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(lǐng)域知識或最佳實踐提煉為參考架構(gòu)以指導技術(shù)標準規(guī)范的制定、工程設計和施工、產(chǎn)品研發(fā)、設備制造、服務運營等工作，是各個行業(yè)通行的做法。例如，電信行業(yè)的eTOM業(yè)務參考架構(gòu)、SID共享數(shù)據(jù)模型，IT運維領(lǐng)域的ITIL業(yè)務參考框架，以及近幾年主要工業(yè)國家為促進工業(yè)與信息化融合發(fā)展所提出的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)等。

長期以來，由于智能化領(lǐng)域缺乏融合建筑領(lǐng)域特征的面向智能化系統(tǒng)的參考架構(gòu)，導致設計人員對智能化系統(tǒng)的組成要素以及要素之間的關(guān)系缺乏共識。設計人員經(jīng)常根據(jù)自己的專業(yè)背景，采用自動化控制、信息化集成等領(lǐng)域中廣泛使用、約定俗成的架構(gòu)模型進行智能化系統(tǒng)的高層設計。這種拿來主義使智能化設計領(lǐng)域充斥、混合了各個專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域?qū)映霾桓F的術(shù)語和模型，嚴重阻礙了智能化系統(tǒng)設計領(lǐng)域的發(fā)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(tǒng)參考架構(gòu)的概念，明確了智能化系統(tǒng)的組成要素及其之間的關(guān)系，力求為新老從業(yè)人員及需求相關(guān)方提供統(tǒng)一的架構(gòu)關(guān)注視角、通用詞匯和架構(gòu)設計的基礎，為建筑智能化進行技術(shù)底色定義，以指導智能化整體設計工作。

2 智能化系統(tǒng)參考架構(gòu)說明

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

我們參考了ISO/IEC/IEEE 42010的架構(gòu)描述方法，深入研究已發(fā)布的智能化設計相關(guān)標準、智能化系統(tǒng)現(xiàn)階段技術(shù)發(fā)展和未來演進趨勢，確定了智能化系統(tǒng)參考架構(gòu)（見圖1）。

圖1 智能化系統(tǒng)參考架構(gòu)

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

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

①智能化應用系統(tǒng)是為智能化服務提供環(huán)境和對象的感知、控制、數(shù)據(jù)處理、存儲以及業(yè)務管理和分析等功能的系統(tǒng)。

②信息與通信網(wǎng)絡是為實現(xiàn)建筑中的人員、設備、內(nèi)外部系統(tǒng)之間互聯(lián)互通，提供各類數(shù)據(jù)傳輸和交換以及通信服務的系統(tǒng)。

③信息安全系統(tǒng)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(tǒng)。

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(huán)境設施。

2）智能化應用系統(tǒng)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(gòu)成。其中：

①智能化應用是智能化應用系統(tǒng)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(xié)同運行展現(xiàn)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(tǒng)設施或平臺式系統(tǒng)設施等次級要素構(gòu)成，具有各自的功能和組成結(jié)構(gòu)。嵌入式系統(tǒng)設施由專有的硬件物理設施以及為其開發(fā)的軟件設施構(gòu)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(tǒng)設施由通用物理設施硬件和系統(tǒng)軟件及在其上開發(fā)的應用軟件設施構(gòu)成，與嵌入式系統(tǒng)不同，平臺式系統(tǒng)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(zhí)行機構(gòu)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(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)和各類業(yè)務數(shù)據(jù)的加工、融合、處理、分析以及面向業(yè)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(yè)務和建筑空間的融合信息，實現(xiàn)用戶與應用系統(tǒng)的交互等功能。

信息與通信網(wǎng)絡包括信息與通信服務以及網(wǎng)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(wǎng)絡通過服務觸點為用戶或外部系統(tǒng)提供的面向通信與數(shù)據(jù)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(wǎng)絡管理等功能。這些功能通過網(wǎng)絡設施和線路設施等要素的協(xié)同運行展現(xiàn)出來。

網(wǎng)絡設施由具有特定拓撲結(jié)構(gòu)的物理設施及運行其上的軟件設施構(gòu)成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)的各類物理線路和配線設備構(gòu)成，為網(wǎng)絡設施提供物理通道。

信息安全系統(tǒng)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(tǒng)通過服務觸點為用戶或外部系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(xié)同運行呈現(xiàn)出來。

信息安全設施由物理設施及運行其上的軟件設施構(gòu)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(wǎng)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(tài)勢感知設施、VPN設備、上網(wǎng)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(xiàn)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(huán)境監(jiān)控等設施。

3 智能化系統(tǒng)參考架構(gòu)的特點

通過這個參考架構(gòu)，結(jié)合設計實踐，可以發(fā)現(xiàn)以下特點：

①智能化應用系統(tǒng)、信息與通信網(wǎng)絡、信息安全系統(tǒng)、空間與支持設施彼此之間是松耦合的關(guān)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(wǎng)絡、信息安全系統(tǒng)、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(tǒng)的感知控制設施、邊緣設施、后端設施之間的接口協(xié)議種類繁多，雖然傳輸協(xié)議基本是標準的，但應用層協(xié)議很多是封閉、或半封閉的私有協(xié)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(fā)執(zhí)行。

③參考架構(gòu)的組成要素符合使用者和設計人員的直覺與經(jīng)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(gòu)將功能要素與承載功能實現(xiàn)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(guān)的設計內(nèi)容。此外，將智能化應用系統(tǒng)的組成要素進一步劃分為嵌入式系統(tǒng)設施和平臺式系統(tǒng)設施，符合當今“軟件定義硬件”和“數(shù)字社會”的發(fā)展趨勢。

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

4 智能化系統(tǒng)參考架構(gòu)的應用

參考架構(gòu)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(gòu)設計的基礎（見圖2）。

圖2 參考架構(gòu)在智能化工程設計中的應用過程

通過參考架構(gòu)的組成要素確定系統(tǒng)的設計要素的分類，使智能化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加清晰，增強了系統(tǒng)的可理解性，有效管理系統(tǒng)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(gòu)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(gòu)組成要素的對應關(guān)系

參考架構(gòu)另外一個作用是為架構(gòu)設計提供了出發(fā)點和路標。由于每個組成要素都可以有多個候選的技術(shù)，每個組成要素在系統(tǒng)內(nèi)部也有著復雜的結(jié)構(gòu)，因此智能化系統(tǒng)的架構(gòu)設計是個創(chuàng)造性工作，而參考架構(gòu)是架構(gòu)設計的起點，也是過程中的路標。

我們將各種候選技術(shù)按照參考架構(gòu)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(tǒng)概念矩陣

上表中智能化應用系統(tǒng)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(shù)的發(fā)展，邊緣設施和后端設施從傳統(tǒng)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(fā)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(yè)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(wǎng)絡、空間與支持設施、信息安全系統(tǒng)的概念矩陣與此類似，不再一一列舉。

設計者可以根據(jù)用戶需求，對系統(tǒng)所采用的技術(shù)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(xiàn)，還是在邊緣實現(xiàn)，還是在后端統(tǒng)一來實現(xiàn)等，在不同的位置實現(xiàn)，各部分的職責和采用的技術(shù)是不同的），在此基礎上進行具體的架構(gòu)設計。

此外，參考架構(gòu)中的后端設施是智能化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理核心和大腦，其架構(gòu)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(tǒng)架構(gòu)模式、應用集成架構(gòu)模式、物聯(lián)網(wǎng)和平臺架構(gòu)模式、混合模式等，設計者可根據(jù)用戶需求進行選擇。關(guān)于系統(tǒng)架構(gòu)模式的解讀請參見后續(xù)的解讀文章。

5 智能化系統(tǒng)參考架構(gòu)演進

當前版本的智能化系統(tǒng)參考架構(gòu)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(gòu)之中。隨著智能化系統(tǒng)參考架構(gòu)逐漸被行業(yè)所接受，會將智能化服務和服務域逐步納入到參考架構(gòu)中并對其標準化和規(guī)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(gòu)的另外一個重要的演進方向是實現(xiàn)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(chǎn)品研發(fā)工作，另一方面提升系統(tǒng)集成商的交付效率和質(zhì)量，促進整個行業(yè)的生態(tài)發(fā)展。

6 結(jié)語

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