随着全球工业革命的浪潮的到来，工业互联网已成为推动我国制造业转型升级的重要力量。工业设备作为生产过程中的核心要素，其互联互通是实现数字化转型的基础。然而，在实际应用中，不同厂商、不同型号的工业设备往往采用各自独立的通信协议和数据格式，这导致了设备接入的复杂性和数据交换的障碍。而数据字典能够统一工业设备的数据格式，实现工业设备的语义互理解，是推动工业设备互联互通的重要手段。

数据字典是关于数据的信息集合，即一个对数据流中的所有数据元进行定义的集合，通过数据字典可以实现对信息系统中的所有数据进行定义。

由于数据字典的梳理的复杂性和不同企业数据字典的差异性，数据字典的应用和推广面临着极大的挑战，而通过开发数据字典的通用工具，建立标准化、易使用的数据字典通用工具是促进数据字典应用推广的重要手段。要研制适合工业设备接入的数据字典通用工具，首先要明确工业设备接入面临的关键问题。

1 基于数据字典的工业设备接入方法的思路

1.1 工业设备接入面临的主要问题

设备语义不统一 ：不同设备对同一物理量的描述和定义可能存在差异，例如温度、压力、流量等。这导致设备之间的数据难以进行语义理解和相互操作，需要进行数据映射和标准化处理。

设备接入成本高 ：建立设备接入平台需要进行大量的开发和调试工作，涉及设备协议解析、数据采集、数据存储、数据分析等多个环节。这导致设备接入成本高，难以快速实现设备互联互通。

数据字典应用工具不足 ：目前市场上缺乏易于使用且功能强大的数据字典应用工具，数据管理团队在维护和更新数据字典时面临诸多不便。同时，数据字典的普及和教育也因为缺乏直观、易操作的工具而变得困难。

1.2 基于数据字典工业设备接入逻辑

基于数据字典的工业设备接入的方式是一个全套的流程，最终目的是保证设备能够正常接入互联网并投入使用。首先是基于特定的筛选条件从数据字典库中筛选出需要的设备数据字典信息，之后进行建模形成标准化设备数据字典信息模型。在设备信息模型的基础上对不同设备的语义进行转换，形成设备标准语义并与设备模型共同实现设备组态模型，最后构建成具体功能的设备接入 App 应用，实现设备的互联互通互理解。如图 1 所示。

图 1  基于数据字典工业设备接入逻辑

2 基于数据字典的通用“工具链”设计

建立工业设备数据字典库，规范了工业设备数据元的定义，为工业设备数据标准化奠定了基础，而利用工业设备数据字典库开发出的工业设备数据字典通用“工具链”是实现工业设备互联、互通、互操作的重要手段。工业设备数据字典通用“工具链”由搭建在工业设备数据字典库基础之上的多个层层递进、环环相扣的工具组成，为用户提供了一套完整的用于工业设备互联互通互理解的工具套件。

2.1 数据字典的通用“工具链”设计思路

工业设备数据字典通用“工具链”由五大基础工具构成 ：字典检索工具、设备信息模型建模开发工具、设备数据语义转换开发工具、设备组态设计工具、App 应用设计工具。围绕设备数据字典库结合相关数据规范标准，构建了一个工业数据的生态，从而达到统一描述、统一语义，实现降低沟通成本，提高生产协作效率的目的。“工具链”的设计思路如图 2 所示。

图 2  工业设备数据字典通用“工具链”设计思路

字典检索工具提供设备数据字典信息，作为设备信息模型构建工具的输入参考。

设备信息模型建模开发工具设计出了设备信息模型数据，作为设备数据语义转换开发工具及设备组态开发工具的输入参考。

设备数据语义转换开发工具开发出了设备数据语义转换工具，其结合设备数据、语义转换输入、转换映射配置规范、输出规范等，突出标准语义结构的设备数据。

设备组态设计工具设计出了设备组态应用，结合标准语义结构的设备数据，以可视化的形式展现设备的组态，而设备组态应用又可以作为 App 应用设计工具的输入参考，嵌入到其开发出的 App 应用中。

App 应用设计工具开发出了App 应用，结合标准语义结构的设备数据，复用设备组态应用，可视化地展示某一应用场景的设备数据情况。

2.2 工业设备数据字典通用“工具链”基础工具

2.2.1 字典检索工具

字典检索工具是工业设备互联中的“导航仪”。在设备数据纷繁复杂的工业环境中，这一工具通过直观、可视化的界面，使用户能够迅速定位到所需的数据项。它极大地提高了数据检索的效率和准确性，为后续的数据处理、分析和应用提供了坚实的基础。无论是设备维护、故障排查还是性能优化，该工具都能帮助企业快速获取所需信息，为工业生产的顺利进行提供了有力保障。

(1) 字典检索工具功能构成

字典检索工具基于工业设备数据字典库开展数据字典检索服务，其功能架构如图 3 所示。数据字典精准检索功能 ：通过精确匹配关键词，检索出指定的设备字典数据信息。

图 3  数据字典检索工具功能架构

数据字典模糊检索功能 ：通过模糊匹配查询的词，检索出包含指定关键词的设备字典数据信息。数据字典智能推荐功能 ：以精确匹配或模糊匹配关键词的方式，从工业设备数据字典库对数据进行查询过滤，并结合字典数据关系图谱及用户过往查询习惯，推送与查询结果相关的其他字典信息。数据字典关系分析功能 ：结合数据字典数据及用户查询习惯，分析工业设备数据字典数据的相关性，生成字典数据关系图谱，为智能检索推荐提供基础数据。

(2) 数据字典检索流程

通过前端用户手工输入、可视化检索条件配置选择、后端工具程序的自动输入、用户搜索历史等不同方式构建出字典数据信息查询检索词，提交由后端词法分析服务进行词法解析。对构建的查询检索词进行词法分析，执行拆分关键词、确定主关键词、敏感词 / 停用词过滤等操作，构建出检索词数据结构，提交检索引擎进行数据检索。检索引擎解析词法分析服务输出的检索词数据结构含义，从工业设备数据字典库中检索相应的设备字典信息，或者进行设备字典信息关系分析、字典数据智能推荐。检索结果构建服务对经过排序后的结果集根据用户不同需求进行相应数据包装，特定情况下进行数据干预，提供额外的关联数据或智能推荐数据，并返回给检索发起方。如图 4 所示。

图 4  数据字典检索处理流程

2.2.2 设备信息模型建模开发工具

设备信息模型建模开发工具是工业设备互联中的“建筑师”。它通过图形化的方式，允许用户定义和构建设备的信息模型，使设备的属性、关系和行为得以清晰展现。这一工具不仅降低了信息模型构建的复杂性，还提高了模型的可读性和可维护性。借助它，用户可以更加直观地理解设备的工作原理和交互方式，为设备间的数据交换和共享提供了有力支持。

(1) 设备信息模型建模开发工具功能构成

设备信息模型建模开发构建工具通过前端设计器作为窗口呈现，后端服务作为功能支撑实现，设备信息模型建模开发工具功能架构如图 5 所示。

图 5  设备信息模型建模开发工具功能架构

工业设备信息模型在线设计功能 ：提供一个Web 在线设计器，实现设备信息模型的在线设计。工业设备信息模型管理 ：包含信息模型的添加、修改、删除、检索、模型间关系定义、模型的发布、模型的导入、导出等功能，实现信息模型的管理。工业设备信息模型校验 ：校验导入的工业设备信息模型文件规范性和模型文件表达语义正确性的工具。

工业设备信息模型推荐 ：通过用户维护的设备信息模型间关系定义信息以及用户设计信息模型过往习惯偏好，向用户推荐相关联的其他设备信息模型，供信息模型在线设计复用模型信息。

设备衍生属性管理 ：衍生属性管理功能实现的是衍生属性数据的计算分析。

(2) 设备信息模型建模流程

设备信息模型建模开发工具通过字典检索工具检索出字典信息，然后拖拽字典信息到画板，通过拖拉拽、连线的方式组合构建出一个或多个的设备定义模型，保存输出为设备信息模型。设备信息模型建模流程如图 6 所示。

图 6  设备信息模型建模流程

2.2.3 设备数据语义转换开发工具

设备数据语义转换开发工具是工业设备互联中的“翻译官”。在设备数据格式和语义各异的情况下，它能够自动识别和转换不同设备间的数据格式和语义，实现了数据的无缝对接。它还消除了数据交换中的障碍，提高了数据交换的效率和准确性。借助该工具，企业可以更加灵活地集成各种设备，实现设备间的协同工作，为工业生产带来了更高的灵活性和效率。

(1)设备数据语义转换开发工具的功能构成

设备数据语义转换开发工具是基于工业设备数据字典库，实现对异构数据进行语义转换，具有以下功能。

设备信息模型映射匹配 ：实现设备信息模型映射匹配配置文件的映射配置，为数据标准化转换过程做储备。

设备数据格式自动转换 ：实现不同设备信息模型之间数据格式的互相转换。

设备数据格式转换异常处理 ：在进行设备数据的标准化转换过程中，如出现转换异常，可根据设备信息模型定义，输出设备动态属性数据转换异常原因及原始值供分析人员分析处理。

设备数据格式转链路分析 ：在设备数据标准化转换的过程中，收集每个处理过程中的指标信息，以图形化的方式展现给领域专家，供专家分析优化设备数据语义转换处理工具。

语义转换工具编译打包工具 ：包含设备信息模型映射匹配配置、工业设备数据字典库、设备信息模型、数据格式自动化转换工具、设备数据格式转换异常处理功能以及数据格式转换链路分析功能在内所有功能，编译打包处理，输出一个完整的设备数据标准语义转换工具供用户测试、使用。

(2) 设备数据语义转换流程

首先将工业数据采集网关采集到的设备动态属性数据解析成类似 key、value 的简单结构，并实现设备信息模型映射匹配配置文件的映射配置，然后利用数据字典检索工具检索到标准字典对设备数据进行类型、格式进行校验，最后结合设备信息模型，进行数据标准化转换处理。设备数据语义转换流程如图 7 所示。

图 7  设备数据语义转换产品流程

2.2.4 设备组态设计工具

设备组态设计工具是工业设备互联中的“设计师”。它提供了在线化的平台，使用户能够实时地进行设备组态设计，包括设备的配置、参数设置、网络连接等。这一工具支持远程监控和控制功能，使用户能够随时随地对设备进行管理和调整。它极大地提高了设备组态设计的灵活性和便捷性，为企业带来了更高的生产效率和更低的维护成本。其体系架构如图 8 所示。

图 8  设备组态设计工具体系架构

设备组态设计工具分为前端设计器和后端管理服务两部分。

(1) 前端设计器。设备组态在线设计器可以完成设备组态的可视化构建，支持组态基本信息的新增、修改、删除等操作，同时支持设备组态的图形化设计、克隆、预览、发布、导入、导出等功能。

(2) 后端管理服务。后端管理服务主要分为三大类 ：组件库管理服务、组态管理服务、解析引擎。

2.2.5 App 应用设计工具

App 应用设计工具是工业设备互联中的“创新引擎”。它为用户提供了一个强大的应用开发平台，支持用户根据自身需求快速开发出各种工业应用。它提供了丰富的 API 接口和 SDK 开发工具包，使用户能够轻松地集成各种功能和服务，实现应用的定制化和个性化。借助该工具，用户可以快速构建出符合自己需求的工业应用，如设备监控、数据分析、故障预警等。这些应用不仅提高了设备的智能化水平，还为企业带来了更高的经济效益和社会效益。其体系架构如图 9 所示。

图 9  App 应用设计工具的体系架构图

App 应用设计工具本质上是对“工具链”其他工具输出物的整合利用，结合低代码开发框架，使IT 人员或一线工程实施人员可以通过拖拽配置，以及简单的代码开发，快速、便捷完成对工业设备数据的分析展示功能。App 应用设计工具包含 App 应用在线设计器和后端管理服务。后端管理服务包括App 应用设计管理、App 应用数据源管理、App 数据源资产管理等功能。App 应用在线设计器可以完成 App 应用的可视化构建，支持 App 应用基本信息的预览、保存、审核等操作，同时支持 App 应用的打包、下载、发布等功能。而在后端管理服务中，App 应用设计管理支持 App 应用信息的新增、删除、审核等功能 ；App 应用数据源管理主要维护当前设计 App 应用支持的数据源的管理，主要包含数据源的新增、测试、删除、配置等功能 ；App 数据资产管理主要维护当前应用数据源下的数据集的定义管理，包括资产的删除、配置、预处理脚本等功能。

3 结语

本文分析了工业设备接入中的主要问题及数据字典在设备互联互通互理解中的关键作用，并提出了一种基于数据字典的工业设备接入方法。通过构建数据字典库、开发通用“工具链”等方式，有效解决了工业设备接入中存在的异构协议、数据格式不统一、语义理解困难等问题，为工业互联网的互联互通互理解提供了有力支撑。字典检索工具、设备信息模型建模开发工具、设备数据语义转换开发工具、设备组态设计工具、App 应用设计工具等工具，为工业设备接入提供了新的思路和方法。

原文刊载于《信息技术与标准化》2024年第4期 作者：邱硕涵 张晓楠 王程安 王凯