楊森，梁磊，陳光

（北京市工業(yè)設計研究院有限公司，北京 100055）

1 引言

隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈等新一代ICT 技術的迅猛發(fā)展，數(shù)字技術已廣泛滲入生產(chǎn)、流通、消費環(huán)節(jié)，不僅對人類的生產(chǎn)生活方式產(chǎn)生了巨大的影響，推動了城市功能組織及形態(tài)的變革，也促進了城市空間組織形式的革新，數(shù)字化生產(chǎn)力已經(jīng)成為產(chǎn)業(yè)結構升級和經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展的重要引擎。伴隨著新一代數(shù)字技術與城市現(xiàn)代化的深度融合與迭代演進，園區(qū)正加速向數(shù)智化方向演進，數(shù)智園區(qū)已經(jīng)成為新型智慧城市建設中構建新連接、新平臺、新生態(tài)的引擎。然而，園區(qū)是一個開放的復雜系統(tǒng)，具有多維度、多要素、多結構及多層次的關聯(lián)關系。現(xiàn)有的園區(qū)規(guī)劃設計往往囿于以產(chǎn)品為中心的定式中，無法應對構建以數(shù)據(jù)為中心的數(shù)智園區(qū)時所須面對的業(yè)務連續(xù)性、用戶體驗等諸多問題。

在本文中，首先梳理園區(qū)的數(shù)智化演進態(tài)勢，以及所面臨的數(shù)據(jù)融合與共享等問題，并分析以數(shù)據(jù)為中心的DoDAF2.0系統(tǒng)結構框架的建設實踐與借鑒。最后在方法論上，從數(shù)據(jù)視角來探尋園區(qū)頂層規(guī)劃設計中的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)鏈以及以數(shù)據(jù)為中心的規(guī)劃設計及開發(fā)的方法步驟。

2 園區(qū)的數(shù)智化演進

園區(qū)是區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展、產(chǎn)業(yè)結構升級的重要空間聚集體，是智慧城市建設的具象化表達。在我國，歷經(jīng)數(shù)字園區(qū)、智能園區(qū)、智慧園區(qū)的發(fā)展階段之后，大量的城市要素聚集在園區(qū)，園區(qū)所承載的功能日趨多元，并逐步從要素驅(qū)動轉向創(chuàng)新驅(qū)動，從傳統(tǒng)的單一園區(qū)轉向綜合性園區(qū)發(fā)展。目前，作為新型智慧園區(qū)的深化發(fā)展，數(shù)智園區(qū)正從核心目標、支撐技術等方面引領智慧園區(qū)建設的新方向，具體如表1 所示。

表1 智慧園區(qū)與數(shù)智園區(qū)

依托BIM、AI 等新一代ICT 技術，數(shù)智園區(qū)通過互聯(lián)化、感知化、智能化等技術手段，以數(shù)據(jù)為核心生產(chǎn)要素，通過融合現(xiàn)實世界和虛擬世界的場景建設，構建園區(qū)經(jīng)濟系統(tǒng)、社會系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)的密切融合，實現(xiàn)園區(qū)功能與業(yè)態(tài)的場景賦能價值，形成融合園區(qū)規(guī)劃、全域監(jiān)控、應急處置、治理決策的群智共生體。

目前，園區(qū)數(shù)智化建設正在從物理空間向數(shù)字空間遷移，以物聯(lián)、數(shù)聯(lián)、智聯(lián)為驅(qū)動模式，通過對時空數(shù)據(jù)的處理，將園區(qū)內(nèi)的人、事、物等要素映射到信息模型上，實現(xiàn)從對物理世界的感知到數(shù)據(jù)世界的孿生，構建園區(qū)運行的“數(shù)字體征”系統(tǒng)。通過構建融合物理世界和數(shù)字世界的平行世界，形成融園區(qū)產(chǎn)業(yè)發(fā)展、社會生態(tài)、自然生態(tài)為一體的元宇宙，實現(xiàn)對園區(qū)諸要素數(shù)智化耦合的全域空間治理，推動園區(qū)產(chǎn)業(yè)集群聚核、產(chǎn)業(yè)鏈聚鏈、園區(qū)產(chǎn)城融合發(fā)展，以推進新時代數(shù)字中國、智慧社區(qū)、新型城鎮(zhèn)化發(fā)展戰(zhàn)略目標的實現(xiàn)。

數(shù)智園區(qū)建設的本質(zhì)，就是在一個開放且可擴展的數(shù)據(jù)體系下，以數(shù)據(jù)驅(qū)動為核心，充分發(fā)揮數(shù)據(jù)作為數(shù)字經(jīng)濟的基礎性戰(zhàn)略資源和關鍵生產(chǎn)要素的作用，實現(xiàn)園區(qū)從感知、認知到?jīng)Q策的數(shù)智化。

3 園區(qū)數(shù)智化所面對的數(shù)據(jù)融合與共享問題

數(shù)據(jù)是數(shù)字經(jīng)濟時代的核心資源，也是政府和企業(yè)的核心資產(chǎn)。然而，在構建以數(shù)據(jù)驅(qū)動為核心的數(shù)智園區(qū)時，如何實現(xiàn)園區(qū)數(shù)據(jù)的歸集、共享、開放、流通及應用卻面臨著巨大挑戰(zhàn)。

3.1 多維場景下多要素的全域動態(tài)耦合

在實現(xiàn)園區(qū)從物理世界到數(shù)據(jù)世界的遷移過程中，需要從物理世界接收數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)世界的數(shù)據(jù)模型進行實時演化，構建精確映射的虛實關系，確保平行世界的同生共存、協(xié)同聯(lián)動。然而，由于物理世界是一個大型復雜系統(tǒng)，數(shù)據(jù)多源自跨領域、跨層級、跨主體的數(shù)據(jù)源，具有要素眾多、關系復雜、場景多維的特點，存在全域完整一致性、動態(tài)耦合匹配、多維場景迭代升級、園區(qū)內(nèi)外資源融合應用等問題。因此，圍繞園區(qū)應用場景的建設，須依托數(shù)據(jù)驅(qū)動模式，實現(xiàn)園區(qū)全域數(shù)據(jù)結構互通、數(shù)據(jù)動態(tài)加載、全場景服務。

3.2 條塊分割建設模式下的煙囪式應用

在園區(qū)信息化建設過程中，應用系統(tǒng)的開發(fā)多是在不同技術世代、針對不同業(yè)務需求、選用不同開發(fā)技術而滿足特定的業(yè)務目標。這種條塊分割的建設模式，往往會因為數(shù)據(jù)格式缺乏統(tǒng)一規(guī)范，而難以達成數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，產(chǎn)生煙囪式應用，極大地限制了園區(qū)持續(xù)發(fā)展能力的提升。

3.3 應用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)孤島化及I T架構固化

園區(qū)數(shù)智化建設過程中所開發(fā)的業(yè)務應用系統(tǒng)，往往會受到開發(fā)時間、構建技術、終端類型及代際差異、軟硬件綁定、系統(tǒng)整合黏性、應用場景特化等因素的制約，并且會隨著時間的推移而自成一體，從而衍生為數(shù)據(jù)孤島。同時，會因為建設時期的不同，而形成從總線型架構、API 平臺到云服務等不同的應用集成架構，且會在歷經(jīng)長期運營后，系統(tǒng)的IT 架構更易于固化。

3.4 數(shù)據(jù)的安全、隱私及保密性

目前，智慧園區(qū)的建設多采用數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)匯聚與交互模式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的控制、調(diào)度及管理。然而，這種運行管理模式往往存在著管理繁重、安全隱患的壓力。隨著《中華人民共和國網(wǎng)絡安全法》《中華人民共和國個人信息保護法》等法規(guī)的實施，對數(shù)據(jù)處理與安全提出更高的要求。此外，對于國防科技及軍工企業(yè)等涉密信息系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)的本地化存儲及授權使用提出更高的安全要求。

園區(qū)數(shù)據(jù)的安全與融合與現(xiàn)有的數(shù)據(jù)流通方式之間的沖突愈發(fā)嚴重，這就要求必須重新審視現(xiàn)有的數(shù)據(jù)匯聚及流通模式，需要從方法論上探尋新的視角來考慮解決之道。

4 從方法論上探尋解決問題的新視角

園區(qū)內(nèi)各組成部分、關系以及指導其設計和演進的原則[1]，決定了整個信息系統(tǒng)溝通的系統(tǒng)特性。運用體系結構設計方法、基于統(tǒng)一的體系結構框架不僅可以保障系統(tǒng)設計的一致性與完整性，也能夠確保系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的關聯(lián)、互通及共享，利于系統(tǒng)應用集成。目前，主要的體系結構框架既有Zachman架構、SAF 等體系結構框架，也有TOGAF 等面向軍事領域的體系結構框架。其中，美國國防體系結構框架（DoDAF）是一種構建“以數(shù)據(jù)為中心”的體系結構框架的標準方法，是體系結構技術發(fā)展的里程碑[2]。

4.1 DoDAF 體系結構框架

DoDAF 是美國國防部推進的體系結構設計方法，歷經(jīng)1.0、1.5、2.0 共3 個版本[3-5]，實現(xiàn)從以產(chǎn)品為中心到以數(shù)據(jù)為中心的轉變，并從面向過程、對象的角度轉向面向作戰(zhàn)活動、能力的角度，是對架構開發(fā)方法、支撐工具體系、系統(tǒng)環(huán)境的調(diào)整，確保各個系統(tǒng)之間的互聯(lián)、互通與互操作。DoDAF 強化對高效決策所需數(shù)據(jù)的收集、存儲及使用。

在DoDAF2.02 版本[6]中，圍繞規(guī)劃方、管理方等6 類利益攸關方，以節(jié)點、需求線、服務及信息交換為核心要素描述業(yè)務活動的結構，提供全局視角、數(shù)據(jù)與信息視角等8 個視角以及52 個模型，形成融解決方案、開發(fā)流程等為一體的分層分類的方法論。

4.2 DoDAF 元模型

DoDAF2.0 元模型是構建體系架構模型的規(guī)范，根據(jù)數(shù)據(jù)之間的內(nèi)在含義及邏輯關系，將體系結構數(shù)據(jù)框架數(shù)據(jù)模型化，描述體系結構框架數(shù)據(jù)的概念、關系及屬性，規(guī)范了數(shù)據(jù)交換的語義及格式，為體系結構描述中的語義精準化提供基礎。

元模型由概念數(shù)據(jù)模型（CDM）、邏輯數(shù)據(jù)模型（LDM）和物理交換規(guī)范（PES）3 層構成。CDM 定義了頂層數(shù)據(jù)結構，使用概念圖、概念詞匯表來描述包括概念關系和解釋在內(nèi)的概念定義。LDM 是在概念數(shù)據(jù)模型的基礎上，增加技術信息，采用UML 模型圖等方式實現(xiàn)對元素類型和關系在內(nèi)的邏輯關系的描述。PES 是在LDM 的基礎上，描述元模型物理交換的XML 數(shù)據(jù)結構[7]。其中，CDM 用于管理方、決策者了解體系結構的基礎數(shù)據(jù)，LDM 用于軟件架構師對體系結構的構建與管理，PES 則用于軟件開發(fā)人員的系統(tǒng)開發(fā)。

DoDAF2.0 元模型規(guī)范了體系結構的數(shù)據(jù)元素，為語義一致性提供了保障，為應用集成和數(shù)據(jù)聯(lián)邦的構建提供了體系結構描述的基礎，滿足跨域、跨部門的數(shù)據(jù)信息交換、共享及復用。

4.3 DoDAF2.0 的數(shù)據(jù)和信息視角

在DoDAF 中，模型是用于采集體系結構框架數(shù)據(jù)的模板，可采用文件、圖表等形式。運用模型實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集、組織及呈現(xiàn)，就形成視圖（View），而視圖的有序組合就構成了視角（Viewpoint）。用適當?shù)亩x將視角歸集，就形成對體系結構框架的描述。DoDAF2.0 就是圍繞對數(shù)據(jù)、模型和視圖的組織來構建體系結構框架的描述。

依據(jù)數(shù)據(jù)之間的內(nèi)在含義和邏輯關系，數(shù)據(jù)和信息視角（Data and Information Viewpoint）對業(yè)務需求、結構化的業(yè)務流程規(guī)則進行描述，包括體系結構數(shù)據(jù)的概念、關系和屬性，形成涵蓋概念模型、邏輯模型和物理模型的3 層結構。其中，概念數(shù)據(jù)模型描述了所需的高層數(shù)據(jù)概念及其關系。邏輯數(shù)據(jù)模型是數(shù)據(jù)需求、結構化業(yè)務流程（行動）規(guī)則的文檔。物理數(shù)據(jù)模型是邏輯數(shù)據(jù)模型實體的物理實現(xiàn)格式，包括消息格式、文件結構和物理模式等。

作為底座支撐，DoDAF2.0 數(shù)據(jù)和信息視角不僅提供了描述體系結構內(nèi)容的數(shù)據(jù)關系和數(shù)據(jù)結構，也為泛在互聯(lián)應用中構建聯(lián)盟體系提供支撐。同時，DoDAF2.02 并沒有提供具體的設計方法和實現(xiàn)途徑，須依據(jù)具體應用需求，靈活采用所處技術時代的方法與工具，為設計與開發(fā)提供極大的便利。

5 數(shù)據(jù)視角下的數(shù)智園區(qū)規(guī)劃設計

5.1 以數(shù)據(jù)為中心的體系結構頂層設計

園區(qū)的發(fā)展會伴隨著國家政策、園區(qū)戰(zhàn)略、發(fā)展態(tài)勢及市場需求的變化而不斷對技術體系、服務體系、生態(tài)體系進行優(yōu)化，確保能夠應對外部環(huán)境的變化。因此，數(shù)智園區(qū)的建設與發(fā)展并不只是ICT 產(chǎn)品串接、技術堆疊的聚合體，而是以頂層設計為指引的持續(xù)優(yōu)化。園區(qū)體系結構的設計與開發(fā)，正是園區(qū)頂層設計的重要手段之一。

數(shù)智園區(qū)中平行世界的構建，亟待圍繞園區(qū)高效決策所需數(shù)據(jù)的收集、存儲及使用。為此，在數(shù)智園區(qū)頂層規(guī)劃設計中，可以借鑒DoDAF 中數(shù)據(jù)、模型、視圖、視角之間構建關系的設計理念，即視角、視圖、模型只是為了承載體系結構數(shù)據(jù)而進行的可視化表示，并從對數(shù)據(jù)一致性、可重用作為一種要求，轉向全面落實“以數(shù)據(jù)為中心”的體系結構框架的構建上來。通過規(guī)范體系結構數(shù)據(jù)的開發(fā)、管理和使用，構建精確映射的虛實關系，保障數(shù)據(jù)世界數(shù)據(jù)模型的實時演化，實現(xiàn)平行世界的同生共存。

在具體實施中，可以所構造的通用元模型的概念、屬性及關系為載體，圍繞數(shù)據(jù)、模型和視圖來共同描繪一個完整的園區(qū)信息系統(tǒng)的體系結構，便于利益攸關方通過對體系結構的一致性認知，來建設數(shù)智園區(qū)的構成系統(tǒng)。

5.2 園區(qū)數(shù)據(jù)鏈閉環(huán)體系的構建

在數(shù)字世界中，物理實體的機理模型是對物理世界中實體在時空維度上演進的映射，并具有多層次表述能力。對于數(shù)據(jù)世界中的實體機理模型和數(shù)據(jù)模型，只有通過獲取物理實體的狀態(tài)、仿真等動態(tài)數(shù)據(jù)，才能夠確保數(shù)據(jù)世界的模型間接反映物理實體的狀態(tài)。對于數(shù)智園區(qū)，在時空、政務、企業(yè)、公眾等多類型數(shù)據(jù)驅(qū)動下，通過對物理世界的時空狀態(tài)變化進行實時感知，經(jīng)由虛實交互的感知與反饋控制通路，依據(jù)園區(qū)活動的真實數(shù)據(jù)和智能應用的反饋控制指令，才能實現(xiàn)對物理世界和數(shù)字世界實體之間的精準映射、交互融合，進而完成自主決策與控制。因此，在物理實體、數(shù)字模型的基礎上，數(shù)據(jù)的鏈接與控制已成為數(shù)智園區(qū)構建平行世界的關鍵。

構建面向數(shù)智園區(qū)全過程、全要素、全方位的動態(tài)數(shù)據(jù)鏈，建設貫通感知、分析、決策、執(zhí)行到反饋的數(shù)據(jù)鏈閉環(huán)體系，并確保數(shù)據(jù)規(guī)范及安全，已成為實現(xiàn)對物理世界中的活動進行動態(tài)預測及決策控制的關鍵所在。

5.3 以數(shù)據(jù)為中心的體系結構開發(fā)步驟

以數(shù)據(jù)為中心的驅(qū)動模式應貫穿規(guī)劃設計、開發(fā)與應用的始終，圍繞數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)與模型、模型與模型之間的關系，可以凝聚起園區(qū)各參建方的共識。為此，借鑒DoDAF2.02頂層6 步體系結構開發(fā)過程，形成一個以數(shù)據(jù)為中心的體系結構框架的描述及開發(fā)方法，具體步驟如下：

1）明確園區(qū)信息系統(tǒng)體系結構的應用用途，包括園區(qū)信息系統(tǒng)的建設目標、關鍵問題、問題分析方法、項目干系人等內(nèi)容。

2）確定園區(qū)信息系統(tǒng)體系結構范圍，涉及功能邊界、技術邊界、時間線、體系結構資源及計劃進度約束。

3）確定園區(qū)信息系統(tǒng)體系結構開發(fā)所需的數(shù)據(jù)，涉及數(shù)據(jù)體系結構的數(shù)據(jù)實體、產(chǎn)品的粒度及屬性、度量標準、關聯(lián)的元數(shù)據(jù)等。

4）收集、組織、關聯(lián)和存儲體系結構的數(shù)據(jù)。確定園區(qū)信息系統(tǒng)所需構建的子系統(tǒng)以及其所依托的數(shù)據(jù)。通過對數(shù)據(jù)的分析，構建知識庫、活動模型、數(shù)據(jù)模型、動態(tài)模型等，并開發(fā)相應的信息系統(tǒng)。

5）對所構建的體系結構進行用途及設計目標上的分析與評估（包括互操作性評估、業(yè)務過程分析，以及完整性及準確性測試）。

6）生成體系結構文檔，如生成技術等產(chǎn)品視圖、可重用數(shù)據(jù)等。

其中，需要體系結構設計人員、應用部門以及用戶一道在上述前4 步中，協(xié)同梳理并規(guī)劃設計園區(qū)體系結構的目標、范圍、關鍵特征以及體系結構產(chǎn)品。如此，才能保證設計人員在后兩步中開發(fā)出符合設定的體系結構框架。

6 結語

數(shù)智園區(qū)是增進城市經(jīng)濟活力、壯大區(qū)域經(jīng)濟、促進數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展的有效載體，是構建新發(fā)展格局、培育新競爭優(yōu)勢的重要力量。以數(shù)據(jù)為中心的園區(qū)規(guī)劃設計不僅可以為構建全域一張圖、感知一張網(wǎng)、治理一平臺的平行世界提供保障，也有利于凝聚園區(qū)各方的全域價值鏈，實現(xiàn)園區(qū)共建、共享與共治整體價值的提升。