0 引言

　　随着建筑业市场规模持续扩大，多项目、高风险、快变化、严质量、短工期、低利润已成为建筑企业管理的主要特征。企业迫切需要引进信息化技术改进经营和管理模式，加快数字化转型，提升核心竞争优势。自20世纪80年代，建筑企业陆续开展信息化探索，建立信息化专职部门，推进信息系统建设。近年来，建筑业信息化发展迅速，但企业信息化建设由部门业务系统发展到企业综合平台，实现数据横向贯通、内外协同的目标，仍有很多亟待解决的难点。包括各业务板块单独搭建信息系统，数据无法相互连通;企业旧有系统难以升级改造，往往只能重建;施工现场智慧设备属于不同厂家，无法统一接入管理;企业系统多针对内部管理，无法打通上下游的合作伙伴系统等。集成问题已成为企业数字化转型的最大阻碍。

　　为解决集成问题，智慧建造集成系统应运而生。智慧建造集成系统是全站式应用与数据的集成平台，以云为基础底座，使用技术整合、功能整合、数据整合、模式整合和业务整合等技术手段，打破数据孤岛，将服务、数据、消息等要素集成到统一平台中，实现集中、高效管理及对外包装服务输出，助力企业数字化转型升级^[1]。

　　1 智慧建造集成系统总体方案

　　1.1 集成系统构成

　　智慧建造集成系统主要集成招标采购系统、客户管理系统、项目管理系统(涉及劳务、物资、设备、商务、进度、质量、安全、环境等板块)、财务管理系统。除业务系统外还集成施工现场的各类智能化设备。

　　1.2 平台模块

　　集成平台包括数据标准模块、数据交换模块和平台支撑模块等，如图1所示。

　　图1 智慧建造集成平台架构 

　　1)数据标准模块主要作用在于沉淀数据为数据资产，并对外输出标准的业务数据。主要功能包括数据基础管理、数据建模管理、数据服务管理等。

　　2)数据交换模块主要作用在于为平台提供一系列的集成功能组件，帮助现场智慧建造相关应用接入集成平台内，进行数据流转。主要功能包括数据集成、API集成、设备集成等。

　　3)平台支撑模块主要作用在于为平台提供运维保障和技术支撑，保障平台服务的高效运转和稳定工作。主要功能包括安全组件、运维工具及物联网、BIM、AI等新兴技术。

　　2 智慧建造集成平台建设

　　智慧建造集成平台首先需完成数据标准模块的建设，接着建设数据交换模块，最后建设平台支撑模块。平台建设完成后，通过梳理数据标准，初始化数据编码，匹配标准实体与业务实体的关系，完成关系初始化，最后开展集成工作。

　　2.1 数据标准模块

　　统一不同业务系统间的数据标准，所有业务系统间均通过数据标准模块交互数据。模块中数据基础管理主要完成基础编码、数据字典的设置。数据标准模型作为不同业务系统数据模型的交换纽带，完成标准实体的创建，管理标准实体和业务实体间的关系。数据服务管理主要完成标准数据的接入校验与服务发布。

　　1)配置业务数据编码与数据字典业务数据编码规则是标识业务数据的唯一性，编码规则由编码识别符号、时间戳和顺序号3个参数组成，在业务系统数据进入标准数据模块前，需根据对应编码规则生成主数据编码，然后存储到标准数据库中。数据字典用于标准化业务数据的分类及单位等信息，主要包括属性分类、国家代码、行政区划代码、货币和资金代码、国际单位制及单位等，各系统将带有差异化数据字典信息的业务数据写入标准数据库前，需建立数据字典间的映射关系，调用映射关系转换后进入标准数据库。

　　2)数据标准建模建立标准实体及其字段，设置字段基本属性，如长度、类型等，然后建立标准实体与业务实体间字段的映射规则，设置规则中业务实体的来源系统，实体间的一对一、一对多等关系及字段间关系的计算公式等，最后匹配标准实体与上一步编码规则，完成数据标准建模。在产生业务系统数据时，业务系统调用对应规则将业务实体转换为标准实体，写入标准数据库。当业务系统调用其他业务数据时，应调用对应规则将标准实体数据转换为业务实体，完成其他业务数据的读取过程。

　　3)数据服务管理数据标准建模完成后需管理数据服务，将对应的标准实体数据发布到数据交换模块，以API集成等形式对外开放数据接口，支持标准数据的增加、修改、删除等功能，数据接口开放后，业务系统调用服务写入标准数据过程中，经过质量校验后，进行基础异常校验、关联性校验、数据排重校验、数据一致性处理等操作。

　　2.2 数据交换模块

　　2.2.1 数据集成

　　数据集成主要作用为将外部各类系统的数据源通过一系列步骤接入集成平台内，并做标准化处理，以供其他业务系统调用^[2,3]，使用步骤如下。

　　1)接入数据源在模块内通过可视化页面设置待集成数据源和目标传输数据源。数据集成功能支持主流数据源的接入，包括My SQL,Oracle,SQLServer等关系型数据库的接入;Redis,mongo DB等非关系型数据库的接入;Hbase,Elastic Search等大数据的接入;文本、消息系统等其他类型数据的接入。

　　2)创建集成任务在模块内创建数据集成任务，配置任务执行计划，包括执行触发条件、执行时间和执行周期。根据集成任务设置待集成数据源及目标传输数据源，配置数据源本次传输的字段及数据源间的映射规则，主要支持的映射规则包括直接映射、计算公式、服务调用、一对多、多对一等。

　　3)集成任务配置异常处理机制当集成任务因网络抖动或其他原因导致任务失败时，集成任务能自动记录失败信息，并及时通知管理员，对数据进行相应的回滚，以保持一致性。

　　4)启动及管理集成任务集成任务启动后，可查看任务的相关信息，包括配置、运行日志、操作日志和调度日志等。同时可查看任务统计情况，如执行次数、执行功率、执行时间、慢SQL、数据量等。

　　2.2.2 API集成

　　API集成将外部系统的API、数据源和自定义函数封装成标准RESTful API，并发布到服务网关上，供其他集成平台应用。服务网关技术是将所有服务注册到网关内进行统一管理，通过SOAP/HTTP,MQ,Java消息服务，JCA,RMI等实现服务间的调用。网关组件担当中央控制点、服务路由、协议转换及安全的角色^[4]。API集成使用步骤如下。

　　1)创建并发布API通过界面新建API，输入API的描述、版本、请求路径、HTTP方法、返回类型、跨域CORS、认证信息、密钥、输入参数等相关信息，数据源API的封装还需填写数据源信息及SQL或No SQL查询语句，自定义函数API的封装还需编写Java Script函数脚本。API创建完成并调试通过后，便将API发布到服务网关。

　　2)管理API API发布后，通过服务网关进行统一管理。通过设置API的使用权限，管理其可被指定应用调用。同时，服务网关可监控API的运行状态，异常自动重启将进行限流降级或熔断等操作。此外，还提供服务转发、日志收集、链路跟踪、负载均衡等功能。

　　3)调用API集成平台内应用需调用其他模块服务时，需要管理员给予相应的API调用权限，并在应用代码内填写规定的调用语句，即可实现不同应用系统间服务API的调用。

　　2.2.3 设备集成

　　通过设备集成功能连接施工现场的各类智能化设备，通过标准的通信协议实现设备数据接入集成平台。设备集成的使用步骤如下。

　　1)边缘计算边缘设备主要包括安装在边缘网络的交换机、路由器、路由交换机、IAD及各类MAN/WAN设备。施工现场的智能化设备将现场数据传输到边缘设备内，边缘设备收集数据后通过预制于芯片内的算法对部分固定场景进行智能化分析处理，将决策意见及时反馈到施工现场，实时满足现场智能化服务需求。同时将边缘设备收集的数据做初步筛选及标准化处理，处理后的核心数据将上传至集成平台设备的集成功能模块内。相比边缘设备将数据直接上传到平台端，通过在局域网内进行预处理，提升智能化响应的及时性和稳定性，分担云端计算的压力，对收集数据进行初步标准化处理，有助于平台后期对数据的分析利用。

　　2)设备注册数据从边缘设备上传到平台端后，需在虚拟设备上进行注册。在设备集成功能内创建虚拟设备，配置设备基本信息和数据网络信息。设备集成功能提供多种场景的设备接入方案，支持TCP,UDP,Web Service,SDK等多种协议或类型网关^[2];2/3/4G,5G,NB-IOT,LoRa WAN等多种网络设备^[5];一机一密，X.509等设备安全认证机制。

　　3)数据转发设备注册完成后，需配置规定数据的传输流向。在数据交换模块内创建设备的转发规则，设置待收集的设备数据及对应传递的应用。单个虚拟设备可对应多条不同转发规则并设置数据转发周期。保存规则后，每次上传的数据将直接转发到对应应用内。

　　4)设备管理可查看设备的运行情况及管理设备运维权限，对摄像头、喷淋系统、水电系统等可实现远程操控。

　　2.3 平台支撑模块

　　平台集成加密、数字水印、数字证书、安全协议、身份认证、防火墙、入侵检测等技术保障系统安全运行。集成主机、网络等监控信息保障对故障的快速定位。集成设备管理、容器管理、多环境发布运行管理、云基础设施资源自动调配等功能保障集成系统的调度能力^[6]。

　　3 系统集成应用案例

　　3.1 信息系统与智能设备集成

　　3.1.1 系统情况及问题

　　项目管理系统(下称“项管系统”)是企业使用的施工现场综合管理系统，涉及项目日常生产中的劳务、物资、设备、商务、进度、质量、安全、环境等板块。在日常应用中，系统存在难以联动现场智能化设备、数据孤岛情况明显等问题。

　　工地现场设备从自动化到智能化，已完成从数据采集到简单事务的智能处理。然而在实际应用中，智能化设备的核心问题在于数据难以互通，现场不同品牌、不同网络的设备数据不能共享以及设备服务的可靠性，如安防、消防、停车等相关智能化设备，如果所有服务都请求到云端，则因网络抖动和云端资源影响，经常出现设备服务响应不及时、宕机等问题。

　　为解决这些问题，通过智慧建造集成平台，将项管系统及智能化设备接入系统内，打通数据及服务共享通道，并通过集成平台进行技术赋能。系统改造后，智能化设备能实时处理现场事件，项管系统通过大屏随时查看设备情况并可远程操控，集成平台通过数据分析决策能力辅助业务开展。通过集成平台的连接，最终形成数据自主可控、服务开放共享、设备协同联动的完整项管体系。

　　3.1.2 集成解决方案

　　根据试点项目的实际情况，现场主要智能化设备应用点位为AR巡检、视频监测、建筑自控、停车道闸等，本次主要介绍建筑自控设备接入智慧建造集成平台并联动到项管系统的环境板块。

　　1)安装边缘设备根据建筑自控板块实际需求，安装包括视频分析芯片、智能水表控制器、智能电表控制器、智能照明控制总线、电梯智能监测设备、空调智能控制器在内的边缘设备。通过在边缘设备内预制现场设备的网段信息，替换原有设备的控制器，以获取对应设备的运行数据和控制权限。同时根据设备场景模型，在边缘设备控制芯片内事先植入场景化算法，实现后期对现场用水流量异常、突发停电、电梯速度过快、空调冷机负荷过大等异常情况进行分析预警及自动应急处理。

　　2)集成设备数据边缘设备部署完成后，在设备集成模块内新建虚拟设备。配置为摄像头、水电表、空调等，并设置相应类型的标准传输协议、安全认证机制。配置完成后，实现平台与现场设备远程控制，可查看现场实时监控，操作设备的启停。

　　3)设置模型和算法根据数据使用需求，在集成平台的数据标准模块内建立采集数据的模型和算法。以空调智能控制为例，边缘设备内算法主要包括空调的温控湿控、冷机负荷决策、用电管理等相对固定简单的处理算法，平台端通过联动室内摄像头、红外线感应、语音识别等设备，结合平台AI技术，智能识别室内人员分布、空间大小、环境等信息，建立分析预测模型，提供语音控风、出风自动避人、无人节能调节等智能化及定制化的算法。

　　4)打通系统数据平台数据模型建立后，通过数据交换模块的API集成功能，设置项管系统的数据传入API，打通平台到项管系统的数据接口。建筑自控板块传输数据，包括人脸识别考勤、摄像头、水电、照明、电梯、空调、塔式起重机等设备信息和运行状态，与施工现场视频信息、设备报警记录、施工现场环境信息等数据，分别对应传入项管系统的劳务、设备、安全、环境等业务板块。项管系统数据新增时，会自动调用数据标准模块服务，把数据通过数据交换模块中的API集成写入标准数据库中。

　　3.2 信息系统间的集成

　　3.2.1 系统基本情况

　　项管系统完成设备数据收集后，其他业务系统需使用设备数据，由于不同系统对设备数据及计量单位的标准不统一，会造成信息传递错误。为解决上述问题，引入设备标准数据，项管系统的设备数据有增量产生时，均需写入数据标准模块中，其他系统需调用数据标准模块中的标准设备数据。

　　3.2.2 集成解决方案

　　1)定义数据标准新增设备的编码规则，如塔式起重机设备为TD-时间戳-顺序号，在数据字典中增加设备分类名称、分类状态等字典信息。

　　2)创建数据模型创建标准设备实体及字段信息。字段信息包含设备编码、设备名称、所属单位、机组序号，设备分类编码、名称、状态、类型，设备型号信息、设备规格型号、产权单位编码、生产能力、供应商、购置日期等。创建项管系统、招标采购系统中设备实体与标准设备实体的关系，如生产能力的转换、设备分类的匹配、保养数据的匹配、运行数据的匹配等。

　　3)提供数据服务发布标准设备实体数据服务到数据交换模块中，以API集成方式进行注册与对外开放，招标采购系统在设备租赁和采购时，调用交换模块中的设备数据API，传入设备名称等参数，通过关系转换和质量校验，获取标准设备实体的生产能力、厂家信息、运行数据、保养维护等信息，为采购设备提供准确的依据与决策。

　　4 结语

　　智慧建造集成系统以先进的信息技术为基础，是协同信息系统、供应链管理、数据仓库、数据融合、数据挖掘等应用领域的核心技术之一，不仅为企业经营管理中的问题提供解决思路，也探索企业未来创新发展的新模式和新领域。在后续发展中，智慧建造集成系统将更广泛应用于前沿信息技术，对内连接业务系统，创新管理机制;对外连接合作伙伴，构建行业生态圈，助力行业数字化转型。