建筑产业互联网体系架构设计研究综述

邱建伟 钟波涛 骆汉宾

（1. 华中科技大学 国家数字建造技术创新中心，武汉 430074；2. 华中科技大学 土木与水利工程学院，武汉 430074）

引言

建筑业作为国民经济支柱产业，在促进经济增长、缓解就业压力等方面具有重大意义。住建部在《“十四五”建筑业发展规划》中，将打造建筑产业互联网平台作为智能建造与新型建筑工业化的主要任务之一，以提升建筑全产业链的现代化水平[1]。建筑产业互联网横跨多个实施层级，由多个系统协调组合而成，共同实现单系统不具备且多个系统简单叠加也无法实现的综合能力与整体效能[2]。

然而，目前建筑产业互联网在研究上存在一些不足，如缺乏明确的定义、系统的体系架构、统一的技术标准、完善的商业模式以及成功的应用示范等。其中，缺乏系统的体系架构这一问题，主要体现在两个方面：

（1）对建筑产业互联网整体认识不足。建筑业信息化是利用信息技术提高效能、降低成本，而建筑产业互联网要形成建筑产业生态，从而变革业务模式和商业模式[3]。对建筑产业互联网整体认识不足会限制系统体系架构的提出与发展；

（2）已有研究中的体系架构较为局限。工业互联网的体系架构包含多个层级，从多维视角研究体系架构的组成，但没有涉及到建筑领域，而已有的建筑产业互联网体系架构研究局限于平台层面[4]，不够系统和完善。

针对以上两点，本文从建筑产业互联网的概念出发，根据工业互联网与已有的研究，总结出具有共识性的概念，强化对建筑产业互联网的整体认识；比对各类体系架构的特点，并总结出适用于建筑业的一个通用化的体系架构以探索建筑产业互联网在智能建造、工业化转型、平台化建设以及商业模式变革之间的系统性布局，从而更好地推动建筑产业互联网的创新发展与落地应用。

1 国内外研究现状

1.1 建筑产业互联网研究现状

国际上对建筑产业互联网并没有明确的定义，但是有关工业4.0 与工业互联网、建筑业数字化转型以及建筑业平台的研究较为丰富。Schönbeck[5]认为工业4.0 侧重于管理、战略和端到端流程，而建筑4.0 专注于设计阶段和项目流程中的建筑信息建模。Zhang[6]研究了产品服务系统中工业互联网平台的实施路径与参考框架。Louis[7]与Kong[8]等将物联网技术融入建筑业流程，优化了建造施工管理。Tetik[9]通过数字模型指导建筑生命周期的增值服务，从而提高设计的重复利用和流程的自动程度，优化建筑供应链的生命周期。Kochovski[10]研究了雾计算平台的体系架构并分析了它在建筑领域的作用。Xu[11]研究了云资产物联网平台在精益预制建造效率方面的提升，并探讨了其商业模式与体系架构。国内学者对建筑业数字化、建筑产业互联网主题进行了一些研究。邓夏扬[12]分析了建筑产业互联网的四层级应用场景，提出了可能面临的挑战与建议。叶浩文[13]提出从价值主张、价值创造、价值关系与价值实现四个方面对建筑产业互联网的商业模式进行研究。马智亮[14]探究了智能建造的发展热点，将建筑产业互联网划分为智能化协同设计平台、工程造价全过程智能化管理平台、智能化供应采购平台、建造全过程智能化管理平台以及智能化行业监管服务平台五种类型。桑培东等[15]将“互联网+”思维与建筑产业现代化发展相融合，分析建筑产业现代化发展存在的问题。程梦圆[16]采用扎根理论识别了建筑产业互联网的制约因素与优化路径。杜勇勇[17]和徐娅[18]分别从平台战略和客户关系两方面对两家公司的建筑产业互联网发展进行了研究。

建筑产业互联网的概念源于工业互联网的启发，工业互联网是工业领域由传统产业向数字化、网络化、智能化加速转型升级的战略，与之对应的有德国工业4.0 战略、美国工业物联网战略以及日本工业价值链战略等。工业互联网通过人—机—物的全面互联，实现全要素、全产业链、全价值链的全面连接，其内涵不局限于将互联网信息技术简单应用至工业领域，更需打造新型基础设施，构建工业生态。目前，工业互联网已从理论与技术验证走向了应用推广的阶段，为建筑产业互联网发展提供了宝贵的经验。总结了一些学者对建筑产业互联网概念的见解如表1 所示。

表1 建筑产业互联网概念辨析表

1.2 体系架构研究现状

在工业互联网中，构建参考体系架构往往是各国转型战略的首要工作，如德国工业 4.0 参考架构RAMI4.0、美国工业互联网参考架构 IIRA、日本工业价值链参考架构IVRA 以及中国工业互联网体系架构2.0 等，德国、美国与中国相关战略的体系架构如图1~图3 所示。

图1 德国RAMI4.0

图2 美国IIRA

图3 中国工业互联网体系架构2.0

德国的参考架构RAMI4.0 从产品生命周期/价值流、活动层次和系统级别三个维度，分别对工业4.0 进行多角度的描述[22]。

美国的参考架构IIRA 从商业视角、使用视角、功能视角与实现视角解读工业物联网，把数据分析作为核心，注重跨行业的通用性和互操作性[23]。

我国的工业互联网体系架构2.0 以业务视图、功能架构、实施框架三大板块为核心，提出了具有我国特色的综合性架构[24]。

构建参考体系架构有助于凝聚产业各方共识，指导技术创新，推动企业探索，制定规范标准，对推进战略发展起到了积极作用。目前已有一些研究对建筑产业互联网平台体系架构进行了探索。杜明芳[25]分析了工业互联网的内涵，提出了一个五粒度四层级的产业互联网构建方法。王勇[26]的平台架构包含提供数据基础的数据采集层；为上层应用提供云基础设施的IaaS（基础设施即服务）层；提供技术支撑平台的PaaS（平台即服务）层；面向不同对象和场景提供相应服务的SaaS（软件即服务）层。陆飞澎[27]从边缘层、基础层、管理层和应用层四个层次建立了建筑产业互联网平台体系架构，并分析了平台下的建筑业新场景与平台体系关键技术。这些架构的层次要点如表2所示。

表2 体系架构研究表

观察表2 可知，各国工业转型创新战略都从多维度探索体系架构的组成，而建筑产业互联网的架构研究多停留在平台层面。实际上，全要素、全过程、全产业链连通的特征与多学科、多系统交叉的复杂结构对构建统一的体系架构提出了新的需求，即探索建筑产业互联网在智能建造、工业化转型、平台化建设以及商业模式变革之间的系统性布局，以充分指导企业实践，形成业界共识、协作共赢的通用化的体系架构。建筑产业互联网转型面临着建筑业数字化的一系列问题，如大量设备连接产生海量数据的储存与流通、异构数据的融合与交互、更低时延的网络建设及企业与用户敏感数据的隐私保护等。同时也面临着企业标准统一、业务链条重塑以及商业模式创新等产业互联网新型挑战。

2 建筑产业互联网认知

2.1 建筑产业互联网认知与建议

结合各国工业互联网创新战略的概念以及上述学者对于建筑产业互联网的定义研究，本文认为建筑产业互联网，是工业互联网在建筑行业这一垂直领域的延伸，是以互联网与物联网的广泛连接、深度融合为技术驱动，通过对建筑工程全要素、全过程、全产业链的人—机—物的泛在感知和互联互通，构建支撑工程大数据管理、建模与分析、决策优化及反馈控制的数字化平台，实现基于数字孪生体的全周期生产运作协调优化和基于竞合共生生态的全价值链共享共赢，促进建筑业向数字化、网络化、智能化方向发展，加速工程建造模式、产品服务模式、商业模式的创新变革，提高全产业链效益水平，推动全行业实现高质量发展。

基于以上对建筑产业互联网的整体认识，同时充分参考了相关体系架构的设计理念与构成要素，本文认为建筑产业互联网的体系架构构建应遵循以下两点建议：

（1）关注数字化技术发展。建筑产业互联网的建设应结合新技术的发展方向，完善能力维度体系中的技术原理，以平台建设作为建筑产业互联网的主线；

（2）关注全产业协作共赢。与建筑业需求结合，完善业务能力与商业能力建设，强化全层级、全领域的实施维度架构部署。

2.2 建筑产业互联网整体模式

如图4 所示的建筑产业互联网整体模式结合了上述两点建议，展现了建筑业结合新技术发展与全产业协作共赢的整体认识。

图4 建筑产业互联网整体模式

平台是建筑产业互联网发展与应用的主体，是多种新技术融合的载体。供应链金融为建筑产业互联网发展提供高效、安全的资金保障；集采供应通过感知库存与采购需求，高效匹配供给方；智慧物流根据集采供应服务智能调整，实现资源的高效配置；工程机械采取各类智能算法实现无人化施工与预测性维护；智慧工地集成各类软硬件，在高效施工的同时保障安全；产业工人建设从工人实名制着手，通过工人全生命周期服务促进工人向产业化转变；协同设计充分利用云服务缓解工程设计中的信息不透明，降低沟通成本。建筑产业互联网整体模式有助于形成全产业协作共赢的态势。

3 建筑产业互联网体系架构

综合考虑体系的全面性、合理性与可操作性，形成了如图5 所示的建筑产业互联网体系架构。该架构由建造技术和信息技术支撑，通过实施、能力及平台三维度结合，最终形成智能化建造、网络化协同、服务化延伸与个性化定制的新型服务。

图5 建筑产业互联网体系架构

其中，实施维度是全要素物理实体与全过程运用场景，范围广、要素多，既是数据采集的来源又是反馈控制的对象。能力维度由需求与目标构成，为新型服务提供保障与动力，包含构建建筑产业互联网需要的基础能力与目标能够实现的能力总和。平台维度是全要素集成的枢纽与资源配置的中心，是数据分析和决策控制的大脑，涵盖平台搭建的承载实体与软硬件结构。实施与平台二者反映出实体要素的采集映射与数字孪生体的反馈控制，能力是二者沟通联系的桥梁。

3.1 技术支撑

建筑产业互联网的体系架构以建造技术和信息技术为支撑，如图6 所示。建造技术代表传统建筑产业需要的各项技术，分为人、机、料、法、环等。建筑工人的施工技能以及管理人员的组织协调能力等有关人的技术为建筑产业的发展提供了主观能动性；工程机械的设计和生产技术对应不同工况选型的技术，主动性监测和预测性维护技术等关于机械的技术为建筑产业提供了装备支持；建筑材料的创新技术，如采购、仓储、运输等提高供应链效率的技术，以及工程材料性能质量检测的技术等关于材料的技术是建筑生产的基础；法包括施工工艺技术以及优化工序流程和操作规程的技术，是建筑领域知识积累的成果；环包括环境安全、环境污染及环境变化的实时监测技术等。这五类建造技术是建筑专业领域技术和知识基础的总和，是建筑产业互联网建设的出发点。

图6 技术支撑

信息技术分为通信、计算及应用等技术。在通信技术中，标识解析技术为工程设备提供标识地址，物联网技术采集海量工程大数据，区块链技术保障工程数据的可信，使数据传输互联互通；边缘计算、云计算以及人工智能等计算技术为不同场景提供分布式、低成本数据计算能力，充分发挥工程数据的价值；应用能力包括采用数字孪生优化工程建设，利用可视化改变建筑业的交互模式，通过云端协同改变建筑业软件开发集成模式。推动信息技术向建筑业的发展融合，有助于优化建造技术，加速建筑产业互联网的落成。

3.2 实施维度

实施维度是建筑产业互联网在现实世界的反映，由人机料法环层、工厂工地产品服务层、企业层、供应链层以及产业链层五大层级组成，其架构如图7 所示。其中，人机料法环、工厂工地产品服务属于微观层，关注具体的生产要素，目标是改善建造生产管理服务环节；供应链与产业链属于宏观层，关注建筑业整体情况，目标是调节产业链协同运作；企业介于微观层和宏观层二者之间，既关注自身的建设生产与盈利水平，又关注市场整体运作水平。

图7 实施维度体系架构

人、机、料、法、环的基础层是建筑产业互联网全要素感知对象，通过传感器、物联网与建筑控制系统对人机状态、材料供应储备以及环境特征等生产信息数据进行收集，为后续应用提供基础；工厂、工地、产品、服务的场景层通过平台将数据分析结果结合至建筑行业不同工作场景，指导生产与服务；企业层面向企业决策者，指导建造生产与运营管理，同时关注企业竞争优势、商业模式及市场需求等企业战略；供应链层关注全产业中的供应计划、资源调配及快速交付等问题，通过各企业各层级要素的全面互联，对各类数据智能反馈，助力产业供应链的安全保障与强化管理；产业链层是建筑业转型的宏观视角，面向政府部门与建筑行业管理者，促进上下游协同并打破信息壁垒，实现灵活调控，保障建筑产业互联网的健康平稳运行，保护建筑产业互联网的安全发展与维护治理，实现建筑产业高质量发展。

3.3 能力维度

能力是建筑产业互联网的核心驱动力，由需求能力与目标能力组成，如图8 所示。需求能力指数据能力、安全能力和网络能力，是建筑产业互联网运行所需要的基础能力；目标能力指业务能力和商业能力，是利用建筑产业互联网生成变革的创新能力。

图8 能力维度体系架构

数据能力是建筑产业互联网的核心，通过各种智能算法与云计算的强大算力，将采集到的工程数据进行分析，为建筑施工、管理及运维提供优化决策、积累科学经验，通过知识发现、知识传递和知识地图等方式实现知识管理，使知识和信息成为企业优势；安全能力是网络与数据应用的重要保障，核心任务是通过监测预警、应急响应及隐私保护等手段确保设备、人员和数据的安全可靠，如通过设备硬件的部署管理、工程软件的研发测试等实现可靠，通过通信保密、信息保密及数据保护等实现可信；网络能力是建筑业数据传输交换的支撑基础，如利用嵌入式技术、微电子技术以及传感器技术实现泛在感知的能力，通过应用通信、语义互操作等实现要素之间的互联互通，通过标识数据采集、解析、处理及建模，形成建筑产业互联网的标识解析与异构数据沟通解决方案；业务能力是从建筑产品链、建筑价值链和建筑资产链出发，对建筑生产流程、价值流动效率和全生命周期进行业务创新；商业能力是从商业生态逻辑、价值创造逻辑、共享共创逻辑和社会责任与公共利益出发，建立新型商业模式，形成商业生态、平台经济和共享经济等更具可持续发展特性的商业模式。

3.4 平台维度

平台是建筑产业互联网硬件或软件的操作系统与环境，是传统建筑产业云平台的升级，同时也是各类信息资源集聚共享的有效载体。如图9 所示，平台维度体系包含端点层、边缘层、IaaS 层、PaaS 层和SaaS 层。

图9 平台维度体系架构

端点层通过传感器、物联网技术进行数据采集，是平台建设的基础，通过实时采集人、机、料、法、环的设备数据、产品数据、系统数据及软件数据，为后续应用服务建立数据基础；边缘层利用本地化的新型边缘计算设备采集数据信息并汇聚和边缘处理，实现深层处理应用，具备更快的响应速度，也减少了云端数据的泄露风险；IAAS 层是一种云基础设施层，将IT 基础设施作为服务通过网络对外提供，在这一阶段需要对云基础设施、云平台服务器、存储资源及网络配置等进行部署；PAAS 层具备多种服务和开发功能，将云计算、大数据技术与建筑业技术、知识及经验等结合，把数据资源转变为可移植的开发工具或可重复利用的微服务，为用户带来建筑业数据的集成管理与价值挖掘；SaaS 层是建筑产业互联网平台服务的输出层，能够部署各种工程创新应用，为企业提供各种定制化的建筑业智能应用和生产问题解决方案，如招投标、设计、采购、施工、交付及运维等建筑产业全过程业务场景服务，以及市场监管、现场监管、信用监管与资金监管等数字化监管服务，服务建筑业各环节，加快建筑产业软件和新型建筑产业 APP 开发，加速建筑产业创新发展。

4 结论与展望

建筑产业互联网是建筑业高质量发展的重要内容。体系架构的提出有助于为建筑产业互联网的下一步研究指明方向。本文通过总结建筑产业互联网与工业互联网体系架构的研究，结合工业互联网体系架构中多层次、多维度的优点，初步提出了一种以建造技术和信息技术为支撑，实施、能力和平台三维度结合的建筑产业互联网体系架构。然而，有关研究刚刚起步，仍存在许多不足：

（1）有关实施维度的研究不够深入。在实施维度中，仅列举五大层级的作用，并简单串联，实际上各层级联系紧密，缺乏对各层级之间的协作机制与实施路径的探究；

（2）技术原理研究不足。在技术支撑和能力维度中，仅对涵盖的相关技术进行了介绍，未对技术原理进行深入研究；

（3）应用成功案例较少。相较于工业互联网而言，建筑产业互联网的发展较慢，应用的成功案例较少。

目前，建筑产业互联网的发展仍处于探索阶段，距离全产业大规模应用仍旧遥远。在此背景下，建筑产业互联网发展可从以下三个方面入手：

（1）加强标准体系建设与关键技术攻关。建筑产业互联网作为跨行业、跨专业的建设领域，涉及主体众多、技术复杂，研究标准体系和关键技术有助于各主体之间的融合与打通，促进建筑产业互联网全面落地；

（2）加强专业技术人员培养。建筑行业数字化水平较低，企业、高校应强化专业技术人员的培训与培养，促进部分人才向复合型人才转型，从而为建筑产业互联网的持续发展提供人员保障；

（3）循序渐进培育产业生态体系。建筑产业链条长，上下游企业众多，应利用建筑产业互联网汇聚上下游企业，培育产业生态，降低协作成本，提高资源配置效率，实现全产业链的协同发展。