基于無線分布式的最優(yōu)化儀器預(yù)約與控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于無線分布式的最優(yōu)化儀器預(yù)約與控制系統(tǒng)，涉及儀器預(yù)約與控制領(lǐng)域，包括支持用戶在線預(yù)約的Web服務(wù)器；包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器：記錄儀器使用及相關(guān)信息；包括控制管理站：用于是接收來自儀器管理系統(tǒng)的儀器預(yù)約信息并將之通過無線方式采用輪循式通信協(xié)議向智能控制節(jié)點(diǎn)傳送；包括智能控制節(jié)點(diǎn)通過無線方式接收來自控制管理站的儀器預(yù)約信息和用戶身份信息；用戶身份驗(yàn)證通過后自動(dòng)開啟儀器。
【專利說明】基于無線分布式的最優(yōu)化儀器預(yù)約與控制系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及儀器預(yù)約與控制領(lǐng)域，具體來講是一種基于無線分布式的最優(yōu)化儀器預(yù)約與控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]科學(xué)儀器設(shè)備的共享管理是高校實(shí)驗(yàn)室等科學(xué)研究機(jī)構(gòu)一項(xiàng)重要工作，儀器設(shè)備共享能夠通過開放方式得以實(shí)現(xiàn)。如何提高儀器設(shè)備使用效益和保證儀器設(shè)備的安全正常運(yùn)行是開放過程必須考慮的問題。當(dāng)儀器設(shè)備種類和數(shù)量較多時(shí)，手工方式難以保證儀器設(shè)備使用的高效益和有效實(shí)現(xiàn)儀器設(shè)備安全正常運(yùn)行，采用信息技術(shù)對儀器設(shè)備共享進(jìn)行管理將是一種有效途徑。
[0003]專利號CN201210248005.7的發(fā)明公開了一種精密儀器預(yù)約和使用管理系統(tǒng)，相應(yīng)的預(yù)約和使用管理系統(tǒng)用于將輸入的 申請人:信息進(jìn)行比對，若合法則將 申請人:信息發(fā)送給門禁系統(tǒng)；門禁系統(tǒng)的電子門禁用于通過用戶的指紋與接收的 申請人:信息進(jìn)行身份比對，并將比對結(jié)果發(fā)送給門禁控制模塊，指紋采集器用于采集用戶的指紋并發(fā)送給電子門禁，門禁控制模塊用于根據(jù)電子門禁發(fā)送的比對結(jié)果，向電磁鎖發(fā)出開鎖或關(guān)閉的控制命令，電磁鎖用于根據(jù)門禁控制模塊的控制命令執(zhí)行開鎖或關(guān)閉；電源控制系統(tǒng)用于設(shè)定指定的精密儀器供電時(shí)間；環(huán)境監(jiān)控和報(bào)警模塊用于當(dāng)檢測到溫濕度和煙霧超過閾值、漏水或儀器使用意外斷電時(shí)，通過短信機(jī)發(fā)送報(bào)警短信。
[0004]專利號CN201210519520.4的發(fā)明涉及一種實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備控制管理與計(jì)費(fèi)系統(tǒng)，包括用于控制管理的服務(wù)器子系統(tǒng)，該服務(wù)器子系統(tǒng)上有業(yè)務(wù)管理套件、Web預(yù)約套件、一卡通接入套件和數(shù)據(jù)庫平臺(tái)，其通過相應(yīng)功能模塊與用戶計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)、校園一卡通平臺(tái)、客戶機(jī)子系統(tǒng)和以太網(wǎng)控制子系統(tǒng)進(jìn)行信息交互；客戶機(jī)子系統(tǒng)上有客戶機(jī)套件且客戶機(jī)套件與一組ZigBee控制子系統(tǒng)進(jìn)行信息交互；各以太網(wǎng)控制子系統(tǒng)與ZigBee控制子系統(tǒng)分別與一受控設(shè)備接口進(jìn)行信息交互。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對現(xiàn)有大型儀器設(shè)備的非嵌入式控制，解決了現(xiàn)有技術(shù)控制方式單一問題；又實(shí)現(xiàn)了與校園一卡通平臺(tái)的無縫對接，從而實(shí)現(xiàn)大型儀器設(shè)備管理結(jié)算的自動(dòng)化。
[0005]然而，儀器設(shè)備管理主要包括儀器設(shè)備預(yù)約、使用過程控制管理等。目前這兩個(gè)過程是分離的，如戴亞平等M提出的系統(tǒng)雖然有儀器遠(yuǎn)程控制，但預(yù)約功能功能很弱。羅虹等提出基于Web的網(wǎng)絡(luò)預(yù)約系統(tǒng)，但沒有儀器設(shè)備使用過程控制功能，且沒有考慮儀器最優(yōu)分配。錢亞東等[5]提出符合貴重儀器設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化共享特點(diǎn)的共享方式及其關(guān)鍵支撐系統(tǒng)，它不具備設(shè)備預(yù)約功能。AngelValera等人給出了一種虛擬過程實(shí)驗(yàn)和遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)方案，但沒有智能預(yù)約算法。Huang Hong-zhi提出了一種基于web的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室信息系統(tǒng)，不具有儀器使用過程控制功能。因此如將儀器設(shè)備預(yù)約與使用過程控制結(jié)合起來，用戶對儀器設(shè)備預(yù)約后，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，采用RFID技術(shù)M經(jīng)過身份驗(yàn)證后使用所預(yù)約的儀器設(shè)備。這種管理方式將顯著提高儀器設(shè)備管理的自動(dòng)化水平，確保儀器設(shè)備使用效益和有效保證其安全正常運(yùn)行。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用為儀器設(shè)備預(yù)約提供了極大方便，用戶可以隨時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)預(yù)約信息系統(tǒng)以遠(yuǎn)程訪問方式實(shí)現(xiàn)在線預(yù)約。
[0006]當(dāng)多個(gè)用戶在網(wǎng)絡(luò)上并發(fā)預(yù)約儀器設(shè)備時(shí)，一個(gè)用戶預(yù)約請求中可能包括對多個(gè)儀器設(shè)備使用要求，在此情況下，如何在用戶間安排儀器設(shè)備使用，不僅要考慮儀器使用效益，還應(yīng)該考慮到用戶滿意度。比如說安排一個(gè)用戶連續(xù)地使用儀器設(shè)備時(shí)，則他可以高效率地完成實(shí)驗(yàn)工作，而滿意儀器設(shè)備安排；反之安排的儀器使用時(shí)段不連續(xù)，則影響到實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，用戶滿意度下降。此外，還應(yīng)當(dāng)考慮到儀器設(shè)備需要維護(hù)等原因，其可用時(shí)間是分散的。如何最優(yōu)化安排這些儀器設(shè)備的使用是并發(fā)預(yù)約儀器時(shí)需要解決的關(guān)鍵問題。邵科峰等[9]采用儀器投標(biāo)方式來解決并發(fā)預(yù)約最優(yōu)問題，但他假定每個(gè)用戶只請求中一種儀器設(shè)備，沒有考慮用戶一次請求中可能包括多個(gè)儀器設(shè)備需求。而且該方法將各個(gè)儀器獨(dú)立開來優(yōu)化，不利于獲得整體最優(yōu)化。金鋒赫等考慮車間使用時(shí)段提出一種裝配作業(yè)調(diào)度，但沒有考慮使用連續(xù)性問題，不適用于并發(fā)預(yù)約儀器設(shè)備環(huán)境。
[0007]為了將預(yù)約過程和使用過程控制相結(jié)合，考慮儀器設(shè)備分布范圍廣，可采用分布式控制系統(tǒng)來對儀器設(shè)備進(jìn)行控制，并與網(wǎng)絡(luò)預(yù)約信息系統(tǒng)有機(jī)融合。分布式控制系統(tǒng)由多臺(tái)計(jì)算機(jī)分別控制不同設(shè)備，各自構(gòu)成子控制系統(tǒng)，各子系統(tǒng)之間通過網(wǎng)絡(luò)互連。整個(gè)系統(tǒng)在邏輯上、功能上、物理上和地理位置上均分散，系統(tǒng)對它總體目標(biāo)與任務(wù)可進(jìn)行綜合協(xié)調(diào)與分配，一般采用有線通過方式，需要專門布線。考慮到儀器設(shè)備分布范圍廣泛和系統(tǒng)布置方便要求，可采用無線通信技術(shù)來滿足這一要求。
[0008]基于上述分析，本文考慮系統(tǒng)布置實(shí)施方便，融合無線通信和有線通信技術(shù)，將儀器設(shè)備預(yù)約與使用過程控制相結(jié)合，提出一種基于無線分布式最優(yōu)化儀器預(yù)約系統(tǒng)，以達(dá)到提高儀器設(shè)備控制管理自動(dòng)化水平目的。特別的是在本研究工作中，所提出的儀器設(shè)備預(yù)約算法，與其它預(yù)約算法不同的，不僅考慮了儀器設(shè)備的使用效益，更為重要的是考慮用戶滿意度，達(dá)到儀器設(shè)備使用安排更符合用戶需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于在此提供一種基于無線分布式的最優(yōu)化儀器預(yù)約與控制系統(tǒng)；提高儀器設(shè)備使用效益和保證儀器設(shè)備的安全正常運(yùn)行，應(yīng)當(dāng)提高儀器設(shè)備管理的自動(dòng)化水平，并考慮到實(shí)施方便，提出了基于無線通信的分布式儀器控制系統(tǒng)。
[0010]在該控制系統(tǒng)中，儀器設(shè)備預(yù)約與使用過程控制相結(jié)合，通過建立考慮用戶滿意度的高維多目標(biāo)0-1背包問題優(yōu)化模型來有效提高了設(shè)備的使用效益和用戶滿意度，并提出了該模型的離散粒子群優(yōu)化算法；為其所設(shè)計(jì)的基于射頻芯片全分布式無線通信協(xié)議具有載波檢測和沖突避免功能，解決了多對一通信問題；而且采用主從一致性更新策略解決了該分布式系統(tǒng)數(shù)據(jù)一致性問題?；谶@些核心技術(shù)，成功地研制了儀器控制系統(tǒng)并應(yīng)用于國家民委重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。
[0011]本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，構(gòu)造一種基于無線分布式的最優(yōu)化儀器預(yù)約與控制系統(tǒng)，其特征在于:
包括支持用戶在線預(yù)約的Web服務(wù)器，用戶通過網(wǎng)絡(luò)在線預(yù)約，在預(yù)約成功后通過GSM短信告知用戶；
包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)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(wù)；包括控制管理站:用于是接收來自儀器管理系統(tǒng)的儀器預(yù)約信息并將之通過無線方式采用輪循式通信協(xié)議向智能控制節(jié)點(diǎn)傳送；接收智能控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送的儀器狀態(tài)信息和用戶驗(yàn)證信息；向門禁與預(yù)約發(fā)布站傳送用戶與預(yù)約信息；接收儀器綜合管理級的儀器預(yù)約信息與用戶身份信息，并向它傳送儀器狀態(tài)信息和用戶驗(yàn)證信息；
包括智能控制節(jié)點(diǎn)，通過無線方式接收來自控制管理站的儀器預(yù)約信息和用戶身份信息；用戶身份驗(yàn)證通過后自動(dòng)開啟儀器，然后用戶就可以使用儀器進(jìn)行工作；接收儀器維護(hù)人員輸入的儀器狀態(tài)信息并通過無線方式傳送到控制管理站；顯示儀器當(dāng)前狀態(tài)、使用者和工作時(shí)間。
[0012]其中還可以包括儀器管理監(jiān)控臺(tái)，與數(shù)據(jù)庫通信，用于實(shí)驗(yàn)室管理人員可以在中心監(jiān)控室大屏幕看到各儀器設(shè)備的狀態(tài)，能夠及時(shí)掌握整個(gè)實(shí)驗(yàn)室當(dāng)前儀器設(shè)備狀態(tài)。
[0013]根據(jù)本發(fā)明所述一種基于無線分布式的最優(yōu)化儀器預(yù)約與控制系統(tǒng)，其特征在于:預(yù)約方式如下:
用戶在預(yù)約時(shí)，提交預(yù)約請求，包括需要的儀器種類和數(shù)量及這些儀器使用的前后關(guān)系；將儀器視為資源，算法根據(jù)當(dāng)前資源現(xiàn)狀和預(yù)約請求自動(dòng)安排使用的儀器和時(shí)間；儀器使用視為資源滿足條件下作業(yè)運(yùn)行，儀器預(yù)約則是作業(yè)申請，故儀器設(shè)備預(yù)約實(shí)質(zhì)是作業(yè)調(diào)度問題；基于此，建立如下數(shù)學(xué)模型:
一個(gè)預(yù)約時(shí)段內(nèi)，系統(tǒng)接收到η個(gè)作業(yè)請求J= IJ1, J2,…，Jj，系統(tǒng)有m個(gè)儀器I= U1,I2,…，IJ ;每個(gè)作業(yè)表示為Ji =〈Jie，Jid, PiX其中Jie作業(yè)名；Jid是一個(gè)按順序請求
儀器構(gòu)成的一維向量，Jid= {Qn，Qi2,…，Qs, }，向量元素Qiy=〈Iiy，tiy >是一個(gè)二元組，
Iiy為所需儀器且Iiy e I，tiy為使用時(shí)長；Pi是作業(yè)優(yōu)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(shí)段集合，其中Tjg=〈TJgs，
Tjgt >，！'如和Lgt分別表儀器j可用時(shí)段g開始時(shí)間和時(shí)長。當(dāng)一個(gè)作業(yè)需要儀器完全滿足后，才給該作業(yè)分配儀器；xuk為作業(yè)Ji分配到儀器L時(shí)段TA，Xuk=l表示分配，Xuk=O表未分配；X=Ix1, χ2, *.., xn} ,Xi為作業(yè)i的分配向量Xi= {xn, xi2，…，xj，xik為作業(yè)i在
儀器h的時(shí)段分配向量xih={xihl，Xih2，…，};某作業(yè)Ji的儀器需求是否完全滿足，可
以通過下式進(jìn)行判斷:
【權(quán)利要求】
1.一種基于無線分布式的最優(yōu)化儀器預(yù)約與控制系統(tǒng)，其特征在于:包括 支持用戶在線預(yù)約的Web服務(wù)器，用戶通過網(wǎng)絡(luò)在線預(yù)約，在預(yù)約成功后通過GSM短信告知用戶； 包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)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(wù)； 包括控制管理站:用于是接收來自Web服務(wù)器的儀器預(yù)約信息并將之通過無線方式采用輪循式通信協(xié)議向智能控制節(jié)點(diǎn)傳送；接收智能控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送的儀器狀態(tài)信息和用戶驗(yàn)證信息；向門禁與預(yù)約發(fā)布站傳送用戶與預(yù)約信息；并向數(shù)據(jù)庫服務(wù)器傳送儀器狀態(tài)信息和用戶驗(yàn)證信息； 包括智能控制節(jié)點(diǎn)，通過無線方式接收來自控制管理站的儀器預(yù)約信息和用戶身份信息；用戶身份驗(yàn)證通過后自動(dòng)開啟儀器，然后用戶就可以使用儀器進(jìn)行工作；接收儀器維護(hù)人員輸入的儀器狀態(tài)信息并通過無線方式傳送到控制管理站；顯示儀器當(dāng)前狀態(tài)、使用者和工作時(shí)間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于無線分布式的最優(yōu)化儀器預(yù)約與控制系統(tǒng)，其特征在于:預(yù)約方式如下: 用戶在預(yù)約時(shí)，提交預(yù)約請求，包括需要的儀器種類和數(shù)量及這些儀器使用的前后關(guān)系；將儀器視為資源，算法根據(jù)當(dāng)前資源現(xiàn)狀和預(yù)約請求自動(dòng)安排使用的儀器和時(shí)間；儀器使用視為資源滿足條件下作業(yè)運(yùn)行，儀器預(yù)約則是作業(yè)申請，故儀器設(shè)備預(yù)約實(shí)質(zhì)是作業(yè)調(diào)度問題；基于此，建立如下數(shù)學(xué)模型: 一個(gè)預(yù)約時(shí)段內(nèi)，系統(tǒng)接收到η個(gè)作業(yè)請求J= IJ1, J2,…，Jj，系統(tǒng)有m個(gè)儀器I= U1,I2,…，IJ ;每個(gè)作業(yè)表示為Ji =〈Jie，Jid, PiX其中Jie作業(yè)名；Jid是一個(gè)按順序請求儀器構(gòu)成的一維向量Jid= {Qn，Qi2,…，Qsl }，向量元素Qiy=〈Iiy，tiy >是一個(gè)二元組,Iiy為所需儀器且Iiy e I，tiy為使用時(shí)長；Pi是作業(yè)優(yōu)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(shí)段集合，其中Tjg=〈Tjgs，Tjgt>，！'^和!'#分別表儀器j可用時(shí)段g開始時(shí)間和時(shí)長；當(dāng)一個(gè)作業(yè)需要儀器完全滿足后，才給該作業(yè)分配儀器；xuk為作業(yè)Ji分配到儀器L時(shí)段ΤΛ，Xijk=I表示分配，Xijk=O表未分配；X=Ix1, X2,..., xn} ,Xi為作業(yè)i的分配向量Xi=Uil, Xi2，…，XiJ，Xik為作業(yè)i在儀器h的時(shí)段分配向量Xih= lxihl，xih2,…，};某作業(yè)Ji的儀器需求是否完全滿足，可以通過下式進(jìn)行判斷: U(Ki) = 1-Signivi(I)

J-1 Λ-1 當(dāng)該式等于O時(shí)，不滿足；等于I時(shí)滿足；作業(yè)Λ在完全滿足儀器分配需要后，儀器分配滿意度通過所分配各儀器使用開始時(shí)間差是否最小進(jìn)行度量，作業(yè)分配儀器的滿意度表達(dá)式:
^ η * U.⑶

> I i i得到實(shí)現(xiàn)最大使用效益40)和最大滿意度A(X)數(shù)學(xué)模型:
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于無線分布式的最優(yōu)化儀器預(yù)約與控制系統(tǒng)，其特征在于: 采用SDPSO優(yōu)化得到用戶滿意度最大值和最小值分別定義為和為;然后將多目標(biāo)轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)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(yōu)先權(quán)日:2013年10月21日
【發(fā)明者】談文蓉, 陳毅紅 申請人:西南民族大學(xué)