基于无线分布式的最优化仪器预约与控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于无线分布式的最优化仪器预约与控制系统，涉及仪器预约与控制领域，包括支持用户在线预约的Web服务器；包括数据库服务器：记录仪器使用及相关信息；包括控制管理站：用于是接收来自仪器管理系统的仪器预约信息并将之通过无线方式采用轮循式通信协议向智能控制节点传送；包括智能控制节点通过无线方式接收来自控制管理站的仪器预约信息和用户身份信息；用户身份验证通过后自动开启仪器。
【专利说明】基于无线分布式的最优化仪器预约与控制系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及仪器预约与控制领域，具体来讲是一种基于无线分布式的最优化仪器预约与控制系统。
【背景技术】
[0002]科学仪器设备的共享管理是高校实验室等科学研究机构一项重要工作，仪器设备共享能够通过开放方式得以实现。如何提高仪器设备使用效益和保证仪器设备的安全正常运行是开放过程必须考虑的问题。当仪器设备种类和数量较多时，手工方式难以保证仪器设备使用的高效益和有效实现仪器设备安全正常运行，采用信息技术对仪器设备共享进行管理将是一种有效途径。
[0003]专利号CN201210248005.7的发明公开了一种精密仪器预约和使用管理系统，相应的预约和使用管理系统用于将输入的 申请人:信息进行比对，若合法则将 申请人:信息发送给门禁系统；门禁系统的电子门禁用于通过用户的指纹与接收的 申请人:信息进行身份比对，并将比对结果发送给门禁控制模块，指纹采集器用于采集用户的指纹并发送给电子门禁，门禁控制模块用于根据电子门禁发送的比对结果，向电磁锁发出开锁或关闭的控制命令，电磁锁用于根据门禁控制模块的控制命令执行开锁或关闭；电源控制系统用于设定指定的精密仪器供电时间；环境监控和报警模块用于当检测到温湿度和烟雾超过阈值、漏水或仪器使用意外断电时，通过短信机发送报警短信。
[0004]专利号CN201210519520.4的发明涉及一种实验室仪器设备控制管理与计费系统，包括用于控制管理的服务器子系统，该服务器子系统上有业务管理套件、Web预约套件、一卡通接入套件和数据库平台，其通过相应功能模块与用户计算机子系统、校园一卡通平台、客户机子系统和以太网控制子系统进行信息交互；客户机子系统上有客户机套件且客户机套件与一组ZigBee控制子系统进行信息交互；各以太网控制子系统与ZigBee控制子系统分别与一受控设备接口进行信息交互。该系统实现了对现有大型仪器设备的非嵌入式控制，解决了现有技术控制方式单一问题；又实现了与校园一卡通平台的无缝对接，从而实现大型仪器设备管理结算的自动化。
[0005]然而，仪器设备管理主要包括仪器设备预约、使用过程控制管理等。目前这两个过程是分离的，如戴亚平等M提出的系统虽然有仪器远程控制，但预约功能功能很弱。罗虹等提出基于Web的网络预约系统，但没有仪器设备使用过程控制功能，且没有考虑仪器最优分配。钱亚东等[5]提出符合贵重仪器设备网络化共享特点的共享方式及其关键支撑系统，它不具备设备预约功能。AngelValera等人给出了一种虚拟过程实验和远程实验室的建设方案，但没有智能预约算法。Huang Hong-zhi提出了一种基于web的化学实验室信息系统，不具有仪器使用过程控制功能。因此如将仪器设备预约与使用过程控制结合起来，用户对仪器设备预约后，在规定时间内，采用RFID技术M经过身份验证后使用所预约的仪器设备。这种管理方式将显著提高仪器设备管理的自动化水平，确保仪器设备使用效益和有效保证其安全正常运行。网络技术的广泛应用为仪器设备预约提供了极大方便，用户可以随时通过网络预约信息系统以远程访问方式实现在线预约。
[0006]当多个用户在网络上并发预约仪器设备时，一个用户预约请求中可能包括对多个仪器设备使用要求，在此情况下，如何在用户间安排仪器设备使用，不仅要考虑仪器使用效益，还应该考虑到用户满意度。比如说安排一个用户连续地使用仪器设备时，则他可以高效率地完成实验工作，而满意仪器设备安排；反之安排的仪器使用时段不连续，则影响到实验进度，用户满意度下降。此外，还应当考虑到仪器设备需要维护等原因，其可用时间是分散的。如何最优化安排这些仪器设备的使用是并发预约仪器时需要解决的关键问题。邵科峰等[9]采用仪器投标方式来解决并发预约最优问题，但他假定每个用户只请求中一种仪器设备，没有考虑用户一次请求中可能包括多个仪器设备需求。而且该方法将各个仪器独立开来优化，不利于获得整体最优化。金锋赫等考虑车间使用时段提出一种装配作业调度，但没有考虑使用连续性问题，不适用于并发预约仪器设备环境。
[0007]为了将预约过程和使用过程控制相结合，考虑仪器设备分布范围广，可采用分布式控制系统来对仪器设备进行控制，并与网络预约信息系统有机融合。分布式控制系统由多台计算机分别控制不同设备，各自构成子控制系统，各子系统之间通过网络互连。整个系统在逻辑上、功能上、物理上和地理位置上均分散，系统对它总体目标与任务可进行综合协调与分配，一般采用有线通过方式，需要专门布线。考虑到仪器设备分布范围广泛和系统布置方便要求，可采用无线通信技术来满足这一要求。
[0008]基于上述分析，本文考虑系统布置实施方便，融合无线通信和有线通信技术，将仪器设备预约与使用过程控制相结合，提出一种基于无线分布式最优化仪器预约系统，以达到提高仪器设备控制管理自动化水平目的。特别的是在本研究工作中，所提出的仪器设备预约算法，与其它预约算法不同的，不仅考虑了仪器设备的使用效益，更为重要的是考虑用户满意度，达到仪器设备使用安排更符合用户需求。
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于在此提供一种基于无线分布式的最优化仪器预约与控制系统；提高仪器设备使用效益和保证仪器设备的安全正常运行，应当提高仪器设备管理的自动化水平，并考虑到实施方便，提出了基于无线通信的分布式仪器控制系统。
[0010]在该控制系统中，仪器设备预约与使用过程控制相结合，通过建立考虑用户满意度的高维多目标0-1背包问题优化模型来有效提高了设备的使用效益和用户满意度，并提出了该模型的离散粒子群优化算法；为其所设计的基于射频芯片全分布式无线通信协议具有载波检测和冲突避免功能，解决了多对一通信问题；而且采用主从一致性更新策略解决了该分布式系统数据一致性问题。基于这些核心技术，成功地研制了仪器控制系统并应用于国家民委重点实验室。
[0011]本发明是这样实现的，构造一种基于无线分布式的最优化仪器预约与控制系统，其特征在于:
包括支持用户在线预约的Web服务器，用户通过网络在线预约，在预约成功后通过GSM短信告知用户；
包括数据库服务器:记录仪器使用信息，供查询与分析仪器使用情况，为仪器管理决策服务；包括控制管理站:用于是接收来自仪器管理系统的仪器预约信息并将之通过无线方式采用轮循式通信协议向智能控制节点传送；接收智能控制节点发送的仪器状态信息和用户验证信息；向门禁与预约发布站传送用户与预约信息；接收仪器综合管理级的仪器预约信息与用户身份信息，并向它传送仪器状态信息和用户验证信息；
包括智能控制节点，通过无线方式接收来自控制管理站的仪器预约信息和用户身份信息；用户身份验证通过后自动开启仪器，然后用户就可以使用仪器进行工作；接收仪器维护人员输入的仪器状态信息并通过无线方式传送到控制管理站；显示仪器当前状态、使用者和工作时间。
[0012]其中还可以包括仪器管理监控台，与数据库通信，用于实验室管理人员可以在中心监控室大屏幕看到各仪器设备的状态，能够及时掌握整个实验室当前仪器设备状态。
[0013]根据本发明所述一种基于无线分布式的最优化仪器预约与控制系统，其特征在于:预约方式如下:
用户在预约时，提交预约请求，包括需要的仪器种类和数量及这些仪器使用的前后关系；将仪器视为资源，算法根据当前资源现状和预约请求自动安排使用的仪器和时间；仪器使用视为资源满足条件下作业运行，仪器预约则是作业申请，故仪器设备预约实质是作业调度问题；基于此，建立如下数学模型:
一个预约时段内，系统接收到η个作业请求J= IJ1, J2,…，Jj，系统有m个仪器I= U1,I2,…，IJ ;每个作业表示为Ji =〈Jie，Jid, PiX其中Jie作业名；Jid是一个按顺序请求
仪器构成的一维向量，Jid= {Qn，Qi2,…，Qs, }，向量元素Qiy=〈Iiy，tiy >是一个二元组，
Iiy为所需仪器且Iiy e I，tiy为使用时长；Pi是作业优先级；每种仪器表示为L =INj,
Tj，其中Nj仪器名，Tj= (Tjl, Tj2,…，^ }是仪器Ij可使用时段集合，其中Tjg=〈TJgs，
Tjgt >，！'如和Lgt分别表仪器j可用时段g开始时间和时长。当一个作业需要仪器完全满足后，才给该作业分配仪器；xuk为作业Ji分配到仪器L时段TA，Xuk=l表示分配，Xuk=O表未分配；X=Ix1, χ2, *.., xn} ,Xi为作业i的分配向量Xi= {xn, xi2，…，xj，xik为作业i在
仪器h的时段分配向量xih={xihl，Xih2，…，};某作业Ji的仪器需求是否完全满足，可
以通过下式进行判断:
【权利要求】
1.一种基于无线分布式的最优化仪器预约与控制系统，其特征在于:包括 支持用户在线预约的Web服务器，用户通过网络在线预约，在预约成功后通过GSM短信告知用户； 包括数据库服务器:记录仪器使用信息，供查询与分析仪器使用情况，为仪器管理决策服务； 包括控制管理站:用于是接收来自Web服务器的仪器预约信息并将之通过无线方式采用轮循式通信协议向智能控制节点传送；接收智能控制节点发送的仪器状态信息和用户验证信息；向门禁与预约发布站传送用户与预约信息；并向数据库服务器传送仪器状态信息和用户验证信息； 包括智能控制节点，通过无线方式接收来自控制管理站的仪器预约信息和用户身份信息；用户身份验证通过后自动开启仪器，然后用户就可以使用仪器进行工作；接收仪器维护人员输入的仪器状态信息并通过无线方式传送到控制管理站；显示仪器当前状态、使用者和工作时间。
2.根据权利要求1所述一种基于无线分布式的最优化仪器预约与控制系统，其特征在于:预约方式如下: 用户在预约时，提交预约请求，包括需要的仪器种类和数量及这些仪器使用的前后关系；将仪器视为资源，算法根据当前资源现状和预约请求自动安排使用的仪器和时间；仪器使用视为资源满足条件下作业运行，仪器预约则是作业申请，故仪器设备预约实质是作业调度问题；基于此，建立如下数学模型: 一个预约时段内，系统接收到η个作业请求J= IJ1, J2,…，Jj，系统有m个仪器I= U1,I2,…，IJ ;每个作业表示为Ji =〈Jie，Jid, PiX其中Jie作业名；Jid是一个按顺序请求仪器构成的一维向量Jid= {Qn，Qi2,…，Qsl }，向量元素Qiy=〈Iiy，tiy >是一个二元组,Iiy为所需仪器且Iiy e I，tiy为使用时长；Pi是作业优先级；每种仪器表示为L = {%，TjI,其中Nj仪器名，Tj= (Tjl, Tj2,…，}是仪器Ij可使用时段集合，其中Tjg=〈Tjgs，Tjgt>，！'^和!'#分别表仪器j可用时段g开始时间和时长；当一个作业需要仪器完全满足后，才给该作业分配仪器；xuk为作业Ji分配到仪器L时段ΤΛ，Xijk=I表示分配，Xijk=O表未分配；X=Ix1, X2,..., xn} ,Xi为作业i的分配向量Xi=Uil, Xi2，…，XiJ，Xik为作业i在仪器h的时段分配向量Xih= lxihl，xih2,…，};某作业Ji的仪器需求是否完全满足，可以通过下式进行判断: U(Ki) = 1-Signivi(I)
J-1 Λ-1 当该式等于O时，不满足；等于I时满足；作业Λ在完全满足仪器分配需要后，仪器分配满意度通过所分配各仪器使用开始时间差是否最小进行度量，作业分配仪器的满意度表达式:
^ η * U.⑶
> I i i得到实现最大使用效益40)和最大满意度A(X)数学模型:
3.根据权利要求1所述一种基于无线分布式的最优化仪器预约与控制系统，其特征在于: 采用SDPSO优化得到用户满意度最大值和最小值分别定义为和为;然后将多目标转化为单目标优化问题如下:
【文档编号】H04W84/18GK103491652SQ201310494429
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年10月21日 优先权日:2013年10月21日
【发明者】谈文蓉, 陈毅红 申请人:西南民族大学