工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識解析公共支撐平臺設(shè)計研究*

(1.蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院軟件與服務(wù)外包學(xué)院，蘇州 215104；2.蘇州協(xié)同創(chuàng)新智能制造裝備有限公司，蘇州 215104；3.中國信息通信研究院工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)研究所，北京 100191)

0 引言

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為一種新型基礎(chǔ)設(shè)施，正在逐步成為驅(qū)動經(jīng)濟(jì)增長的新動能[1]。隨著二級節(jié)點(diǎn)建設(shè)持續(xù)增長，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識體系在越來越多的領(lǐng)域得到實(shí)際應(yīng)用，截至2021年5月，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識注冊量突破200億，我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展逐步進(jìn)入“快速落地期”。雖然很多企業(yè)對標(biāo)識應(yīng)用進(jìn)行了一些探索，但標(biāo)識體系自身處于快速迭代中，在標(biāo)識體系的接入、使用的便捷性方面還需進(jìn)一步發(fā)展。作為標(biāo)識應(yīng)用主體的行業(yè)企業(yè)信息系統(tǒng)繁雜，建設(shè)內(nèi)容與標(biāo)準(zhǔn)不盡相同，標(biāo)識信息具有異構(gòu)性，亟需構(gòu)建相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[2]。同時，產(chǎn)業(yè)全生命數(shù)據(jù)整合共享需要產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)共同參與，目前大多數(shù)中小企業(yè)信息化水平低，信息化成本高，投入產(chǎn)出周期時間長，長期以來，各家企業(yè)形成了信息孤島，導(dǎo)致行業(yè)企業(yè)之間的協(xié)作程度較低[3-5]。

工業(yè)企業(yè)快速、便捷使用標(biāo)識解析服務(wù)，為企業(yè)提供一體化上云服務(wù)，提高企業(yè)間的數(shù)據(jù)協(xié)同性，推動地方數(shù)字經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展成為迫切任務(wù)。標(biāo)識解析公共支撐平臺建設(shè)旨在加快企業(yè)接入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識解析體系，完善工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識解析應(yīng)用推廣和生態(tài)建設(shè)進(jìn)程，將行業(yè)企業(yè)中現(xiàn)有的數(shù)據(jù)資源和能力整合形成開放正態(tài)。

1 標(biāo)識解析體系

1.1 標(biāo)識解析體系層次架構(gòu)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識解析體系采用分層、分級模式構(gòu)建[2]，由國際根節(jié)點(diǎn)、國家頂級節(jié)點(diǎn)、二級節(jié)點(diǎn)、企業(yè)節(jié)點(diǎn)、公共遞歸解析節(jié)點(diǎn)等要素組成(見圖1)。國家頂級節(jié)點(diǎn)是指一個國家或地區(qū)內(nèi)部最頂級的標(biāo)識服務(wù)節(jié)點(diǎn)，可以在全國范圍內(nèi)提供標(biāo)識解析服務(wù)，以及標(biāo)識備案、標(biāo)識認(rèn)證等管理能力。國家頂級節(jié)點(diǎn)不僅要與各類國際根節(jié)點(diǎn)連通，還要與國內(nèi)各行業(yè)二級節(jié)點(diǎn)連通。二級節(jié)點(diǎn)是為特定行業(yè)或者通用平臺提供標(biāo)識服務(wù)的公共節(jié)點(diǎn)，向上與國家頂級節(jié)點(diǎn)對接，向下為工業(yè)企業(yè)分配標(biāo)識編碼及提供標(biāo)識注冊、解析等數(shù)據(jù)服務(wù)。企業(yè)節(jié)點(diǎn)是企業(yè)內(nèi)部的標(biāo)識服務(wù)節(jié)點(diǎn)，可以提供標(biāo)識注冊、解析等服務(wù)，既可以獨(dú)立部署，也可以作為企業(yè)信息系統(tǒng)內(nèi)的一部分。遞歸節(jié)點(diǎn)是標(biāo)識解析體系的關(guān)鍵性入口設(shè)施，通過使用緩存技術(shù)手段，快速響應(yīng)客戶端的標(biāo)識解析請求，提升整體解析服務(wù)性能。

1.2 二級節(jié)點(diǎn)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識解析二級節(jié)點(diǎn)是針對一個行業(yè)或者區(qū)域內(nèi)部的標(biāo)識解析公共服務(wù)節(jié)點(diǎn)，能夠面向行業(yè)或區(qū)域提供標(biāo)識編碼注冊和標(biāo)識解析服務(wù)，以及完成相關(guān)的標(biāo)識業(yè)務(wù)管理、標(biāo)識應(yīng)用對接等。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，截至2021年5月底，我國已上線二級節(jié)點(diǎn)134個，覆蓋23個省區(qū)市的28個行業(yè)，接入企業(yè)超過15000家，標(biāo)識注冊量突破200億，日均解析量達(dá)到1200萬次，二級節(jié)點(diǎn)建設(shè)已經(jīng)成為標(biāo)識解析推廣和應(yīng)用落地的關(guān)鍵一環(huán)。標(biāo)識解析二級節(jié)點(diǎn)功能框架如圖2所示。

圖1 標(biāo)識解析體系邏輯架構(gòu)

圖2 標(biāo)識解析二級節(jié)點(diǎn)功能框架

(1)管理體系：規(guī)范二級節(jié)點(diǎn)建設(shè)與運(yùn)營相關(guān)的管理要求，包括編碼規(guī)則、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、管理規(guī)范和運(yùn)營規(guī)范等。

(2)功能體系：從信息系統(tǒng)建設(shè)的角度，在具備基礎(chǔ)設(shè)施的前提下，界定二級節(jié)點(diǎn)應(yīng)提供的核心系統(tǒng)功能，包括標(biāo)識注冊、標(biāo)識解析、業(yè)務(wù)管理、數(shù)據(jù)管理、安全保障等。

(3)應(yīng)用體系：明確如何基于二級節(jié)點(diǎn)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺、工業(yè)企業(yè)信息系統(tǒng)、企業(yè)節(jié)點(diǎn)的對接，促進(jìn)供應(yīng)鏈管理、重要產(chǎn)品追溯、產(chǎn)品全生命周期管理等應(yīng)用。

圖3 標(biāo)識解析公共支撐平臺架構(gòu)

(4)接口規(guī)范：對二級節(jié)點(diǎn)與國家頂級節(jié)點(diǎn)、企業(yè)節(jié)點(diǎn)之間的運(yùn)營管理監(jiān)測接口、網(wǎng)絡(luò)通信接口、數(shù)據(jù)傳輸格式等進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化約定。

從二級節(jié)點(diǎn)架構(gòu)和提供的功能可以看出，其功能定位相對基礎(chǔ)，對行業(yè)企業(yè)快速構(gòu)建應(yīng)用的支撐能力有待加強(qiáng)，有必要進(jìn)行支撐平臺建設(shè)。觀察如圖1所示的標(biāo)識解析體系的邏輯框架，從技術(shù)研發(fā)和工程實(shí)施的角度來看，最可行的方案是在企業(yè)節(jié)點(diǎn)和二級節(jié)點(diǎn)之間對企業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和整合，優(yōu)化數(shù)據(jù)資源的存儲、處理和服務(wù)，為應(yīng)用層的綜合應(yīng)用提供全面的能力支撐。底層對接國家標(biāo)識解析基礎(chǔ)資源，上層應(yīng)用基于二級節(jié)點(diǎn)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺、工業(yè)企業(yè)信息系統(tǒng)、企業(yè)節(jié)點(diǎn)的對接，促進(jìn)供應(yīng)鏈協(xié)同管理、產(chǎn)品追溯、產(chǎn)品全生命周期管理、數(shù)據(jù)服務(wù)等應(yīng)用。

2 標(biāo)識解析公共支撐平臺

2.1 平臺架構(gòu)

為了使企業(yè)能夠快速接入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識解析體系，避免行業(yè)應(yīng)用企業(yè)直面繁雜的體系架構(gòu)，降低上云、上鏈成本，加快數(shù)字化升級轉(zhuǎn)型進(jìn)程，標(biāo)識解析公共支撐平臺采用云、邊、端一體化架構(gòu)(見圖3)。

(1)端側(cè)包括生產(chǎn)設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備、信息采集設(shè)備、數(shù)據(jù)資源等。其中，生產(chǎn)設(shè)備包括企業(yè)各類制造加工設(shè)備、制造執(zhí)行設(shè)備等；監(jiān)控設(shè)備包括工業(yè)攝像頭、預(yù)警裝置等；信息采集設(shè)備包括傳感器、通信模組、掃碼設(shè)備以及集成賦碼功能移動終端等；數(shù)據(jù)資源包括企業(yè)數(shù)據(jù)資產(chǎn)、業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)等。端側(cè)具有海量、異構(gòu)等特征，通常需要進(jìn)一步的處理、融合和抽象過程。

(2)邊緣側(cè)是部署在企業(yè)節(jié)點(diǎn)的各種網(wǎng)關(guān)設(shè)施、適配中間件(軟硬件資源)，它可以實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部及外部數(shù)據(jù)采集后的融合、抽象，并進(jìn)行相應(yīng)的標(biāo)識注冊、賦碼，完成與云端的協(xié)同管理，反向支持云端控制指令的下行和需要實(shí)時處理的本地計算和推理。

(3)云端分為三層，其中IaaS層構(gòu)成提供服務(wù)的物理基礎(chǔ)，主要包括計算資源、存儲資源和網(wǎng)絡(luò)資源等；PaaS層提供各種能力支撐，主要包括大數(shù)據(jù)能力、標(biāo)識注冊解析能力、可信CA分配、中間件管理能力、微服務(wù)能力、可視化引擎等，支撐SaaS層標(biāo)識應(yīng)用方案開發(fā)和集成。SaaS層是具體的業(yè)務(wù)應(yīng)用層，圍繞標(biāo)識在行業(yè)場景的應(yīng)用，進(jìn)行標(biāo)識應(yīng)用開發(fā)，為接入企業(yè)提供標(biāo)識應(yīng)用服務(wù)。典型的標(biāo)識應(yīng)用包括產(chǎn)品質(zhì)量追溯、供應(yīng)鏈管理、產(chǎn)品全生命周期管理、設(shè)備智能管理和生產(chǎn)制造協(xié)同等。

圖4 中間件應(yīng)用場景

2.2 平臺能力

公共支撐平臺獨(dú)立于行業(yè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，更多專注于提供數(shù)據(jù)資源和能力資源的開放共享。公共支撐平臺具備典型能力包括如下4方面。

2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)化工作

通過對接入行業(yè)企業(yè)的信息分析整理，從信息采集、信息共享等多個層面進(jìn)行抽象和描述，建立業(yè)務(wù)、功能等多角度的視圖，明確各參與方的角色定位、業(yè)務(wù)流程、服務(wù)能力等，解決工業(yè)系統(tǒng)元素互聯(lián)的問題，建立物理實(shí)體間的通信，實(shí)現(xiàn)上層數(shù)據(jù)端到端流動，為深層次的應(yīng)用提供標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的數(shù)據(jù)資源。這一過程的標(biāo)準(zhǔn)包括以下方面。

編碼與存儲標(biāo)準(zhǔn)：提供兼容多種體系的編碼方案，主要包括編碼規(guī)則，標(biāo)識編碼在條碼、二維碼、射頻識別標(biāo)簽存儲方式等，實(shí)現(xiàn)標(biāo)識對象在唯一尋址以及不同標(biāo)識之間的數(shù)據(jù)映射。

標(biāo)識采集標(biāo)準(zhǔn)：提供標(biāo)識在主動標(biāo)識載體中的接口協(xié)議、存儲結(jié)構(gòu)和對接方式等標(biāo)準(zhǔn)。

數(shù)據(jù)與交互標(biāo)準(zhǔn)：構(gòu)建標(biāo)識數(shù)據(jù)模型、建立統(tǒng)一元數(shù)據(jù)規(guī)范，并提供實(shí)現(xiàn)流程、解析查詢數(shù)據(jù)報文格式、響應(yīng)數(shù)據(jù)報文格式和通信協(xié)議等規(guī)范。

中間件標(biāo)準(zhǔn)：提供標(biāo)識解析服務(wù)設(shè)備所涉及的功能、接口、協(xié)議、同步等規(guī)范。主要包括連接MES、ERP、PLM等典型工業(yè)軟件系統(tǒng)的中間件接口功能、接口服務(wù)描述等，促進(jìn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)各軟硬件間的數(shù)據(jù)互通和資源共享，實(shí)現(xiàn)工業(yè)軟件的集成服務(wù)能力。

2.2.2 中間件

針對企業(yè)信息孤島現(xiàn)狀，提供設(shè)備與工業(yè)軟件、工業(yè)軟件之間、軟件與應(yīng)用之間的數(shù)據(jù)傳輸、過濾、轉(zhuǎn)換等功能的各類適配中間件，如圖4所示，解決數(shù)據(jù)交互、多源異構(gòu)標(biāo)識互通等問題，實(shí)現(xiàn)軟硬件間的數(shù)據(jù)互通和資源共享。同時，中間件與標(biāo)識解析體系對接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動化注冊和異構(gòu)標(biāo)識轉(zhuǎn)化，幫助企業(yè)制造加工設(shè)備、智能網(wǎng)聯(lián)產(chǎn)品、信息系統(tǒng)、工業(yè)軟件等快速接入，起到承上啟下的關(guān)鍵作用，最終實(shí)現(xiàn)工業(yè)全要素、全周期的信息互通，為進(jìn)一步的價值應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

2.2.3 可信接入

支撐平臺提供接入資源的可信CA的頒發(fā)，通過

圖5 主動標(biāo)識可信接入流程

平臺首先給管理的設(shè)備中間件頒發(fā)可信證書，進(jìn)而寫入主動標(biāo)識載體，實(shí)現(xiàn)設(shè)備終端在上報數(shù)據(jù)時攜帶對應(yīng)簽名。數(shù)據(jù)上報至中間件后，經(jīng)由中間件進(jìn)行可信驗(yàn)證，驗(yàn)證通過則進(jìn)行標(biāo)識的注冊，并同步至平臺，形成國家、二級、企業(yè)的可信鏈。主動標(biāo)識可信接入的一般流程如圖5所示。

2.2.4 資源開放/能力引擎

支撐平臺提供通用能力支撐，能夠匯總并提供能力資源，包括物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和行業(yè)能力。公共支撐平臺還可對應(yīng)用提供各類能力資源的開放引擎，實(shí)現(xiàn)對層出不窮的新興應(yīng)用的通用技術(shù)支持，降低應(yīng)用的開發(fā)和運(yùn)營成本，實(shí)現(xiàn)全方位支撐。

支撐平臺能夠提供能力開放，能力是一種或一組可調(diào)用功能的集合，包括各種通用、公共的信息通信技術(shù)能力和基于信息通信技術(shù)抽象出來的行業(yè)能力，可以理解為平臺上的多種標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的可調(diào)用功能集。所謂開放，是指這些能力涵蓋的API、WebService接口可以對外部組織或個人完全公開，便于被外部合作伙伴或開發(fā)者靈活調(diào)用以實(shí)現(xiàn)其二次開發(fā)，最終形成開發(fā)者正態(tài)。

3 支撐平臺實(shí)踐

支撐平臺來自于行業(yè)典型業(yè)務(wù)構(gòu)建中的實(shí)踐總結(jié)，依托該平臺可以快速構(gòu)建行業(yè)應(yīng)用，下文通過兩個案例闡述平臺的價值。

3.1 醫(yī)藥行業(yè)實(shí)踐

通過使用支撐平臺提供的標(biāo)準(zhǔn)化及中間件服務(wù)，快速對接分布在不同企業(yè)信息化系統(tǒng)中的采購、生產(chǎn)制造、物流配送、銷售流通、售后維保等各環(huán)節(jié)信息，并用標(biāo)識記錄各環(huán)節(jié)的信息，實(shí)現(xiàn)供應(yīng)鏈中上下游企業(yè)信息共享，能夠追溯從原料、產(chǎn)品、倉儲、銷售、消費(fèi)的全產(chǎn)業(yè)鏈，最終達(dá)成產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)價值和社會生態(tài)價值最大化的目標(biāo)。基于公共支撐平臺的藥品供應(yīng)鏈應(yīng)用如圖6所示，其借助公共支撐平臺提供的中間件打通企業(yè)內(nèi)部業(yè)務(wù)系統(tǒng)；同時，平臺提供的賦碼、解析、權(quán)限控制等功能，快速實(shí)現(xiàn)了從原材料、藥品生產(chǎn)、物流、銷售供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)，顯著提升了藥品行業(yè)的生產(chǎn)與經(jīng)營效率。

圖6 藥品供應(yīng)鏈應(yīng)用

3.2 模具行業(yè)實(shí)踐

在智能數(shù)據(jù)采集器中設(shè)置主動標(biāo)識載體，安裝于現(xiàn)有模具上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過對接支撐平臺的中間件，進(jìn)行設(shè)備的上電激活及標(biāo)識注冊，中間件向主動標(biāo)識載體寫入工業(yè)ID和CA，實(shí)現(xiàn)安全接入公共支撐平臺。同時，設(shè)備中間件提供協(xié)議適配及數(shù)據(jù)模型服務(wù)，可對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理注冊標(biāo)識。模具行業(yè)數(shù)據(jù)采集過程的的可信接入如圖7所示。

4 結(jié)束語

通過對標(biāo)識解析公共支撐平臺及其能力的研究，初步規(guī)劃出一個完整的資源共享開放體系架構(gòu)，提供支持信息訪問、傳遞以及協(xié)作的集成化環(huán)境，促進(jìn)碎片化的行業(yè)信息系統(tǒng)，在公共支撐平臺上集中為標(biāo)識應(yīng)用提供支撐，使之可以靈活地實(shí)現(xiàn)跨行業(yè)、跨技術(shù)的融合業(yè)務(wù)。通過醫(yī)藥和模具兩個實(shí)踐場景初步驗(yàn)證支撐平臺的有效性。

圖7 模具行業(yè)應(yīng)用