建筑產業互聯網體系架構設計研究綜述

邱建偉 鐘波濤 駱漢賓

（1. 華中科技大學 國家數字建造技術創新中心，武漢 430074；2. 華中科技大學 土木與水利工程學院，武漢 430074）

引言

建筑業作為國民經濟支柱產業，在促進經濟增長、緩解就業壓力等方面具有重大意義。住建部在《“十四五”建筑業發展規劃》中，將打造建筑產業互聯網平臺作為智能建造與新型建筑工業化的主要任務之一，以提升建筑全產業鏈的現代化水平[1]。建筑產業互聯網橫跨多個實施層級，由多個系統協調組合而成，共同實現單系統不具備且多個系統簡單疊加也無法實現的綜合能力與整體效能[2]。

然而，目前建筑產業互聯網在研究上存在一些不足，如缺乏明確的定義、系統的體系架構、統一的技術標準、完善的商業模式以及成功的應用示范等。其中，缺乏系統的體系架構這一問題，主要體現在兩個方面：

（1）對建筑產業互聯網整體認識不足。建筑業信息化是利用信息技術提高效能、降低成本，而建筑產業互聯網要形成建筑產業生態，從而變革業務模式和商業模式[3]。對建筑產業互聯網整體認識不足會限制系統體系架構的提出與發展；

（2）已有研究中的體系架構較為局限。工業互聯網的體系架構包含多個層級，從多維視角研究體系架構的組成，但沒有涉及到建筑領域，而已有的建筑產業互聯網體系架構研究局限于平臺層面[4]，不夠系統和完善。

針對以上兩點，本文從建筑產業互聯網的概念出發，根據工業互聯網與已有的研究，總結出具有共識性的概念，強化對建筑產業互聯網的整體認識；比對各類體系架構的特點，并總結出適用于建筑業的一個通用化的體系架構以探索建筑產業互聯網在智能建造、工業化轉型、平臺化建設以及商業模式變革之間的系統性布局，從而更好地推動建筑產業互聯網的創新發展與落地應用。

1 國內外研究現狀

1.1 建筑產業互聯網研究現狀

國際上對建筑產業互聯網并沒有明確的定義，但是有關工業4.0 與工業互聯網、建筑業數字化轉型以及建筑業平臺的研究較為豐富。Sch?nbeck[5]認為工業4.0 側重于管理、戰略和端到端流程，而建筑4.0 專注于設計階段和項目流程中的建筑信息建模。Zhang[6]研究了產品服務系統中工業互聯網平臺的實施路徑與參考框架。Louis[7]與Kong[8]等將物聯網技術融入建筑業流程，優化了建造施工管理。Tetik[9]通過數字模型指導建筑生命周期的增值服務，從而提高設計的重復利用和流程的自動程度，優化建筑供應鏈的生命周期。Kochovski[10]研究了霧計算平臺的體系架構并分析了它在建筑領域的作用。Xu[11]研究了云資產物聯網平臺在精益預制建造效率方面的提升，并探討了其商業模式與體系架構。國內學者對建筑業數字化、建筑產業互聯網主題進行了一些研究。鄧夏揚[12]分析了建筑產業互聯網的四層級應用場景，提出了可能面臨的挑戰與建議。葉浩文[13]提出從價值主張、價值創造、價值關系與價值實現四個方面對建筑產業互聯網的商業模式進行研究。馬智亮[14]探究了智能建造的發展熱點，將建筑產業互聯網劃分為智能化協同設計平臺、工程造價全過程智能化管理平臺、智能化供應采購平臺、建造全過程智能化管理平臺以及智能化行業監管服務平臺五種類型。桑培東等[15]將“互聯網+”思維與建筑產業現代化發展相融合，分析建筑產業現代化發展存在的問題。程夢圓[16]采用扎根理論識別了建筑產業互聯網的制約因素與優化路徑。杜勇勇[17]和徐婭[18]分別從平臺戰略和客戶關系兩方面對兩家公司的建筑產業互聯網發展進行了研究。

建筑產業互聯網的概念源于工業互聯網的啟發，工業互聯網是工業領域由傳統產業向數字化、網絡化、智能化加速轉型升級的戰略，與之對應的有德國工業4.0 戰略、美國工業物聯網戰略以及日本工業價值鏈戰略等。工業互聯網通過人—機—物的全面互聯，實現全要素、全產業鏈、全價值鏈的全面連接，其內涵不局限于將互聯網信息技術簡單應用至工業領域，更需打造新型基礎設施，構建工業生態。目前，工業互聯網已從理論與技術驗證走向了應用推廣的階段，為建筑產業互聯網發展提供了寶貴的經驗。總結了一些學者對建筑產業互聯網概念的見解如表1 所示。

表1 建筑產業互聯網概念辨析表

1.2 體系架構研究現狀

在工業互聯網中，構建參考體系架構往往是各國轉型戰略的首要工作，如德國工業 4.0 參考架構RAMI4.0、美國工業互聯網參考架構 IIRA、日本工業價值鏈參考架構IVRA 以及中國工業互聯網體系架構2.0 等，德國、美國與中國相關戰略的體系架構如圖1~圖3 所示。

圖1 德國RAMI4.0

圖2 美國IIRA

圖3 中國工業互聯網體系架構2.0

德國的參考架構RAMI4.0 從產品生命周期/價值流、活動層次和系統級別三個維度，分別對工業4.0 進行多角度的描述[22]。

美國的參考架構IIRA 從商業視角、使用視角、功能視角與實現視角解讀工業物聯網，把數據分析作為核心，注重跨行業的通用性和互操作性[23]。

我國的工業互聯網體系架構2.0 以業務視圖、功能架構、實施框架三大板塊為核心，提出了具有我國特色的綜合性架構[24]。

構建參考體系架構有助于凝聚產業各方共識，指導技術創新，推動企業探索，制定規范標準，對推進戰略發展起到了積極作用。目前已有一些研究對建筑產業互聯網平臺體系架構進行了探索。杜明芳[25]分析了工業互聯網的內涵，提出了一個五粒度四層級的產業互聯網構建方法。王勇[26]的平臺架構包含提供數據基礎的數據采集層；為上層應用提供云基礎設施的IaaS（基礎設施即服務）層；提供技術支撐平臺的PaaS（平臺即服務）層；面向不同對象和場景提供相應服務的SaaS（軟件即服務）層。陸飛澎[27]從邊緣層、基礎層、管理層和應用層四個層次建立了建筑產業互聯網平臺體系架構，并分析了平臺下的建筑業新場景與平臺體系關鍵技術。這些架構的層次要點如表2所示。

表2 體系架構研究表

觀察表2 可知，各國工業轉型創新戰略都從多維度探索體系架構的組成，而建筑產業互聯網的架構研究多停留在平臺層面。實際上，全要素、全過程、全產業鏈連通的特征與多學科、多系統交叉的復雜結構對構建統一的體系架構提出了新的需求，即探索建筑產業互聯網在智能建造、工業化轉型、平臺化建設以及商業模式變革之間的系統性布局，以充分指導企業實踐，形成業界共識、協作共贏的通用化的體系架構。建筑產業互聯網轉型面臨著建筑業數字化的一系列問題，如大量設備連接產生海量數據的儲存與流通、異構數據的融合與交互、更低時延的網絡建設及企業與用戶敏感數據的隱私保護等。同時也面臨著企業標準統一、業務鏈條重塑以及商業模式創新等產業互聯網新型挑戰。

2 建筑產業互聯網認知

2.1 建筑產業互聯網認知與建議

結合各國工業互聯網創新戰略的概念以及上述學者對于建筑產業互聯網的定義研究，本文認為建筑產業互聯網，是工業互聯網在建筑行業這一垂直領域的延伸，是以互聯網與物聯網的廣泛連接、深度融合為技術驅動，通過對建筑工程全要素、全過程、全產業鏈的人—機—物的泛在感知和互聯互通，構建支撐工程大數據管理、建模與分析、決策優化及反饋控制的數字化平臺，實現基于數字孿生體的全周期生產運作協調優化和基于競合共生生態的全價值鏈共享共贏，促進建筑業向數字化、網絡化、智能化方向發展，加速工程建造模式、產品服務模式、商業模式的創新變革，提高全產業鏈效益水平，推動全行業實現高質量發展。

基于以上對建筑產業互聯網的整體認識，同時充分參考了相關體系架構的設計理念與構成要素，本文認為建筑產業互聯網的體系架構構建應遵循以下兩點建議：

（1）關注數字化技術發展。建筑產業互聯網的建設應結合新技術的發展方向，完善能力維度體系中的技術原理，以平臺建設作為建筑產業互聯網的主線；

（2）關注全產業協作共贏。與建筑業需求結合，完善業務能力與商業能力建設，強化全層級、全領域的實施維度架構部署。

2.2 建筑產業互聯網整體模式

如圖4 所示的建筑產業互聯網整體模式結合了上述兩點建議，展現了建筑業結合新技術發展與全產業協作共贏的整體認識。

圖4 建筑產業互聯網整體模式

平臺是建筑產業互聯網發展與應用的主體，是多種新技術融合的載體。供應鏈金融為建筑產業互聯網發展提供高效、安全的資金保障；集采供應通過感知庫存與采購需求，高效匹配供給方；智慧物流根據集采供應服務智能調整，實現資源的高效配置；工程機械采取各類智能算法實現無人化施工與預測性維護；智慧工地集成各類軟硬件，在高效施工的同時保障安全；產業工人建設從工人實名制著手，通過工人全生命周期服務促進工人向產業化轉變；協同設計充分利用云服務緩解工程設計中的信息不透明，降低溝通成本。建筑產業互聯網整體模式有助于形成全產業協作共贏的態勢。

3 建筑產業互聯網體系架構

綜合考慮體系的全面性、合理性與可操作性，形成了如圖5 所示的建筑產業互聯網體系架構。該架構由建造技術和信息技術支撐，通過實施、能力及平臺三維度結合，最終形成智能化建造、網絡化協同、服務化延伸與個性化定制的新型服務。

圖5 建筑產業互聯網體系架構

其中，實施維度是全要素物理實體與全過程運用場景，范圍廣、要素多，既是數據采集的來源又是反饋控制的對象。能力維度由需求與目標構成，為新型服務提供保障與動力，包含構建建筑產業互聯網需要的基礎能力與目標能夠實現的能力總和。平臺維度是全要素集成的樞紐與資源配置的中心，是數據分析和決策控制的大腦，涵蓋平臺搭建的承載實體與軟硬件結構。實施與平臺二者反映出實體要素的采集映射與數字孿生體的反饋控制，能力是二者溝通聯系的橋梁。

3.1 技術支撐

建筑產業互聯網的體系架構以建造技術和信息技術為支撐，如圖6 所示。建造技術代表傳統建筑產業需要的各項技術，分為人、機、料、法、環等。建筑工人的施工技能以及管理人員的組織協調能力等有關人的技術為建筑產業的發展提供了主觀能動性；工程機械的設計和生產技術對應不同工況選型的技術，主動性監測和預測性維護技術等關于機械的技術為建筑產業提供了裝備支持；建筑材料的創新技術，如采購、倉儲、運輸等提高供應鏈效率的技術，以及工程材料性能質量檢測的技術等關于材料的技術是建筑生產的基礎；法包括施工工藝技術以及優化工序流程和操作規程的技術，是建筑領域知識積累的成果；環包括環境安全、環境污染及環境變化的實時監測技術等。這五類建造技術是建筑專業領域技術和知識基礎的總和，是建筑產業互聯網建設的出發點。

圖6 技術支撐

信息技術分為通信、計算及應用等技術。在通信技術中，標識解析技術為工程設備提供標識地址，物聯網技術采集海量工程大數據，區塊鏈技術保障工程數據的可信，使數據傳輸互聯互通；邊緣計算、云計算以及人工智能等計算技術為不同場景提供分布式、低成本數據計算能力，充分發揮工程數據的價值；應用能力包括采用數字孿生優化工程建設，利用可視化改變建筑業的交互模式，通過云端協同改變建筑業軟件開發集成模式。推動信息技術向建筑業的發展融合，有助于優化建造技術，加速建筑產業互聯網的落成。

3.2 實施維度

實施維度是建筑產業互聯網在現實世界的反映，由人機料法環層、工廠工地產品服務層、企業層、供應鏈層以及產業鏈層五大層級組成，其架構如圖7 所示。其中，人機料法環、工廠工地產品服務屬于微觀層，關注具體的生產要素，目標是改善建造生產管理服務環節；供應鏈與產業鏈屬于宏觀層，關注建筑業整體情況，目標是調節產業鏈協同運作；企業介于微觀層和宏觀層二者之間，既關注自身的建設生產與盈利水平，又關注市場整體運作水平。

圖7 實施維度體系架構

人、機、料、法、環的基礎層是建筑產業互聯網全要素感知對象，通過傳感器、物聯網與建筑控制系統對人機狀態、材料供應儲備以及環境特征等生產信息數據進行收集，為后續應用提供基礎；工廠、工地、產品、服務的場景層通過平臺將數據分析結果結合至建筑行業不同工作場景，指導生產與服務；企業層面向企業決策者，指導建造生產與運營管理，同時關注企業競爭優勢、商業模式及市場需求等企業戰略；供應鏈層關注全產業中的供應計劃、資源調配及快速交付等問題，通過各企業各層級要素的全面互聯，對各類數據智能反饋，助力產業供應鏈的安全保障與強化管理；產業鏈層是建筑業轉型的宏觀視角，面向政府部門與建筑行業管理者，促進上下游協同并打破信息壁壘，實現靈活調控，保障建筑產業互聯網的健康平穩運行，保護建筑產業互聯網的安全發展與維護治理，實現建筑產業高質量發展。

3.3 能力維度

能力是建筑產業互聯網的核心驅動力，由需求能力與目標能力組成，如圖8 所示。需求能力指數據能力、安全能力和網絡能力，是建筑產業互聯網運行所需要的基礎能力；目標能力指業務能力和商業能力，是利用建筑產業互聯網生成變革的創新能力。

圖8 能力維度體系架構

數據能力是建筑產業互聯網的核心，通過各種智能算法與云計算的強大算力，將采集到的工程數據進行分析，為建筑施工、管理及運維提供優化決策、積累科學經驗，通過知識發現、知識傳遞和知識地圖等方式實現知識管理，使知識和信息成為企業優勢；安全能力是網絡與數據應用的重要保障，核心任務是通過監測預警、應急響應及隱私保護等手段確保設備、人員和數據的安全可靠，如通過設備硬件的部署管理、工程軟件的研發測試等實現可靠，通過通信保密、信息保密及數據保護等實現可信；網絡能力是建筑業數據傳輸交換的支撐基礎，如利用嵌入式技術、微電子技術以及傳感器技術實現泛在感知的能力，通過應用通信、語義互操作等實現要素之間的互聯互通，通過標識數據采集、解析、處理及建模，形成建筑產業互聯網的標識解析與異構數據溝通解決方案；業務能力是從建筑產品鏈、建筑價值鏈和建筑資產鏈出發，對建筑生產流程、價值流動效率和全生命周期進行業務創新；商業能力是從商業生態邏輯、價值創造邏輯、共享共創邏輯和社會責任與公共利益出發，建立新型商業模式，形成商業生態、平臺經濟和共享經濟等更具可持續發展特性的商業模式。

3.4 平臺維度

平臺是建筑產業互聯網硬件或軟件的操作系統與環境，是傳統建筑產業云平臺的升級，同時也是各類信息資源集聚共享的有效載體。如圖9 所示，平臺維度體系包含端點層、邊緣層、IaaS 層、PaaS 層和SaaS 層。

圖9 平臺維度體系架構

端點層通過傳感器、物聯網技術進行數據采集，是平臺建設的基礎，通過實時采集人、機、料、法、環的設備數據、產品數據、系統數據及軟件數據，為后續應用服務建立數據基礎；邊緣層利用本地化的新型邊緣計算設備采集數據信息并匯聚和邊緣處理，實現深層處理應用，具備更快的響應速度，也減少了云端數據的泄露風險；IAAS 層是一種云基礎設施層，將IT 基礎設施作為服務通過網絡對外提供，在這一階段需要對云基礎設施、云平臺服務器、存儲資源及網絡配置等進行部署；PAAS 層具備多種服務和開發功能，將云計算、大數據技術與建筑業技術、知識及經驗等結合，把數據資源轉變為可移植的開發工具或可重復利用的微服務，為用戶帶來建筑業數據的集成管理與價值挖掘；SaaS 層是建筑產業互聯網平臺服務的輸出層，能夠部署各種工程創新應用，為企業提供各種定制化的建筑業智能應用和生產問題解決方案，如招投標、設計、采購、施工、交付及運維等建筑產業全過程業務場景服務，以及市場監管、現場監管、信用監管與資金監管等數字化監管服務，服務建筑業各環節，加快建筑產業軟件和新型建筑產業 APP 開發，加速建筑產業創新發展。

4 結論與展望

建筑產業互聯網是建筑業高質量發展的重要內容。體系架構的提出有助于為建筑產業互聯網的下一步研究指明方向。本文通過總結建筑產業互聯網與工業互聯網體系架構的研究，結合工業互聯網體系架構中多層次、多維度的優點，初步提出了一種以建造技術和信息技術為支撐，實施、能力和平臺三維度結合的建筑產業互聯網體系架構。然而，有關研究剛剛起步，仍存在許多不足：

（1）有關實施維度的研究不夠深入。在實施維度中，僅列舉五大層級的作用，并簡單串聯，實際上各層級聯系緊密，缺乏對各層級之間的協作機制與實施路徑的探究；

（2）技術原理研究不足。在技術支撐和能力維度中，僅對涵蓋的相關技術進行了介紹，未對技術原理進行深入研究；

（3）應用成功案例較少。相較于工業互聯網而言，建筑產業互聯網的發展較慢，應用的成功案例較少。

目前，建筑產業互聯網的發展仍處于探索階段，距離全產業大規模應用仍舊遙遠。在此背景下，建筑產業互聯網發展可從以下三個方面入手：

（1）加強標準體系建設與關鍵技術攻關。建筑產業互聯網作為跨行業、跨專業的建設領域，涉及主體眾多、技術復雜，研究標準體系和關鍵技術有助于各主體之間的融合與打通，促進建筑產業互聯網全面落地；

（2）加強專業技術人員培養。建筑行業數字化水平較低，企業、高校應強化專業技術人員的培訓與培養，促進部分人才向復合型人才轉型，從而為建筑產業互聯網的持續發展提供人員保障；

（3）循序漸進培育產業生態體系。建筑產業鏈條長，上下游企業眾多，應利用建筑產業互聯網匯聚上下游企業，培育產業生態，降低協作成本，提高資源配置效率，實現全產業鏈的協同發展。