解决方案

       基于云的智能建筑云平台由服务器、容器基础设施、物联网平台、智能化中台服务、智能化服务与应用、运营管理应用构成。智能化中台服务对资源模型和资源数据进行统一管理，对各专业设备的实时运行数据进行融合，为上层的智能化服务和应用提供支撑，智能化服务和应用为物联网云平台运营管理应用场景提供技术支撑。

 1. 设计指导思想

       信息系统的本质在于以业务应用为目的对所获取的信息进行处理和加工。硬件设施是整个系统所有数据生产、传输、处理、存储的载体，而各种数据信息的具体处理过程则是由软件技术架构来承载的。其设计思路分为以下几个层面：

   （1）系统架构要求

系统采用Springcloud微服务架构，构建B/S三层应用体系结构，满足RESTful设计风格和开发方式。

系统为云原生应用，前后端分离技术，支持公有云、私有云、容器化部署；

系统具有配置中心及注册中心，实现动态服务发现与服务调用，集成健康检查/熔断器/故障转移与恢复升级，实现服务访问权限控制、调用链跟踪；配置中心支持配置的发布与回滚，以及配置的自动刷新；

系统具有高性能微服务网关，分隔应用边界，建立安全机制，实现动态服务发现与服务调用，集群服务流量控制与管理。

  （2）系统部署要求

系统具备“云、边、端”部署能力，边缘计算网关（软网关/硬件网关）支持部署在本地，跨广域互联网/专网管理。

系统组件均支持集群化部署，包括微服务、数据库、缓存、消息队列等。

系统部署兼容国产环境。

   （3）可维护情要求

系统须具备自动化运维、统一监控和管理能力于一体，能够帮助用户持续管理系统的运维。

日志监控：对各接入系统采集上来的日志进行集中查询；

链路监控：对系统的链路日志进行聚合，提供统一查询入口，展示接入系统的全链路跟踪；

主机监控：监控主机各项指标，实时查看主机内存、CPU、磁盘、网络使用情况；

告警：支持各类监控数据的查询、仪表展示和告警，做到故障的早发现、早处理；

2.  边缘网关设计

       边缘网关（或称物联网交换机/路由器）内置了物联网平台，为智能化中台服务提供统一设备接入与控制服务，边缘网关通过本地和远程IO模块提供了丰富的总线接口、开关量和模拟量接口，通过边缘网关南向的工业现场总线接口和AI/AO/DI/DO接口接入前端的暖通、给排水、能源计量等设备，并将工业现场总线控制协议、开关量和模拟量封装到IP协议包中，传送给网关内部的物联网平台，而对前端设备的控制信号沿着与此相反路径进行传输和转换，以实现对设备的实时控制。

3.  平台的基础设施设计

       首先，我们从相对直观和易被理解的基础设施开始阐述。传统的建筑智能化方案，每个子系统都有自己的服务器、存储、网络设备，都有自己的客户端软件，需要单独配置相应的电脑终端。与此同时，每个子系统的终端数据展现风格还未必一致，这对于运维管理人员来说学习成本很高、用起来也很不方便。而且，由于各系统大多属于传统IT垂直架构，没有采用分布式、高可用设计，导致系统总体的健壮性很低。由于各系统的服务器软件硬件均各自为政，计算资源无法在相互之间共享并按需灵活调配，造成事实上的资源配置效率的低下。

       为了彻底解决上述问题，宜采用基于容器技术搭建统一的私有云服务器集群。具体如下：

       (1)物联网平台服务器集群：采用不少于两台通用服务器构成物联网平台服务器集群，采用负载均衡技术和高可用技术，通过宽带物联网与部署在各楼层的边缘网关通信，实现对现场机电设备的接入和控制。

       (2)视频管理和分析服务器集群：采用不少于两台存储和计算一体化通用服务器构成视频

       管理服务器集群，同样采用负载均衡技术和高可用技术，通过宽带物联网与部署在各楼层的摄像机和地下空间的停车场车位引导摄像头通信，负责收取各摄像头实时上传的码流数据，并进行解码、存储、推流等操作。

       (3)采用不少于两台带有GPU的通用服务器（数量按路数定）构成视频分析服务器集群，对实时视频数据进行人员行为识别、车牌识别、交通事件和交通参数识别以及人流统计等功能。

       (4)应用服务器集群：采用两台通用服务器构成应用服务器集群，运行智能化服务、运营管理服务和应用。

       (5)数据库集群：采用两台通用服务器构成数据库服务器集群，采用负载均衡技术和高可用技术，用来实现对各种资源、配置、性能、空间、告警数据的存储、查询、统计等相关处理。

       (6)容器云基础设施：

       容器已经在生产环境中被广泛采用，以实现资源的动态分配和弹性伸缩，因此推荐采用开源K8s管理平台Rancher,在生产环境中实现Docker的全栈化容器部署与管理。

       (7)综合呈现系统：采用LED显示屏及相应的编解码器和控制器，搭建综合呈现系统。配套数据计算、数据分析服务、平台门户服务等，为管控营人员提供大数据的多维呈现。

（注：在建筑规模较小、实际接入终端较少的情况下，上述服务器可以进行合并简化、减少初投资，一般建议将物联网平台服务器、应用服务器和数据库服务器合并在同一台物理服务器中。）

4 软件架构设计

       在云平台的软件技术架构设计中，需关注整个架构的稳定、持续、健壮和可扩展能力。在软件架构设计中应综合运用现有ICT成熟技术，包括数据建模、多协议适配的物联网平台、算法引擎、规则引擎、调度引擎、负载均衡及高可用、软件容器技术等。云平台整体技术架构上选择采用（云计算）SpringCloud框架技术实现负载均衡及高可用+基于容器技术和微服务架构。

（1）微服务架构

       微服务架构设计不再采用传统软件的单体应用模式，而是基于服务和功能组件，将应用拆分为多个小的、互相连接的微服务，微服务之间基于轻量级的REST-API接口方式互联和调用，使得各个微服务既有独立完成服务的能力，又能高效的与其他服务基于业务逻辑完成特定业务功能。采用Docker容器云架构较好地整合了分布式系统的系统层面功能，包括服务路由、服务网关、服务发现、链路跟踪等。提供了分布式系统的全家桶。对于本系统要求的高可用、可扩展、快速部署、快速升级、服务切换等有较好地支持。

       逻辑集中的服务调度管理平台Rancher，对系统各个服务的状态进行监控，快速进行故障切换和服务恢复，具备秒级的服务故障自愈能力，使得系统健壮性增强、用户前端体验良好。在微服务框架中，整个系统是由很多个微服务组成的，当外部的系统需要调用微服务中的一些功能的时候，需要通过框架对外暴露的接口访问，暨通过微服务网关，微服务网关简化了前端的调用逻辑，可根据外部不同的请求响应不同的数据，从而简化内外部系统之间调用的复杂度。该平台采用了Spring Cloud Gateway作为服务网关。

（2）数据库服务与缓存服务

       系统采用了redis的内存数据存储、influxdb进行时序数据、结构化和非结构化数据的统一存储。

       在系统公共服务中，采用了开源的Redis作为公共缓存服务。缓存技术用于提高数据访问的性能和响应，是必不可少的技术环节。Redis是应用最为广泛的内存NoSQL数据库。

       influxdb较好地兼顾传统数据、时序数据、非结构化数据这三方面的需求。

（3）消息服务

      influxdb在微服务架构中，服务之间是松耦合，主要采用消息订阅方式发布数据，以此达到前后端应用的分离。服务内部通信需要依赖消息总线，系统采用kafka作为消息服务总线，

       kafka主要用于在分布式系统中存储和转发消息。在易用性、扩展性、高可用性方面表现优异。

（4）负载均衡服务

       针对负载较大的前端WEB服务、数据计算服务、资源服务等，系统采用了SpringCloud 的Ribbon组件实现负载均衡服务。

（5）多协议适配引擎

      伴随技术的多年发展，在建筑智能化领域存在大量的协议和规约，这些协议和规约有不同的通信方式和语义定义，如配变电监控系统遵循IEC102、104规约、空调主机设备厂家支持BACNET协议、而VRV厂家支持MODBUS协议。

      因此我们需采用多协议适配引擎来支持多种协议和规约，能够与各相关厂家的终端设备通信，解析采集到的数据，远程调用相应指令对这些设备进行监控等。

      多协议适配引擎内部基于模块化设计，支持动态虚拟总线协议进程的加载和适配，可以将封装在以太帧中的异构协议数据正确获取和解析，归一化为标准的数据格式（JSON）以便上位系统能正常处理。反之，系统的联动或控制指令由协议适配引擎翻译为受控对象设备的协议指令格式，以便其正确执行。

（6）算法引擎

      在智能建筑中，为实现各种智慧化服务功能，需要用到多种算法。为了统一管控这些算法，系统需要部署算法引擎模块。基于算法引擎，我们可以在软件容器中部署多种算法框架，在相应的算法框架中部署相应的具体算法，并实现对单一算法的参数输入、结果输出、算法间的统一调度、路由控制、执行调度等各种功能。

（7）规则引擎

      通过算法引擎，我们能够对解析后的数据进行相应的处理，并得出过程性的结果数据，在这个阶段，我们需要引入各种规则，比如对于告警和故障处理，告警升级、告警压制、告警通知、告警根源性分析都是要基于规则来做的，智能照明在不同时段对不同回路的开关同样是基于规则的，那么我们就会发现，在我们的系统中到处都是规则。

      在传统方案中，各种规则都是由程序员写在代码中的，因此如果要调整规则就要程序员来修改源代码，这样改规则的时间成本就很高。而且规则多了，规则间会冲突，规则的执行需要有优先级设定，这些工作如果是由多个程序员同期合作编写的程序来控制，显然不太可能。因此，我们引入了Drools规则引擎，这样就容易维护、容易调整优化规则，还可以仿真规则的运行。而这些规则文件对于客户是可见、可维护的。通过引入规则引擎，提升了系统的可维护性和快速优化调整的能力。

（8）调度引擎

      我们通过功能虚拟化平台的多协议适配功能打通了与各种终端设备之间的数据通道，从而获取各种实时的运行数据，然后通过算法引擎驱动各种算法框架和算法对这些数据进行相应的处理，这些算法形成的结果会被各种规则利用，对这些过程数据进行进一步的处理，然后我们再通过规则引擎管理各种规则的正常运行。通过以上的处理，我们已经能够完成建筑智能化的各种功能，完成对各类数据的处理，但是这些处理基本上还是基于数据和事件的。

      我们认识到时间和空间在建筑智能化中有着重要的作用，既需要基于不同的时间段（如上班前、上班期间、午休期间、周末、节假日等），也需要基于不同的空间（如大堂、食堂、会议室、独立办公室等）定制智能化场景，然后基于这些场景做功能和数据的联动。调度引擎就是用来定义场景，并串联各种功能和数据的。调度引擎支撑了人与设备、人与空间、人与建筑的互动，展现出智慧平台的人性化与智能化。

      5 云平台功能模块

      5.1物联网平台

      物联网平台是智慧建筑操作系统的基座，物联网平台负责虚拟设备对象（数字孪生体）的生命周期管理，通过虚拟设备对象实现实体设备的管控，并为上层平台提供统一的接口。此外，采用物联网还可将建筑物或建筑群内的门禁、视频设备、保安、车库管理设备接入到平台中进行管理和控制。具体功能如下：

      (1)设备注册和认证：对注册的设备进行认证。

      (2)同步资源模型和资源数据：从资源建模和资源数据服务中同步资源模型、规则和资源数

据。

      (3)虚拟设备对象生命周期管理：虚拟对象管理器通过资源配置创建、销毁虚拟对象。

      (4)虚拟设备对象和实体设备同步状态：虚拟设备对象按照资源模型中的规则和协议访问实体设备，获取设备的运行状态数据，转发给上层应用。虚拟设备对象获取到设备的运行状态数据后，也根据预定义规则产生相应的事件或告警发送给上端服务或应用进行处理。

      (5)南向协议适配：物联网平台南向支持多种物联网协议，包括MQTT、CoAP等，通过边缘网关支持ModBus、BACNet、模拟量、开关量等工业接口和协议。

      (6)北向接口：物联网北向支持MQ协议和Rest接口，包括数据采集接口和控制接口。

      5.2智能化中台

      智能化中台可分为数据中台和业务中台，数据中台侧重于数据服务，业务中台侧重于业务应用支持。后端应用包括资源服务、数据计算服务、监控告警服务、事件服务等。这些服务是处理感知系统和交互系统产生的各种数据，使其成为标准的格式，增加业务的可理解性（例如为数据加上地理信息、人员信息、归属关系等），以共享的数据服务构成智慧建筑的数据中台，为前端各类应用服务进行订阅调用。

      前端应用服务需要统一使用的平台支撑包括API网关服务、数据访问服务、负载均衡服务、消息服务、缓存服务、日志服务、监控服务、数据库服务等。这些服务是为了让应用系统其他服务得以正常工作，互相访问、提供高可用性，提供可维护性而存在的平台级服务。这些平台服务主要由智慧建筑的业务中台负责提供。

      6 智能化服务与应用

      智慧建筑场景下应用系统，将是在统一的数据模型、统一的网络架构、统一的技术架构下，基于统一的服务框架所构建的上层应用的组合。服务应能通过内部API接口互访。

      前端应用主体划分宜在传统智能化系统的基础上进行一定的融合，以适应当前用户的使用习惯，并在应用场景上进行基于场景的跨系统调用和融合，在架构上以微服务的方式保持足够的灵活性和可扩展、可调整能力。主要包括下列通用系统：智能卡系统、物业管理系统、信息导引及发布系统（综合各类电子水牌、电梯屏、引导屏、查询机等构成统一的发布系统）、建筑设备监控系统、建筑能效监管系统、火灾自动报警系统、入侵报警系统、视频安防监控系统、出入口控制系统、电子巡在系统、访客对讲系统、停车库(场)管理系统、安全防范综合管理(平台)、应急响应系统、机房综合管理系统。

      除此之外，为满足建筑物的安全管理和便利服务需要，通常还需包括常用的智能照明控制系统、会议室中控系统、资产管理防盗系统、车位引导及寻车系统、安全检查系统、位置服务应用、客流统计系统等。

      7 运营管理应用

      智慧建筑操作系统的核心设计理念就是“建筑即服务”，通过“云、管、端”的技术架构，实现对基础设施的一体化接入和管理，并将基础设施的能力进行封装和编排，以“空间、

      时间、设施、规则”作为关键要素，为上层业务运营管理系统提供可标准化描述，可自动化开通，可智能化运行，可定义服务水平、可实时精确计量和计费的基础设施服务。

      依托建筑智慧平台实现基于数据、事实和理性分析的精细化管理，打通建筑运维过程中涉及到的客服接待、运维管理、设备监控、事务响应、计划安排、任务管控、人力资源、大数据分析、商业智能诸多业务领域，可全面提高业主和用户的工作、生活体验，大幅提升物业服务的品质、提升人员的工作效率，节能降耗、提升收益。

      为达成上述目标，相应地配备平台门户服务、运营管理、业务处理、业务统计、用户管理、客户管理、账户管理、支付管理、注册及鉴权服务等。

平台通过多协议通讯网关和各子系统通讯，平台支持以下通讯协议：
1、BACnet标准协议 
平台支持BACnet协议，通常用于和楼宇自控系统通讯，子系统需要提供子系统数据点表和数据标签意义的相关说明。
2、OBIX标准协议 
平台支持OBIX协议，通常用于和楼宇自控系统通讯，子系统需要提供子系统数据点表和数据标签意义的相关说明。
3、OPC标准协议
平台支持OPC-DA和OPC-UA通讯协议，用于和楼宇自控通信，子系统需要提供OPC Server 系统接口及接口说明；
子系统需要提供点表数据或标签数据意义的相关说明。
4、ModBus 标准协议
平台支持ModBus通讯协议，用于和各种智能仪表、PLC控制器通讯。
子系统需要提供点表数据或寄存器表和数据意义的相关说明。
5、KNX标准协议
平台支持KNX通讯协议，用于智能照明子系统通讯。
子系统需要提供点表数据或节点数据意义的相关说明。
6、SNMP标准协议
平台支持SNMP通讯协议，用于机房监控子系统通讯。
子系统需要提供点表数据或节点数据意义的相关说明。
7、MQTT标准协议
平台支持MQTT通讯协议，用于智能物联网终端设备通讯。
设备需要提供数据格式、数据意义的相关说明。
8、开放数据库ODBC 
平台支持MYSQL、SQLSERVER等多种数据库，用于和门禁一卡通、巡更子系统通讯。
子系统需要提供子系统数据库的表及字段说明。
9、开放的API 
平台支持开放的API接口，用于和门禁一卡通、巡更子系统通讯。
子系统需要提供子系统API 方法接口说明文档，以及调用例子。