頭部廣 告

摘要：現(xiàn)代自動(dòng)化物流分揀系統(tǒng)中，多廠商設(shè)備集成時(shí)的協(xié)議不一致問(wèn)題長(zhǎng)期制約系統(tǒng)效能提升，本文結(jié)合鄂州花湖機(jī)場(chǎng)轉(zhuǎn)運(yùn)中心的實(shí)際工程案例，探討基于中間件的分揀系統(tǒng)集成解決方案，方案核心通過(guò)建立專(zhuān)門(mén)的協(xié)議轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)映射機(jī)制，解決了分揀機(jī)底層與高層控制系統(tǒng)之間的通信問(wèn)題。從實(shí)際應(yīng)用結(jié)果可以看出，該中間件實(shí)現(xiàn)了三家不同品牌分揀設(shè)備的協(xié)同工作，有效保障了系統(tǒng)日處理量達(dá)數(shù)百萬(wàn)件的超大型國(guó)際轉(zhuǎn)運(yùn)中心的穩(wěn)定運(yùn)行。其重要意義在于實(shí)現(xiàn)了高層與底層控制系統(tǒng)的解耦，提升了整個(gè)系統(tǒng)的靈活性與可擴(kuò)展性。

關(guān)鍵詞：系統(tǒng)集成；中間件；物流自動(dòng)化；交叉帶分揀機(jī)；高層控制系統(tǒng)

作者：魯聯(lián)軍

范德蘭德物流自動(dòng)化系統(tǒng)（上海）有限公司

題眼廣 告

一

引言

工業(yè)控制系統(tǒng)協(xié)同中間件，即指異構(gòu)工業(yè)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)壁壘、系統(tǒng)性應(yīng)用難題、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)協(xié)議兼容和設(shè)備接入、工控系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成和數(shù)據(jù)交換等各類(lèi)中間件。目前中間件主要集中于政府、金融等行業(yè)領(lǐng)域，工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品較少。國(guó)外德國(guó)西門(mén)子、美國(guó)羅克韋爾、GE等雖有工業(yè)中間件產(chǎn)品，但是面向異構(gòu)工業(yè)控制系統(tǒng)協(xié)同中間件產(chǎn)品較少。國(guó)內(nèi)研究和整體應(yīng)用并不多，發(fā)展處于起步階段[1]。

本文以近幾年成功投入運(yùn)營(yíng)的湖北鄂州花湖機(jī)場(chǎng)轉(zhuǎn)運(yùn)中心為例，分析中間件在異構(gòu)分揀系統(tǒng)中的應(yīng)用。該轉(zhuǎn)運(yùn)中心配備設(shè)備2.3萬(wàn)臺(tái)，最高每小時(shí)處理量28萬(wàn)件，是國(guó)內(nèi)乃至全球物流網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。該轉(zhuǎn)運(yùn)中心分揀系統(tǒng)由三家不同的分揀機(jī)供應(yīng)商提供，同時(shí)集成了來(lái)自多個(gè)廠商的輔助設(shè)備，這些都需要與同一個(gè)高層控制系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，而這些設(shè)備在應(yīng)用層協(xié)議、報(bào)文格式、數(shù)據(jù)語(yǔ)義等交互內(nèi)容上存在著明顯的差異。本研究的目的是為類(lèi)似復(fù)雜的自動(dòng)化系統(tǒng)集成提供一種可行的中間件應(yīng)用解決方案與實(shí)踐參考。

二

異構(gòu)分揀系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文提出的異構(gòu)分揀系統(tǒng)中間件設(shè)計(jì)集成方案[2][3]采用高層控制系統(tǒng)、中間件層和底層控制系統(tǒng)（包括多家分揀機(jī)廠商、單件分離和掃描儀等設(shè)備）等三層邏輯架構(gòu)。該架構(gòu)以中間件為核心樞紐，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)設(shè)備與統(tǒng)一管控平臺(tái)之間的協(xié)議適配、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和可靠通信，提高系統(tǒng)的效率和性能[4]。系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)圖

1.高層控制系統(tǒng)

高層控制系統(tǒng)作為系統(tǒng)的核心決策單元，負(fù)責(zé)處理全局業(yè)務(wù)邏輯和集中管控。具體功能包括：解析由中間件傳遞的標(biāo)準(zhǔn)格式報(bào)文（如路向請(qǐng)求），根據(jù)包裹條碼查詢后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)以確定分揀目的地，并將查詢結(jié)果通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)格式報(bào)文（如路向回復(fù)）下發(fā)至中間件。同時(shí)，該系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控所有底層設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、記錄生產(chǎn)數(shù)據(jù)、并支持異常情況的人工干預(yù)流程。在通信層面，高層控制系統(tǒng)只需要和中間件對(duì)接，采用統(tǒng)一預(yù)定義的標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文格式進(jìn)行交互。

2.中間件系統(tǒng)

中間件系統(tǒng)承擔(dān)協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理的樞紐角色，實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)系統(tǒng)之間的無(wú)縫對(duì)接。其主要功能包括：

（1）協(xié)議與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換：通過(guò)協(xié)議適配器，實(shí)現(xiàn)不同廠商設(shè)備私有協(xié)議和內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)格式之間的雙向轉(zhuǎn)換；利用數(shù)據(jù)映射引擎執(zhí)行字段映射、類(lèi)型轉(zhuǎn)換和值映射（如分揀機(jī)供件臺(tái)編號(hào)映射、流水號(hào)格式化等）；

（2）通信保障：通過(guò)消息隊(duì)列緩沖高峰流量，保障通信可靠性；具備連接管理和斷線重連機(jī)制，維持高層與各設(shè)備之間連接的穩(wěn)定性；

（3）運(yùn)維支持：記錄所有通信報(bào)文和系統(tǒng)事件日志，便于審計(jì)和故障排查；

（4）靈活擴(kuò)展[5]：支持通過(guò)配置方式動(dòng)態(tài)更新映射規(guī)則和轉(zhuǎn)換邏輯，新增或更換設(shè)備時(shí)無(wú)需修改高層核心代碼，只需要在中間件配置新的協(xié)議適配器和映射關(guān)系；

（5）協(xié)助底層設(shè)備之間的通信：中間件能協(xié)助部分底層設(shè)備實(shí)現(xiàn)間接通信，有助于減少直接通訊的數(shù)據(jù)量和硬件耦合器的使用量。

3.底層控制系統(tǒng)

底層控制系統(tǒng)由各廠商的輸送機(jī)、單件分離器、掃描儀、分揀機(jī)等設(shè)備構(gòu)成，作為執(zhí)行單元負(fù)責(zé)完成包裹的輸送、掃描、疊件分離和分揀等具體操作。各設(shè)備均采用自身定義的私有協(xié)議和內(nèi)部數(shù)據(jù)格式直接與中間件進(jìn)行通信。

三

中間件功能實(shí)現(xiàn)

本文提出的中間件已在鄂州花湖機(jī)場(chǎng)轉(zhuǎn)運(yùn)中心成功部署，該轉(zhuǎn)運(yùn)中心接入了三家不同供應(yīng)商的分揀設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)分揀系統(tǒng)集成時(shí)的統(tǒng)一通信與協(xié)同控制。針對(duì)分揀流程中的三類(lèi)核心報(bào)文——路向請(qǐng)求、路向回復(fù)、狀態(tài)確認(rèn)（分揀成功、分揀報(bào)告、循環(huán)報(bào)文），中間件執(zhí)行協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)映射、消息隊(duì)列和連接管理等功能。下面將以本公司分揀機(jī)與高層通信之間的三類(lèi)報(bào)文詳細(xì)說(shuō)明中間件如何實(shí)現(xiàn)其報(bào)文轉(zhuǎn)譯功能。

1.路向請(qǐng)求報(bào)文格式對(duì)比及中間件處理

路向請(qǐng)求是整個(gè)分揀流程的發(fā)起信號(hào)。當(dāng)包裹通過(guò)掃描儀并讀取到條碼信息后，裝有該包裹的分揀機(jī)小車(chē)運(yùn)行到系統(tǒng)預(yù)設(shè)的固定位置時(shí)，底層控制系統(tǒng)便會(huì)向中間件發(fā)送一個(gè)路向請(qǐng)求報(bào)文。此報(bào)文的目的是詢問(wèn)高層控制系統(tǒng)：“我這里有一個(gè)包裹，它的條碼是XXX，現(xiàn)在在YYY小車(chē)上，請(qǐng)問(wèn)它應(yīng)該被分揀到哪個(gè)目的地？”

（1）底層與高層報(bào)文格式對(duì)比

底層報(bào)文格式為：

高層期望的報(bào)文格式為：

通過(guò)對(duì)比，可以清晰地發(fā)現(xiàn)兩者存在多處不一致，直接通信必然導(dǎo)致高層解析失敗。中間件的首要任務(wù)就是完成它們之間的“對(duì)等翻譯”。

（2）中間件的轉(zhuǎn)譯邏輯與映射機(jī)制

中間件處理路向請(qǐng)求報(bào)文時(shí)，會(huì)按照一套預(yù)先定義好的轉(zhuǎn)換規(guī)則來(lái)執(zhí)行，核心目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)底層數(shù)據(jù)格式到高層期望格式的無(wú)損、準(zhǔn)確映射。這不是簡(jiǎn)單的字段轉(zhuǎn)發(fā)，而是包含了一系列復(fù)雜的計(jì)算和映射過(guò)程，具體轉(zhuǎn)換規(guī)則參見(jiàn)表1，中間件的處理主要包括以下幾種類(lèi)型：

表1 路向請(qǐng)求報(bào)文字段映射與轉(zhuǎn)換表

①字段剔除與補(bǔ)充：如移除高層不關(guān)心底層的“t”“bbbb”“o”等字段；

②數(shù)據(jù)類(lèi)型與格式轉(zhuǎn)換：如將底層的整型“小車(chē)號(hào)”轉(zhuǎn)換位ASCII碼，整型“流水號(hào)”轉(zhuǎn)換為高位補(bǔ)零的無(wú)符號(hào)長(zhǎng)整型等，以滿足高層對(duì)數(shù)據(jù)格式與長(zhǎng)度的要求；

③值映射與邏輯運(yùn)算：如“供件臺(tái)編號(hào)”需通過(guò)查詢表2所示的映射關(guān)系，轉(zhuǎn)換為高層系統(tǒng)識(shí)別的統(tǒng)一編碼。

表2 供件臺(tái)編號(hào)映射關(guān)系表

中間件對(duì)路向請(qǐng)求報(bào)文的部分?jǐn)?shù)據(jù)處理流程如圖2所示。功能碼“53”值映射為“100”、底層流水號(hào)“123”格式轉(zhuǎn)換并增加前置值為“00123”、小車(chē)號(hào)“1”格式轉(zhuǎn)換并增加前置值為“0001”、供件臺(tái)編號(hào)“0001.47.01”通過(guò)查詢映射表后映射為“IND1001”等。

圖2 路向請(qǐng)求報(bào)文轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)流圖

2.路向回復(fù)報(bào)文格式對(duì)比及中間件處理

高層系統(tǒng)在收到中間件轉(zhuǎn)譯的路向請(qǐng)求后，會(huì)對(duì)其中的條碼進(jìn)行解析，查詢后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，確定該包裹的最終目的地后下發(fā)路向回復(fù)報(bào)文。

（1）報(bào)文格式對(duì)比

底層期望的報(bào)文格式為：

高層報(bào)文格式為：

此報(bào)文中“hh…lc”為高層系統(tǒng)中包裹的唯一流水號(hào)，“ooo”“gg1”和“gg2”是高層針對(duì)收到路向請(qǐng)求中的條碼進(jìn)行解析之后得到的第一、第二、第三目的地滑槽號(hào)，“j”為高層系統(tǒng)對(duì)條碼解析的譯碼結(jié)果狀態(tài)位。對(duì)比雙方期望的報(bào)文格式發(fā)現(xiàn)，雙方對(duì)于報(bào)文格式的關(guān)鍵差異：底層控制系統(tǒng)需要通過(guò)特定的“譯碼結(jié)果狀態(tài)位（d字段）”來(lái)判斷指令是否有效，而高層報(bào)文并未包含此字段。這體現(xiàn)了雙方在指令確認(rèn)語(yǔ)義上的微小差別。

（2）中間件處理邏輯

只要成功接收到高層下發(fā)的有效路向回復(fù)報(bào)文，就判定為譯碼成功，在轉(zhuǎn)發(fā)給底層之前，自動(dòng)在報(bào)文對(duì)應(yīng)位置插入d字段，并將其設(shè)置為1。這種自動(dòng)插入的方式，彌補(bǔ)了雙方格式上的差異，確保底層控制指令的可執(zhí)行性，是中間件實(shí)現(xiàn)“無(wú)縫”通信的關(guān)鍵一環(huán)。

3.狀態(tài)確認(rèn)類(lèi)報(bào)文格式對(duì)比及中間件處理

在分揀流程中，狀態(tài)確認(rèn)類(lèi)報(bào)文是實(shí)現(xiàn)“指令－執(zhí)行－反饋”閉環(huán)的核心環(huán)節(jié)，其中包含分揀成功報(bào)文、分揀報(bào)告和循環(huán)報(bào)文。盡管底層與高層各自采用內(nèi)部統(tǒng)一的報(bào)文格式，但兩者在字段定義、結(jié)構(gòu)順序及命名等都存在顯著差異。為確保狀態(tài)信息能無(wú)損傳遞，中間件需準(zhǔn)確地完成轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)字段映射、語(yǔ)義對(duì)齊等功能，從而讓高層實(shí)時(shí)精準(zhǔn)地了解包裹分揀狀態(tài)。

分揀成功報(bào)文。由底層在發(fā)出分揀動(dòng)作指令時(shí)觸發(fā)，是一個(gè)“預(yù)報(bào)告”。中間件需將其轉(zhuǎn)換為高層期望的格式，其實(shí)時(shí)無(wú)誤地送達(dá)高層對(duì)于高層系統(tǒng)跟蹤和記錄包裹的動(dòng)向至關(guān)重要。

分揀報(bào)告。由滑槽區(qū)域末端的光電傳感器觸發(fā)，如小車(chē)所在包裹已“消失”，則意味著包裹已成功分揀，是包裹落格的“最終確認(rèn)”。其內(nèi)容與分揀成功報(bào)文相似，但意義更為關(guān)鍵。中間件確保其被準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換和傳遞，為高層系統(tǒng)更新包裹最終狀態(tài)及核算效率提供可靠依據(jù)。

循環(huán)報(bào)文。由滑槽區(qū)域末端的光電傳感器觸發(fā)，如小車(chē)所在包裹依然在小車(chē)上，則意味著包裹未成功分揀或未分揀，是包裹回流的標(biāo)志。中間件對(duì)循環(huán)報(bào)文的可靠轉(zhuǎn)發(fā)，保證了高層系統(tǒng)能在包裹多次回流未分揀時(shí)通知并啟動(dòng)人工干預(yù)流程，防止包裹積壓，保障了系統(tǒng)處理異常情況的能力。

（1）報(bào)文格式對(duì)比

底層報(bào)文格式為：

高層期望的報(bào)文格式為：

對(duì)比報(bào)文格式不難看出高層和底層報(bào)文格式的不同之處，需要中間件作字段添加、數(shù)據(jù)類(lèi)型與格式轉(zhuǎn)換以及值映射等處理才能滿足高層期望的報(bào)文格式要求。

（2）中間件處理邏輯

針對(duì)狀態(tài)確認(rèn)類(lèi)報(bào)文，中間件做以下處理：

①需要確認(rèn)底層報(bào)文的發(fā)送源（cc…cc）——線路標(biāo)識(shí)給到高層，高層才能知道報(bào)文是從哪個(gè)設(shè)備上發(fā)送過(guò)來(lái)的；

②數(shù)據(jù)類(lèi)型與格式轉(zhuǎn)換：如將底層的整型“小車(chē)號(hào)”轉(zhuǎn)換位ASCII碼，整型“流水號(hào)”轉(zhuǎn)換為高位補(bǔ)零的無(wú)符號(hào)長(zhǎng)整型等，以滿足高層對(duì)數(shù)據(jù)格式與長(zhǎng)度的要求；

③值映射與邏輯運(yùn)算：如“供件臺(tái)編號(hào)”需通過(guò)查詢表2所示的映射關(guān)系，轉(zhuǎn)換為高層系統(tǒng)識(shí)別的統(tǒng)一編碼；將底層的分揀出口狀態(tài)位“z”、譯碼結(jié)果狀態(tài)位“d”以及初始目的地狀態(tài)位“j”合并處理與高層的分揀結(jié)果表“zzz”做映射處理。

四

應(yīng)用成效

此中間件集成系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)異構(gòu)系統(tǒng)通訊模式在各類(lèi)性能指標(biāo)中都有很大優(yōu)勢(shì)，尤其在高并發(fā)場(chǎng)景下系統(tǒng)性能優(yōu)勢(shì)更為明顯。圖3是某轉(zhuǎn)運(yùn)中心（傳統(tǒng)異構(gòu)系統(tǒng)）的實(shí)際應(yīng)用與本文提出的中間件在鄂州花湖機(jī)場(chǎng)轉(zhuǎn)運(yùn)中心的應(yīng)用效果比較。

圖3 高并發(fā)場(chǎng)景下系統(tǒng)性能對(duì)比[6][7][8]

1.系統(tǒng)集成與協(xié)同效果

多廠商設(shè)備無(wú)縫集成。借助中間件進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)映射機(jī)制，高層控制系統(tǒng)能夠無(wú)縫接收、處理并回復(fù)來(lái)自不同底層設(shè)備的報(bào)文，實(shí)現(xiàn)了三家不同供應(yīng)商的分揀設(shè)備協(xié)同工作，解決了傳統(tǒng)集成中協(xié)議不一致、數(shù)據(jù)格式不匹配的問(wèn)題。高層控制系統(tǒng)只需與中間件通信，無(wú)需針對(duì)每家設(shè)備單獨(dú)開(kāi)發(fā)接口，大大降低了系統(tǒng)復(fù)雜程度。

集成與調(diào)試周期大幅縮短。由圖3可見(jiàn)，與傳統(tǒng)的無(wú)中間件系統(tǒng)相比較，中間件集成系統(tǒng)集成周期縮短了約40%，新增或更換設(shè)備時(shí)無(wú)需修改高層核心代碼，只需要在中間件配置新的協(xié)議適配器和映射關(guān)系，單設(shè)備接入調(diào)試時(shí)間從傳統(tǒng)的21天縮短至3天，大大降低了系統(tǒng)升級(jí)改造的時(shí)間成本。

2.系統(tǒng)抗壓性能

高并發(fā)處理表現(xiàn)穩(wěn)定。在2024和2025年“618”及“雙11”等業(yè)務(wù)高峰期間，該系統(tǒng)日均處理包裹量超過(guò)300萬(wàn)件，峰值時(shí)段每小時(shí)處理量達(dá)28萬(wàn)件，分揀準(zhǔn)確率高達(dá)99.99%，單件貨物最快分揀時(shí)間僅需5分鐘。中間件在持續(xù)高并發(fā)通信場(chǎng)景下運(yùn)行平穩(wěn)，報(bào)文平均處理延遲保持在30毫秒以內(nèi)。

通信可靠，具備容錯(cuò)能力。通過(guò)內(nèi)置的斷線重連與消息隊(duì)列機(jī)制，系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)或設(shè)備短暫故障時(shí)仍能保持通信連續(xù)性，未出現(xiàn)因協(xié)議不一致導(dǎo)致的報(bào)文誤傳或包裹錯(cuò)分，從而保障系統(tǒng)在極端工況下的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.業(yè)務(wù)適應(yīng)性與異常處理能力

靈活響應(yīng)業(yè)務(wù)變化。中間件支持動(dòng)態(tài)配置映射規(guī)則和業(yè)務(wù)邏輯，快速適應(yīng)分揀路向調(diào)整、條碼規(guī)則變更等業(yè)務(wù)需求，無(wú)需修改核心代碼。

異常處理與人工干預(yù)機(jī)制。通過(guò)循環(huán)報(bào)文的實(shí)時(shí)監(jiān)控，系統(tǒng)能夠在包裹多次回流仍未分揀時(shí)及時(shí)通知運(yùn)維人員，啟動(dòng)人工干預(yù)流程。

數(shù)據(jù)支持與運(yùn)維分析。中間件記錄的完整通信日志為分揀效率分析、分揀性能評(píng)估與系統(tǒng)優(yōu)化提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

五

結(jié)論

綜上所述，本文針對(duì)大型自動(dòng)化分揀系統(tǒng)中多廠商設(shè)備集成時(shí)的協(xié)議不一致問(wèn)題，結(jié)合鄂州花湖機(jī)場(chǎng)轉(zhuǎn)運(yùn)中心項(xiàng)目實(shí)例，實(shí)現(xiàn)了一套基于中間件的分揀系統(tǒng)集成解決方案。通過(guò)字段映射、數(shù)據(jù)類(lèi)型轉(zhuǎn)換、邏輯判斷等功能，有效地解決了分揀機(jī)底層與高層控制系統(tǒng)之間的結(jié)構(gòu)差異，實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫通信。在實(shí)際高負(fù)荷業(yè)務(wù)場(chǎng)景中得到了驗(yàn)證，保障了多家異構(gòu)設(shè)備穩(wěn)定協(xié)同工作，證明了其解耦價(jià)值、高可靠性和良好的可擴(kuò)展性。中間件作為系統(tǒng)集成的關(guān)鍵組件，降低了系統(tǒng)耦合度，提升了應(yīng)對(duì)變化和故障的能力，同時(shí)降低了長(zhǎng)期運(yùn)維成本。

在未來(lái)類(lèi)似復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)集成項(xiàng)目中，可先行采用中間件架構(gòu)設(shè)計(jì)，提前屏蔽技術(shù)異構(gòu)性。整個(gè)行業(yè)可推動(dòng)建立針對(duì)分揀系統(tǒng)接口的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)模型參考，用來(lái)進(jìn)一步降低集成的復(fù)雜性和成本。未來(lái)，該中間件可向支持智能運(yùn)維、新型工業(yè)協(xié)議及數(shù)字孿生集成等方向持續(xù)推進(jìn)。

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編輯、排版：王茜

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