digital twin: een virtuele weergave van de fysieke wereld
Een digital twin (digital twin) is een volledige en getrouwe visuele weergave van een fysiek object over de hele levensduur. Hij gebruikt de gegevens in real time van de sensoren van het object om zijn gedrag te simuleren, de werking en prestaties te bewaken, storingen voor te zijn en beslissingen te nemen.
De digital twin bouwt op de informatieoverdracht met zeer hoge snelheid (glasvezel, 5G — en op termijn 6G). Hij is ontwikkeld rond het internet der dingen (IoT) en kunstmatige intelligentie (AI), en met name machine learning en deep learning: hij doet voorspellingen, bekijkt de afwijking met de werkelijkheid, leert daarvan en verfijnt zijn prognoses.
Een digital twin lijkt op een complexe simulatie, maar er is een groot verschil: een simulatie geeft slechts een indicatie van het werkelijke gedrag, terwijl de digital twin de exacte relatie van het product of systeem met de werkelijkheid modelleert, en de hele levensduur, op basis van de verzamelde gegevens in real time.
De verschillende soorten digital twin
De technologie blijft in grote lijnen dezelfde; digital twins worden onderscheiden naar toepassingstype.
Digital twin van een product
- Bootst alle onderdelen van een fysiek product volledig na in een virtuele omgeving.
- Analyse onder verschillende omstandigheden, virtuele aanpassingen, onderbouwde keuzes in ontwerp en productie.
- Verbetert het product, voorkomt een stapel prototypes, beperkt de risico's.
Digital twin van een proces
- Controleert de effectiviteit van een fabricageproces of productielijn voor de productie start.
- Volledig beeld van elk uitgaand product; voorspelt de behoefte aan preventief onderhoud.
- Meer snelheid, effectiviteit en betrouwbaarheid.
Digital twin van systemen
- Behandelt volledige systemen digitaal om processen of productieketens te begrijpen.
- Controleert de afstemming tussen alle systemen.
- Verbetert de effectiviteit van het hele systeem en van het product.
De digital twin doet zijn intrede in de bouw
De technologie van de digital twin lijkt op de combinatie van GBS (gebouwbeheersysteem) en BIM (Building Information Modeling).
BIM — Building Information Modeling
BIM maakt een digitaal model van het gebouw dat alle gegevens van een bouwproject centraliseert in één intelligent en interactief 3D-model. Dat model bevat een complex 3D-model maar ook niet-geometrische kenmerken (materialen, kosten, doorlooptijden, energieprestaties, exploitatie- en onderhoudsgegevens). De betrokken partijen werken in real time in hetzelfde model: een manier om een project te simuleren en te visualiseren nog voor het start en zo inefficiënties en kostenrisico's op te sporen. BIM heeft een toezichthoudend karakter waarmee fouten voor de uitvoering worden hersteld, en het wordt gedurende de hele levensduur bijgewerkt.
GBS — gebouwbeheersysteem
Het GBS beheert de technische functies, installaties en middelen efficiënt en maakt het mogelijk het energieverbruik te verlagen van het gebouw (dan « smart building » genoemd) in bedrijf: verwarming, ventilatie, koeling, verlichting, beveiliging. Dat beheer heeft directe invloed op de energieprestatie en het comfort van de gebruikers.
Complementair
Deze twee technologieën zijn complementair: BIM richt zich op het maken en beheren van een gezamenlijk digitaal model gedurende het hele project; het GBS op het beheer van de technische systemen in bedrijf. Samen verbeteren ze de planning, het ontwerp, de bouw, de exploitatie en het onderhoud van gebouwen.
De digital twin van een datacenter komt neer op de samensmelting van BIM en GBS: hij heeft alle functies van beide technologieën, wat hem bijzonder volledig en informatierijk maakt.
Supervisie en de rol van de digital twin in een datacenter
Met of zonder digital twin?
Supervisie van datacenters is ook zonder digital twin denkbaar, met klassieke beheer- en bewakingssystemen: gegevens over temperatuur, vochtigheid, energieverbruik en sensorprestaties worden verzameld en geanalyseerd om de toestand van het centrum te bewaken.
Die supervisie is echter minder effectief dan met een digital twin. Die laatste is een virtuele weergave in real time van alle fysieke en operationele gegevens van het datacenter, wat een volledige en gedetailleerde bewaking mogelijk maakt. De voordelen:
Nauwkeurigheid
- Beeld volledig en nauwkeurig van de operationele gegevens en van de complexe interacties tussen installaties; zonder digital twin blijft de bewaking gedeeltelijk en ontsnappen bepaalde problemen aan de detectie.
Reactiesnelheid
- Problemen worden later opgemerkt zonder real time, wat ingrepen en oplossingen vertraagt.
Optimalisatie
- De voorspelling van scenario's op basis van huidige en eerdere gegevens is eigen aan de digital twin; zonder die voorspelling blijft de optimalisatie beperkter.
De digital twin is een baanbrekende technologie voor datacenters: hij optimaliseert de efficiëntie, het beheer van de middelen, de veiligheid en de besluitvorming.
Onderhoud voor zijn
Het verzamelen en analyseren van de installatiegegevens maakt het mogelijk de omgevingscondities (vochtigheid, temperatuur, energieverbruik) te bewaken en de toestand van de installaties permanent te kennen, en dus voortekenen van storingen te detecteren. Onderhoud wordt mogelijk voordat een groot probleem ontstaat. De twin bepaalt ook de toekomstige verbruiksbehoefte van de systemen (verwarming, ventilatie, koeling, verlichting, beveiliging), waarmee de capaciteit van het datacenter kan worden beheerd (uitbreiding of consolidatie).
Energieoptimalisatie
De energieverbruik van het datacenter is de som van dat van alle installaties. De digital twin analyseert dat verbruik en bepaalt de minst efficiënte zones, wat helpt bij het invoeren van strategieën voor energieoptimalisatie om de kosten en de milieuvoetafdruk te verlagen.
Een instrument voor prognose en planning
Door zijn vermogen tot voorspelling voert de digital twin tests uit om veranderingen te voorspellen nog voor de nieuwe hardware- of softwareconfiguraties worden doorgevoerd (nieuwe machines, herindeling van de kabels, bijstelling van de koeling…). Zijn voorspellingen over de risico's op fouten en storingen maken het mogelijk bepaalde wijzigingen goed te keuren of af te wijzen voor ze fysiek worden uitgevoerd.
Interne en externe CFD-studies van datacenters
Storingen simuleren: voorbereid zijn op het onverwachte
De digital twin voert thermische en luchtstromingsstudies van een datacenter uit. Net als de CFD-simulatiespoort hij de hotspots op en stelt hij geoptimaliseerde klimaatdimensionering en energieoptimalisaties voor: hij kan de ideale inblaastemperatuur bepalen door verschillende belastings- en koelscenario's te simuleren; die temperatuur verlagen vermindert de benodigde energie en de kosten.
Een van de sleutelrollen van de digital twin is zijn kritische analyse: meerdere storingsscenario's te simuleren (uitval van een of meer systemen) en te zien wat er gebeurt. Bij uitval loopt de temperatuur zeer snel op; het is dus belangrijk vooraf passende systemen te hebben voorzien om die te verlagen.
Studies van beginnende branden en brandveiligheid
Met digital twins is het ook mogelijk de detectietijd van branden te analyseren, de uitbreidingssnelheid van de rook, de temperatuur, de zichtbaarheid en andere essentiële parameters. Met gedetailleerde modellen op basis van de natuurwetten en specifieke gegevens over materialen, installaties en brandbeveiligingkrijgen de ingenieurs nauwkeurige voorspellingen van het brandgedrag en beoordelen ze de effectiviteit van de veiligheidsmaatregelen.
Het belang van externe CFD-studies
De externe thermische en luchtstromingsstudies met CFD onderzoeken de luchtbeweging en de wind buiten het datacenter. De buitenomstandigheden hebben invloed op de prestaties van de installaties; EOLIOS voert die studies uit om te waarborgen dat de werking optimaal blijft, ook in de meest extreme omstandigheden.
Er worden meerdere scenario's doorgerekend in verschillende bedrijfsmodi en weersomstandigheden. Die externe studies maken het mogelijk de risicobeoordeling te vervolledigen, het ontwerp te optimaliseren en het energieverbruik van het centrum te verlagen.
Mogelijke uitdagingen, de software 6SigmaRoom en de balans
Uitdagingen om niet te onderschatten
Digital twins bieden veel voordelen, maar het gebruik ervan brengt ook uitdagingen mee:
Aandachtspunten
- Hoge aanloopkosten — de opbouw is kostbaar en vraagt investeringen in geavanceerde apparatuur en simulatiesoftware, met name voor stromingsleer en CFD.
- Complexiteit — complexe omgevingen met veel onderling verbonden installaties; een nauwkeurige twin vraagt diepgaand inzicht in de infrastructuur.
- Behoefte aan nauwkeurige gegevens — voeding met nauwkeurige en actuele gegevens, dus continue bewaking en geautomatiseerde inzameling.
- Integratie met het bestaande — kan ingrijpende wijzigingen in de bestaande processen en tools vragen.
- Vertrouwelijkheid en beveiliging — de verzamelde gegevens zijn gevoelig en moeten tegen ongeoorloofde toegang worden beschermd.
De software 6SigmaRoom
EOLIOS gebruikt CFD-simulatie om de luchtstromen in 3D te berekenen en te visualiseren in een ruimte, en levert prestatie-indicatoren om de koelefficiëntie te optimaliseren van de zaal. Door hotspots te vermijden en de juiste hoeveelheid lucht voor de koeling van de elektronica te leveren, waarborgt de software een goede werking. Het volledige model van 6SigmaRoom beheert ook de netwerkkabels en de elektrische distributieketen.
6SigmaRoom is de meest gebruikte tool voor CFD van datacenters van elke omvang — een volledig pakket voor de digital twin. Deze CFD-solver maakt een digitale 3D-weergave van het fysieke centrum, ondersteunt het ontwerp en de exploitatie, en maakt het mogelijk het effect van een of meer wijzigingen op de fysieke capaciteit en de koelefficiëntie te simuleren — en dus storingen te simuleren. Het doel: infrastructuur ontwerpen die betrouwbaar en weerbaar is en kan werken op volle capaciteit, met een betere energie-efficiëntie.
Samengevat
Digital twins bieden een enorm potentieel om de prestaties en het beheer van datacenters te verbeteren. Door de gegevens van de sensoren en van het werkelijke systeem te benutten helpen ze storingen te voorkomen en de energie-efficiëntie te verbeteren. Datacenters die deze technologie invoeren, krijgen een nauwkeuriger bewaking, lagere exploitatiekosten en een betere duurzaamheid op lange termijn.
Supervisie, voorspellend onderhoud, kritische storingsanalyse, interne en externe CFD-studies: laten we erover praten.
