《智慧建筑设计与评价标准》解读——智能化系统参考架构

李杭，肖建平，刘宇辉

（1.广州市捍御者信息科技有限公司；2.广州市设计院集团有限公司；3.筑博设计股份有限公司）

1 引言

将方向性的、前瞻性的理论框架、领域知识或最佳实践提炼为参考架构以指导技术标准规范的制定、工程设计和施工、产品研发、设备制造、服务运营等工作，是各个行业通行的做法。例如，电信行业的eTOM业务参考架构、SID共享数据模型，IT运维领域的ITIL业务参考框架，以及近几年主要工业国家为促进工业与信息化融合发展所提出的工业互联网参考架构等。

长期以来，由于智能化领域缺乏融合建筑领域特征的面向智能化系统的参考架构，导致设计人员对智能化系统的组成要素以及要素之间的关系缺乏共识。设计人员经常根据自己的专业背景，采用自动化控制、信息化集成等领域中广泛使用、约定俗成的架构模型进行智能化系统的高层设计。这种拿来主义使智能化设计领域充斥、混合了各个专业技术领域层出不穷的术语和模型，严重阻碍了智能化系统设计领域的发展。

为了解决上述问题，在《智慧建筑设计与评价标准》中我们首次引入了智能化系统参考架构的概念，明确了智能化系统的组成要素及其之间的关系，力求为新老从业人员及需求相关方提供统一的架构关注视角、通用词汇和架构设计的基础，为建筑智能化进行技术底色定义，以指导智能化整体设计工作。

2 智能化系统参考架构说明

《ISO/IEC/42010:2011系统和软件工程——架构描述》[1]是用于描述系统架构的一套标准，它定义了架构视图、架构描述语言，用以指导一个具体系统架构的表述方式。架构描述包括架构视图和模型、规则、架构原理等要素，每个架构视图都包括一个或多个利益相关者感兴趣的关注点。

我们参考了ISO/IEC/IEEE 42010的架构描述方法，深入研究已发布的智能化设计相关标准、智能化系统现阶段技术发展和未来演进趋势，确定了智能化系统参考架构（见图1）。

图1 智能化系统参考架构

智能化系统参考架构是对智能化系统的功能要素与组成要素及其之间的关系和约束做出规定的架构框架。所谓的架构框架，是指设计者可以参考架构为基础，根据工程项目的具体情况确定具体的设计要素，以参考架构为基础框架确立智能化应用系统、信息与通信网络和信息安全系统的架构，在此基础上展开具体的设计工作。

1）智能化系统参考架构包括智能化应用系统、信息与通信网络、信息安全系统和空间与支持设施等组成要素，其中：

①智能化应用系统是为智能化服务提供环境和对象的感知、控制、数据处理、存储以及业务管理和分析等功能的系统。

②信息与通信网络是为实现建筑中的人员、设备、内外部系统之间互联互通，提供各类数据传输和交换以及通信服务的系统。

③信息安全系统是为保障信息在采集、传输、存储、处理、使用和管理过程中的安全所建立的系统。

④空间与支持设施是用于各类智能化设备布放和安装的建筑空间以及支持其运行的动力和环境设施。

2）智能化应用系统由智能化应用以及感知控制设施、边缘设施、后端设施和终端设施等要素构成。其中：

①智能化应用是智能化应用系统通过服务触点为用户提供的面向某类应用场景的功能集合。这些功能通过感知控制设施、边缘设施、后端设施和终端设施等要素的协同运行展现出来。

②感知控制设施、边缘设施、后端设施和终端设施由嵌入式系统设施或平台式系统设施等次级要素构成，具有各自的功能和组成结构。嵌入式系统设施由专有的硬件物理设施以及为其开发的软件设施构成，两者深度耦合，通过接口对外提供相应的功能。平台式系统设施由通用物理设施硬件和系统软件及在其上开发的应用软件设施构成，与嵌入式系统不同，平台式系统设施的物理设施和软件设施可以由不同的供应商提供。

③感知控制设施具有获取外部对象信息、信息处理和控制本地执行机构等功能。

④边缘设施通过接入感知控制设施并对其进行控制和管理，包括设备注册与认证、协议转换、数据采集和处理、设备控制、设备管理等功能。

⑤后端设施提供对感知数据和各类业务数据的加工、融合、处理、分析以及面向业务场景的设备控制等功能。

⑥终端设施为用户提供各类智能化业务和建筑空间的融合信息，实现用户与应用系统的交互等功能。

信息与通信网络包括信息与通信服务以及网络设施与线路设施等实体要素。信息与通信服务是信息与通信网络通过服务触点为用户或外部系统提供的面向通信与数据传输服务的功能集合，包括设备接入与认证、信息输配、通信服务、网络管理等功能。这些功能通过网络设施和线路设施等要素的协同运行展现出来。

网络设施由具有特定拓扑结构的物理设施及运行其上的软件设施构成，实现数据的传输、交换、路由控制与设备配置等功能。

线路设施由具有特定拓扑结构的各类物理线路和配线设备构成，为网络设施提供物理通道。

信息安全系统包括信息安全应用和信息安全设施等要素。信息安全应用是信息安全系统通过服务触点为用户或外部系统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、主机安全、数据安全、应用安全等功能。这些功能通过信息安全设施实体要素的协同运行呈现出来。

信息安全设施由物理设施及运行其上的软件设施构成，信息安全设施既包括集中式信息安全设施也包括嵌入到网络设施及应用服务器的“安全代理”。集中式信息安全设施包括但不限于防火墙、路由器、入侵侦测及态势感知设施、VPN设备、上网行为管理、漏洞扫描设备、木马查杀及病毒防护软件等。

集中式信息安全设施及其嵌入式安全代理共同实现安全管理、访问控制、入侵防御和检测、信息加密、防病毒等功能。

空间设施包括各类机房、综合管路等设施，支持性设施包括动力、机房装修、消防、环境监控等设施。

3 智能化系统参考架构的特点

通过这个参考架构，结合设计实践，可以发现以下特点：

①智能化应用系统、信息与通信网络、信息安全系统、空间与支持设施彼此之间是松耦合的关系，可以各自独立演进，只要保证接口适配即可。

②从设计实践看，信息与通信网络、信息安全系统、空间与支持设施对外提供的服务和接口基本都是标准的。但智能化应用系统的感知控制设施、边缘设施、后端设施之间的接口协议种类繁多，虽然传输协议基本是标准的，但应用层协议很多是封闭、或半封闭的私有协议，或者其接口的开放性不足，可获取的信息不完备，控制指令难以下发执行。

③参考架构的组成要素符合使用者和设计人员的直觉与经验，更加容易理解，设计者可以通过组成要素确定工程的设计要素。

④参考架构将功能要素与承载功能实现的组成要素分离，组成要素的物理设施与软件设施分离，需要设计者在设计过程中增加软件相关的设计内容。此外，将智能化应用系统的组成要素进一步划分为嵌入式系统设施和平台式系统设施，符合当今“软件定义硬件”和“数字社会”的发展趋势。

⑤在这个参考架构中没有出现任何一种具体的技术形态，但却反映了当今主流技术的特点和未来技术发展的趋势。任何一个具体的技术形态都可以在这个架构中找到自己的位置（不排除未来出现某种更好的技术在这个参考架构中没有相应的位置，但到那个时候这个参考架构也会随着演进），因此这个架构因其技术底色的特性而具有足够的包容性和适应性。

4 智能化系统参考架构的应用

参考架构在智能化工程设计过程中有两个作用，一方面用于确定智能化工程设计要素的分类，另一方面作为整体架构设计的基础（见图2）。

图2 参考架构在智能化工程设计中的应用过程

通过参考架构的组成要素确定系统的设计要素的分类，使智能化系统的结构更加清晰，增强了系统的可理解性，有效管理系统的复杂度。为了保持和GB 50314[2]的兼容性，对GB 50314中的设计要素按照本标准的参考架构组成要素进行了一个对照和归类（见表1）。

表1 GB 50314设计要素与本标准参考架构组成要素的对应关系

参考架构另外一个作用是为架构设计提供了出发点和路标。由于每个组成要素都可以有多个候选的技术，每个组成要素在系统内部也有着复杂的结构，因此智能化系统的架构设计是个创造性工作，而参考架构是架构设计的起点，也是过程中的路标。

我们将各种候选技术按照参考架构的组成要素组织成矩阵的形式（见表2）。

表2 智能化应用系统概念矩阵

上表中智能化应用系统中的软件设施与物理设施是相对应的，即软件设施按照特定的方式运行在物理设施上。可以看出，随着技术的发展，边缘设施和后端设施从传统的独享物理服务器模式向虚拟化及共享物理服务器模式发展，近年来更逐步向云存储与云计算模式演进，集约化程度在不断提升，基础设施的单位成本在不断下降，业务弹性及可扩展性大大增强，可靠性及处理能力获得极大提升。信息与通信网络、空间与支持设施、信息安全系统的概念矩阵与此类似，不再一一列举。

设计者可以根据用户需求，对系统所采用的技术进行评估、组合和选择，同时对感知控制设施、边缘设施、后端设施和终端设施的职责进行划分（例如，图像识别是在前端的摄像机中实现，还是在边缘实现，还是在后端统一来实现等，在不同的位置实现，各部分的职责和采用的技术是不同的），在此基础上进行具体的架构设计。

此外，参考架构中的后端设施是智能化系统的数据处理核心和大脑，其架构在各个组成要素中是最复杂的。常见的有四种模式：独立系统架构模式、应用集成架构模式、物联网和平台架构模式、混合模式等，设计者可根据用户需求进行选择。关于系统架构模式的解读请参见后续的解读文章。

5 智能化系统参考架构演进

当前版本的智能化系统参考架构将智能化服务和服务域作为外部的组成要素，并没有将其纳入到参考架构之中。随着智能化系统参考架构逐渐被行业所接受，会将智能化服务和服务域逐步纳入到参考架构中并对其标准化和规范化，以便建筑的运营者改进和提升运营效率，降低运营成本。

参考架构的另外一个重要的演进方向是实现各组成要素的功能和接口的标准化，一方面指导供应商的产品研发工作，另一方面提升系统集成商的交付效率和质量，促进整个行业的生态发展。

6 结语

通过在设计标准中引入智能化系统参考架构，为新老从业人员及需求相关方提供统一的架构关注视角、和通用的领域词汇，为智能化设计师提供了架构设计的原型框架，使智能化系统的结构更加清晰、可理解，有效管理智能化系统的复杂度。我们相信会有越来越多的行业专家和从业者将认识到参考架构的重要性，进而积极推进和参与智能化系统参考架构的制定和演进，以及信息智能化顶层规划设计和全过程顾问咨询方法的提炼和总结，贯彻软件定义的设计理念，将规划目标、设计具体内容落实到运营服务阶段，从而提升信息智能化行业整体发展水平。