面向异构分拣系统集成的中间件设计与应用研究|中间件|应用研究|异构|报文|译码|通信

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摘要：现代自动化物流分拣系统中，多厂商设备集成时的协议不一致问题长期制约系统效能提升，本文结合鄂州花湖机场转运中心的实际工程案例，探讨基于中间件的分拣系统集成解决方案，方案核心通过建立专门的协议转换与数据映射机制，解决了分拣机底层与高层控制系统之间的通信问题。从实际应用结果可以看出，该中间件实现了三家不同品牌分拣设备的协同工作，有效保障了系统日处理量达数百万件的超大型国际转运中心的稳定运行。其重要意义在于实现了高层与底层控制系统的解耦，提升了整个系统的灵活性与可扩展性。

关键词：系统集成；中间件；物流自动化；交叉带分拣机；高层控制系统

作者：鲁联军

范德兰德物流自动化系统（上海）有限公司

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一

引言

工业控制系统协同中间件，即指异构工业控制系统数据壁垒、系统性应用难题、工业现场协议兼容和设备接入、工控系统数据集成和数据交换等各类中间件。目前中间件主要集中于政府、金融等行业领域，工业领域产品较少。国外德国西门子、美国罗克韦尔、GE等虽有工业中间件产品，但是面向异构工业控制系统协同中间件产品较少。国内研究和整体应用并不多，发展处于起步阶段[1]。

本文以近几年成功投入运营的湖北鄂州花湖机场转运中心为例，分析中间件在异构分拣系统中的应用。该转运中心配备设备2.3万台，最高每小时处理量28万件，是国内乃至全球物流网络中的关键节点。该转运中心分拣系统由三家不同的分拣机供应商提供，同时集成了来自多个厂商的辅助设备，这些都需要与同一个高层控制系统进行信息交互，而这些设备在应用层协议、报文格式、数据语义等交互内容上存在着明显的差异。本研究的目的是为类似复杂的自动化系统集成提供一种可行的中间件应用解决方案与实践参考。

二

异构分拣系统架构设计

本文提出的异构分拣系统中间件设计集成方案[2][3]采用高层控制系统、中间件层和底层控制系统（包括多家分拣机厂商、单件分离和扫描仪等设备）等三层逻辑架构。该架构以中间件为核心枢纽，实现异构设备与统一管控平台之间的协议适配、数据转换和可靠通信，提高系统的效率和性能[4]。系统架构设计如图1所示。

图1 系统架构设计图

1.高层控制系统

高层控制系统作为系统的核心决策单元，负责处理全局业务逻辑和集中管控。具体功能包括：解析由中间件传递的标准格式报文（如路向请求），根据包裹条码查询后台数据库以确定分拣目的地，并将查询结果通过标准格式报文（如路向回复）下发至中间件。同时，该系统实时监控所有底层设备的运行状态、记录生产数据、并支持异常情况的人工干预流程。在通信层面，高层控制系统只需要和中间件对接，采用统一预定义的标准报文格式进行交互。

2.中间件系统

中间件系统承担协议转换和数据处理的枢纽角色，实现了异构系统之间的无缝对接。其主要功能包括：

（1）协议与数据转换：通过协议适配器，实现不同厂商设备私有协议和内部标准格式之间的双向转换；利用数据映射引擎执行字段映射、类型转换和值映射（如分拣机供件台编号映射、流水号格式化等）；

（2）通信保障：通过消息队列缓冲高峰流量，保障通信可靠性；具备连接管理和断线重连机制，维持高层与各设备之间连接的稳定性；

（3）运维支持：记录所有通信报文和系统事件日志，便于审计和故障排查；

（4）灵活扩展[5]：支持通过配置方式动态更新映射规则和转换逻辑，新增或更换设备时无需修改高层核心代码，只需要在中间件配置新的协议适配器和映射关系；

（5）协助底层设备之间的通信：中间件能协助部分底层设备实现间接通信，有助于减少直接通讯的数据量和硬件耦合器的使用量。

3.底层控制系统

底层控制系统由各厂商的输送机、单件分离器、扫描仪、分拣机等设备构成，作为执行单元负责完成包裹的输送、扫描、叠件分离和分拣等具体操作。各设备均采用自身定义的私有协议和内部数据格式直接与中间件进行通信。

三

中间件功能实现

本文提出的中间件已在鄂州花湖机场转运中心成功部署，该转运中心接入了三家不同供应商的分拣设备，实现了异构分拣系统集成时的统一通信与协同控制。针对分拣流程中的三类核心报文——路向请求、路向回复、状态确认（分拣成功、分拣报告、循环报文），中间件执行协议转换、数据映射、消息队列和连接管理等功能。下面将以本公司分拣机与高层通信之间的三类报文详细说明中间件如何实现其报文转译功能。

1.路向请求报文格式对比及中间件处理

路向请求是整个分拣流程的发起信号。当包裹通过扫描仪并读取到条码信息后，装有该包裹的分拣机小车运行到系统预设的固定位置时，底层控制系统便会向中间件发送一个路向请求报文。此报文的目的是询问高层控制系统：“我这里有一个包裹，它的条码是XXX，现在在YYY小车上，请问它应该被分拣到哪个目的地？”

（1）底层与高层报文格式对比

底层报文格式为：

高层期望的报文格式为：

通过对比，可以清晰地发现两者存在多处不一致，直接通信必然导致高层解析失败。中间件的首要任务就是完成它们之间的“对等翻译”。

（2）中间件的转译逻辑与映射机制

中间件处理路向请求报文时，会按照一套预先定义好的转换规则来执行，核心目标是实现底层数据格式到高层期望格式的无损、准确映射。这不是简单的字段转发，而是包含了一系列复杂的计算和映射过程，具体转换规则参见表1，中间件的处理主要包括以下几种类型：

表1 路向请求报文字段映射与转换表

①字段剔除与补充：如移除高层不关心底层的“t”“bbbb”“o”等字段；

②数据类型与格式转换：如将底层的整型“小车号”转换位ASCII码，整型“流水号”转换为高位补零的无符号长整型等，以满足高层对数据格式与长度的要求；

③值映射与逻辑运算：如“供件台编号”需通过查询表2所示的映射关系，转换为高层系统识别的统一编码。

表2 供件台编号映射关系表

中间件对路向请求报文的部分数据处理流程如图2所示。功能码“53”值映射为“100”、底层流水号“123”格式转换并增加前置值为“00123”、小车号“1”格式转换并增加前置值为“0001”、供件台编号“0001.47.01”通过查询映射表后映射为“IND1001”等。

图2 路向请求报文转换数据流图

2.路向回复报文格式对比及中间件处理

高层系统在收到中间件转译的路向请求后，会对其中的条码进行解析，查询后台数据库，确定该包裹的最终目的地后下发路向回复报文。

（1）报文格式对比

底层期望的报文格式为：

高层报文格式为：

此报文中“hh…lc”为高层系统中包裹的唯一流水号，“ooo”“gg1”和“gg2”是高层针对收到路向请求中的条码进行解析之后得到的第一、第二、第三目的地滑槽号，“j”为高层系统对条码解析的译码结果状态位。对比双方期望的报文格式发现，双方对于报文格式的关键差异：底层控制系统需要通过特定的“译码结果状态位（d字段）”来判断指令是否有效，而高层报文并未包含此字段。这体现了双方在指令确认语义上的微小差别。

（2）中间件处理逻辑

只要成功接收到高层下发的有效路向回复报文，就判定为译码成功，在转发给底层之前，自动在报文对应位置插入d字段，并将其设置为1。这种自动插入的方式，弥补了双方格式上的差异，确保底层控制指令的可执行性，是中间件实现“无缝”通信的关键一环。

3.状态确认类报文格式对比及中间件处理

在分拣流程中，状态确认类报文是实现“指令－执行－反馈”闭环的核心环节，其中包含分拣成功报文、分拣报告和循环报文。尽管底层与高层各自采用内部统一的报文格式，但两者在字段定义、结构顺序及命名等都存在显著差异。为确保状态信息能无损传递，中间件需准确地完成转换，实现字段映射、语义对齐等功能，从而让高层实时精准地了解包裹分拣状态。

分拣成功报文。由底层在发出分拣动作指令时触发，是一个“预报告”。中间件需将其转换为高层期望的格式，其实时无误地送达高层对于高层系统跟踪和记录包裹的动向至关重要。

分拣报告。由滑槽区域末端的光电传感器触发，如小车所在包裹已“消失”，则意味着包裹已成功分拣，是包裹落格的“最终确认”。其内容与分拣成功报文相似，但意义更为关键。中间件确保其被准确地转换和传递，为高层系统更新包裹最终状态及核算效率提供可靠依据。

循环报文。由滑槽区域末端的光电传感器触发，如小车所在包裹依然在小车上，则意味着包裹未成功分拣或未分拣，是包裹回流的标志。中间件对循环报文的可靠转发，保证了高层系统能在包裹多次回流未分拣时通知并启动人工干预流程，防止包裹积压，保障了系统处理异常情况的能力。

（1）报文格式对比

底层报文格式为：

高层期望的报文格式为：

对比报文格式不难看出高层和底层报文格式的不同之处，需要中间件作字段添加、数据类型与格式转换以及值映射等处理才能满足高层期望的报文格式要求。

（2）中间件处理逻辑

针对状态确认类报文，中间件做以下处理：

①需要确认底层报文的发送源（cc…cc）——线路标识给到高层，高层才能知道报文是从哪个设备上发送过来的；

②数据类型与格式转换：如将底层的整型“小车号”转换位ASCII码，整型“流水号”转换为高位补零的无符号长整型等，以满足高层对数据格式与长度的要求；

③值映射与逻辑运算：如“供件台编号”需通过查询表2所示的映射关系，转换为高层系统识别的统一编码；将底层的分拣出口状态位“z”、译码结果状态位“d”以及初始目的地状态位“j”合并处理与高层的分拣结果表“zzz”做映射处理。

四

应用成效

此中间件集成系统相较于传统异构系统通讯模式在各类性能指标中都有很大优势，尤其在高并发场景下系统性能优势更为明显。图3是某转运中心（传统异构系统）的实际应用与本文提出的中间件在鄂州花湖机场转运中心的应用效果比较。

图3 高并发场景下系统性能对比[6][7][8]

1.系统集成与协同效果

多厂商设备无缝集成。借助中间件进行协议转换与数据映射机制，高层控制系统能够无缝接收、处理并回复来自不同底层设备的报文，实现了三家不同供应商的分拣设备协同工作，解决了传统集成中协议不一致、数据格式不匹配的问题。高层控制系统只需与中间件通信，无需针对每家设备单独开发接口，大大降低了系统复杂程度。

集成与调试周期大幅缩短。由图3可见，与传统的无中间件系统相比较，中间件集成系统集成周期缩短了约40%，新增或更换设备时无需修改高层核心代码，只需要在中间件配置新的协议适配器和映射关系，单设备接入调试时间从传统的21天缩短至3天，大大降低了系统升级改造的时间成本。

2.系统抗压性能

高并发处理表现稳定。在2024和2025年“618”及“双11”等业务高峰期间，该系统日均处理包裹量超过300万件，峰值时段每小时处理量达28万件，分拣准确率高达99.99%，单件货物最快分拣时间仅需5分钟。中间件在持续高并发通信场景下运行平稳，报文平均处理延迟保持在30毫秒以内。

通信可靠，具备容错能力。通过内置的断线重连与消息队列机制，系统在网络波动或设备短暂故障时仍能保持通信连续性，未出现因协议不一致导致的报文误传或包裹错分，从而保障系统在极端工况下的稳定运行。

3.业务适应性与异常处理能力

灵活响应业务变化。中间件支持动态配置映射规则和业务逻辑，快速适应分拣路向调整、条码规则变更等业务需求，无需修改核心代码。

异常处理与人工干预机制。通过循环报文的实时监控，系统能够在包裹多次回流仍未分拣时及时通知运维人员，启动人工干预流程。

数据支持与运维分析。中间件记录的完整通信日志为分拣效率分析、分拣性能评估与系统优化提供可靠的数据支持。

五

结论

综上所述，本文针对大型自动化分拣系统中多厂商设备集成时的协议不一致问题，结合鄂州花湖机场转运中心项目实例，实现了一套基于中间件的分拣系统集成解决方案。通过字段映射、数据类型转换、逻辑判断等功能，有效地解决了分拣机底层与高层控制系统之间的结构差异，实现了无缝通信。在实际高负荷业务场景中得到了验证，保障了多家异构设备稳定协同工作，证明了其解耦价值、高可靠性和良好的可扩展性。中间件作为系统集成的关键组件，降低了系统耦合度，提升了应对变化和故障的能力，同时降低了长期运维成本。

在未来类似复杂工业系统集成项目中，可先行采用中间件架构设计，提前屏蔽技术异构性。整个行业可推动建立针对分拣系统接口的标准化数据模型参考，用来进一步降低集成的复杂性和成本。未来，该中间件可向支持智能运维、新型工业协议及数字孪生集成等方向持续推进。

参考文献:

[1] 金紫君,沈航,陈志列.面向异构工业控制系统协同中间件的统一管理平台研究[J].工业控制计算机,2024,37(12):111-113,126.

[2] 彭少力,张智勇,彭支光.数据集成中间件系统的开发与应用[J].物流技术与应用,2006,(04):83-86.

[3] 黄观仁,赵建勇. 异构系统通信中间件及其软件的设计[J].计算机时代,2012(12):11-13.

[4] 谢维.基于软PLC技术的应用中间件平台研究[J].自动化技术与应用,2008,(08):70-73.

[5] 陈明奇.分布式服务集成中间件技术研究[D].电子科技大学,2024.

[6] 新华网. 夜探鄂州花湖国际机场:超级枢纽"货"力全开[EB/OL].(2025-1-26)[2026-2-11]. https://www.news.cn/20250126/9e831c12da3340b480ff38b187b786d7/c.html.

[7]人民网-湖北频道.活力中国调研行丨这座国际机场，凭什么这么"快"？[EB/OL].(2025-8-29)[2026-2-11].http://hb.people.com.cn/n2/2025/0829/c192237-41336242.html.

[8]廊坊传媒网.申通快递华北转运中心:智能化升级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.

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编辑、排版：王茜