數據視角下的數智園區規劃設計

楊森，梁磊，陳光

（北京市工業設計研究院有限公司，北京 100055）

1 引言

隨著人工智能、物聯網、區塊鏈等新一代ICT 技術的迅猛發展，數字技術已廣泛滲入生產、流通、消費環節，不僅對人類的生產生活方式產生了巨大的影響，推動了城市功能組織及形態的變革，也促進了城市空間組織形式的革新，數字化生產力已經成為產業結構升級和經濟高質量發展的重要引擎。伴隨著新一代數字技術與城市現代化的深度融合與迭代演進，園區正加速向數智化方向演進，數智園區已經成為新型智慧城市建設中構建新連接、新平臺、新生態的引擎。然而，園區是一個開放的復雜系統，具有多維度、多要素、多結構及多層次的關聯關系。現有的園區規劃設計往往囿于以產品為中心的定式中，無法應對構建以數據為中心的數智園區時所須面對的業務連續性、用戶體驗等諸多問題。

在本文中，首先梳理園區的數智化演進態勢，以及所面臨的數據融合與共享等問題，并分析以數據為中心的DoDAF2.0系統結構框架的建設實踐與借鑒。最后在方法論上，從數據視角來探尋園區頂層規劃設計中的數據、數據模型、數據鏈以及以數據為中心的規劃設計及開發的方法步驟。

2 園區的數智化演進

園區是區域經濟發展、產業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，歷經數字園區、智能園區、智慧園區的發展階段之后，大量的城市要素聚集在園區，園區所承載的功能日趨多元，并逐步從要素驅動轉向創新驅動，從傳統的單一園區轉向綜合性園區發展。目前，作為新型智慧園區的深化發展，數智園區正從核心目標、支撐技術等方面引領智慧園區建設的新方向，具體如表1 所示。

表1 智慧園區與數智園區

依托BIM、AI 等新一代ICT 技術，數智園區通過互聯化、感知化、智能化等技術手段，以數據為核心生產要素，通過融合現實世界和虛擬世界的場景建設，構建園區經濟系統、社會系統、生態系統的密切融合，實現園區功能與業態的場景賦能價值，形成融合園區規劃、全域監控、應急處置、治理決策的群智共生體。

目前，園區數智化建設正在從物理空間向數字空間遷移，以物聯、數聯、智聯為驅動模式，通過對時空數據的處理，將園區內的人、事、物等要素映射到信息模型上，實現從對物理世界的感知到數據世界的孿生，構建園區運行的“數字體征”系統。通過構建融合物理世界和數字世界的平行世界，形成融園區產業發展、社會生態、自然生態為一體的元宇宙，實現對園區諸要素數智化耦合的全域空間治理，推動園區產業集群聚核、產業鏈聚鏈、園區產城融合發展，以推進新時代數字中國、智慧社區、新型城鎮化發展戰略目標的實現。

數智園區建設的本質，就是在一個開放且可擴展的數據體系下，以數據驅動為核心，充分發揮數據作為數字經濟的基礎性戰略資源和關鍵生產要素的作用，實現園區從感知、認知到決策的數智化。

3 園區數智化所面對的數據融合與共享問題

數據是數字經濟時代的核心資源，也是政府和企業的核心資產。然而，在構建以數據驅動為核心的數智園區時，如何實現園區數據的歸集、共享、開放、流通及應用卻面臨著巨大挑戰。

3.1 多維場景下多要素的全域動態耦合

在實現園區從物理世界到數據世界的遷移過程中，需要從物理世界接收數據，對數據世界的數據模型進行實時演化，構建精確映射的虛實關系，確保平行世界的同生共存、協同聯動。然而，由于物理世界是一個大型復雜系統，數據多源自跨領域、跨層級、跨主體的數據源，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、動態耦合匹配、多維場景迭代升級、園區內外資源融合應用等問題。因此，圍繞園區應用場景的建設，須依托數據驅動模式，實現園區全域數據結構互通、數據動態加載、全場景服務。

3.2 條塊分割建設模式下的煙囪式應用

在園區信息化建設過程中，應用系統的開發多是在不同技術世代、針對不同業務需求、選用不同開發技術而滿足特定的業務目標。這種條塊分割的建設模式，往往會因為數據格式缺乏統一規范，而難以達成數據的互聯互通，產生煙囪式應用，極大地限制了園區持續發展能力的提升。

3.3 應用系統的數據孤島化及I T架構固化

園區數智化建設過程中所開發的業務應用系統，往往會受到開發時間、構建技術、終端類型及代際差異、軟硬件綁定、系統整合黏性、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，從而衍生為數據孤島。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，且會在歷經長期運營后，系統的IT 架構更易于固化。

3.4 數據的安全、隱私及保密性

目前，智慧園區的建設多采用數據中心的數據匯聚與交互模式，實現數據資源的控制、調度及管理。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《中華人民共和國網絡安全法》《中華人民共和國個人信息保護法》等法規的實施，對數據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等涉密信息系統，對數據的本地化存儲及授權使用提出更高的安全要求。

園區數據的安全與融合與現有的數據流通方式之間的沖突愈發嚴重，這就要求必須重新審視現有的數據匯聚及流通模式，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

園區內各組成部分、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溝通的系統特性。運用體系結構設計方法、基于統一的體系結構框架不僅可以保障系統設計的一致性與完整性，也能夠確保系統之間數據的關聯、互通及共享，利于系統應用集成。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“以數據為中心”的體系結構框架的標準方法，是體系結構技術發展的里程碑[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1.0、1.5、2.0 共3 個版本[3-5]，實現從以產品為中心到以數據為中心的轉變，并從面向過程、對象的角度轉向面向作戰活動、能力的角度，是對架構開發方法、支撐工具體系、系統環境的調整，確保各個系統之間的互聯、互通與互操作。DoDAF 強化對高效決策所需數據的收集、存儲及使用。

在DoDAF2.02 版本[6]中，圍繞規劃方、管理方等6 類利益攸關方，以節點、需求線、服務及信息交換為核心要素描述業務活動的結構，提供全局視角、數據與信息視角等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范，根據數據之間的內在含義及邏輯關系，將體系結構數據框架數據模型化，描述體系結構框架數據的概念、關系及屬性，規范了數據交換的語義及格式，為體系結構描述中的語義精準化提供基礎。

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

DoDAF2.0 元模型規范了體系結構的數據元素，為語義一致性提供了保障，為應用集成和數據聯邦的構建提供了體系結構描述的基礎，滿足跨域、跨部門的數據信息交換、共享及復用。

4.3 DoDAF2.0 的數據和信息視角

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

依據數據之間的內在含義和邏輯關系，數據和信息視角（Data and Information Viewpoint）對業務需求、結構化的業務流程規則進行描述，包括體系結構數據的概念、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，概念數據模型描述了所需的高層數據概念及其關系。邏輯數據模型是數據需求、結構化業務流程（行動）規則的文檔。物理數據模型是邏輯數據模型實體的物理實現格式，包括消息格式、文件結構和物理模式等。

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

5 數據視角下的數智園區規劃設計

5.1 以數據為中心的體系結構頂層設計

園區的發展會伴隨著國家政策、園區戰略、發展態勢及市場需求的變化而不斷對技術體系、服務體系、生態體系進行優化，確保能夠應對外部環境的變化。因此，數智園區的建設與發展并不只是ICT 產品串接、技術堆疊的聚合體，而是以頂層設計為指引的持續優化。園區體系結構的設計與開發，正是園區頂層設計的重要手段之一。

數智園區中平行世界的構建，亟待圍繞園區高效決策所需數據的收集、存儲及使用。為此，在數智園區頂層規劃設計中，可以借鑒DoDAF 中數據、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據而進行的可視化表示，并從對數據一致性、可重用作為一種要求，轉向全面落實“以數據為中心”的體系結構框架的構建上來。通過規范體系結構數據的開發、管理和使用，構建精確映射的虛實關系，保障數據世界數據模型的實時演化，實現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，圍繞數據、模型和視圖來共同描繪一個完整的園區信息系統的體系結構，便于利益攸關方通過對體系結構的一致性認知，來建設數智園區的構成系統。

5.2 園區數據鏈閉環體系的構建

在數字世界中，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。對于數據世界中的實體機理模型和數據模型，只有通過獲取物理實體的狀態、仿真等動態數據，才能夠確保數據世界的模型間接反映物理實體的狀態。對于數智園區，在時空、政務、企業、公眾等多類型數據驅動下，通過對物理世界的時空狀態變化進行實時感知，經由虛實交互的感知與反饋控制通路，依據園區活動的真實數據和智能應用的反饋控制指令，才能實現對物理世界和數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、數字模型的基礎上，數據的鏈接與控制已成為數智園區構建平行世界的關鍵。

構建面向數智園區全過程、全要素、全方位的動態數據鏈，建設貫通感知、分析、決策、執行到反饋的數據鏈閉環體系，并確保數據規范及安全，已成為實現對物理世界中的活動進行動態預測及決策控制的關鍵所在。

5.3 以數據為中心的體系結構開發步驟

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

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

2）確定園區信息系統體系結構范圍，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）確定園區信息系統體系結構開發所需的數據，涉及數據體系結構的數據實體、產品的粒度及屬性、度量標準、關聯的元數據等。

4）收集、組織、關聯和存儲體系結構的數據。確定園區信息系統所需構建的子系統以及其所依托的數據。通過對數據的分析，構建知識庫、活動模型、數據模型、動態模型等，并開發相應的信息系統。

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，如生成技術等產品視圖、可重用數據等。

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，協同梳理并規劃設計園區體系結構的目標、范圍、關鍵特征以及體系結構產品。如此，才能保證設計人員在后兩步中開發出符合設定的體系結構框架。

6 結語

數智園區是增進城市經濟活力、壯大區域經濟、促進數字經濟發展的有效載體，是構建新發展格局、培育新競爭優勢的重要力量。以數據為中心的園區規劃設計不僅可以為構建全域一張圖、感知一張網、治理一平臺的平行世界提供保障，也有利于凝聚園區各方的全域價值鏈，實現園區共建、共享與共治整體價值的提升。