铁路物联网标识解析体系研究

铁路物联网标识解析体系研究 孙鹏 等

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1 概述标识解析体系集中管理电子标识的命名、寻址和发现，适合于统一条形码、二维码、RFID、NFC、激光打码等自动对象识别技术，其本质是将物理或虚拟实体（如物品、设备、数字对象等）的标识编码映射为相关的信息资源地址，并在电子标识基础上提升多源工业大数据的关联知识服务能力。标识解析体系的作用类似于域名解析系统（DNS），是物联网、工业互联网运行的关键信息基础设施，对产品质量追溯、供应链管理、全生命周期管理等业务应用具有重要战略价值，目前已得到国家战略政策的大力推动。铁路物联网服务平台主要实现物联网终端设备的统一连接和集中管理，提供标识解析、普适连接、边缘计算、物联网安全等共性基础能力，支持物联网感知设备的跨域共享和协同操作，以集聚全路物联网资源，赋能智能铁路建设。依托铁路物联网服务平台[1]，建立面向铁路的电子标识解析子平台，实现同一组织内异构编码物品标识的统一解析，以及跨系统、跨专业、跨行业甚至跨国的物品标识共享。长期以来，铁路主要通过垂直应用场景下的专业管理需求，驱动物联网电子标识的应用实施。各专业领域积累了大量的标识应用系统，电子标识载体及其技术原理存在巨大差异，标识的编码结构设计和分配原则规划不统一，标识的申请、分配和回收管理方式不一致，其数量庞大、类型繁多、应用灵活，呈碎片化部署形态，存在潜在的重复建设投入风险，不利于铁路内部或与路外关联行业开展共享协作，水平化、扁平化的电子标识解析与管理是铁路物联网未来发展的方向。铁路标识解析节点作为铁路物联网服务平台的必要组成部分，是构建铁路物联网数据采集体系的铁路物联网标识解析体系研究孙鹏1，史天运2（1.中国铁道科学研究院集团有限公司 电子计算技术研究所，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 合作开发部，北京 100081）

基金项目：中国铁路总公司科技研究开发计划项目（2017X006-C）第一作者：孙鹏（1979—），男，副研究员，博士。摘 要：行业标识解析体系是强化铁路物联网数据采集能力的首要技术问题，在全面总结当前标识解析技术发展现状的基础上，依托铁路物联网服务平台，提出铁路物联网标识解析体系的总体定位、设计思路、实现原理、总体架构和实施建议，分析未来铁路电子标识深化应用的关键技术及问题，展望铁路电子标识的创新应用模式，为当前智能铁路建设提供重要参考。关键词：物联网；标识解析；电子标识；智能铁路中图分类号：TP393；TP391；U29 文献标识码：A 文章编号：1001-683X（2019）06-0059-07DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2019.06.059铁路物联网标识解析体系研究 孙鹏 等

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CHINA RAILWAY 2019/06关键信息基础设施，研究其总体定位、设计思路、实现原理、总体架构、实施策略、关键技术和创新应用模式，对于推动条形码、二维码、RFID等铁路电子标识的标准化统一管理与共享应用具有重要意义。2 标识解析体系的国家战略布局针对不同地区、行业领域电子标识应用条块分割、零散混乱的总体现状，伴随着各企业实施自主化、独立性标识管理需求的不断增强，建立多级分布式、统一的标识解析体系已成为发展共识。2.1 标识解析技术研究目前，国内外存在多种标识解析体系，以下介绍其中几种主流技术[2-3]。Handle体系最早由互联网之父、TCP/IP联合协议发明者Robert E Kahn提出，在全球设置多个主根节点，彼此平等互通，受到各国的普遍重视。Handle编码包含前缀和自主定义2部分，具有极大灵活性，近年来被广泛应用于产品溯源、数字图书馆等领域。GS1体系前身是国际商品条形码系统，发展至今通过扩展EPC标准[4]及RFID技术，建立了完整的全球统一编码标识体系，形成全球标识数据同步网络，广泛用于全球物流、商品零售等领域。OID体系由ISO/IEC、ITU等国际标准组织联合提出，广泛应用于医疗卫生、网络管理与信息安全等领域。Ecode体系是我国拥有自主知识产权的国家物联网标识体系，已成功应用于我国农产品质量溯源等领域。标识解析技术是适用于各地区或行业的共性支撑技术，可以解决“信息孤岛”问题，突破不同领域间的信息壁垒，是实现工业大数据、设备智能化等目标的基础。因此，近年来我国研究机构基于不同的技术体系，对标识解析系统开展广泛的技术研究和工程验证。中国物品编码中心最早致力于提供目前使用最广泛的商品条形码服务，之后推广基于RFID的EPC服务，并自主研发了Ecode标识体系。2007年，设立于中国电子标准化研究院的OID标识解析平台研究完成。2012年，国家工业信息安全发展研究中心、北京中数创新科技股份有限公司等组成联合体，在我国设立Handle根节点，并负责管理运营和推广应用。2013年，由国家发展和改革委员会正式批复、兼容多种标识技术标准的国家物联网标识管理公共服务平台在中国科学院计算机网络信息中心研究完成。目前，标识解析体系已成为国家工业互联网发展战略推动的重点任务。2.2 国家层面部署现状目前，工业互联网联盟推荐的国家标识解析体系部署架构见图1。其中，国际根节点（如Handle根节点）面向全球范围不同国家、不同地区提供根区数据管理和根解析服务，未来逐步引入和完善多种标识解析国际根节点；国家顶级节点作为建立我国标识解析体系的关键，是对外互联的国际关口，也是对内统筹的核心枢纽；二级节点面向行业提供标识注册和解析服务，未来将选择优势行业（如铁路）优先构建行业性二级节点；公共递归解析节点通过缓存等手段提升标识解析服务性能。

2017年底，国务院发布《关于深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见》。2018年，5个标识解析国家顶级节点分别在北京、上海、广州、武汉、重庆正式落户，互为镜像备份。国家顶级节点是工业互联网的核心资源和关键基础设施，是支撑工业万物互联互通的神经枢纽，同时为未来二级行业节点的建设铺平了道路。2.3 相关技术标准当前标识解析技术在国家和行业应用中的基础地位日趋凸显，必须遵循国际及我国的通用技术标准，补齐面向铁路行业的技术应用标准。根据工业互联网产业联盟建议，标识解析技术标准体系见图2。Handle根节点DNS根节点国家顶级节点（兼容Handle、OID、Ecode等不同体系）（包含备案、监测、应急等公共服务体系）北京上海广州武汉重庆二级节点二级节点二级节点公共递归解析节点应用：产品质量追溯、供应链管理、全生命周期管理图1 国家标识解析体系部署架构铁路物联网标识解析体系研究 孙鹏 等

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CHINA RAILWAY 2019/063 铁路物联网标识解析体系方案3.1 总体定位及设计思路构建面向铁路行业的标识解析二级节点，接入国家物联网标识解析体系，完善铁路物联网数据采集体系，促进铁路运输全要素互联互通，支撑铁路行业智能转型。铁路物联网标识解析体系的总体定位及设计思路见图3。建设铁路物联网标识解析体系，对于提升铁路信息系统的应用高度具有以下意义：一是取得全球唯一的铁路行业物联网标识前缀，并通过国家顶级节点与全球标识同步网络接轨，结合铁路行标扩展自主定义部分的编码规则，使得铁路资产的标识编码具有全局唯一性，实现机车车辆、线桥隧基础设施、关键技术设备、铁路货物与集装器具等“一物一码”；二是支撑跨行业、甚至跨国的标识共享及关联应用，在中欧铁路国际联运、空铁公水多式联运、铁路移动装备造修精准对接、工程建造运维协同联动等领域发挥重要作用；三是支撑全路跨系统、跨专业的标识共享及关联应用，为实现铁路运输组织过程多专业的协同作业、重要资产的全生命周期质量追溯、货运物流供应链[5]的单元化精细管理奠定基础。铁路物联网服务平台作为铁路信息系统与铁路运输系统之间无缝融合的通道，处于软硬结合的“枢纽位置”，主要实现物联网终端设备的统一连接和集中管理，其中铁路电子标识解析子平台即铁路标识解析节点，是铁路物联网服务平台的必要组成部分。3.2 技术实现原理铁路物联网标识解析体系实现全路电子标识的解析与管理，围绕标识信息资源库，具有标识解析系统、标识注册服务、标识关联知识服务、身份认证与权限管理、标识信息资源运维等功能，其技术实现原理见图4。整体架构标准编码与存储标准采集与处理标准解析标准数据与交互标准设备与中间件标准异构互操作标准应用支撑标准标识解析技术标准图2 标识解析技术标准体系

信息IT客运物流机辆工电建造跨专业/跨系统物品标识共享跨行业/跨国物品标识共享国家标识解析顶级节点多式联运、国际联运、铁路技术装备造修/工程站前站后精准对接等跨专业网络化协同作业、全生命周期质量追溯、物流供应链精细管理等铁路专业化垂直业务应用...标识查询标识发现获取全球唯一物联网标识前缀，兼容异构标识编码标准(Handle根节点)国际根节点(电子标识解析与管理，存储物名映射关系与资产详细信息)设备普适连接子平台边云协同计算子平台电子标识解析子平台（铁路行业二级节点）铁路物联网服务平台多级标识解析多级标识解析图3 铁路物联网标识解析体系的总体定位及设计思路解析系统APPXML资源描述①标识编码匹配②URL④访问权限查询⑤返回权限信息标识信息资源系统标识数据所有者物名映射信息资源详细信息标识注册服务批量上传标识信息资源运维标识关联知识服务身份认证权限管理铁路主数据管理平台业务应用信息系统数据采集处理XML格式数据业务接口⑥标识资源生成⑦标识资源发现分类编码铁路物联网标识解析子平台（电子标识解析与管理）

图4 铁路物联网标识解析体系的技术实现原理铁路物联网标识解析体系研究 孙鹏 等

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CHINA RAILWAY 2019/063.2.1 标识解析系统及工作流程已完成注册的铁路资产标识编码，通过标识解析即可获得所对应资产对象的名称与详细信息。首先，客户端发送标识解析请求，解析系统中存储了从标识编码到若干服务资源地址（URL）的映射信息，客户端根据匹配到的URL向标识资源系统重新定向；然后，标识资源系统向解析系统发送资源访问权限查询请求，获得当前用户身份的访问权限信息；最后，标识资源系统根据访问控制信息生成XML格式的资源描述数据，发送至客户端。标识资源系统存储关于资产对象的详细信息，包括设计参数、维修履历、故障历史等内容，更进一步的信息也可通过铁路业务系统开放接口提取。因此，即使资产对象的服务资源地址或其他动态状态信息发生变化，通过唯一稳定的标识编码都可以取得相应的资源信息。3.2.2 标识注册服务及工作流程铁路主数据管理平台[6]提供固定设施、移动设备、运输产品、物资设备、人员机构等5个领域的共享静态数据，其中包含线路桥隧、机车车辆、运输器具、物资、设备、配件、人员等方面的大量公共基础编码，提供各种铁路资产对象的分类码。铁路各级机构作为标识数据的所有者，为实现“一物一码”，应按行业标准规范对单品资产生成序列号作为后缀，并追加预申请的前缀以保证全球唯一性，完成对该资产的赋码工作。从既有业务系统的开放接口中抽取数据，通过加工处理生成XML格式的资源详细描述信息。标识数据批量上传至标识注册服务，物名映射信息、资源详细信息将分别发送至标识解析系统和标识信息资源系统中存储。标识注册服务不仅实现标识数据的大批量注册，还实现标识全生命周期的申请、分配和回收管理。3.2.3 标识关联知识服务通过资产标识编码获得服务资源地址的标识寻址，仅是标识解析体系中最基础的功能。随着铁路各专业资产标识信息的大量注册，将会积累形成庞大的标识资源信息库，在此基础上能够构造丰富的关联知识服务。例如，以部分标识编码为条件进行检索，可查询某类型资产的数量与总体使用状况；利用单个标识编码，可获得某复杂设备零部件的组合关系或某个打包物品的绑定关系；利用标识解析体系，可实现资产对象的全生命周期数据管理、物体实时定位等。3.2.4 身份认证与权限管理标识解析体系提供用户身份认证、访问权限管理的功能，针对客户端用户的角色和访问权限，按照访问控制策略生成动态的资源描述信息，并提供一定的信息安全保护能力。3.2.5 标识信息资源运维为保证标识解析体系中海量标识编码信息的全局唯一性，资产对象编码、名称、详细信息的一致完整性，建立相应的运维机制实施日常管理，保障标识数据资源质量。3.3 总体架构铁路物联网标识解析体系的总体架构主要由基础设施层、标识解析层、业务应用层，标识解析、标识注册、数据采集3种中间件，以及运维管理体系、安全保障体系构成（见图5）。

基础设施层提供用于铁路标识解析处理的计算、数据存储、网络资源，考虑到未来全路标识查询搜索的海量处理需求，标识解析应采用云化服务方式在数据中心部署。标识解析层即铁路标识解析节点，连接国家顶级节点，提供铁路标识解析与管理服务，包括标识注册/分配、标识解析、信息关联、元数据管理、身份认证、权限管理等核心功能，以标识解析和注册中间件作为开放接口，为铁路业务应用或终端用户提供基础服务。业务应用层基于物联网电子标识解析子平台实现铁路标识集成创新应用，主要包括铁路业务应用、跨产业链协作、多式联运合作3个方面。

基础设施层数据采集中间件（信息系统或智能设备接口）计算资源云基础服务数据资源网络资源标识注册中间件标识解析层（物联网标识解析子平台）标识注册/分配身份认证标识解析元数据管理权限管理信息关联标识解析中间件（XML接口）运维管理体系安全保障体系综合协同系统战略决策系统建设管理系统资源管理系统经营开发系统运输生产系统业务应用层铁路移动装备制造系统铁路工程建筑建造系统...航空运输系统公路运输系统水路运输系统国际运输系统...铁路业务应用跨产业链协作多式联运合作

图5 铁路物联网标识解析体系架构