基于工业互联网的产品数字化铭牌应用设计*

田佳鹭 刘晓丹 金树军 刘 辉 邓立国

（1.汕尾技师学院信息工程与艺术设计系 汕尾 516699）

（2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司 抚顺 113122）

（3.煤矿安全技术国家重点实验室 抚顺 113122）

（4.沈阳师范大学数学与系统科学学院 沈阳 110034）

1 引言

标识解析体系可谓是工业互联网领域“基础中的基础”，标识作为工业互联网的“身份证”，是工业领域全流程、全要素互联互通的关键枢纽，俨然成为推动产业数字化融合与转型的强大推力。准确把握数字化、智能化方向，推动制造业、农业等产业数字化，利用互联网革新技术对传统产业进行全方位的改造，提高全要素的生产率，发挥数字科技对经济发展的叠加、倍增作用，成为全球范围内制造业竞争的制高点。

2019 年，政府报告提出“打造工业互联网平台，拓展‘智能+’，为制造业转型升级赋能”；2020年，国家统筹推进“数字化新基建”工程，深化制造业与新一代信息技术相互融合［1］；2020 年，政府工作报告进一步指示“发展工业互联网，推进智能制造”，作为“互联网+”、“大数据”、“人工智能”三项基本战略的延伸［2］。截至目前，我国工业互联网标识解析体系建设实现了从0 到1 的突破，并逐步从1到N 快速拓展，日均解析量已突破4 千万次，创新应用日益活跃，标识服务工业企业已经近3 万家，累计注册量突破400亿，覆盖了30个国民经济大类。

中煤科工集团沈阳研究院有限公司（以下简称沈阳研究院）积极响应国家号召，投身到数字化经济建设中，作为目前国内唯一一个矿山装备行业工业互联网标识解析二级节点，成功与国家顶级节点对接。面向制造业系统提供标识注册、分配、查询和公共解析等服务，支撑企业信息数据的共享，协同业务与工作流优化全局。

为加快推进工业互联网标识解析创新应用发展，探索标识解析产融结合的业务模式，沈阳研究院研发基于工业互联网标识解析的产品数字化铭牌应用系统。服务于煤矿企业和矿用设备制造企，属于辽河云工业互联网平台应用系统之一。可为每一件产品、零部件、机器设备赋予唯一编码，深度下沉到工业生产过程的每一个数据，加强对产品相关信息的统一管理，有效应对矿山井下复杂、恶劣的作业环境，实现产品即销售员、产品即售后服务人员、产品即监察员，增强用户体验及企业安全生产系数［3］。

2 矿用产品管理系统痛点和难点分析

当前的煤矿产品管理系统，在使用、维护和监管矿用设备时，以下痛点和难点亟需解决：

1）使用维护资料查询难。煤矿用户在使用和维护设备过程中，依赖的技术资料多以纸质为主，经常损坏、丢失，在需要时无法及时找到。

2）售后服务解决问题难。煤矿用户需要设备厂家提供技术指导时，与厂家沟通渠道单一，容易产生信息偏差，存在服务不及时、效果不好等现象。

3）设备全生命周期管理难。煤矿用户仍采用传统方式进行设备管理，存在设备无档案、领用无记录、在用设备及库存设备数量无法得知、维保时间以及隐患预警等难题［4］。

4）产品质量追溯难。出现质量问题，设备厂家主要依赖生产人员查询记录进行质量溯源，存在追溯不彻底、不及时、不准确等问题。

5）产品合规验证难。部分企业未对变更的矿用产品关键件进行安标变更认证就交付给用户，给矿山安全生产带来隐患［5］。

这些问题的存在，一方面，会影响煤矿用户的使用体验和煤矿的安全生产工作，导致企业的财产利益和职工的生命安全受损。另一方面，也会影响设备厂家的品牌声誉，降低客户对厂家的信任和依赖。同时，对厂家在产品功能、性能、质量、成本的综合提升和控制能力上产生阻碍，制约企业的持续健康发展［6～8］。

产品数字化铭牌应用系统的建设为上述问题提供了良好的解决方案。帮助煤矿用户横跨整个企业和供应商实现产品信息的采集、管理与共享。有效解决矿用产品全生命周期跟踪难、查询难、统计难、提醒难、追溯难等问题。分别为煤矿用户、设备厂家、监管部门提供一物一码，一码到底的全信息化服务，提升服务受理效率，提高企业服务质量。

3 应用系统开发架构和关键技术

3.1 平台系统架构

该系统基于标准的煤矿工业互联网平台架构搭建而成，采用微服务集成方法，结合业务流程与工作流程管理，实现与其他系统的无缝对接，整合资源，共享数据，消除信息孤岛，搭建企业级的跨系统整合平台［9］。主要包括以下层级：

1）数据采集层：该层的数据信息源自产品数字化铭牌系统设备所采集的实时数据，以及煤矿企业基本信息采集系统中的基础数据，并以API接口的方式调用。以矿端采集网关和云端配置相结合的方式实现数据上云。

2）IaaS 层：用于部署云服务商的各大数据中心，负责提供云计算资源，包括服务器、网络、存储等。其中，容器平台的建设为该层重点。构建面向产品全生命周期管理的云服务平台，基于K8S（Kubernetes）集群技术即当前云端容器化部署最前沿的微服务架构［10］，实现平台容器化的设计与部署，从而保证系统的独立性、可扩展性、隔离性。同时，该系统基于云原生技术，快速构建并部署到云平台上，具有简便快捷的扩展能力，并与硬件解耦。基于微服务应用、容器技术、DevOps 应用等关键技术，增强灵活性、弹性和跨云环境的可移植能力。通过云平台分析大数据，实时跟踪产品运行期间存在的问题或缺陷，及时响应用户需求，完善产品功能，提升用户体验度，增强企业影响力，助力企业实现数字化转型［11］。

3）PaaS层：该层作为矿山专用设备行业标识解析二级节点的核心建设内容，提供运行环境、云计算接口、标识解析核心组件IDIS、行业标识的融合增强模块、IoT物联接口和安全认证等。为煤矿企业提供数据集成、系统集成的支撑服务。并开发融合接口软件，实现与二级节点和国家顶级节点的对接，提供设备统一标识、规范化解析、数字化管理功能。

4）SaaS 层：SaaS 平台根据使用用户、业务内容划分为门户网站、功能应用池、运营平台三层逻辑结构，采用微服务、SOA 技术，根据不同的业务内容，划分成独立模块，降低模块间的组合，利用模块协同引擎实现模块间的动态组合，形成多种不同的应用场景下子平台。基于IDIS 二级节点基础服务平台，构建开放共享的矿山专用设备创新应用服务平台，形成主要的工业互联网流量入口平台，提供标识解析应用服务，为第三方企业解决痛点问题，提升企业的服务水平，增强企业的核心价值与竞争能力，同时探索新的商业模式，推广工业互联网标识解析应用范围。

5）边缘层：基于传统的工业以太网、TSN 低时延网络及5G 等工业通信网络，接入传感器、采集器、扫码枪等设备。提供边缘智能服务，例如边缘计算优化处理海量实时数据、通过Fabric 实现智能业务编排等服务。煤炭工业互联网整体架构，如图1所示。

图1 工业互联网平台架构

3.2 系统开发框架

该系统的开发框架采用SSM架构，作为经典的MVC（Model View Controller）模 式，它 由Spring MVC、Spring、和MyBatis三部分整合而成。

1）Spring MVC：Spring MVC 包括实体层、DAO层、服务层、Web层共四层，各层之间相互作用。根据用户请求，围绕Servlet 展开设计，通过前端控制器接收请求，利用模型对象进行视图结果展示，实现前后台之间的数据传递和业务控制。采用Web-Jars 技术，打包前端静态资源从而保证Web 资源的版本唯一性［12］。

2）Spring 层：作为一种以控制反转（IOC）、面向切面为主要功能的容器框架，可实现对象创建、初始化、部署和销毁等管理工作，实现类间松耦性。简化企业级应用开发的繁琐步骤，注重业务逻辑的设计。

3）MyBatis：存在于持久层与数据库相连接，作为存储领域的利器可简化手工设置JDBC代码和参数的繁琐过程，以持久化数据语言SQL 编写ORM的解决方案［13］。

3.3 技术关键点

1）信息编码技术

信息编码是全生产过程的神经系统，是保证产品全生命周期信息互联互通的重要基础。因此，编码的结构即要易于理解和应用，又应具有广泛的适用性和延展性。该系统研究的全生产过程信息编码规范将深度结合沈阳研究院主数据物料编码分类目录、ERP流水编号以及工业互联网标识解析编码规则，制订即符合数字矿山分院仪器仪表生产实际需要的信息编码规范，又可面向中小型工业制造业企业提供可复制可推广的信息编码规范，同时，遵循GS1、Handle、OID、Ecode等国内外标识编码规范，实现信息编码与国家工业互联网建设步调一致，与国际编码标准接轨［14～15］。明显优于中小型信息化系统供应商的指标，达到或接近海尔卡奥斯、浪潮、迈迪信息等国内知名企业的指标。

2）标识解析技术

标识解析服务是全生产过程逆向追溯的重要功能。此技术不仅实现关键受控件的数字化铭牌管理和操作，还可实现各生产工序和工艺的数字化铭牌管理，最后实现产品整机的数字化铭牌管理，为生产管理者提供生产信息化的同时，也为监察监管部门提供矿用产品合规鉴定手段，为代理商销售人员提供宣传信息，为终端用户提供使用手册和客户关怀，提高沈阳研究院的产品形象和服务品质。目前，海尔卡奥斯、浪潮、迈迪信息等知名品牌仅在标识解析服务方面做了产品基本信息等服务，在监察监管方面和客户关怀方面还未深耕细做。

3）主数据、ERP、IDPointer 等多平台多系统融合接口技术

此技术接口是实现全生产过程信息互联互通的交通要道，即要实现跨平台、跨系统之间的互联互通，又要支持大数据量、大并发数、大吞吐量等指标。结合二级节点体系建设标准，参考沈阳研究院生产数据量，确定接口技术参数。融合接口针对不同平台、不同系统进行统一协议、统一制式方面的研究，实现入口规范，出口统一，打通各平台系统间的数据壁垒。作为矿山专用设备制造业全国唯一的二级节点单位，这是该系统较于其他企业的优势。

4）产品信息管理技术

研发产品在线建档建模技术，标题、文字、文本、音频、视频等信息资源自编辑技术，数据库动态加载回滚技术，形成即符合自身生产实际需要，又可面向中小型工业制造业企业复制推广的产品信息管理系统成套产品和整体解决方案。

5）SaaS层应用容器化技术

SaaS 层应用容器化部署技术是工业互联网领域近些年比较常用、比较成熟的技术，具有快速部署、快速启动、节省资源、简化配置、快速迁移等优点。目前，浪潮、迈迪信息以及江苏中天互联等知名企业仍延用独立部署模式，正在向容器化技术方向转变。该系统可实现产品数字化铭牌应用系统的容器化部署，与海尔卡奥斯等知名企业实现并跑。

6）K8S集群下容器化应用部署技术

K8S 全称Kubernetes，作为一种开源平台可自动实施Linux 容器操作，简化用户手动部署。将多组主机运行容器，交由K8S 统一管理，让集群可横跨公共云、私有云或混合云实现对主机的部署。数字化铭牌应用系统可通过本地代码打包Docker 镜像，推送至服务端Harbor私有仓库；登录容器平台，创建工作负载并输入基本信息；配合Harbor私有仓库中的镜像文件对系统进行发布。

K8S 的编排功能可实现跨多个容器的应用服务、跨集群调度，并扩展容器；持续监督容器集群的状况；保障容器集群间的负载均衡；最大程度为企业提供所需资源；实现自动化操作有效部署和更新相关应用；对服务进行声明式管控，保证应用的部署始终按规范方式运行［16］。

7）微服务架构

应用系统技术架构采用将每个应用程序作为一套小型服务开发的微服务技术，使得单个应用程序运行在自己独立部署的进程空间中，不同服务间的通信通过一些轻量级交互机制实现。由于敏态业务需要具备持续发布的能力，保证代码随时可发布，即微服务应用需要具有松耦合性。将复杂软件拆分成多个独立且简单的功能模块，降低各应用模型间的关联性。微服务架构的系统复杂度低，独立发布、部署、扩展、跨语编程等优势为该系统的建设提供了保障。

8）新型角色权限管控技术

将二级节点与企业管理模式中的分权管控制度相结合。大部分基于工业互联网标识解析二级节点所建设的工业互联网平台，暂不具备为接入企业提供分权管控功能。通过将二者相结合，使得数字化权限的管理模式中融合传统的公司管理模式，对所属企业或者部门采用逐级监管、资源有效匹配、经营风险把控等一系列方式和手段，让集团组织结构、核心流程、生产周期以及绩效管理等管控体系达到最优的管控效率，逻辑图如图2所示。

图2 新型角色权限管控技术逻辑图

4 应用系统功能设计

该系统能够实现产品信息二维码的转化和生成，可输出打印、粘贴或刻蚀在产品外壳及包装上，实现企业产品在线建档建模、追溯产品的全生命周期、跟踪管理防伪和防窜货、生成相应预警地图；为生产制造企业、认证机构、用户及监管监察机构提供权限分配机制、红包、产品商城、销售地图、等功能；通过接口管理在线配置第三方系统对接（如ERP），实现数据快速集成；通过手机或其他智能终端扫码，获取产品溯源信息，包括产品名称、企业名称、生产批次、物流信息、安标信息等，并与安标信息、企业采购合同信息进行比对，鉴别真伪；此外，系统还为企业提供售后服务功能，包括各类工单管理、安装调试、专家仓库、售后服务网点、客户回访记录等。提升服务受理效率，完善企业服务质量，保证良好的用户体验。数字化铭牌系统通过在生产过程中为部件、产品、人、设备进行唯一编码、赋码、录入信息，用户通过微信或小程序扫码，获取相关信息，如使用维护信息、售后服务信息、防伪防窜货信息、销售信息、设备管理信息等。

4.1 煤矿产品信息管理

实现一物一码、扫码解析。该功能作为系统的重点功能，数字化整理产品型号、名称、图片、参数（电压、电流、尺寸、重量等）、生产厂家、出厂编号、合格证、安标证（图片）、防爆证（图片）、二维码、配件关联、配接设备或关联设备、电子三包凭证配置及应用等信息，并以二维码的形式对其进行统一管理。解决产品使用维护资料查询难的问题。

4.2 煤矿产品追溯管理

实现一码全览、追根溯源。实现系统采集到的产品生产过程信息和产品对应的唯一编码两者相关联，通过产品标识编码查询，获得产品的所有绑定信息。结合系统对供应商物料、制造过程、质量及客户发货等信息的获取，实时追溯客户订单信息、部件生产批次号、物料批号等动态信息。解决产品质量管控追溯难、设备全生命周期管理难的问题。

4.3 防伪及防窜货监察管理

实现一码多管、防伪跟踪。通过智能终端扫码，获取产品溯源信息，并与安标信息、企业采购合同等信息进行比对，鉴别真伪。当产品标识无法在系统中查询到结果时，表示该产品非正品，系统报警并记录结果。若产品实际使用情况被系统记录，系统会显示伪造产品未定位以及实际使用者，对伪造行为进行追溯调查，并提供防伪产品地图显示功能。

实现一码鉴权、监察管控。当产品/设备实际使用地点与理论发货地点无法匹配时，系统提示窜货信息并报警。通过设备监察功能及时发现问题并处理，提出改进措施，避免类似情况再发生，解决产品合规验证难的问题。

4.4 销售记录及工单管理

实现一码当先、服务便利。对各产品的销售结果进行记录，为产品销量统计提供基础依据。提供离散型订单式矿用产品生产工序和工艺，针对生产工序和工艺存在的信息化手段不足等问题，提出全生产过程信息化解决方案，实现全生产链条中人、物料、设备、信息等生产要素达到合理配置，协调运行。工单信息包括安装调试工单、产品故障工单、故障维修工单等记录。服务人员根据现场环境需求，填写安装调试工单，由客户确认签字，在系统中可关注工单实施进度。

4.5 售后服务信息管理

实现一码到底、用户满意。对售后用户定期进行回访，记录回访过程以便后续用户服务跟进。并向用户提供售后服务网点列表及对应联系方式，实现用户与售后服务精准对接，提供更优质的售后保障。根据安装调试工单、故障维修工单、回访记录等对产品/设备产生的异常进行分类统计分析，为产品改进、售后服务改进提供数据支持。改善售后服务解决问题难的问题。

5 结语

目前，本系统已经在沈阳研究院得到应用和测试，系统整体稳定。通过建设产品数字化铭牌应用系统，实现煤矿产品在线建档建模，结合标识码绑定，实现对产品全生命周期、防伪、防窜货等各项跟踪管理，为产品提供专业有效的售后技术服务保障。本系统在保障沈阳研究院产品及售后服务管理模式数字化、信息化、智能化、服务化的同时，运用工业互联网+智能制造的模式优化产业链，打破煤矿行业内上下游企业之间的信息孤岛，实现企业之间信息的互通互联，优化资源配置，降低销售、售后服务、培训和维护成本，让企业和用户在享受到便捷、高效的体验同时，创新企业的发展思路和模式，提高企业的生存与创新能力，为企业可持续发展提供良好的平台和契机。

功崇惟志，业广惟勤，基于工业互联网标识解析的产品数字化铭牌应用系统在工业互联网背景下的发展，必将融入前人在标准领域工作的精华，瞄准工业特征，以更高的视角、更深的钻研、扎实的实绩，在市场中占有更多话语权，引领煤矿和制造业产业的进步。