一种工业互联的信息交互系统

技术领域

本发明涉及一种工业制造的异构信息交互系统。通过计算机程序实现异构多源信息系统之间的协议转换和数据模型转换，采用基于面向服务架构的服务模型抽象，具体涉及异步消息传输机制，利用分层协议转换技术，将企业的数据和系统抽象为跨越整个企业的“数据虚拟化层”，以克服企业在实现工业全要素、全价值链、全产业链的互联互通、互操作时数据难以集成的巨大瓶颈，构成融通互联引擎，属于信息技术领域。

背景技术

企业实现数字化转型，总体来说可以分为两个阶段推进，第一阶段为信息化、数字化建设阶段，第二阶段为智能化建设阶段。

企业数字化转型第一阶段：信息化和数字化建设阶段；数字化建设阶段，是将企业价值链实现过程中的设计、制造、供应链管理、营销、产品售后运维等各个业务环节进行数字化，使用数字化手段、软件系统进行业务操作，建立管理领域和操作执行领域的各种IT(信息技术，是指应用计算机管理和处理信息所采用的各种技术和软件总称)系统、OT(操作技术，是指工厂车间内的生产线、设备、传感器相关的自动化控制技术)系统，其包括：管理领域的供应商关系管理系统、客户关系管理系统、制造执行系统、产品生命周期管理系统、企业资源计划系统，以及车间操作执行领域的数据采集与监视控制系统、分散控制系统以及面向消息中间件、传感器、机器人，实现单体的智能或者局部智能，数字化建设阶段的成果提高了企业内部各个部门的工作质量和效率，但是由于历史和技术的原因，单体系统的建设也形成了诸多信息孤岛，信息孤岛阻碍了跨部门、跨业务、跨组织之间的协作；如图1所示。

企业数字化转型第二阶段：智能化建设阶段

企业数字化转型建设的第二个阶段是智能化建设阶段，解决企业整体智能的需求，实现智能制造是制造业数字化转型需要达成的目标，工业互联网建设是实现智能制造的基础手段，智能制造的范畴包括智能的产品设计、智能的制造、智能的供需链管理、智能的数字化营销、产品的智能运维等范围。从数字化走向智能化，需要通过工业互联网技术将分散于各个业务阶段IT系统内的工业要素打通，其工业要素包括：人、机、料、法、环，建立工业要素之间的关联关系，从而实现全工业要素、全价值链、全产业链的互联互通和互操作，形成一体化协同环境，通过数据的自由流动，驱动业务自动流转，实现数据驱动流程、流程驱动业务的智能化协同阶段，从而实现在正确的时间，将正确的信息给到正确的人，指导其做正确事情的智能化业务协同环境，提高工业工程中各种资源的合理有效配置。

从数字化走向智能化，需要首先解决的是第一阶段单体应用建设留下的后遗症：信息孤岛的问题，在数字化建设阶段，各个IT系统、OT系统是在不同的时期、由不同的供应商、采用不同的技术、使用了不同的数据模型逐渐建立起来的，因此我们面临万国语言的问题，要从数字化走向智能化，就必须解决万国语言的翻译问题，才能实现万物互联，实现工业全要素、全价值链、全产业链的互联互通和互操作这一美好愿景。工业要素的数字化定义存在于各个异构多源的IT系统中，因此必须建立跨越多源异构域的逻辑的一体化融通互联平台，通过搭建同声翻译平台，从而实现全面的智能制造。该发明系统即是为了解决搭建融通互联平台系统的一些通适性技术问题，该发明系统是根据项目实践经验的提炼总结抽象而成。

融通互联平台即是为了解决异构多源系统的互联互通、互操作，在计算机软件应用场景中，即是解决异构协议的转换、异构数据模型的转换，通过数据交换实现，本发明以异步消息交换机制，通过分层互联的联邦机制实现异构多源系统的互联互通和互操作。解决了现有工业制造信息平台中异构多源系统的互联互通、互操作、难以实现的问题。

发明内容

针对信息孤岛阻碍了企业跨部门、跨业务、跨组织之间的协作难题，本发明提供一种工业互联的信息交互系统，实现异构多源系统的互联互通、互操作，包括通过以下步骤来实现：

A.建立融通互联引擎模型。

B.完成数据源系统、数据源系统协议适配接口、信息管理壳、协议包装器、公开服务、消息队列及消息队列管理器、消息流管道等功能单元的具体实施。

所述步骤A特征为：所述一种工业互联的信息交互系统利用消息队列、消息流引擎、信息管理壳、协议包装器、面向服务架构技术设计了融通互联引擎；融通互联引擎通过企业内部网络将管理领域的SRM(供应商关系管理系统)、CRM(客户关系管理系统)、MES(制造执行系统)、PLM(产品生命周期管理系统)、ERP(企业资源计划系统)、DCS(集散控制系统)、DMS(数据库营销系统)、PDM(产品数据管理系统)、CAD(计算机辅助设计系统)、CAM(计算机辅助制造系统)、CAPP(计算机辅助工艺规划系统)、CAE(计算机辅助工程系统)、SCM(软件配置管理系统)等各种IT系统，以及通过工业物联网将操作执行领域的SCADA(数据采集与监视控制系统)、DCS(分散控制系统)、MOM(制造运营管理)、PLC(可编程逻辑控制器)、RTU(远程终端控制器)、HMI(人机接口)、传感器、机器人等各种OT系统、物理设备相互连接，以克服企业在实现工业全要素、全价值链、全产业链的互联互通、互操作时数据难以集成的巨大瓶颈；如图2所示。

所述步骤A特征为：一种工业互联的信息交互系统通过融通互联引擎实现，引擎模型由消息队列、消息流引擎、信息管理壳、协议包装器、包装器注册管理、消息流管道组成，共同实现信息交互，通过采用异步通信机制，使信息发送端和接收端消息队列间实现直接关联，或条件概率关联，解决智能制造面临的多源信息系统交互难问题；其由数据源系统、数据源系统协议适配接口、信息管理壳、协议包装器、公开服务、消息队列及消息队列管理器、消息流管道组成；数据源系统是在工业互联中发送和接收数据的IT系统、OT系统、物理设备；如图3所示。

所述步骤B特征为：协议包装器为按照规范协议对原始数据进行统一封装为标准化报文的工具，其将原始数据的内部结构进行隐藏，对外公开为一种通适性的可操作、可识别的标准化对象，标准化报文称为包装对象，原始数据称为被包装对象。包装对象内部包含被包装对象，并具有被包装对象的功能扩展属性，包装器包含管理壳和协议适配器。

所述步骤B特征为：数据源系统对外提供的协议族接口，包括MQ(消息协议)、MQTT(消息队列遥测传输协议)、Webservice(全球广域网服务协议)、HTTP(超文本传输协议)、Restful(表现层状态转移协议)、OPC(面向过程控制的对象链接与嵌入协议)、RFC(远程函数调用协议)、FTP(文件传输协议)、DB(数据库接口协议)等协议，通过可连接的协议族接口，支撑系统或者设备需对外进行信息交换，接口协议分为公有和私有两种方式，私有接口协议为软件自定义协议，提供连接说明和接口规范；通过协议包装器的封装，对外提供标准服务，其为由应用系统提供的带有业务功能的接口；通过应用服务总线、开放服务总线发布出来供其他应用系统调用的接口；通过包装器的注册管理实现，对外进行发布。

所述步骤B特征为：消息流管道包括消息流和消息流引擎；消息流包括协议适配单元、计算节点单元、入站队列单元、出站队列单元；根据业务需求，采用消息流可视化编排工具进行开发，首先将特征参数或功能参数进行采集与融合，并通过相应协议族接口将其映射至各对应功能单元，具体为：规定消息流中各功能单元的操作逻辑，包括路径选择、协议适配、格式转换等，并记录各功能单元执行操作逻辑产生的日志数据。

所述步骤B特征为：消息流管道的消息流功能包括：实现消息流中节点的运算处理逻辑，实现总线两端应用系统的信息交换信息传输通道，根据协议包装器定义的行为信息，读取信息装配实例数据；消息流中每个节点由若干操作逻辑组成，其包括安全授权检查、格式检查、消息初始化、消息路径选择，完成消息体(消息报文传输的具体内容)的计算、传递，并记录消息体执行操作逻辑产生的日志数据；其工作流程如图4所示。

所述步骤B特征为：消息流管道的消息流引擎功能包括：①按照消息流定义的逻辑顺序，对消息报文进行传输处理；②实现对消息报文实时操作和处理；根据业务需求进行计算分析；③保存上述数据的分析与处理结果，记录日志；④消息流按所属功能单元进行规则化传输。

所述步骤B特征为：源系统接口发出原始请求数据，目标系统发出的原始响应数据，具体表现为：XML、JSON、TXT格式或编码方式，在经过包装器封装后形成以XML或JSON作为表达格式的数据集合，其实现将生产过程相关的物理设备和信息系统的特征参数分别赋值给包装器的资产ID、包装器ID、模型属性，该类数据集合具有统一的报文格式，消息报文通过消息队列进行转发。

所述步骤B特征为：消息队列是数据源系统的归属暂存区，用于处理来自不同服务请求协议的相关数据调用，把待处理的接收到的报文、已处理后的报文根据包装器的相关规则放入消息队列；消息队列管理器是消息队列的管理组件，主要用于对实例化的处于工作状态的消息队列进行监管，当消息队列中的消息报文集合处于饱和状态时或消息报文非可控排序时，通过消息队列管理器进行消息报文异常调度修复或数据重传，并结合已有调度模型的参数集，重新创建构建新的队列资源或清空不使用的队列资源，满足消息报文突发或非可控并发传输要求。

所述步骤B特征为：融通互联引擎工作流程包括协议包装器模型定义和信息交互两个阶段流程；如图5所示。

消息报文：消息报文包括原始报文和标准报文，原始报文为发送端按一定规则、并待封装的消息报文。

消息流：采用依次连接协议适配单元、计算节点单元、入站队列单元、出站队列单元完成消息报文处理的过程。

I流程：协议包装器模型定义流程

①准备接口：以私有协议或公共协议开发系统对外访问的协议接口；

②系统注册：将准备好的协议接口的系统在包装器注册管理平台通过系统基本信息描述和系统标识ID生成进行注册；

③接口注册：针对已完成注册的系统所属接口，逐个定义接口的协议包装器模型参数，包括系统连接参数、入站参数、出站参数、接口标识ID等参数模型属性，以及报文样板、访问权限，绑定协议适配器模板，完成接口注册；

④生成协议包装器模型：针对每一个注册的接口，依据对应系统注册信息，接口注册参数，包括接口协议类型、接口数据模型、数据交换方式、路径通道模板、数据格式转换策略和安全鉴权机制，生成接口的协议包装器模型定义，并生成接口服务唯一标识ID。

II流程：数据交换流程

①A系统收集并暂存待发送数据；

②接口发送数据：数据A系统的协议适配接口发送数据；

③标准报文封装：标准报文由报文头和原始报文两部分组成，标准报文封装是报文头和原始报文按规则与需求进行组合与衔接，其中A系统的发送数据为原始报文，报文头由根据A系统及对应接口的注册信息，以及对应的协议包装器模型属性参数(包括输入连接参数、入站参数、出站参数、系统标识ID等参数信息)，并结合报文样板和接口访问权限信息组成；

④标准报文发送：将封装后的标准报文发送至入站(消息报文进入消息队列的过程)适配器消息流管道；

⑤入站队列接收报文：入站适配器消息流完成标准报文的协议转换和格式转换后将其发送至入站消息队列，通过队列管理器对消息队列进行数据调度传输、异常修复或数据重传管理；

⑥接收处理消息流管道接收并处理消息报文：监测入站(将原始数据转化为消息报文，并将消息报文发送至消息流管道的过程)消息队列的消息报文暂存状态，将标准报文传输至消息流管道，并结合消息流管道调用协议包装器模型已定义参数，通过使用接收处理消息流进行安全授权检查、格式检查、消息初始化、消息路径选择，获取B系统的出站队列名称，并将消息报文输出至对应的出站(从消息队列获取消息报文的过程)消息队列；

⑦出站队列获取消息报文：消息队列管理器根据消息报文中的路径信息通知B系统的出站适配器消息流管道，消息流管道利用出站适配器消息流完成消息报文的协议转换和格式转换，将消息报文转换为B系统匹配的协议和数据格式，然后发送至B系统；

⑧B系统接收出站适配器消息流管道推送的消息报文；

⑨B系统处理消息报文：B系统根据业务分类、业务与应用之间的适配关系、业务集与用户群之间的关联性，提取消息报文交换数据并进行逻辑处理；

⑩B系统生成响应数据：B系统对接收到的报文数据进行处理后，生成面向接收端A系统的响应信息，打包成原始报文；

对于请求/响应和订阅/发布两种数据交换方式，具有相同的数据交换运行逻辑。

附图说明

图1为信息孤岛阻碍了跨部门协作示意图

图2为融通互联引擎示意图

图3为融通互联引擎结构示意图

图4为消息流管道流程图

图5为融通互联引擎工作流程示意图

具体实施方式

步骤1，建立融通互联引擎模型，利用消息队列、消息流引擎、信息管理壳、协议包装器、面向服务架构技术设计了融通互联引擎；融通互联引擎通过企业内部网络将管理领域的SRM(供应商关系管理系统)、CRM(客户关系管理系统)、MES(制造执行系统)、PLM(产品生命周期管理系统)、ERP(企业资源计划系统)、DCS(集散控制系统)、DMS(数据库营销系统)、PDM(产品数据管理系统)、CAD(计算机辅助设计系统)、CAM(计算机辅助制造系统)、CAPP(计算机辅助工艺规划系统)、CAE(计算机辅助工程系统)、SCM(软件配置管理系统)等各种IT系统，以及通过工业物联网将操作执行领域的SCADA(数据采集与监视控制系统)、DCS(分散控制系统)、MOM(制造运营管理)、PLC(可编程逻辑控制器)、RTU(远程终端控制器)、HMI(人机接口)、传感器、机器人等各种OT系统、物理设备相互连接，以克服企业在实现工业全要素、全价值链、全产业链的互联互通、互操作时数据难以集成的巨大瓶颈；如图2所示。

步骤2，一种工业互联的信息交互系统通过融通互联引擎实现，引擎模型由消息队列、消息流引擎、信息管理壳、协议包装器、包装器注册管理、消息流管道组成，共同实现信息交互，通过采用异步通信机制，使信息发送端和接收端消息队列间实现直接关联，或条件概率关联，解决智能制造面临的多源信息系统交互难问题；其由数据源系统、数据源系统协议适配接口、信息管理壳、协议包装器、公开服务、消息队列及消息队列管理器、消息流管道组成；数据源系统是在工业互联中发送和接收数据的IT系统、OT系统、物理设备；如图3所示。

步骤3，协议包装器为按照规范协议对原始数据进行统一封装为标准化报文的工具，其将原始数据的内部结构进行隐藏，对外公开为一种通适性的可操作、可识别的标准化对象，标准化报文称为包装对象，原始数据称为被包装对象。包装对象内部包含被包装对象，并具有被包装对象的功能扩展属性，包装器包含管理壳和协议适配器。

步骤4，数据源系统对外提供的协议族接口，包括MQ(消息协议)、MQTT(消息队列遥测传输协议)、Webservice(全球广域网服务协议)、HTTP(超文本传输协议)、Restful(表现层状态转移协议)、OPC(面向过程控制的对象链接与嵌入协议)、RFC(远程函数调用协议)、FTP(文件传输协议)、DB(数据库接口协议)等协议，通过可连接的协议族接口，支撑系统或者设备对外进行信息交换，接口协议分为公有和私有两种方式，私有接口协议为软件自定义协议，提供连接说明和接口规范；通过协议包装器的封装，对外提供标准服务，其为由应用系统提供的带有业务功能的接口；通过应用服务总线、开放服务总线发布出来供其他应用系统调用的接口；通过包装器的注册管理实现，对外进行发布。

步骤5，消息流管道包括消息流和消息流引擎；消息流包括协议适配单元、计算节点单元、入站队列单元、出站队列单元；根据业务需求，采用消息流可视化编排工具进行开发，首先将特征参数或功能参数进行采集与融合，并通过相应协议族接口将其映射至各对应功能单元，具体为：规定消息流中各功能单元的操作逻辑，包括路径选择、协议适配、格式转换等，并记录各功能单元执行操作逻辑产生的日志数据。

步骤6，消息流管道的消息流功能包括：实现消息流中节点的运算处理逻辑，实现总线两端应用系统的信息交换信息传输通道，根据协议包装器定义的行为信息，读取信息装配实例数据；消息流中每个节点由若干操作逻辑组成，其包括安全授权检查、格式检查、消息初始化、消息路径选择，完成消息体(消息报文传输的具体内容)的计算、传递，并记录消息体执行操作逻辑产生的日志数据；其工作流程如图4所示。

步骤7，消息流管道的消息流引擎功能包括：①按照消息流定义的逻辑顺序，对消息报文进行传输处理；②实现对消息报文实时操作和处理；根据业务需求进行计算分析；③保存上述数据的分析与处理结果，记录日志；④消息流按所属功能单元进行规则化传输。

步骤8，源系统接口发出原始请求数据，目标系统发出的原始响应数据，具体表现为：XML、JSON、TXT格式或编码方式，在经过包装器封装后形成以XML或JSON作为表达格式的数据集合，其实现将生产过程相关的物理设备和信息系统的特征参数分别赋值给包装器的资产ID、包装器ID、模型属性，该类数据集合具有统一的报文格式，消息报文通过消息队列进行转发。

步骤9，消息队列是数据源系统的归属暂存区，用于处理来自不同服务请求协议的相关数据调用，把待处理的接收到的报文、已处理后的报文根据包装器的相关规则放入消息队列；消息队列管理器是消息队列的管理组件，主要用于对实例化的处于工作状态的消息队列进行监管，当消息队列中的消息报文集合处于饱和状态时或消息报文非可控排序时，通过消息队列管理器进行消息报文异常调度修复或数据重传，并结合已有调度模型的参数集，重新创建构建新的队列资源或清空不使用的队列资源，满足消息报文突发或非可控并发传输要求。

步骤10，融通互联引擎工作流程包括协议包装器模型定义和信息交互两个阶段流程；如图5所示。

消息报文：消息报文包括原始报文和标准报文，原始报文为发送端按一定规则、并待封装的消息报文。

消息流：采用依次连接协议适配单元、计算节点单元、入站队列单元、出站队列单元完成消息报文处理的过程。

I流程：协议包装器模型定义流程

①准备接口：以私有协议或公共协议开发系统对外访问的协议接口；

②系统注册：将准备好的协议接口的系统在包装器注册管理平台通过系统基本信息描述和系统标识ID生成进行注册；

③接口注册：针对已完成注册的系统所属接口，逐个定义接口的协议包装器模型参数，包括系统连接参数、入站参数、出站参数、接口标识ID等参数模型属性，以及报文样板、访问权限，绑定协议适配器模板，完成接口注册；

④生成协议包装器模型：针对每一个注册的接口，依据对应系统注册信息，接口注册参数，包括接口协议类型、接口数据模型、数据交换方式、路径通道模板、数据格式转换策略和安全鉴权机制，生成接口的协议包装器模型定义，并生成接口服务唯一标识ID。

II流程：数据交换流程

①A系统收集并暂存待发送数据；

②接口发送数据：数据A系统的协议适配接口发送数据；

③标准报文封装：标准报文由报文头和原始报文两部分组成，标准报文封装是报文头和原始报文按规则与需求进行组合与衔接，其中A系统的发送数据为原始报文，报文头由根据A系统及对应接口的注册信息，以及对应的协议包装器模型属性参数(包括输入连接参数、入站参数、出站参数、系统标识ID等参数信息)，并结合报文样板和接口访问权限信息组成；

④标准报文发送：将封装后的标准报文发送至入站(消息报文进入消息队列的过程)适配器消息流管道；

⑤入站队列接收报文：入站适配器消息流完成标准报文的协议转换和格式转换后将其发送至入站消息队列，通过队列管理器对消息队列进行数据调度传输、异常修复或数据重传管理；

⑥接收处理消息流管道接收并处理消息报文：监测入站(将原始数据转化为消息报文，并将消息报文发送至消息流管道的过程)消息队列的消息报文暂存状态，将标准报文传输至消息流管道，并结合消息流管道调用协议包装器模型已定义参数，通过使用接收处理消息流进行安全授权检查、格式检查、消息初始化、消息路径选择，获取B系统的出站队列名称，并将消息报文输出至对应的出站(从消息队列获取消息报文的过程)消息队列；

⑦出站队列获取消息报文：消息队列管理器根据消息报文中的路径信息通知B系统的出站适配器消息流管道，消息流管道利用出站适配器消息流完成消息报文的协议转换和格式转换，将消息报文转换为B系统匹配的协议和数据格式，然后发送至B系统；

⑧B系统接收出站适配器消息流管道推送的消息报文；

⑨B系统处理消息报文：B系统根据业务分类、业务与应用之间的适配关系、业务集与用户群之间的关联性，提取消息报文交换数据并进行逻辑处理；

⑩B系统生成响应数据：B系统对接收到的报文数据进行处理后，生成面向接收端系统A系统的响应信息，打包成原始报文；

对于请求/响应和订阅/发布两种数据交换方式，具有相同的数据交换运行逻辑。