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摘要：層次化編碼方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用在互聯(lián)網(wǎng)以及物流及產(chǎn)品追溯相關(guān)應(yīng)用中，但是對(duì)于工廠生產(chǎn)制造過(guò)程的數(shù)字對(duì)象如何進(jìn)行高效編碼仍有局限性。本文提出一種層次化的面向制造的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)設(shè)計(jì)方法，能夠有效地將制造企業(yè)中的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分層定義，以支撐企業(yè)與用戶之間、企業(yè)與企業(yè)之間及企業(yè)內(nèi)部的數(shù)據(jù)交互與溝通。

關(guān)鍵詞：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)；層次化標(biāo)識(shí)設(shè)計(jì)；標(biāo)識(shí)解析；數(shù)據(jù)處理

Abstract: Hierarchical coding has been widely used in the Internet, Logistics and product tracing related applications. However, there are still limitations on how to efficiently code digital objects in factory manufacturing process. This paper proposes a hierarchical method for manufacturing-oriented
industrial Internet identifier design, which can effectively define the data information hierarchically. Consequently, the data interaction and communication between enterprises and users, enterprises and enterprises, and within the enterprises will go on wheels.

Key words: Industrial Internet; Hierarchical identification design; Identifier resolution; Data processing

1　引言

層次化標(biāo)識(shí)方法具有結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)清晰、邏輯性強(qiáng)、解析過(guò)程簡(jiǎn)單快速、信息容量大的特點(diǎn)，作為傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的重要組成部分，在互聯(lián)網(wǎng)中起著連接服務(wù)地址與用戶請(qǐng)求的重要作用，并已成功廣泛應(yīng)用。DNS（Domain Name System）是互聯(lián)網(wǎng)上一種典型的層次化編碼解析體系，用以實(shí)現(xiàn)資源尋址。DNS是互聯(lián)網(wǎng)中最重要的解析協(xié)議之一，用于域名與IP地址之間的相互映射，通過(guò)DNS將域名映射為具體的IP地址，如圖1所示。

圖1 DNS域名IP映射示例

DNS采用樹(shù)形結(jié)構(gòu)的域名來(lái)代替主機(jī)名，并基于分層次的編碼規(guī)則來(lái)實(shí)現(xiàn)域名到IP地址的尋址過(guò)程，這樣的方法提高了查詢和管理的效率^[1]；DNS包裹了三個(gè)主要組成部分，分別為域名空間和資源記錄、名字服務(wù)器以及解析器；其中域名空間是采用樹(shù)形的分層次結(jié)構(gòu)，如圖2所示，頂層節(jié)點(diǎn)為根節(jié)點(diǎn)，然后下面是頂級(jí)域、第二層域、子域^[2-3]等。名字服務(wù)器是用于給域名空間結(jié)構(gòu)和信息進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存；解析器是對(duì)名字服務(wù)器進(jìn)行信息抽取。

圖2 DNS樹(shù)狀域名空間

DNS實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)中域名與IP地址之間的尋址，面向的是互聯(lián)網(wǎng)上的服務(wù)資源，隨著物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，需要將數(shù)字對(duì)象，包括物理資源、數(shù)據(jù)資源等一系列的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行信息標(biāo)識(shí)，傳統(tǒng)的DNS不能直接用于對(duì)這類信息的標(biāo)識(shí)尋址。因此國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了其他面向數(shù)字對(duì)象的標(biāo)識(shí)體系研究。

2　國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有標(biāo)識(shí)解析體系

在物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，標(biāo)識(shí)解析體系可以實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)對(duì)象進(jìn)行統(tǒng)一標(biāo)識(shí)。標(biāo)識(shí)解析體系包括了兩方面內(nèi)容：一是標(biāo)識(shí)編碼，通過(guò)標(biāo)識(shí)編碼將數(shù)據(jù)對(duì)象進(jìn)行唯一的身份標(biāo)識(shí)；二是解析系統(tǒng)，通過(guò)標(biāo)識(shí)編碼，對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)象進(jìn)行唯一性的定位和信息查詢，是實(shí)現(xiàn)全球供應(yīng)鏈系統(tǒng)和企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的精準(zhǔn)對(duì)接、產(chǎn)品的全生命周期管理和智能化服務(wù)的前提和基礎(chǔ)。為此，國(guó)內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)開(kāi)始了標(biāo)識(shí)解析體系的設(shè)計(jì)與研究，包括DONA（Data-Oriented Network Architecture）、美國(guó)統(tǒng)一代碼委員會(huì)、國(guó)家OID注冊(cè)中心、中國(guó)物品編碼中心等，形成了包括Handle、EPC（Electronic Product Code）、OID（Object Identifier，對(duì)象標(biāo)識(shí)符）、Ecode等典型的標(biāo)識(shí)解析體系。

Handle系統(tǒng)是一套全球分布式的管理系統(tǒng)，目前由DONA基金會(huì)進(jìn)行管理和運(yùn)營(yíng)。Handle主要用于數(shù)據(jù)對(duì)象的標(biāo)識(shí)注冊(cè)、解析與管理。Handle的編碼結(jié)構(gòu)分為權(quán)威域（前綴）/本地命名（后綴）。權(quán)威域可下轄若干子權(quán)威域，自左向右用“.”隔開(kāi)。前綴后綴之間用“/”分隔。通過(guò)Handle解析系統(tǒng)可以將Handle的標(biāo)識(shí)碼進(jìn)行解析，映射到具體的IP地址以及相關(guān)的標(biāo)識(shí)信息，如圖3所示。

圖3 Handle標(biāo)識(shí)解析系統(tǒng)映射機(jī)制

EPCglobal是由國(guó)際物品編碼協(xié)會(huì)和美國(guó)統(tǒng)一代碼委員會(huì)成立的非盈利性組織。EPCglobal負(fù)責(zé)EPC標(biāo)識(shí)編碼的分配與管理以及EPC相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定。EPC編碼具有唯一性、簡(jiǎn)單性、可擴(kuò)展性以及保密性和安全性等特點(diǎn)，編碼用途是將單品信息進(jìn)行唯一化標(biāo)識(shí)，編碼內(nèi)容包括版本號(hào)、域名管理、對(duì)象分類以及序列號(hào)，如圖4所示。版本號(hào)為采用的EPC標(biāo)識(shí)體系的版本號(hào)，域名管理表示產(chǎn)品的生產(chǎn)企業(yè)信息，對(duì)象分類標(biāo)識(shí)產(chǎn)品所屬的種類，序列號(hào)為產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的序列號(hào)信息。

圖4 EPC編碼內(nèi)容

OID是由ISO/IEC、ITU共同提出的標(biāo)識(shí)機(jī)制^[4]，我國(guó)于2006年開(kāi)始運(yùn)營(yíng)和管理國(guó)家OID注冊(cè)號(hào)。OID標(biāo)識(shí)方案為分層結(jié)構(gòu)，在該分層結(jié)構(gòu)下，信息客體由構(gòu)造名稱唯一地進(jìn)行標(biāo)識(shí)，該構(gòu)造名稱由從樹(shù)根到葉子節(jié)點(diǎn)的部件組成。由于從根節(jié)點(diǎn)到每個(gè)節(jié)點(diǎn)在注冊(cè)機(jī)構(gòu)分配的值中是唯一的，故構(gòu)造名稱唯一。OID編碼體系具有良好的可擴(kuò)展性，且其分層次編碼的結(jié)構(gòu)有利于分級(jí)管理和分布式維護(hù)。OID編碼中不同層次之間用“.”分隔，例如“2.16.156”為 OID 編碼體系中為中華人民共和國(guó)分配的編號(hào)，如圖5所示。

圖5 OID編碼分層結(jié)構(gòu)圖示例

以上的標(biāo)識(shí)解析系統(tǒng)設(shè)計(jì)，本質(zhì)上都是基于層次化的編碼設(shè)計(jì)思想來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是對(duì)于工廠生產(chǎn)制造過(guò)程的數(shù)字對(duì)象尚無(wú)相應(yīng)的分層策略，本文提出一種層次化的面向制造的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)設(shè)計(jì)，能夠有效地將制造企業(yè)中的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分層定義，利于企業(yè)之間、企業(yè)與用戶之間的數(shù)據(jù)交互與溝通。

3　面向制造的層次化標(biāo)識(shí)方法設(shè)計(jì)

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中，采用分層次的方法來(lái)定義對(duì)象的標(biāo)識(shí)編碼體系是一種廣泛應(yīng)用的方法。但是目前對(duì)于工廠生產(chǎn)制造過(guò)程來(lái)說(shuō)，并沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的分層方法。因此提出面向工廠生產(chǎn)過(guò)程的層次化分層方法，按照文獻(xiàn)5對(duì)工業(yè)生產(chǎn)層次的分層，將企業(yè)劃分為一個(gè)或幾個(gè)現(xiàn)場(chǎng)的集合體進(jìn)行整體劃分考慮，企業(yè)還可以下設(shè)現(xiàn)場(chǎng)、區(qū)域、過(guò)程組元、單元、裝置模塊以及控制模塊等分層結(jié)構(gòu)，如圖6所示，結(jié)合工廠生產(chǎn)制造過(guò)程，在分層結(jié)構(gòu)中，單元部分為必有項(xiàng)，其他內(nèi)容為可選項(xiàng)。同時(shí)裝置模塊中和控制模塊支持自包含。通過(guò)上述七層的工廠劃分，其場(chǎng)景基本涵蓋了工業(yè)生產(chǎn)中的全流程，對(duì)其中各場(chǎng)景的數(shù)據(jù)進(jìn)行分層編碼標(biāo)識(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)企業(yè)從生產(chǎn)、制造到銷售的全流程的數(shù)據(jù)對(duì)象信息標(biāo)識(shí)。

圖6 面向工廠生產(chǎn)過(guò)程的層次化分層方法

在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，使用層次化的數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各種數(shù)據(jù)信息的標(biāo)識(shí)和統(tǒng)一化命名；該數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)的編碼規(guī)則以符號(hào)“IMP：”開(kāi)始，長(zhǎng)度是不定長(zhǎng)的，其主體部分包括了企業(yè)（enterprise）、現(xiàn)場(chǎng)（field）、區(qū)域（domain）、過(guò)程組元（process_component）、單元（unit）、裝置模塊（device_module）、控制模塊（control_module）以及版本號(hào)（version），其中各個(gè)部分通過(guò)“|”進(jìn)行區(qū)分，如果某一層結(jié)構(gòu)為空，則用“null”替代；所有的內(nèi)容不區(qū)分大小寫，圖7為面向工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的層次化編碼規(guī)則。

圖7 面向工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的層次化編碼規(guī)則

面向工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的層次化編碼的例子如圖8所示，其中86.1000為企業(yè)名稱；field001為企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)代碼；KQ_domain為區(qū)域名稱；assemble_process為過(guò)程組元名稱；temperature_monitor為單元名稱；temperature_sensor為裝置模塊；switch為控制模塊；20181227為版本號(hào)。

圖8 面向工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的層次化編碼示例

4　結(jié)論

以DNS為代表的層次化標(biāo)識(shí)解析體系已經(jīng)成功應(yīng)用于傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)資源定位與尋址，但是其在應(yīng)對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)象標(biāo)識(shí)方面具有明顯的不適應(yīng)性。因此國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了針對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)識(shí)體系設(shè)計(jì)，這些體系基本沿用層次化標(biāo)識(shí)編碼思想，但是對(duì)面向工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用的分級(jí)方法考慮有限。本文提出了一種面向工廠生產(chǎn)的層次化標(biāo)識(shí)編碼設(shè)計(jì)方法，可覆蓋包括產(chǎn)品生產(chǎn)制造等在內(nèi)的全流程，是對(duì)將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)進(jìn)一步應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的有力補(bǔ)充。

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作者簡(jiǎn)介：

劉陽(yáng)，中國(guó)信息通信研究院工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)研究所副總工程師，博士。主要從事工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域研究工作，涉及標(biāo)識(shí)解析服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、邊緣計(jì)算、語(yǔ)義等方面。

摘自《自動(dòng)化博覽》2019年3月刊