《智慧建筑設計與評價標準》解讀
——智能化系統參考架構

李杭，肖建平，劉宇輝

（1.廣州市捍御者信息科技有限公司；2.廣州市設計院集團有限公司；3.筑博設計股份有限公司）

1 引言

將方向性的、前瞻性的理論框架、領域知識或最佳實踐提煉為參考架構以指導技術標準規范的制定、工程設計和施工、產品研發、設備制造、服務運營等工作，是各個行業通行的做法。例如，電信行業的eTOM業務參考架構、SID共享數據模型，IT運維領域的ITIL業務參考框架，以及近幾年主要工業國家為促進工業與信息化融合發展所提出的工業互聯網參考架構等。

長期以來，由于智能化領域缺乏融合建筑領域特征的面向智能化系統的參考架構，導致設計人員對智能化系統的組成要素以及要素之間的關系缺乏共識。設計人員經常根據自己的專業背景，采用自動化控制、信息化集成等領域中廣泛使用、約定俗成的架構模型進行智能化系統的高層設計。這種拿來主義使智能化設計領域充斥、混合了各個專業技術領域層出不窮的術語和模型，嚴重阻礙了智能化系統設計領域的發展。

為了解決上述問題，在《智慧建筑設計與評價標準》中我們首次引入了智能化系統參考架構的概念，明確了智能化系統的組成要素及其之間的關系，力求為新老從業人員及需求相關方提供統一的架構關注視角、通用詞匯和架構設計的基礎，為建筑智能化進行技術底色定義，以指導智能化整體設計工作。

2 智能化系統參考架構說明

《ISO/IEC/42010:2011系統和軟件工程——架構描述》[1]是用于描述系統架構的一套標準，它定義了架構視圖、架構描述語言，用以指導一個具體系統架構的表述方式。架構描述包括架構視圖和模型、規則、架構原理等要素，每個架構視圖都包括一個或多個利益相關者感興趣的關注點。

我們參考了ISO/IEC/IEEE 42010的架構描述方法，深入研究已發布的智能化設計相關標準、智能化系統現階段技術發展和未來演進趨勢，確定了智能化系統參考架構（見圖1）。

圖1 智能化系統參考架構

智能化系統參考架構是對智能化系統的功能要素與組成要素及其之間的關系和約束做出規定的架構框架。所謂的架構框架，是指設計者可以參考架構為基礎，根據工程項目的具體情況確定具體的設計要素，以參考架構為基礎框架確立智能化應用系統、信息與通信網絡和信息安全系統的架構，在此基礎上展開具體的設計工作。

1）智能化系統參考架構包括智能化應用系統、信息與通信網絡、信息安全系統和空間與支持設施等組成要素，其中：

①智能化應用系統是為智能化服務提供環境和對象的感知、控制、數據處理、存儲以及業務管理和分析等功能的系統。

②信息與通信網絡是為實現建筑中的人員、設備、內外部系統之間互聯互通，提供各類數據傳輸和交換以及通信服務的系統。

③信息安全系統是為保障信息在采集、傳輸、存儲、處理、使用和管理過程中的安全所建立的系統。

④空間與支持設施是用于各類智能化設備布放和安裝的建筑空間以及支持其運行的動力和環境設施。

2）智能化應用系統由智能化應用以及感知控制設施、邊緣設施、后端設施和終端設施等要素構成。其中：

①智能化應用是智能化應用系統通過服務觸點為用戶提供的面向某類應用場景的功能集合。這些功能通過感知控制設施、邊緣設施、后端設施和終端設施等要素的協同運行展現出來。

②感知控制設施、邊緣設施、后端設施和終端設施由嵌入式系統設施或平臺式系統設施等次級要素構成，具有各自的功能和組成結構。嵌入式系統設施由專有的硬件物理設施以及為其開發的軟件設施構成，兩者深度耦合，通過接口對外提供相應的功能。平臺式系統設施由通用物理設施硬件和系統軟件及在其上開發的應用軟件設施構成，與嵌入式系統不同，平臺式系統設施的物理設施和軟件設施可以由不同的供應商提供。

③感知控制設施具有獲取外部對象信息、信息處理和控制本地執行機構等功能。

④邊緣設施通過接入感知控制設施并對其進行控制和管理，包括設備注冊與認證、協議轉換、數據采集和處理、設備控制、設備管理等功能。

⑤后端設施提供對感知數據和各類業務數據的加工、融合、處理、分析以及面向業務場景的設備控制等功能。

⑥終端設施為用戶提供各類智能化業務和建筑空間的融合信息，實現用戶與應用系統的交互等功能。

信息與通信網絡包括信息與通信服務以及網絡設施與線路設施等實體要素。信息與通信服務是信息與通信網絡通過服務觸點為用戶或外部系統提供的面向通信與數據傳輸服務的功能集合，包括設備接入與認證、信息輸配、通信服務、網絡管理等功能。這些功能通過網絡設施和線路設施等要素的協同運行展現出來。

網絡設施由具有特定拓撲結構的物理設施及運行其上的軟件設施構成，實現數據的傳輸、交換、路由控制與設備配置等功能。

線路設施由具有特定拓撲結構的各類物理線路和配線設備構成，為網絡設施提供物理通道。

信息安全系統包括信息安全應用和信息安全設施等要素。信息安全應用是信息安全系統通過服務觸點為用戶或外部系統提供的面向信息安全管理的功能集合，包括物理安全、通信安全、主機安全、數據安全、應用安全等功能。這些功能通過信息安全設施實體要素的協同運行呈現出來。

信息安全設施由物理設施及運行其上的軟件設施構成，信息安全設施既包括集中式信息安全設施也包括嵌入到網絡設施及應用服務器的“安全代理”。集中式信息安全設施包括但不限于防火墻、路由器、入侵偵測及態勢感知設施、VPN設備、上網行為管理、漏洞掃描設備、木馬查殺及病毒防護軟件等。

集中式信息安全設施及其嵌入式安全代理共同實現安全管理、訪問控制、入侵防御和檢測、信息加密、防病毒等功能。

空間設施包括各類機房、綜合管路等設施，支持性設施包括動力、機房裝修、消防、環境監控等設施。

3 智能化系統參考架構的特點

通過這個參考架構，結合設計實踐，可以發現以下特點：

①智能化應用系統、信息與通信網絡、信息安全系統、空間與支持設施彼此之間是松耦合的關系，可以各自獨立演進，只要保證接口適配即可。

②從設計實踐看，信息與通信網絡、信息安全系統、空間與支持設施對外提供的服務和接口基本都是標準的。但智能化應用系統的感知控制設施、邊緣設施、后端設施之間的接口協議種類繁多，雖然傳輸協議基本是標準的，但應用層協議很多是封閉、或半封閉的私有協議，或者其接口的開放性不足，可獲取的信息不完備，控制指令難以下發執行。

③參考架構的組成要素符合使用者和設計人員的直覺與經驗，更加容易理解，設計者可以通過組成要素確定工程的設計要素。

④參考架構將功能要素與承載功能實現的組成要素分離，組成要素的物理設施與軟件設施分離，需要設計者在設計過程中增加軟件相關的設計內容。此外，將智能化應用系統的組成要素進一步劃分為嵌入式系統設施和平臺式系統設施，符合當今“軟件定義硬件”和“數字社會”的發展趨勢。

⑤在這個參考架構中沒有出現任何一種具體的技術形態，但卻反映了當今主流技術的特點和未來技術發展的趨勢。任何一個具體的技術形態都可以在這個架構中找到自己的位置（不排除未來出現某種更好的技術在這個參考架構中沒有相應的位置，但到那個時候這個參考架構也會隨著演進），因此這個架構因其技術底色的特性而具有足夠的包容性和適應性。

4 智能化系統參考架構的應用

參考架構在智能化工程設計過程中有兩個作用，一方面用于確定智能化工程設計要素的分類，另一方面作為整體架構設計的基礎（見圖2）。

圖2 參考架構在智能化工程設計中的應用過程

通過參考架構的組成要素確定系統的設計要素的分類，使智能化系統的結構更加清晰，增強了系統的可理解性，有效管理系統的復雜度。為了保持和GB 50314[2]的兼容性，對GB 50314中的設計要素按照本標準的參考架構組成要素進行了一個對照和歸類（見表1）。

表1 GB 50314設計要素與本標準參考架構組成要素的對應關系

參考架構另外一個作用是為架構設計提供了出發點和路標。由于每個組成要素都可以有多個候選的技術，每個組成要素在系統內部也有著復雜的結構，因此智能化系統的架構設計是個創造性工作，而參考架構是架構設計的起點，也是過程中的路標。

我們將各種候選技術按照參考架構的組成要素組織成矩陣的形式（見表2）。

表2 智能化應用系統概念矩陣

上表中智能化應用系統中的軟件設施與物理設施是相對應的，即軟件設施按照特定的方式運行在物理設施上。可以看出，隨著技術的發展，邊緣設施和后端設施從傳統的獨享物理服務器模式向虛擬化及共享物理服務器模式發展，近年來更逐步向云存儲與云計算模式演進，集約化程度在不斷提升，基礎設施的單位成本在不斷下降，業務彈性及可擴展性大大增強，可靠性及處理能力獲得極大提升。信息與通信網絡、空間與支持設施、信息安全系統的概念矩陣與此類似，不再一一列舉。

設計者可以根據用戶需求，對系統所采用的技術進行評估、組合和選擇，同時對感知控制設施、邊緣設施、后端設施和終端設施的職責進行劃分（例如，圖像識別是在前端的攝像機中實現，還是在邊緣實現，還是在后端統一來實現等，在不同的位置實現，各部分的職責和采用的技術是不同的），在此基礎上進行具體的架構設計。

此外，參考架構中的后端設施是智能化系統的數據處理核心和大腦，其架構在各個組成要素中是最復雜的。常見的有四種模式：獨立系統架構模式、應用集成架構模式、物聯網和平臺架構模式、混合模式等，設計者可根據用戶需求進行選擇。關于系統架構模式的解讀請參見后續的解讀文章。

5 智能化系統參考架構演進

當前版本的智能化系統參考架構將智能化服務和服務域作為外部的組成要素，并沒有將其納入到參考架構之中。隨著智能化系統參考架構逐漸被行業所接受，會將智能化服務和服務域逐步納入到參考架構中并對其標準化和規范化，以便建筑的運營者改進和提升運營效率，降低運營成本。

參考架構的另外一個重要的演進方向是實現各組成要素的功能和接口的標準化，一方面指導供應商的產品研發工作，另一方面提升系統集成商的交付效率和質量，促進整個行業的生態發展。

6 結語

通過在設計標準中引入智能化系統參考架構，為新老從業人員及需求相關方提供統一的架構關注視角、和通用的領域詞匯，為智能化設計師提供了架構設計的原型框架，使智能化系統的結構更加清晰、可理解，有效管理智能化系統的復雜度。我們相信會有越來越多的行業專家和從業者將認識到參考架構的重要性，進而積極推進和參與智能化系統參考架構的制定和演進，以及信息智能化頂層規劃設計和全過程顧問咨詢方法的提煉和總結，貫徹軟件定義的設計理念，將規劃目標、設計具體內容落實到運營服務階段，從而提升信息智能化行業整體發展水平。