转换桥方法在工业品标识异构性问题中的应用

刘怡君，孙文磊，熊宗慧，2

（1.新疆大学机械工程学院，新疆 乌鲁木齐 830046；2.新疆大学机械工程学院机械工程博士后流动站，新疆 乌鲁木齐 830046）

1 引言

当前工业互联网正在不断发展成熟中，而推进工业互联网的各参与方，为了提高工业品的互联互通性，对工业品标识解析技术也越来越重视。其中工业品是一种对于产品和服务的总称，包括但不限于机器设备、原材料、售后服务等[1]，换言之，工业品代指工业互联网中所有或实或虚的“物”。

工业互联网中的标识解析技术，不仅可以识别网络内的工业品，还具有查询工业品关联信息的功能[2]。但是在研究过程中，一方面因为多种标识体系的共存，出现工业品“一物多标识”或“一标识多物”的现象，阻碍工业品建立唯一的身份标识；另一方面因为工业互联网中识别方式的单调性（工业互联网建立过程中，大量工业品的识别方式只有一种，识别的设备一般也只有一种型号，成为识别方式的单调性），导致识别结果的错误、混乱、无效等问题，弱化不同工业品之间的信息关联度，降低工业品相互之间信息传递的质量和效率。因此，多种标识体系共存与单一识别方式之间的冲突问题是研究标识解析技术的重点和难点。

目前国内外主要的解决方案有以下两种：一种是在建立工业互联网时，对所有工业品的特点、作用进行分析，重新标识网中的工业品，但如此一来，费时费力，增加了许多人力消耗；另一种是以地区或工业品类型区分，对某一特定使用场景进行标识体系的标准化规定[3]，如我国自主提出的Ecode标识体系在农产品、食品行业的成功应用[4]，然成本颇高，且需要政府及相关工作部门的支持，更无法解决在售和已售的工业品标识异构性问题[5]。

因此，提出一种新的方法消除多种工业标识体系共存与特定的识别方式之间产生的矛盾冲突，即利用可拓学转换桥方法中“各行其道，各得其所”的理念对标识异构性问题进行研究。采用连接或者分隔的方式构建转换桥，实现对期望目标或现有条件的转化，从而化对立问题为共存问题，解决矛盾[6]。

2 工业品标识异构性问题

工业品标识体系和工业品标刻技术、工业品识别技术作为工业品标识技术的三个关键性技术，解决了工业互联网中的信息采集问题，实现了对工业品实体和虚体对象的信息查询、管理和控制。

一直以来，在同一标识体系下，标识和工业品对象之间都有唯一确定的映射关系，一个标识对应一个工业品对象。根据工业品行业、使用环境、关联信息等情况的不同，全球多个标准化研究组织先后出台了几十种标识体系，其中常用的有GS1系列编码、Handle标识体系、Ecode标识体系、UID、EPC等[7]。每种标识体系都有特定的编码规则，用以生成不同结构的标识，将这种特性称为工业品标识的异构性。

在建立工业互联网时，工业品对象的标识来源范围很难控制在一种标识体系内，常常涉及两种甚至两种以上的标识体系，这就要求工业互联网中识别方式的数量不能低于标识体系的数量，且需能与其一一对应。这违背了最初的期望目标--能且只能通过一种识别方式识别所有的工业品标识，即识别方式的单一性。

所以不难发现，工业品标识的异构性与识别方式的单一性之间的矛盾冲突是工业品标识技术研究的难点和关键所在，而如何将工业品异构标识转化成为可识别的工业品标识对象成为了工业品标识技术的一个主要研究目的。

3 引入可拓学的转换桥方法

工业品标识的异构性与识别的单一性共存，其矛盾问题主要是因为期望目标与现有条件不能同时实现而产生的，希望通过对条件或者目标的转化，将矛盾问题转变成为共存问题。蔡文学者提出的可拓学是一门解决矛盾问题的学科，针对上述问题，可以通过对条件和目标建立形式化模型，对工业品标识的异构性进行定量的描述，探讨事物变化和拓展可能性，从而解决矛盾冲突。

3.1 问题的形式化分析

学者在文献[7-8]中都对矛盾问题有深入的分析和相应解决策略的介绍[8-9]。结合标识异构性的角度分析发现所提出的矛盾问题属于对立冲突，具体表现出以下三种情况：

3.1.1 无效识别

多种标识体系共存时，识别方式不能识别任何一种标识体系所生成的标识，在这种情况下，反馈给用户的识别解析结果是标识错误或标识无法识别。

3.1.2 错误识别

多种标识体系共存时，识别方式与对应的标识体系之间的映射关系混乱，这种情况下，会产生工业品标识上附着的信息被错误显示的情况，显示的信息并非工业品的信息。

3.1.3 重复识别

多种标识体系共存时，识别方式能够解析两个或两个以上标识承载的工业品信息，在这种情况下，显示的工业品信息不唯一，查询结果会出现一个工业品标识对应有多个信息的现象。

在可拓学方法中，用基元形式化的表达对立冲突是消解问题的关键和基础，其与矛盾问题之间的关系，如图1所示。

图1 矛盾问题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标识异构性问题的目标和条件，如下是工业品标识异构性问题的基元形式化模型定义。

定义1：设P 是因多种标识体系共存产生的标识异构性问题，n维基元G1、G2表示两种不同标识体系下的工业品标识目标物元，n维基元L则表示特定的识别解析机制条件，有

式中：O—对象；c—对象的属性；v—属性对应的量值。假设在条件L下，目标物元G1和G2不能同时实现，称问题P=（G1∧G2）↑L为标识异构性问题的基元形式化模型，其中G1和G2为关于条件L的对立物元，符号“↑”表示对立关系，符号“↓”表示共存关系。

标识异构性问题的冲突消解关键在于标识结构的转化，将不能被唯一识别的标识结构转换成能够被正确识别的标识结构，发现与转换方法的思想不谋而合，故尝试用转换桥的方法解决该问题。

3.2 问题消解的转换桥方法

转换桥方法对问题进行形式化模型的建立，通过连接或者分隔的方式建立转折部和转折通道[10]，使工业品的异构标识转化成为同构标识，实现工业品的唯一正确识别。根据文献[9]，给出如下的相关形式化定义：

定义2：给定工业品标识异构性的对立问题P=（G1^G2）↑L，若存在变换T=（TG1，TG2，TL），使得（TG1G1^TG2G2）↓TLL，则称T为问题P的解变换，使得G1和G2共存。解变换的变换对象称为转换桥，记作B（G1，G2）。

工业品异构标识转化问题的转换桥主要由转折部Z和转换通道J构成，通常记作：B（G1，G2）=Z*J。

3.3 共存度函数及问题消解流程

转换桥共存度函数能够定量的衡量工业品异构标识的转化程度，即标识体系与识别方式直接的共存度，给出工业品异构标识转化问题的转换桥共存度函数定义如下：

定义3：在工业品异构标识转化问题中，设论域U标识所有标识体系的集合，元素u标识其中一种标识体系，K表示论域U到实域I的一个映射，则称

是论域U 上的可拓集，式中w=K(u)是E（T）关于元素u的转换桥共存度函数。具体可以表示为：

（5）式中的ui和uj为元素u的两个标识体系特征，∧表示可拓与运算，K（ui）、K（uj）则表示ui和uj的关联函数。

当w=K(u)＜0，标识异构性问题P为对立问题，当w=K(u)＞0，标识异构性问题P为共存问题，转换桥方法转化工业品异构标识的最终目的是将对立问题转化成为共存问题，转换桥方法的消解流程图，如图2所示。

图2 工业品异构性问题转换桥方法的消解流程Fig.2 Digestion Process of the Conversion Bridge Method for Industrial Product Heterogeneity Problem

4 案例分析

抽油机是石油开采过程中的重要开采工具，其运行状态、质量情况决定了石油的质量和开采量。在工业互联网的发展背景下，智慧油田、抽油机监控系统、智能故障监控平台等应用，更加便于智能化、自动化的监测抽油机运行数据，实现对抽油机的管理。

以游梁式抽油机为例，研究抽油机异构标识的转化问题，考虑将抽油机异构标识的无效识别作为转换桥应用的实例，具体选择型号分别为CYJ10-4.2-53HF和CYJ3-1.5-9HB两种游梁式抽油机。其中前者的标识使用的是Ecode标识体系，标识结构主要由版本、编码体系标识和主码三部分构成；后者的标识使用的是Handle标识体系，标识结构主要由Handle前缀以及自定义编码两部分组成，中间通过字符“/”分隔。两种标识体系的结构组成规则不同，所以两种型号的抽油机标识具有异构性。而管理抽油机的系统识别则选用的EPC识别方式，无法对两种抽油机标识进行有效识别。

标签O1、O2是承载抽油机标识的重要对象，将标签的表现形式c11、c21、标识体系c12、c22、标识c13、c23、工业产品c14、c24作为基元的主要属性参数，所以根据定义1，有：

式中：v11，v21—二维码；

v12—Ecode标识体系；

v22—Handle标识体系；

v13—Ecode标识体系的标识：009647000515283733 046818；

v23—Handle标识体系的标识：

86.1000.18/6057429750 208081；

v14、v24—工业产品的名称，在这里指的是游梁式抽油机。

因为目标条件是使用单一的识别解析机制，所以将识别OL作为条件基元的对象，选取解析方式cL1、对象cL2、工具为属性cL3，则

式中：解析方式的量值vL1为EPC识别，对象的量值vL2为二维码，工具的量值vL3是二维码识读器。

两个不同型号的游梁式抽油机的异构标识转化问题可以看做为一个对立问题，根据定义2，对立问题PG可以表示为：

依据转换桥方法，对G1、G2、L构建可拓变换，考虑实际情况，只需对G1、G2进行可拓变换T，改变“标识体系”与“标识”特征的量值：

使得P成为共存问题：

对于变换后基元中的特征，可以知道标识体系决定的标识为最终的目标特征，对其进行可拓变换可以轻易得到目标值，所以去“标识体系”为转折特征，记为Z，称为对立问题PG的转折部。对于发生了可拓变换的物元G则成为转折物元，记为R。

综上所述，通过对标识体系G进行转化解决了标识异构性问题，由Z和R构成转换桥记做：

如此则通过转换桥方法解决了抽油机标识无效识别这一具体对立问题。这里所述三种标识异构性问题，皆因在现有条件下无法实现预期目标，所以此种方法对另外两种具体情况有同样适用性。

5 小结

这里分析了在建立工业互联网的时候，因多种工业品标识体系共存产生的阻碍和困难，提出了工业品标识异构性与识别方式单一性之间的对立冲突，并且给出转化工业品异构标识的解决方法。通过引入可拓学转换桥方法，同时对工业品异构标识转化问题、转换桥的构建问题和共存度函数进行了基元形式化模型的定义。以游梁式抽油机为实例，利用转换桥的方法给出无效识别这一具体的对立问题的冲突消解方式。也为可拓学转换桥方法应用于解决工业互联网领域的矛盾问题提供理论依据。