鐵路物聯網標識解析體系研究

孫鵬，史天運

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 合作開發部，北京 100081）

1 概述

標識解析體系集中管理電子標識的命名、尋址和發現，適合于統一條形碼、二維碼、RFID、NFC、激光打碼等自動對象識別技術，其本質是將物理或虛擬實體（如物品、設備、數字對象等）的標識編碼映射為相關的信息資源地址，并在電子標識基礎上提升多源工業大數據的關聯知識服務能力。

標識解析體系的作用類似于域名解析系統（DNS），是物聯網、工業互聯網運行的關鍵信息基礎設施，對產品質量追溯、供應鏈管理、全生命周期管理等業務應用具有重要戰略價值，目前已得到國家戰略政策的大力推動。鐵路物聯網服務平臺主要實現物聯網終端設備的統一連接和集中管理，提供標識解析、普適連接、邊緣計算、物聯網安全等共性基礎能力，支持物聯網感知設備的跨域共享和協同操作，以集聚全路物聯網資源，賦能智能鐵路建設。依托鐵路物聯網服務平臺[1]，建立面向鐵路的電子標識解析子平臺，實現同一組織內異構編碼物品標識的統一解析，以及跨系統、跨專業、跨行業甚至跨國的物品標識共享。

長期以來，鐵路主要通過垂直應用場景下的專業管理需求，驅動物聯網電子標識的應用實施。各專業領域積累了大量的標識應用系統，電子標識載體及其技術原理存在巨大差異，標識的編碼結構設計和分配原則規劃不統一，標識的申請、分配和回收管理方式不一致，其數量龐大、類型繁多、應用靈活，呈碎片化部署形態，存在潛在的重復建設投入風險，不利于鐵路內部或與路外關聯行業開展共享協作，水平化、扁平化的電子標識解析與管理是鐵路物聯網未來發展的方向。鐵路標識解析節點作為鐵路物聯網服務平臺的必要組成部分，是構建鐵路物聯網數據采集體系的關鍵信息基礎設施，研究其總體定位、設計思路、實現原理、總體架構、實施策略、關鍵技術和創新應用模式，對于推動條形碼、二維碼、RFID等鐵路電子標識的標準化統一管理與共享應用具有重要意義。

2 標識解析體系的國家戰略布局

針對不同地區、行業領域電子標識應用條塊分割、零散混亂的總體現狀，伴隨著各企業實施自主化、獨立性標識管理需求的不斷增強，建立多級分布式、統一的標識解析體系已成為發展共識。

2.1 標識解析技術研究

目前，國內外存在多種標識解析體系，以下介紹其中幾種主流技術[2-3]。

Handle體系最早由互聯網之父、TCP/IP聯合協議發明者Robert E Kahn提出，在全球設置多個主根節點，彼此平等互通，受到各國的普遍重視。Handle編碼包含前綴和自主定義2部分，具有極大靈活性，近年來被廣泛應用于產品溯源、數字圖書館等領域。

GS1體系前身是國際商品條形碼系統，發展至今通過擴展EPC標準[4]及RFID技術，建立了完整的全球統一編碼標識體系，形成全球標識數據同步網絡，廣泛用于全球物流、商品零售等領域。

OID體系由ISO/IEC、ITU等國際標準組織聯合提出，廣泛應用于醫療衛生、網絡管理與信息安全等領域。

Ecode體系是我國擁有自主知識產權的國家物聯網標識體系，已成功應用于我國農產品質量溯源等領域。

標識解析技術是適用于各地區或行業的共性支撐技術，可以解決“信息孤島”問題，突破不同領域間的信息壁壘，是實現工業大數據、設備智能化等目標的基礎。因此，近年來我國研究機構基于不同的技術體系，對標識解析系統開展廣泛的技術研究和工程驗證。中國物品編碼中心最早致力于提供目前使用最廣泛的商品條形碼服務，之后推廣基于RFID的EPC服務，并自主研發了Ecode標識體系。2007年，設立于中國電子標準化研究院的OID標識解析平臺研究完成。2012年，國家工業信息安全發展研究中心、北京中數創新科技股份有限公司等組成聯合體，在我國設立Handle根節點，并負責管理運營和推廣應用。2013年，由國家發展和改革委員會正式批復、兼容多種標識技術標準的國家物聯網標識管理公共服務平臺在中國科學院計算機網絡信息中心研究完成。目前，標識解析體系已成為國家工業互聯網發展戰略推動的重點任務。

2.2 國家層面部署現狀

目前，工業互聯網聯盟推薦的國家標識解析體系部署架構見圖1。其中，國際根節點（如Handle根節點）面向全球范圍不同國家、不同地區提供根區數據管理和根解析服務，未來逐步引入和完善多種標識解析國際根節點；國家頂級節點作為建立我國標識解析體系的關鍵，是對外互聯的國際關口，也是對內統籌的核心樞紐；二級節點面向行業提供標識注冊和解析服務，未來將選擇優勢行業（如鐵路）優先構建行業性二級節點；公共遞歸解析節點通過緩存等手段提升標識解析服務性能。

圖1 國家標識解析體系部署架構

2017年底，國務院發布《關于深化“互聯網+先進制造業”發展工業互聯網的指導意見》。2018年，5個標識解析國家頂級節點分別在北京、上海、廣州、武漢、重慶正式落戶，互為鏡像備份。國家頂級節點是工業互聯網的核心資源和關鍵基礎設施，是支撐工業萬物互聯互通的神經樞紐，同時為未來二級行業節點的建設鋪平了道路。

2.3 相關技術標準

當前標識解析技術在國家和行業應用中的基礎地位日趨凸顯，必須遵循國際及我國的通用技術標準，補齊面向鐵路行業的技術應用標準。根據工業互聯網產業聯盟建議，標識解析技術標準體系見圖2。

圖2 標識解析技術標準體系

3 鐵路物聯網標識解析體系方案

3.1 總體定位及設計思路

構建面向鐵路行業的標識解析二級節點，接入國家物聯網標識解析體系，完善鐵路物聯網數據采集體系，促進鐵路運輸全要素互聯互通，支撐鐵路行業智能轉型。鐵路物聯網標識解析體系的總體定位及設計思路見圖3。

圖3 鐵路物聯網標識解析體系的總體定位及設計思路

建設鐵路物聯網標識解析體系，對于提升鐵路信息系統的應用高度具有以下意義：一是取得全球唯一的鐵路行業物聯網標識前綴，并通過國家頂級節點與全球標識同步網絡接軌，結合鐵路行標擴展自主定義部分的編碼規則，使得鐵路資產的標識編碼具有全局唯一性，實現機車車輛、線橋隧基礎設施、關鍵技術設備、鐵路貨物與集裝器具等“一物一碼”；二是支撐跨行業、甚至跨國的標識共享及關聯應用，在中歐鐵路國際聯運、空鐵公水多式聯運、鐵路移動裝備造修精準對接、工程建造運維協同聯動等領域發揮重要作用；三是支撐全路跨系統、跨專業的標識共享及關聯應用，為實現鐵路運輸組織過程多專業的協同作業、重要資產的全生命周期質量追溯、貨運物流供應鏈[5]的單元化精細管理奠定基礎。

鐵路物聯網服務平臺作為鐵路信息系統與鐵路運輸系統之間無縫融合的通道，處于軟硬結合的“樞紐位置”，主要實現物聯網終端設備的統一連接和集中管理，其中鐵路電子標識解析子平臺即鐵路標識解析節點，是鐵路物聯網服務平臺的必要組成部分。

3.2 技術實現原理

鐵路物聯網標識解析體系實現全路電子標識的解析與管理，圍繞標識信息資源庫，具有標識解析系統、標識注冊服務、標識關聯知識服務、身份認證與權限管理、標識信息資源運維等功能，其技術實現原理見圖4。

圖4 鐵路物聯網標識解析體系的技術實現原理

3.2.1 標識解析系統及工作流程

已完成注冊的鐵路資產標識編碼，通過標識解析即可獲得所對應資產對象的名稱與詳細信息。首先，客戶端發送標識解析請求，解析系統中存儲了從標識編碼到若干服務資源地址（URL）的映射信息，客戶端根據匹配到的URL向標識資源系統重新定向；然后，標識資源系統向解析系統發送資源訪問權限查詢請求，獲得當前用戶身份的訪問權限信息；最后，標識資源系統根據訪問控制信息生成XML格式的資源描述數據，發送至客戶端。標識資源系統存儲關于資產對象的詳細信息，包括設計參數、維修履歷、故障歷史等內容，更進一步的信息也可通過鐵路業務系統開放接口提取。因此，即使資產對象的服務資源地址或其他動態狀態信息發生變化，通過唯一穩定的標識編碼都可以取得相應的資源信息。

3.2.2 標識注冊服務及工作流程

鐵路主數據管理平臺[6]提供固定設施、移動設備、運輸產品、物資設備、人員機構等5個領域的共享靜態數據，其中包含線路橋隧、機車車輛、運輸器具、物資、設備、配件、人員等方面的大量公共基礎編碼，提供各種鐵路資產對象的分類碼。鐵路各級機構作為標識數據的所有者，為實現“一物一碼”，應按行業標準規范對單品資產生成序列號作為后綴，并追加預申請的前綴以保證全球唯一性，完成對該資產的賦碼工作。從既有業務系統的開放接口中抽取數據，通過加工處理生成XML格式的資源詳細描述信息。標識數據批量上傳至標識注冊服務，物名映射信息、資源詳細信息將分別發送至標識解析系統和標識信息資源系統中存儲。標識注冊服務不僅實現標識數據的大批量注冊，還實現標識全生命周期的申請、分配和回收管理。

3.2.3 標識關聯知識服務

通過資產標識編碼獲得服務資源地址的標識尋址，僅是標識解析體系中最基礎的功能。隨著鐵路各專業資產標識信息的大量注冊，將會積累形成龐大的標識資源信息庫，在此基礎上能夠構造豐富的關聯知識服務。例如，以部分標識編碼為條件進行檢索，可查詢某類型資產的數量與總體使用狀況；利用單個標識編碼，可獲得某復雜設備零部件的組合關系或某個打包物品的綁定關系；利用標識解析體系，可實現資產對象的全生命周期數據管理、物體實時定位等。

3.2.4 身份認證與權限管理

標識解析體系提供用戶身份認證、訪問權限管理的功能，針對客戶端用戶的角色和訪問權限，按照訪問控制策略生成動態的資源描述信息，并提供一定的信息安全保護能力。

3.2.5 標識信息資源運維

為保證標識解析體系中海量標識編碼信息的全局唯一性，資產對象編碼、名稱、詳細信息的一致完整性，建立相應的運維機制實施日常管理，保障標識數據資源質量。

3.3 總體架構

鐵路物聯網標識解析體系的總體架構主要由基礎設施層、標識解析層、業務應用層，標識解析、標識注冊、數據采集3種中間件，以及運維管理體系、安全保障體系構成（見圖5）。

圖5 鐵路物聯網標識解析體系架構

基礎設施層提供用于鐵路標識解析處理的計算、數據存儲、網絡資源，考慮到未來全路標識查詢搜索的海量處理需求，標識解析應采用云化服務方式在數據中心部署。標識解析層即鐵路標識解析節點，連接國家頂級節點，提供鐵路標識解析與管理服務，包括標識注冊/分配、標識解析、信息關聯、元數據管理、身份認證、權限管理等核心功能，以標識解析和注冊中間件作為開放接口，為鐵路業務應用或終端用戶提供基礎服務。業務應用層基于物聯網電子標識解析子平臺實現鐵路標識集成創新應用，主要包括鐵路業務應用、跨產業鏈協作、多式聯運合作3個方面。

鐵路標識解析中間件對外提供通過標識編碼進行物名發現及相應信息資源定位的開放接口；鐵路標識注冊中間件對外提供對標識編碼進行全生命周期申請、分配和回收管理的開放接口；數據采集中間件提供對既有信息系統及智能設備的自動數據采集接口，通過數據處理生成XML格式的對象資源描述信息，豐富電子標識查詢可獲得的信息資源。

3.4 部署實施策略

標識解析二級節點建設有龍頭牽引、合資建設、引入外援等多種方式。鑒于鐵路行業的實際情況[7]，鐵路標識解析節點應由中國鐵路總公司（簡稱總公司）牽頭建設，利用其影響力和公信力向鐵路內部及關聯行業推廣應用。

標識解析節點中存儲了行業海量資產實體的物名映射信息以及詳細的資源信息服務地址，為保障鐵路運輸對象、技術設備、貨物物品等在運輸組織、物流流轉、制造維護過程中的安全性，同時確保鐵路標識解析服務的穩定可靠，建議由總公司自主建設并采取受控管理，關聯行業按需提供資產對象的信息服務資源地址。

此外，鐵路現存大量的電子標識應用，采用了多元異構的電子標識載體和編碼結構設計，因此標識解析節點作為關鍵基礎設施，必須支持異構標識應用技術標準間的兼容互操作。

4 鐵路物聯網標識解析關鍵技術

4.1 標識編碼全局唯一性、穩定性

標識解析體系解決的核心問題是在資產對象與標識編碼之間建立一一對應關系，即實現“一物一碼”。保證標識編碼在整個業務領域的全局唯一，并在對象全生命周期持久穩定，需要依托權威標識管理機構，采用多級分層的標識編碼結構設計，制定相應的標準規范編碼分配原則。從國際權威機構申請的唯一標識前綴，保證了鐵路標識編碼結構的唯一性，鐵路各單位進一步結合資產分類碼、單品序列號，實現管轄范圍內設備物料等的全局唯一性。通過統一的電子標識注冊服務，實施全生命周期的申請、分配和回收管理，保證標識編碼的穩定性。

此外，建立適合未來物聯網發展的標識解析體系，并不意味著需要重建既有的標識應用系統，而應結合實際的部署實施情況，實現新舊標識應用機制的兼容過渡。

4.2 海量電子標識的高速并行解析

單從計算復雜性的角度來看，考慮到未來鐵路物聯網規模與標識查詢頻率，其數據處理量和網絡流量必將是海量級的[8]。因此標識解析節點應部署在云計算中心，根據工作負載按需調度計算、存儲和網絡資源。標識解析體系采用分布式部署架構，實現物名映射信息、資源詳細信息的多級分層存儲，并設置配套的遞歸解析節點作為本地高速緩存，保證對高速并發的標識解析請求實現低時延響應。

4.3 多元電子標識的快捷簡易注冊

高效率、低成本的電子標識注冊服務為構建鐵路標識解析體系提供了數據基礎，允許鐵路企業甚至個人，以簡單、方便、快速的方式，兼容異構標識載體和編碼機制，創建所需要的標識編碼，同時保障標識數據的唯一性和穩定性。鐵路各級單位作為標識數據的擁有者，擁有在各自編碼空間內按照標準規范自定義創造唯一標識的權利。電子標識解析子平臺通過提供標識注冊服務接口與配套工具軟件，支持海量標識數據完成批量注冊。

4.4 標識編碼與資產信息安全防護

標識解析系統提供身份認證和權限管理功能，對特定的用戶根據訪問權限動態生成資源描述數據。標識編碼設計應盡量精簡以減少存儲空間占用，一般能夠暗示標識承載物、附著物的編碼方案更有利于日常使用。對某些特殊的設備、物品，出于安全性考慮，需通過增加冗余信息和采用加解密技術，杜絕編碼在公開網絡環境下被非授權組織讀取。

4.5 復雜資產實體的信息關聯檢索

鐵路實際業務中大量資產屬于復雜實體，對此類資產的關聯信息檢索屬于標識解析體系的增值服務。動車組等復雜技術裝備往往由成百上千的零部件組成，應支持按設備構型實現標識組合信息的關聯檢索。在設備的全生命周期內部分零部件可能被更換或替代，意味著構成設備零部件的唯一標識將會消失或產生變更。反應設備內部隸屬關系以及新舊替換關系的完整歷史記錄，對于完善鐵路技術設備運維信息管理具有重要作用。此外，鐵路貨運中大量貨物存在打包綁定關系，支持打包物品的分解與重新包裝編碼對于提升精細化物流管理具有重要作用。

5 鐵路物聯網標識解析體系應用

基于物聯網電子標識解析子平臺，建立鐵路物聯網標識解析體系，以下的鐵路標識創新應用形式將會得到快速發展。

5.1 跨域標識共享與關聯服務

鐵路物聯網標識解析體系接入國際國內標識同步網絡，實現跨系統、跨專業、跨行業乃至跨國的標識共享，兼容異構標識載體和編碼機制，促進互信互識互操作。物聯網數據采集體系的目標是全面感知資產實體的屬性信息、狀態信息、位置信息，其中描述對象“身份”的屬性信息是數據服務的基礎。以完善的標識注冊解析機制為基礎，不斷豐富自動采集數據的內容和類型，提升鐵路資產關于技術狀態、實時位置等的多種信息服務，有利于開展多維度的工業大數據分析，提升關聯數據的知識服務水平。

5.2 鐵路行業全鏈條精準銜接

支持總公司貫通機車車輛制造廠及其零配件供應商、建筑工程承包商及其分包單位、多式聯運和國際聯運合作企業的上下游產業全鏈條，以設備物資標識共享為基礎，實現機車車輛制造和運維業務的精準對接、工程建造和運營業務的無縫銜接、空鐵公水聯運和國際國內運輸的協同聯動等。例如，基于電子標識的跨域共享，實現了動車組及關鍵部件全產業鏈條管理，不僅有利于實現列車出廠參數、技術履歷、運行故障、維修歷史等數據的融合處理，通過運維數據的長期積累也能夠為機車車輛設計改進、修程修制優化等提供數據支撐，降低移動裝備全生命周期成本，形成機車車輛制造和運維的雙向驅動發展。

5.3 資產全生命周期質量追溯

總公司是典型的資產密集型企業，擁有數量龐大的有形和無形資產及眾多關鍵技術設備，其中不僅包括動車組、機車、客車、貨車等移動裝備，鐵路線路、橋梁、隧道等重大基礎設施，還有信號、供電、通信、站段樞紐等重要技術設備。因此，技術設備運維及保證運力資源持久化，是總公司作為運營商的核心工作之一。高效統一的標識解析體系實現了技術設備及其零部件標識的唯一賦碼與全局可追溯性，是完成鐵路關鍵技術設備全生命周期質量追溯的基礎，有利于提高鐵路資產技術信息的精細化管理水平。

5.4 跨專業多作業面協同聯動

鐵路運輸組織和生產作業涉及多個專業的協同聯動。在日常運輸生產過程中，客運、貨運物流、機車車輛、工務、供電、電務通信、工程建造、信息等業務處理邏輯和作業流程復雜交織在一起，高水平的信息系統起到基礎支撐作用。標識解析體系支持鐵路各單位實現人、移動資產、固定資產、運輸環境等業務對象的標準統一管理，兼容不同的電子標識載體以及差異化的標識編碼機制，為實現鐵路運輸全要素的互聯互通奠定了基礎，也是建立物聯網數據采集體系的前提，

有利于進一步提升既有信息系統的應用高度。

5.5 貨運物流集裝單元化管理

現代鐵路物流發展的趨勢是“集裝單元化”[9]，即以集裝單元為基礎組織裝卸、搬運、儲存和運輸等貨運物流活動的一體化運作方式。以標識解析技術為基礎，與既有的貨運信息系統集成融合，全面升級改造物流信息化終端設備，引導貨運流程再造，把鐵路貨運物流提升到智能化、可視化、高效率、低成本的現代化運作水平，將各項分散的運輸活動聯接為整體，發揮其巨大的社會價值。此外，全天候、不間斷、全方位、多層次的貨運物流信息精細感知，也是構建智能物流調度與動態協調管理機制的基礎。

6 結束語

推動鐵路與工業互聯網聯盟、標識解析國家頂級節點管理機構等簽署戰略合作協議，并在政策引導、應用推廣、宣傳培訓層面不斷加大支持力度。從頂層設計入手，充分結合鐵路實際情況，構建面向鐵路的標識解析行業節點，支持鐵路實現跨系統、跨專業、跨行業乃至跨國的電子標識互信互識互操作，促進運輸全要素互聯互通，提升物聯網數據采集體系能力，不斷擴大和深化階段性標識創新應用成果，為實現鐵路智能轉型升級提供支撐。