基於無線分布式的最優化儀器預約與控制系統的製作方法
2024-03-25 22:38:05 1
基於無線分布式的最優化儀器預約與控制系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於無線分布式的最優化儀器預約與控制系統，涉及儀器預約與控制領域，包括支持用戶在線預約的Web伺服器；包括資料庫伺服器：記錄儀器使用及相關信息；包括控制管理站：用於是接收來自儀器管理系統的儀器預約信息並將之通過無線方式採用輪循式通信協議向智能控制節點傳送；包括智能控制節點通過無線方式接收來自控制管理站的儀器預約信息和用戶身份信息；用戶身份驗證通過後自動開啟儀器。
【專利說明】基於無線分布式的最優化儀器預約與控制系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及儀器預約與控制領域，具體來講是一種基於無線分布式的最優化儀器預約與控制系統。
【背景技術】
[0002]科學儀器設備的共享管理是高校實驗室等科學研究機構一項重要工作，儀器設備共享能夠通過開放方式得以實現。如何提高儀器設備使用效益和保證儀器設備的安全正常運行是開放過程必須考慮的問題。當儀器設備種類和數量較多時，手工方式難以保證儀器設備使用的高效益和有效實現儀器設備安全正常運行，採用信息技術對儀器設備共享進行管理將是一種有效途徑。
[0003]專利號CN201210248005.7的發明公開了一種精密儀器預約和使用管理系統，相應的預約和使用管理系統用於將輸入的 申請人:信息進行比對，若合法則將 申請人:信息發送給門禁系統；門禁系統的電子門禁用於通過用戶的指紋與接收的 申請人:信息進行身份比對，並將比對結果發送給門禁控制模塊，指紋採集器用於採集用戶的指紋並發送給電子門禁，門禁控制模塊用於根據電子門禁發送的比對結果，向電磁鎖發出開鎖或關閉的控制命令，電磁鎖用於根據門禁控制模塊的控制命令執行開鎖或關閉；電源控制系統用於設定指定的精密儀器供電時間；環境監控和報警模塊用於當檢測到溫溼度和煙霧超過閾值、漏水或儀器使用意外斷電時，通過簡訊機發送報警簡訊。
[0004]專利號CN201210519520.4的發明涉及一種實驗室儀器設備控制管理與計費系統，包括用於控制管理的伺服器子系統，該伺服器子系統上有業務管理套件、Web預約套件、一卡通接入套件和資料庫平臺，其通過相應功能模塊與用戶計算機子系統、校園一卡通平臺、客戶機子系統和乙太網控制子系統進行信息交互；客戶機子系統上有客戶機套件且客戶機套件與一組ZigBee控制子系統進行信息交互；各乙太網控制子系統與ZigBee控制子系統分別與一受控設備接口進行信息交互。該系統實現了對現有大型儀器設備的非嵌入式控制，解決了現有技術控制方式單一問題；又實現了與校園一卡通平臺的無縫對接，從而實現大型儀器設備管理結算的自動化。
[0005]然而，儀器設備管理主要包括儀器設備預約、使用過程控制管理等。目前這兩個過程是分離的，如戴亞平等M提出的系統雖然有儀器遠程控制，但預約功能功能很弱。羅虹等提出基於Web的網絡預約系統，但沒有儀器設備使用過程控制功能，且沒有考慮儀器最優分配。錢亞東等[5]提出符合貴重儀器設備網絡化共享特點的共享方式及其關鍵支撐系統，它不具備設備預約功能。AngelValera等人給出了一種虛擬過程實驗和遠程實驗室的建設方案，但沒有智能預約算法。Huang Hong-zhi提出了一種基於web的化學實驗室信息系統，不具有儀器使用過程控制功能。因此如將儀器設備預約與使用過程控制結合起來，用戶對儀器設備預約後，在規定時間內，採用RFID技術M經過身份驗證後使用所預約的儀器設備。這種管理方式將顯著提高儀器設備管理的自動化水平，確保儀器設備使用效益和有效保證其安全正常運行。網絡技術的廣泛應用為儀器設備預約提供了極大方便，用戶可以隨時通過網絡預約信息系統以遠程訪問方式實現在線預約。
[0006]當多個用戶在網絡上並發預約儀器設備時，一個用戶預約請求中可能包括對多個儀器設備使用要求，在此情況下，如何在用戶間安排儀器設備使用，不僅要考慮儀器使用效益，還應該考慮到用戶滿意度。比如說安排一個用戶連續地使用儀器設備時，則他可以高效率地完成實驗工作，而滿意儀器設備安排；反之安排的儀器使用時段不連續，則影響到實驗進度，用戶滿意度下降。此外，還應當考慮到儀器設備需要維護等原因，其可用時間是分散的。如何最優化安排這些儀器設備的使用是並發預約儀器時需要解決的關鍵問題。邵科峰等[9]採用儀器投標方式來解決並發預約最優問題，但他假定每個用戶只請求中一種儀器設備，沒有考慮用戶一次請求中可能包括多個儀器設備需求。而且該方法將各個儀器獨立開來優化，不利於獲得整體最優化。金鋒赫等考慮車間使用時段提出一種裝配作業調度，但沒有考慮使用連續性問題，不適用於並發預約儀器設備環境。
[0007]為了將預約過程和使用過程控制相結合，考慮儀器設備分布範圍廣，可採用分布式控制系統來對儀器設備進行控制，並與網絡預約信息系統有機融合。分布式控制系統由多臺計算機分別控制不同設備，各自構成子控制系統，各子系統之間通過網絡互連。整個系統在邏輯上、功能上、物理上和地理位置上均分散，系統對它總體目標與任務可進行綜合協調與分配，一般採用有線通過方式，需要專門布線。考慮到儀器設備分布範圍廣泛和系統布置方便要求，可採用無線通信技術來滿足這一要求。
[0008]基於上述分析，本文考慮系統布置實施方便，融合無線通信和有線通信技術，將儀器設備預約與使用過程控制相結合，提出一種基於無線分布式最優化儀器預約系統，以達到提高儀器設備控制管理自動化水平目的。特別的是在本研究工作中，所提出的儀器設備預約算法，與其它預約算法不同的，不僅考慮了儀器設備的使用效益，更為重要的是考慮用戶滿意度，達到儀器設備使用安排更符合用戶需求。
【發明內容】
[0009]本發明的目的在於在此提供一種基於無線分布式的最優化儀器預約與控制系統；提高儀器設備使用效益和保證儀器設備的安全正常運行，應當提高儀器設備管理的自動化水平，並考慮到實施方便，提出了基於無線通信的分布式儀器控制系統。
[0010]在該控制系統中，儀器設備預約與使用過程控制相結合，通過建立考慮用戶滿意度的高維多目標0-1背包問題優化模型來有效提高了設備的使用效益和用戶滿意度，並提出了該模型的離散粒子群優化算法；為其所設計的基於射頻晶片全分布式無線通信協議具有載波檢測和衝突避免功能，解決了多對一通信問題；而且採用主從一致性更新策略解決了該分布式系統數據一致性問題。基於這些核心技術，成功地研製了儀器控制系統並應用於國家民委重點實驗室。
[0011]本發明是這樣實現的，構造一種基於無線分布式的最優化儀器預約與控制系統，其特徵在於:
包括支持用戶在線預約的Web伺服器，用戶通過網絡在線預約，在預約成功後通過GSM簡訊告知用戶；
包括資料庫伺服器:記錄儀器使用信息，供查詢與分析儀器使用情況，為儀器管理決策服務；包括控制管理站:用於是接收來自儀器管理系統的儀器預約信息並將之通過無線方式採用輪循式通信協議向智能控制節點傳送；接收智能控制節點發送的儀器狀態信息和用戶驗證信息；向門禁與預約發布站傳送用戶與預約信息；接收儀器綜合管理級的儀器預約信息與用戶身份信息，並向它傳送儀器狀態信息和用戶驗證信息；
包括智能控制節點，通過無線方式接收來自控制管理站的儀器預約信息和用戶身份信息；用戶身份驗證通過後自動開啟儀器，然後用戶就可以使用儀器進行工作；接收儀器維護人員輸入的儀器狀態信息並通過無線方式傳送到控制管理站；顯示儀器當前狀態、使用者和工作時間。
[0012]其中還可以包括儀器管理監控臺，與資料庫通信，用於實驗室管理人員可以在中心監控室大屏幕看到各儀器設備的狀態，能夠及時掌握整個實驗室當前儀器設備狀態。
[0013]根據本發明所述一種基於無線分布式的最優化儀器預約與控制系統，其特徵在於:預約方式如下:
用戶在預約時，提交預約請求，包括需要的儀器種類和數量及這些儀器使用的前後關係；將儀器視為資源，算法根據當前資源現狀和預約請求自動安排使用的儀器和時間；儀器使用視為資源滿足條件下作業運行，儀器預約則是作業申請，故儀器設備預約實質是作業調度問題；基於此，建立如下數學模型:
一個預約時段內，系統接收到η個作業請求J= IJ1, J2,…，Jj，系統有m個儀器I= U1,I2,…，IJ ;每個作業表示為Ji =〈Jie，Jid, PiX其中Jie作業名；Jid是一個按順序請求
儀器構成的一維向量，Jid= {Qn，Qi2,…，Qs, }，向量元素Qiy=〈Iiy，tiy >是一個二元組，
Iiy為所需儀器且Iiy e I，tiy為使用時長；Pi是作業優先級；每種儀器表示為L =INj,
Tj，其中Nj儀器名，Tj= (Tjl, Tj2,…，^ }是儀器Ij可使用時段集合，其中Tjg=〈TJgs，
Tjgt >，！'如和Lgt分別表儀器j可用時段g開始時間和時長。當一個作業需要儀器完全滿足後，才給該作業分配儀器；xuk為作業Ji分配到儀器L時段TA，Xuk=l表示分配，Xuk=O表未分配；X=Ix1, χ2, *.., xn} ,Xi為作業i的分配向量Xi= {xn, xi2，…，xj，xik為作業i在
儀器h的時段分配向量xih={xihl，Xih2，…，};某作業Ji的儀器需求是否完全滿足，可
以通過下式進行判斷:
【權利要求】
1.一種基於無線分布式的最優化儀器預約與控制系統，其特徵在於:包括 支持用戶在線預約的Web伺服器，用戶通過網絡在線預約，在預約成功後通過GSM簡訊告知用戶； 包括資料庫伺服器:記錄儀器使用信息，供查詢與分析儀器使用情況，為儀器管理決策服務； 包括控制管理站:用於是接收來自Web伺服器的儀器預約信息並將之通過無線方式採用輪循式通信協議向智能控制節點傳送；接收智能控制節點發送的儀器狀態信息和用戶驗證信息；向門禁與預約發布站傳送用戶與預約信息；並向資料庫伺服器傳送儀器狀態信息和用戶驗證信息； 包括智能控制節點，通過無線方式接收來自控制管理站的儀器預約信息和用戶身份信息；用戶身份驗證通過後自動開啟儀器，然後用戶就可以使用儀器進行工作；接收儀器維護人員輸入的儀器狀態信息並通過無線方式傳送到控制管理站；顯示儀器當前狀態、使用者和工作時間。
2.根據權利要求1所述一種基於無線分布式的最優化儀器預約與控制系統，其特徵在於:預約方式如下: 用戶在預約時，提交預約請求，包括需要的儀器種類和數量及這些儀器使用的前後關係；將儀器視為資源，算法根據當前資源現狀和預約請求自動安排使用的儀器和時間；儀器使用視為資源滿足條件下作業運行，儀器預約則是作業申請，故儀器設備預約實質是作業調度問題；基於此，建立如下數學模型: 一個預約時段內，系統接收到η個作業請求J= IJ1, J2,…，Jj，系統有m個儀器I= U1,I2,…，IJ ;每個作業表示為Ji =〈Jie，Jid, PiX其中Jie作業名；Jid是一個按順序請求儀器構成的一維向量Jid= {Qn，Qi2,…，Qsl }，向量元素Qiy=〈Iiy，tiy >是一個二元組,Iiy為所需儀器且Iiy e I，tiy為使用時長；Pi是作業優先級；每種儀器表示為L = {%，TjI,其中Nj儀器名，Tj= (Tjl, Tj2,…，}是儀器Ij可使用時段集合，其中Tjg=〈Tjgs，Tjgt>，！'^和!'#分別表儀器j可用時段g開始時間和時長；當一個作業需要儀器完全滿足後，才給該作業分配儀器；xuk為作業Ji分配到儀器L時段ΤΛ，Xijk=I表示分配，Xijk=O表未分配；X=Ix1, X2,..., xn} ,Xi為作業i的分配向量Xi=Uil, Xi2，…，XiJ，Xik為作業i在儀器h的時段分配向量Xih= lxihl，xih2,…，};某作業Ji的儀器需求是否完全滿足，可以通過下式進行判斷: U(Ki) = 1-Signivi(I)
J-1 Λ-1 當該式等於O時，不滿足；等於I時滿足；作業Λ在完全滿足儀器分配需要後，儀器分配滿意度通過所分配各儀器使用開始時間差是否最小進行度量，作業分配儀器的滿意度表達式:
^ η * U.⑶
> I i i得到實現最大使用效益40)和最大滿意度A(X)數學模型:
3.根據權利要求1所述一種基於無線分布式的最優化儀器預約與控制系統，其特徵在於: 採用SDPSO優化得到用戶滿意度最大值和最小值分別定義為和為;然後將多目標轉化為單目標優化問題如下:
【文檔編號】H04W84/18GK103491652SQ201310494429
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年10月21日 優先權日:2013年10月21日
【發明者】談文蓉, 陳毅紅 申請人:西南民族大學