轉(zhuǎn)換橋方法在工業(yè)品標(biāo)識異構(gòu)性問題中的應(yīng)用

劉怡君，孫文磊，熊宗慧，2

（1.新疆大學(xué)機械工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046；2.新疆大學(xué)機械工程學(xué)院機械工程博士后流動站，新疆 烏魯木齊 830046）

1 引言

當(dāng)前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)正在不斷發(fā)展成熟中，而推進工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的各參與方，為了提高工業(yè)品的互聯(lián)互通性，對工業(yè)品標(biāo)識解析技術(shù)也越來越重視。其中工業(yè)品是一種對于產(chǎn)品和服務(wù)的總稱，包括但不限于機器設(shè)備、原材料、售后服務(wù)等[1]，換言之，工業(yè)品代指工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中所有或?qū)嵒蛱摰摹拔铩薄?/p>

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的標(biāo)識解析技術(shù)，不僅可以識別網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的工業(yè)品，還具有查詢工業(yè)品關(guān)聯(lián)信息的功能[2]。但是在研究過程中，一方面因為多種標(biāo)識體系的共存，出現(xiàn)工業(yè)品“一物多標(biāo)識”或“一標(biāo)識多物”的現(xiàn)象，阻礙工業(yè)品建立唯一的身份標(biāo)識；另一方面因為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中識別方式的單調(diào)性（工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建立過程中，大量工業(yè)品的識別方式只有一種，識別的設(shè)備一般也只有一種型號，成為識別方式的單調(diào)性），導(dǎo)致識別結(jié)果的錯誤、混亂、無效等問題，弱化不同工業(yè)品之間的信息關(guān)聯(lián)度，降低工業(yè)品相互之間信息傳遞的質(zhì)量和效率。因此，多種標(biāo)識體系共存與單一識別方式之間的沖突問題是研究標(biāo)識解析技術(shù)的重點和難點。

目前國內(nèi)外主要的解決方案有以下兩種：一種是在建立工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時，對所有工業(yè)品的特點、作用進行分析，重新標(biāo)識網(wǎng)中的工業(yè)品，但如此一來，費時費力，增加了許多人力消耗；另一種是以地區(qū)或工業(yè)品類型區(qū)分，對某一特定使用場景進行標(biāo)識體系的標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)定[3]，如我國自主提出的Ecode標(biāo)識體系在農(nóng)產(chǎn)品、食品行業(yè)的成功應(yīng)用[4]，然成本頗高，且需要政府及相關(guān)工作部門的支持，更無法解決在售和已售的工業(yè)品標(biāo)識異構(gòu)性問題[5]。

因此，提出一種新的方法消除多種工業(yè)標(biāo)識體系共存與特定的識別方式之間產(chǎn)生的矛盾沖突，即利用可拓學(xué)轉(zhuǎn)換橋方法中“各行其道，各得其所”的理念對標(biāo)識異構(gòu)性問題進行研究。采用連接或者分隔的方式構(gòu)建轉(zhuǎn)換橋，實現(xiàn)對期望目標(biāo)或現(xiàn)有條件的轉(zhuǎn)化，從而化對立問題為共存問題，解決矛盾[6]。

2 工業(yè)品標(biāo)識異構(gòu)性問題

工業(yè)品標(biāo)識體系和工業(yè)品標(biāo)刻技術(shù)、工業(yè)品識別技術(shù)作為工業(yè)品標(biāo)識技術(shù)的三個關(guān)鍵性技術(shù)，解決了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的信息采集問題，實現(xiàn)了對工業(yè)品實體和虛體對象的信息查詢、管理和控制。

一直以來，在同一標(biāo)識體系下，標(biāo)識和工業(yè)品對象之間都有唯一確定的映射關(guān)系，一個標(biāo)識對應(yīng)一個工業(yè)品對象。根據(jù)工業(yè)品行業(yè)、使用環(huán)境、關(guān)聯(lián)信息等情況的不同，全球多個標(biāo)準(zhǔn)化研究組織先后出臺了幾十種標(biāo)識體系，其中常用的有GS1系列編碼、Handle標(biāo)識體系、Ecode標(biāo)識體系、UID、EPC等[7]。每種標(biāo)識體系都有特定的編碼規(guī)則，用以生成不同結(jié)構(gòu)的標(biāo)識，將這種特性稱為工業(yè)品標(biāo)識的異構(gòu)性。

在建立工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時，工業(yè)品對象的標(biāo)識來源范圍很難控制在一種標(biāo)識體系內(nèi)，常常涉及兩種甚至兩種以上的標(biāo)識體系，這就要求工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中識別方式的數(shù)量不能低于標(biāo)識體系的數(shù)量，且需能與其一一對應(yīng)。這違背了最初的期望目標(biāo)--能且只能通過一種識別方式識別所有的工業(yè)品標(biāo)識，即識別方式的單一性。

所以不難發(fā)現(xiàn)，工業(yè)品標(biāo)識的異構(gòu)性與識別方式的單一性之間的矛盾沖突是工業(yè)品標(biāo)識技術(shù)研究的難點和關(guān)鍵所在，而如何將工業(yè)品異構(gòu)標(biāo)識轉(zhuǎn)化成為可識別的工業(yè)品標(biāo)識對象成為了工業(yè)品標(biāo)識技術(shù)的一個主要研究目的。

3 引入可拓學(xué)的轉(zhuǎn)換橋方法

工業(yè)品標(biāo)識的異構(gòu)性與識別的單一性共存，其矛盾問題主要是因為期望目標(biāo)與現(xiàn)有條件不能同時實現(xiàn)而產(chǎn)生的，希望通過對條件或者目標(biāo)的轉(zhuǎn)化，將矛盾問題轉(zhuǎn)變成為共存問題。蔡文學(xué)者提出的可拓學(xué)是一門解決矛盾問題的學(xué)科，針對上述問題，可以通過對條件和目標(biāo)建立形式化模型，對工業(yè)品標(biāo)識的異構(gòu)性進行定量的描述，探討事物變化和拓展可能性，從而解決矛盾沖突。

3.1 問題的形式化分析

學(xué)者在文獻[7-8]中都對矛盾問題有深入的分析和相應(yīng)解決策略的介紹[8-9]。結(jié)合標(biāo)識異構(gòu)性的角度分析發(fā)現(xiàn)所提出的矛盾問題屬于對立沖突，具體表現(xiàn)出以下三種情況：

3.1.1 無效識別

多種標(biāo)識體系共存時，識別方式不能識別任何一種標(biāo)識體系所生成的標(biāo)識，在這種情況下，反饋給用戶的識別解析結(jié)果是標(biāo)識錯誤或標(biāo)識無法識別。

3.1.2 錯誤識別

多種標(biāo)識體系共存時，識別方式與對應(yīng)的標(biāo)識體系之間的映射關(guān)系混亂，這種情況下，會產(chǎn)生工業(yè)品標(biāo)識上附著的信息被錯誤顯示的情況，顯示的信息并非工業(yè)品的信息。

3.1.3 重復(fù)識別

多種標(biāo)識體系共存時，識別方式能夠解析兩個或兩個以上標(biāo)識承載的工業(yè)品信息，在這種情況下，顯示的工業(yè)品信息不唯一，查詢結(jié)果會出現(xiàn)一個工業(yè)品標(biāo)識對應(yīng)有多個信息的現(xiàn)象。

在可拓學(xué)方法中，用基元形式化的表達對立沖突是消解問題的關(guān)鍵和基礎(chǔ)，其與矛盾問題之間的關(guān)系，如圖1所示。

圖1 矛盾問題的界定及形式化描述Fig.1 Definition and Formal Description of Contradictory Problems

采用基元表示方法描述標(biāo)識異構(gòu)性問題的目標(biāo)和條件，如下是工業(yè)品標(biāo)識異構(gòu)性問題的基元形式化模型定義。

定義1：設(shè)P 是因多種標(biāo)識體系共存產(chǎn)生的標(biāo)識異構(gòu)性問題，n維基元G1、G2表示兩種不同標(biāo)識體系下的工業(yè)品標(biāo)識目標(biāo)物元，n維基元L則表示特定的識別解析機制條件，有

式中：O—對象；c—對象的屬性；v—屬性對應(yīng)的量值。假設(shè)在條件L下，目標(biāo)物元G1和G2不能同時實現(xiàn)，稱問題P=（G1∧G2）↑L為標(biāo)識異構(gòu)性問題的基元形式化模型，其中G1和G2為關(guān)于條件L的對立物元，符號“↑”表示對立關(guān)系，符號“↓”表示共存關(guān)系。

標(biāo)識異構(gòu)性問題的沖突消解關(guān)鍵在于標(biāo)識結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化，將不能被唯一識別的標(biāo)識結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成能夠被正確識別的標(biāo)識結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)與轉(zhuǎn)換方法的思想不謀而合，故嘗試用轉(zhuǎn)換橋的方法解決該問題。

3.2 問題消解的轉(zhuǎn)換橋方法

轉(zhuǎn)換橋方法對問題進行形式化模型的建立，通過連接或者分隔的方式建立轉(zhuǎn)折部和轉(zhuǎn)折通道[10]，使工業(yè)品的異構(gòu)標(biāo)識轉(zhuǎn)化成為同構(gòu)標(biāo)識，實現(xiàn)工業(yè)品的唯一正確識別。根據(jù)文獻[9]，給出如下的相關(guān)形式化定義：

定義2：給定工業(yè)品標(biāo)識異構(gòu)性的對立問題P=（G1^G2）↑L，若存在變換T=（TG1，TG2，TL），使得（TG1G1^TG2G2）↓TLL，則稱T為問題P的解變換，使得G1和G2共存。解變換的變換對象稱為轉(zhuǎn)換橋，記作B（G1，G2）。

工業(yè)品異構(gòu)標(biāo)識轉(zhuǎn)化問題的轉(zhuǎn)換橋主要由轉(zhuǎn)折部Z和轉(zhuǎn)換通道J構(gòu)成，通常記作：B（G1，G2）=Z*J。

3.3 共存度函數(shù)及問題消解流程

轉(zhuǎn)換橋共存度函數(shù)能夠定量的衡量工業(yè)品異構(gòu)標(biāo)識的轉(zhuǎn)化程度，即標(biāo)識體系與識別方式直接的共存度，給出工業(yè)品異構(gòu)標(biāo)識轉(zhuǎn)化問題的轉(zhuǎn)換橋共存度函數(shù)定義如下：

定義3：在工業(yè)品異構(gòu)標(biāo)識轉(zhuǎn)化問題中，設(shè)論域U標(biāo)識所有標(biāo)識體系的集合，元素u標(biāo)識其中一種標(biāo)識體系，K表示論域U到實域I的一個映射，則稱

是論域U 上的可拓集，式中w=K(u)是E（T）關(guān)于元素u的轉(zhuǎn)換橋共存度函數(shù)。具體可以表示為：

（5）式中的ui和uj為元素u的兩個標(biāo)識體系特征，∧表示可拓與運算，K（ui）、K（uj）則表示ui和uj的關(guān)聯(lián)函數(shù)。

當(dāng)w=K(u)＜0，標(biāo)識異構(gòu)性問題P為對立問題，當(dāng)w=K(u)＞0，標(biāo)識異構(gòu)性問題P為共存問題，轉(zhuǎn)換橋方法轉(zhuǎn)化工業(yè)品異構(gòu)標(biāo)識的最終目的是將對立問題轉(zhuǎn)化成為共存問題，轉(zhuǎn)換橋方法的消解流程圖，如圖2所示。

圖2 工業(yè)品異構(gòu)性問題轉(zhuǎn)換橋方法的消解流程Fig.2 Digestion Process of the Conversion Bridge Method for Industrial Product Heterogeneity Problem

4 案例分析

抽油機是石油開采過程中的重要開采工具，其運行狀態(tài)、質(zhì)量情況決定了石油的質(zhì)量和開采量。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展背景下，智慧油田、抽油機監(jiān)控系統(tǒng)、智能故障監(jiān)控平臺等應(yīng)用，更加便于智能化、自動化的監(jiān)測抽油機運行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對抽油機的管理。

以游梁式抽油機為例，研究抽油機異構(gòu)標(biāo)識的轉(zhuǎn)化問題，考慮將抽油機異構(gòu)標(biāo)識的無效識別作為轉(zhuǎn)換橋應(yīng)用的實例，具體選擇型號分別為CYJ10-4.2-53HF和CYJ3-1.5-9HB兩種游梁式抽油機。其中前者的標(biāo)識使用的是Ecode標(biāo)識體系，標(biāo)識結(jié)構(gòu)主要由版本、編碼體系標(biāo)識和主碼三部分構(gòu)成；后者的標(biāo)識使用的是Handle標(biāo)識體系，標(biāo)識結(jié)構(gòu)主要由Handle前綴以及自定義編碼兩部分組成，中間通過字符“/”分隔。兩種標(biāo)識體系的結(jié)構(gòu)組成規(guī)則不同，所以兩種型號的抽油機標(biāo)識具有異構(gòu)性。而管理抽油機的系統(tǒng)識別則選用的EPC識別方式，無法對兩種抽油機標(biāo)識進行有效識別。

標(biāo)簽O1、O2是承載抽油機標(biāo)識的重要對象，將標(biāo)簽的表現(xiàn)形式c11、c21、標(biāo)識體系c12、c22、標(biāo)識c13、c23、工業(yè)產(chǎn)品c14、c24作為基元的主要屬性參數(shù)，所以根據(jù)定義1，有：

式中：v11，v21—二維碼；

v12—Ecode標(biāo)識體系；

v22—Handle標(biāo)識體系；

v13—Ecode標(biāo)識體系的標(biāo)識：009647000515283733 046818；

v23—Handle標(biāo)識體系的標(biāo)識：

86.1000.18/6057429750 208081；

v14、v24—工業(yè)產(chǎn)品的名稱，在這里指的是游梁式抽油機。

因為目標(biāo)條件是使用單一的識別解析機制，所以將識別OL作為條件基元的對象，選取解析方式cL1、對象cL2、工具為屬性cL3，則

式中：解析方式的量值vL1為EPC識別，對象的量值vL2為二維碼，工具的量值vL3是二維碼識讀器。

兩個不同型號的游梁式抽油機的異構(gòu)標(biāo)識轉(zhuǎn)化問題可以看做為一個對立問題，根據(jù)定義2，對立問題PG可以表示為：

依據(jù)轉(zhuǎn)換橋方法，對G1、G2、L構(gòu)建可拓變換，考慮實際情況，只需對G1、G2進行可拓變換T，改變“標(biāo)識體系”與“標(biāo)識”特征的量值：

使得P成為共存問題：

對于變換后基元中的特征，可以知道標(biāo)識體系決定的標(biāo)識為最終的目標(biāo)特征，對其進行可拓變換可以輕易得到目標(biāo)值，所以去“標(biāo)識體系”為轉(zhuǎn)折特征，記為Z，稱為對立問題PG的轉(zhuǎn)折部。對于發(fā)生了可拓變換的物元G則成為轉(zhuǎn)折物元，記為R。

綜上所述，通過對標(biāo)識體系G進行轉(zhuǎn)化解決了標(biāo)識異構(gòu)性問題，由Z和R構(gòu)成轉(zhuǎn)換橋記做：

如此則通過轉(zhuǎn)換橋方法解決了抽油機標(biāo)識無效識別這一具體對立問題。這里所述三種標(biāo)識異構(gòu)性問題，皆因在現(xiàn)有條件下無法實現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，所以此種方法對另外兩種具體情況有同樣適用性。

5 小結(jié)

這里分析了在建立工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的時候，因多種工業(yè)品標(biāo)識體系共存產(chǎn)生的阻礙和困難，提出了工業(yè)品標(biāo)識異構(gòu)性與識別方式單一性之間的對立沖突，并且給出轉(zhuǎn)化工業(yè)品異構(gòu)標(biāo)識的解決方法。通過引入可拓學(xué)轉(zhuǎn)換橋方法，同時對工業(yè)品異構(gòu)標(biāo)識轉(zhuǎn)化問題、轉(zhuǎn)換橋的構(gòu)建問題和共存度函數(shù)進行了基元形式化模型的定義。以游梁式抽油機為實例，利用轉(zhuǎn)換橋的方法給出無效識別這一具體的對立問題的沖突消解方式。也為可拓學(xué)轉(zhuǎn)換橋方法應(yīng)用于解決工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的矛盾問題提供理論依據(jù)。