基于物联网的智慧园区总体设计与实现

周文彬，杜晓东，齐安乐，王 帅，刘可钦

（北方国际合作股份有限公司 北京 100001）

0 引言

随着现代科学技术的迅猛发展，物联网、大数据、云计算和移动互联技术日益成熟，信息化建设成为科技强国的必经之路，具有重要的现实意义和重大的战略意义。 同时随着我国的战略转型和编制体制的调整，智慧园区的建设逐渐向集约化、大型化和信息化方向发展，以智慧园区保障与管理信息化建设为主要特征的智慧园区逐渐成为当前建设的趋势［1］。 但是目前智慧园区在总体设计和实现上还存在一定问题，智慧园区与物联网等新技术融合还不够深入，因此，本文探讨了基于物联网、云计算、大数据和人工智能等技术，构建安全、便捷、智能、高效的园区综合信息处理体系的可行路径。

1 智慧园区内涵

准确把握智慧园区的建设目标和概念内涵是顺利推动智慧园区“数字化、智能化、网络化、互动化、融合化”建设的第一步。

（1）从智慧园区建设角度出发探析其内涵，明确了构建基于信息系统的智慧园区管理体系需重点加强综合管理能力建设。 智慧园区建设首先需要围绕“园区”概念实施，因此，本文对智慧园区做出如下定义：智慧园区是聚焦管理能力生成，以园区一体化建设需求为牵引，以综合管理为应用领域，综合运用物联网、云计算、大数据和自动化控制等先进信息技术［2］，建设园区综合信息平台和各类信息应用系统，实现园区信息资源的共享以及业务的协同应用和多样化综合管理的智慧应用的发展战略要求。

（2）从信息技术视角探究其内涵。 智慧园区建设的内核是新一代信息技术的应用。 在数字化转型的时代浪潮中，智慧园区的建设重点正逐步从传统的以数据为基础的园区自动化管理，向以人工智能和物联网等新一代信息技术为核心的智慧化服务转型［3］。 因此，从技术的视角来看，智慧园区是通过综合运用新一代信息技术，整合智慧园区各类资源，依托先进的信息基础设施，以智慧园区信息服务平台为支撑，提升智慧园区服务和治理水平，推进园区运营管理模式转变，提升园区信息化水平，构建智慧园区生态系统。

综上，智慧园区的建设是一个开放的体系，要与园区当地的多个单位有广泛的联系。 园区的建设工作、生活物资的供给、水电气暖等能源的提供等都需要与当地政府和各级单位紧密的合作。 在各类信息系统应用越来越全面、深入的形势下，智慧园区的信息化应与相关的信息化建设保持同步，实现信息互通、数据共享，才能保证园区的保障与管理效率跟得上社会发展的步伐，改变传统模式，补齐信息化的短板。

2 智慧园区需求

从建设的总体目标与整体架构而言，智慧园区建设应至少能满足以下需求：

一是数据综合处理需求。 首先提供与园区保障与管理相关数据的采集、存储、分发、维护等数据综合处理功能，确保数据的规范、安全和可用。 其次提供通用灵活的信息服务能力，能够对数据按需进行处理分析，支持固定模式的统计查询和基于主题的关联查询，并以多种形式展现和输出查询结果；最后制定相关数据交换标准并提供配套工具，在工作中数据满足按需共享、顺畅交换等要求。

二是业务工作处理需求。 满足园区各业务领域需求，实现各项业务工作从计划制定、开展实施、决策分析到综合管理等一系列过程的业务流程覆盖，形成“纵向到底、横向到边”的完整信息链。

三是辅助决策支持需求。 在构建园区大数据基础上，运用大数据分析和可视化技术，展示业务处理、管理和保障等方面的规律性、关联性和趋势性；能够有效支撑园区运营、园区管理、日常办公、园区安全、文化宣传、日常业务处理等应用系统，实现数据的互联互通，有效增强系统决策支持能力，为建成智慧园区提供辅助支撑。

四是网系融合需求。 充分利用园区现有的各类网络资源，综合运用区域网、专网、网络单向数据传输等多种技术，构建园区专用网络通信网络体系，同时利用服务质量保障策略确保系统运行所需的网络带宽和传输质量体系，提高系统网络的可管理性［4］。

五是安全保密防护需求。 按照国家的相关安全保密有关规定，采用信息系统分级保护相关防护手段，构建“纵深防御、整体联动、立体防护”的安全保密保障体制，具备边界防护、身份认证、密码保护、访问控制、病毒检测、漏洞扫描、入侵检测、安全审计等能力，为信息的处理、传输和存储提供可靠的安全保障，确保系统实体可信、行为可控、资源可管、事件可查和信息保密。

六是适应性需求。 具有集中配置、灵活部署和适度冗余能力，能够适应新形势下园区保障与管理业务处理方式，能够根据业务工作需求的变化实现快速定制流程和功能组配，最大限度满足人防各业务流程功能要求；能够满足用户个性化需求，依托个性接口，按需提取，展示园区各类业务数据。

七是可靠性需求。 采用技术成熟、性能指标较高的设备设施，保证信息系统的高质量与高稳定性，提供稳定可靠的运行能力；冗余设计关键服务和部位，对信息系统重要环节采用冗余设计，避免关键服务或部位故障导致系统的崩溃或瘫痪，提供对突发事件、故障的及时响应能力；提供对系统关键业务和数据的合法性、一致性进行检查、提示和审核，确保信息系统的可靠性。

八是可伸缩性需求。 可伸缩性需求是指一个信息系统适应负载变化的能力。 在负载变化时自身能力能够作出相应的变化，以适应负载。 智慧园区的各类应用系统需要具备调度的可伸缩性，当信息服务需要更多资源时能及时、适量地给予资源分配，当信息服务资源需求减少时能够适时回收资源，保证系统的资源高效利用，从而节省运行成本。

九是管理维护需求。 首先是可维护性，采用标准化、模块化、服务化的软件设计方法，提供业务信息系统的安装部署、升级、补丁分发等功能，便于技术人员日常维护。其次是可管理性，在资源整合后能够提供完整的功能集，智慧园区各类业务应用系统包含种类繁多的软件和硬件设备，每个软件都有相应的工具提供全面的管理支持。 最后是可追溯性，系统历史和重要数据记录在案以备查找，记录可以作为故障诊断的依据，帮助及时定位和解决故障问题。

3 总体架构

智慧园区建设作为一个复杂的系统工程，既要从宏观层面加强顶层设计，又要从微观层面考虑具体的操作实施。 智慧园区遵循“六层两域”体系架构：一是感知采集层，实现全域感知；二是基础设施层，实现接入与泛在联系；三是数据管理层，实现数字化服务的支撑；四是中台服务层，实现智能应用基础；五是应用层，实现业务应用和专题分析；六是展示层，通过门户系统实现各类信息呈现。“两域”则是安全体系和标准体系。 具体如图1 所示。

（1）感知采集层：物联感知设备接入系统，实现智慧园区管理与保障相关的设施设备，如对监控摄像机、门禁控制器、道闸控制器、数字水表、数字电表和自控阀门等各类传感器的适配、安全接入和身份认证，保证采集数据的安全可靠传输，并通过对数据的协议解析、数据转换和提取，进行数据传输。

（2）基础设施层：基础设施层包括地理信息平台、云资源服务平台和云平台，应用相关平台主流的技术体系，如云基础软件技术，为数据层提供基础的地理信息管理、云资源管理和各种传感数据管理等服务。

（3）数据层：将智慧园区各类数据统一组织和存储，实现资源按需分配。 为各类应用系统提供基础环境支撑，高质量地满足智慧园区各单位、各级用户对网络基础设施资源的需求，并根据实际需要采用相应的数据库支撑技术。 数据库需要按照应用系统的需求，以及“一人一档”“一车一档”的思路，建立相应的基础数据库和主题数据库。

（4）平台服务层：通过数据层的交换手段和数据接口，以数据层为基础，对外提供数据发布、数据共享、数据交换和数据分析等服务，并实现与智慧园区其他业务系统的集成应用。

（5）应用层：面向智慧园区综合管理提供园区运营、园区管理、日常办公、文化宣传、智慧园区安防与智慧园区管理等应用。

（6）展示层：通过门户系统实现各类应用的单点登录、消息集成、统一权限、统一用户和组织机构，对采集的各类数据，利用大数据技术进行深入数据挖掘和处理，为预警监测、指挥决策及应急处置等提供信息支撑，并对各类信息和辅助分析结果进行统一展示。

4 功能架构

智慧园区建设包括综合态势展示、园区智慧型物联网综合服务平台、业务应用、基础设施以及相应的安全保密和运维管理设备构成。 具体功能组成如图2 所示。 智慧园区建设实现统一的登录门户，实现单点登录、统一搜索引擎、统一基础资源管理、统一综合日志审计、统一权限管理、统一组织机构与用户、统一服务注册、统一身份认证、统一业务流程集成与应用、统一数据交换和统一消息等功能。

5 数据架构

智慧园区数据架构体系划分为打牢共用、整合通用和开发应用等层次。 一方面，通过梳理智慧园区各个业务之间需要协同共享的数据，形成业务主题园区大数据中心，由大数据中心对数据进行统一管理和维护，并以服务的方式向各应用系统提供数据共享服务，实现数据的充分共享，打破信息孤岛。 另一方面，对各应用系统中都需要的数据进行统一管理，包括由组织架构、用户角色等构成的公共信息主体数据，以及由系统数据、工作流数据等构成的基础信息数据。 此外，还包括人员信息数据、车辆信息数据、物联感知数据、地理信息数据等数据源，以此保证各应用系统数据的统一性，减少各系统独立维护的成本，进而提高管理效率。

6 设计实现

依据以上体系架构、功能架构与数据架构，根据实际的园区进行模块化组合，形成特定场景下的智慧园区。

首先，对信息基础设施进行升级改造。 重新搭建园区网络，将原来的网络区分为若干网络，例如安防专网、设备设施与物业专网、办公内部网与备用网络等不同功能的局域网。 对存在安全隐患、功能老旧的设备进行更换或智能化升级；对尚未部署相关设备的场景，如监控死角进行全面补充。 重新建立接口标准，实现设备集成，将独立分散的各类设备设施整体接入物联网，实现多系统联动管理和运维。

其次，搭建园区数字平台，包括数据集成平台、物联平台、信息系统平台、视频云平台、低代码开发平台与数据治理中心等多个子平台［5］。 园区数字平台一般由值班人员进行日常管理维护，当园区处于任务时，值班人员可以通过指挥中心工作台电脑，输入分配账号登录综合管控平台。 再投影到电子沙盘上查看园区实时动态信息，当园区重点区域和业务有所变动时，可通过平台中自定义配置功能对实时视频和业务呈现模块进行相应的显示调整，便于值班人员在可视化大屏直观了解到所关注的园区实时动态，有效提升值班人员对园区实时安防动态和潜在风险的把控。

最后，重点围绕安全园区与智慧园区构建双数字孪生体系。 在安全园区方面，通过安防、消防等系统数据的联通及设备设施的联通，构建一体化安全监测系统，实现“人员、设备、环境”全方位智能监控。 遵循国家等保三级安全要求，打造信息安全防护体系，并通过网络设施的分离改造，进一步提高信息安全保障。

在智慧园区方面，重点围绕运维、通行和服务打造智慧管理手段。 通过设备设施管理云平台，实现对电梯、高压配电房、电梯机房、空调机组等设施的运行状态进行实时监测，主动预知故障并自动派发工单，提供运维效率。升级智慧停车系统，建立无人值守体系，提供车位引导等功能，升级访客管理系统，解决园区通行数字认证问题，提升通行效率。

7 结语

综上所述，智慧园区在未来一定是整体智能化的“生命体”。 整个“生命体”应具备统一服务能力的园区大脑，承担和用户交互、提供服务的核心AI 能力，调动和协同整个园区的能力为用户提供智能、便捷、联动的服务；园区大脑能通过学习用户的生活习惯，逐步积累用户画像，持续升级个性化服务；并且通过物联网的链接能力建设整个园区的神经网络，使设备在线、环境状态在线，打造人、设备、空间实时在线的数字空间世界。