面向異構分揀系統集成的中間件設計與應用研究

頭部廣 告

摘要：現代自動化物流分揀系統中，多廠商設備集成時的協議不一致問題長期制約系統效能提升，本文結合鄂州花湖機場轉運中心的實際工程案例，探討基于中間件的分揀系統集成解決方案，方案核心通過建立專門的協議轉換與數據映射機制，解決了分揀機底層與高層控制系統之間的通信問題。從實際應用結果可以看出，該中間件實現了三家不同品牌分揀設備的協同工作，有效保障了系統日處理量達數百萬件的超大型國際轉運中心的穩定運行。其重要意義在于實現了高層與底層控制系統的解耦，提升了整個系統的靈活性與可擴展性。

關鍵詞：系統集成；中間件；物流自動化；交叉帶分揀機；高層控制系統

作者：魯聯軍

范德蘭德物流自動化系統（上海）有限公司

題眼廣 告

一

引言

工業控制系統協同中間件，即指異構工業控制系統數據壁壘、系統性應用難題、工業現場協議兼容和設備接入、工控系統數據集成和數據交換等各類中間件。目前中間件主要集中于政府、金融等行業領域，工業領域產品較少。國外德國西門子、美國羅克韋爾、GE等雖有工業中間件產品，但是面向異構工業控制系統協同中間件產品較少。國內研究和整體應用并不多，發展處于起步階段[1]。

本文以近幾年成功投入運營的湖北鄂州花湖機場轉運中心為例，分析中間件在異構分揀系統中的應用。該轉運中心配備設備2.3萬臺，最高每小時處理量28萬件，是國內乃至全球物流網絡中的關鍵節點。該轉運中心分揀系統由三家不同的分揀機供應商提供，同時集成了來自多個廠商的輔助設備，這些都需要與同一個高層控制系統進行信息交互，而這些設備在應用層協議、報文格式、數據語義等交互內容上存在著明顯的差異。本研究的目的是為類似復雜的自動化系統集成提供一種可行的中間件應用解決方案與實踐參考。

二

異構分揀系統架構設計

本文提出的異構分揀系統中間件設計集成方案[2][3]采用高層控制系統、中間件層和底層控制系統（包括多家分揀機廠商、單件分離和掃描儀等設備）等三層邏輯架構。該架構以中間件為核心樞紐，實現異構設備與統一管控平臺之間的協議適配、數據轉換和可靠通信，提高系統的效率和性能[4]。系統架構設計如圖1所示。

圖1 系統架構設計圖

1.高層控制系統

高層控制系統作為系統的核心決策單元，負責處理全局業務邏輯和集中管控。具體功能包括：解析由中間件傳遞的標準格式報文（如路向請求），根據包裹條碼查詢后臺數據庫以確定分揀目的地，并將查詢結果通過標準格式報文（如路向回復）下發至中間件。同時，該系統實時監控所有底層設備的運行狀態、記錄生產數據、并支持異常情況的人工干預流程。在通信層面，高層控制系統只需要和中間件對接，采用統一預定義的標準報文格式進行交互。

2.中間件系統

中間件系統承擔協議轉換和數據處理的樞紐角色，實現了異構系統之間的無縫對接。其主要功能包括：

（1）協議與數據轉換：通過協議適配器，實現不同廠商設備私有協議和內部標準格式之間的雙向轉換；利用數據映射引擎執行字段映射、類型轉換和值映射（如分揀機供件臺編號映射、流水號格式化等）；

（2）通信保障：通過消息隊列緩沖高峰流量，保障通信可靠性；具備連接管理和斷線重連機制，維持高層與各設備之間連接的穩定性；

（3）運維支持：記錄所有通信報文和系統事件日志，便于審計和故障排查；

（4）靈活擴展[5]：支持通過配置方式動態更新映射規則和轉換邏輯，新增或更換設備時無需修改高層核心代碼，只需要在中間件配置新的協議適配器和映射關系；

（5）協助底層設備之間的通信：中間件能協助部分底層設備實現間接通信，有助于減少直接通訊的數據量和硬件耦合器的使用量。

3.底層控制系統

底層控制系統由各廠商的輸送機、單件分離器、掃描儀、分揀機等設備構成，作為執行單元負責完成包裹的輸送、掃描、疊件分離和分揀等具體操作。各設備均采用自身定義的私有協議和內部數據格式直接與中間件進行通信。

三

中間件功能實現

本文提出的中間件已在鄂州花湖機場轉運中心成功部署，該轉運中心接入了三家不同供應商的分揀設備，實現了異構分揀系統集成時的統一通信與協同控制。針對分揀流程中的三類核心報文——路向請求、路向回復、狀態確認（分揀成功、分揀報告、循環報文），中間件執行協議轉換、數據映射、消息隊列和連接管理等功能。下面將以本公司分揀機與高層通信之間的三類報文詳細說明中間件如何實現其報文轉譯功能。

1.路向請求報文格式對比及中間件處理

路向請求是整個分揀流程的發起信號。當包裹通過掃描儀并讀取到條碼信息后，裝有該包裹的分揀機小車運行到系統預設的固定位置時，底層控制系統便會向中間件發送一個路向請求報文。此報文的目的是詢問高層控制系統：“我這里有一個包裹，它的條碼是XXX，現在在YYY小車上，請問它應該被分揀到哪個目的地？”

（1）底層與高層報文格式對比

底層報文格式為：

高層期望的報文格式為：

通過對比，可以清晰地發現兩者存在多處不一致，直接通信必然導致高層解析失敗。中間件的首要任務就是完成它們之間的“對等翻譯”。

（2）中間件的轉譯邏輯與映射機制

中間件處理路向請求報文時，會按照一套預先定義好的轉換規則來執行，核心目標是實現底層數據格式到高層期望格式的無損、準確映射。這不是簡單的字段轉發，而是包含了一系列復雜的計算和映射過程，具體轉換規則參見表1，中間件的處理主要包括以下幾種類型：

表1 路向請求報文字段映射與轉換表

①字段剔除與補充：如移除高層不關心底層的“t”“bbbb”“o”等字段；

②數據類型與格式轉換：如將底層的整型“小車號”轉換位ASCII碼，整型“流水號”轉換為高位補零的無符號長整型等，以滿足高層對數據格式與長度的要求；

③值映射與邏輯運算：如“供件臺編號”需通過查詢表2所示的映射關系，轉換為高層系統識別的統一編碼。

表2 供件臺編號映射關系表

中間件對路向請求報文的部分數據處理流程如圖2所示。功能碼“53”值映射為“100”、底層流水號“123”格式轉換并增加前置值為“00123”、小車號“1”格式轉換并增加前置值為“0001”、供件臺編號“0001.47.01”通過查詢映射表后映射為“IND1001”等。

圖2 路向請求報文轉換數據流圖

2.路向回復報文格式對比及中間件處理

高層系統在收到中間件轉譯的路向請求后，會對其中的條碼進行解析，查詢后臺數據庫，確定該包裹的最終目的地后下發路向回復報文。

（1）報文格式對比

底層期望的報文格式為：

高層報文格式為：

此報文中“hh…lc”為高層系統中包裹的唯一流水號，“ooo”“gg1”和“gg2”是高層針對收到路向請求中的條碼進行解析之后得到的第一、第二、第三目的地滑槽號，“j”為高層系統對條碼解析的譯碼結果狀態位。對比雙方期望的報文格式發現，雙方對于報文格式的關鍵差異：底層控制系統需要通過特定的“譯碼結果狀態位（d字段）”來判斷指令是否有效，而高層報文并未包含此字段。這體現了雙方在指令確認語義上的微小差別。

（2）中間件處理邏輯

只要成功接收到高層下發的有效路向回復報文，就判定為譯碼成功，在轉發給底層之前，自動在報文對應位置插入d字段，并將其設置為1。這種自動插入的方式，彌補了雙方格式上的差異，確保底層控制指令的可執行性，是中間件實現“無縫”通信的關鍵一環。

3.狀態確認類報文格式對比及中間件處理

在分揀流程中，狀態確認類報文是實現“指令－執行－反饋”閉環的核心環節，其中包含分揀成功報文、分揀報告和循環報文。盡管底層與高層各自采用內部統一的報文格式，但兩者在字段定義、結構順序及命名等都存在顯著差異。為確保狀態信息能無損傳遞，中間件需準確地完成轉換，實現字段映射、語義對齊等功能，從而讓高層實時精準地了解包裹分揀狀態。

分揀成功報文。由底層在發出分揀動作指令時觸發，是一個“預報告”。中間件需將其轉換為高層期望的格式，其實時無誤地送達高層對于高層系統跟蹤和記錄包裹的動向至關重要。

分揀報告。由滑槽區域末端的光電傳感器觸發，如小車所在包裹已“消失”，則意味著包裹已成功分揀，是包裹落格的“最終確認”。其內容與分揀成功報文相似，但意義更為關鍵。中間件確保其被準確地轉換和傳遞，為高層系統更新包裹最終狀態及核算效率提供可靠依據。

循環報文。由滑槽區域末端的光電傳感器觸發，如小車所在包裹依然在小車上，則意味著包裹未成功分揀或未分揀，是包裹回流的標志。中間件對循環報文的可靠轉發，保證了高層系統能在包裹多次回流未分揀時通知并啟動人工干預流程，防止包裹積壓，保障了系統處理異常情況的能力。

（1）報文格式對比

底層報文格式為：

高層期望的報文格式為：

對比報文格式不難看出高層和底層報文格式的不同之處，需要中間件作字段添加、數據類型與格式轉換以及值映射等處理才能滿足高層期望的報文格式要求。

（2）中間件處理邏輯

針對狀態確認類報文，中間件做以下處理：

①需要確認底層報文的發送源（cc…cc）——線路標識給到高層，高層才能知道報文是從哪個設備上發送過來的；

②數據類型與格式轉換：如將底層的整型“小車號”轉換位ASCII碼，整型“流水號”轉換為高位補零的無符號長整型等，以滿足高層對數據格式與長度的要求；

③值映射與邏輯運算：如“供件臺編號”需通過查詢表2所示的映射關系，轉換為高層系統識別的統一編碼；將底層的分揀出口狀態位“z”、譯碼結果狀態位“d”以及初始目的地狀態位“j”合并處理與高層的分揀結果表“zzz”做映射處理。

四

應用成效

此中間件集成系統相較于傳統異構系統通訊模式在各類性能指標中都有很大優勢，尤其在高并發場景下系統性能優勢更為明顯。圖3是某轉運中心（傳統異構系統）的實際應用與本文提出的中間件在鄂州花湖機場轉運中心的應用效果比較。

圖3 高并發場景下系統性能對比[6][7][8]

1.系統集成與協同效果

多廠商設備無縫集成。借助中間件進行協議轉換與數據映射機制，高層控制系統能夠無縫接收、處理并回復來自不同底層設備的報文，實現了三家不同供應商的分揀設備協同工作，解決了傳統集成中協議不一致、數據格式不匹配的問題。高層控制系統只需與中間件通信，無需針對每家設備單獨開發接口，大大降低了系統復雜程度。

集成與調試周期大幅縮短。由圖3可見，與傳統的無中間件系統相比較，中間件集成系統集成周期縮短了約40%，新增或更換設備時無需修改高層核心代碼，只需要在中間件配置新的協議適配器和映射關系，單設備接入調試時間從傳統的21天縮短至3天，大大降低了系統升級改造的時間成本。

2.系統抗壓性能

高并發處理表現穩定。在2024和2025年“618”及“雙11”等業務高峰期間，該系統日均處理包裹量超過300萬件，峰值時段每小時處理量達28萬件，分揀準確率高達99.99%，單件貨物最快分揀時間僅需5分鐘。中間件在持續高并發通信場景下運行平穩，報文平均處理延遲保持在30毫秒以內。

通信可靠，具備容錯能力。通過內置的斷線重連與消息隊列機制，系統在網絡波動或設備短暫故障時仍能保持通信連續性，未出現因協議不一致導致的報文誤傳或包裹錯分，從而保障系統在極端工況下的穩定運行。

3.業務適應性與異常處理能力

靈活響應業務變化。中間件支持動態配置映射規則和業務邏輯，快速適應分揀路向調整、條碼規則變更等業務需求，無需修改核心代碼。

異常處理與人工干預機制。通過循環報文的實時監控，系統能夠在包裹多次回流仍未分揀時及時通知運維人員，啟動人工干預流程。

數據支持與運維分析。中間件記錄的完整通信日志為分揀效率分析、分揀性能評估與系統優化提供可靠的數據支持。

五

結論

綜上所述，本文針對大型自動化分揀系統中多廠商設備集成時的協議不一致問題，結合鄂州花湖機場轉運中心項目實例，實現了一套基于中間件的分揀系統集成解決方案。通過字段映射、數據類型轉換、邏輯判斷等功能，有效地解決了分揀機底層與高層控制系統之間的結構差異，實現了無縫通信。在實際高負荷業務場景中得到了驗證，保障了多家異構設備穩定協同工作，證明了其解耦價值、高可靠性和良好的可擴展性。中間件作為系統集成的關鍵組件，降低了系統耦合度，提升了應對變化和故障的能力，同時降低了長期運維成本。

在未來類似復雜工業系統集成項目中，可先行采用中間件架構設計，提前屏蔽技術異構性。整個行業可推動建立針對分揀系統接口的標準化數據模型參考，用來進一步降低集成的復雜性和成本。未來，該中間件可向支持智能運維、新型工業協議及數字孿生集成等方向持續推進。

參考文獻:

[1] 金紫君,沈航,陳志列.面向異構工業控制系統協同中間件的統一管理平臺研究[J].工業控制計算機,2024,37(12):111-113,126.

[2] 彭少力,張智勇,彭支光.數據集成中間件系統的開發與應用[J].物流技術與應用,2006,(04):83-86.

[3] 黃觀仁,趙建勇. 異構系統通信中間件及其軟件的設計[J].計算機時代,2012(12):11-13.

[4] 謝維.基于軟PLC技術的應用中間件平臺研究[J].自動化技術與應用,2008,(08):70-73.

[5] 陳明奇.分布式服務集成中間件技術研究[D].電子科技大學,2024.

[6] 新華網. 夜探鄂州花湖國際機場:超級樞紐"貨"力全開[EB/OL].(2025-1-26)[2026-2-11]. https://www.news.cn/20250126/9e831c12da3340b480ff38b187b786d7/c.html.

[7]人民網-湖北頻道.活力中國調研行丨這座國際機場，憑什么這么"快"？[EB/OL].(2025-8-29)[2026-2-11].http://hb.people.com.cn/n2/2025/0829/c192237-41336242.html.

[8]廊坊傳媒網.申通快遞華北轉運中心:智能化升級助力流通效率再提升[EB/OL].(2025-11-28)[2026-2-24].http://www.lfcmw.com/shms/content/2025-11/28/content_991385.html.

———— 物流技術與應用融媒 ————

編輯、排版：王茜

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