基于混合云架構(gòu)的開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理系統(tǒng)設(shè)計

唐 宇

(遼寧對外經(jīng)貿(mào)學(xué)院 實(shí)驗(yàn)中心，遼寧 大連 116052)

隨著實(shí)驗(yàn)室設(shè)備信息化管理要求的不斷提升，對實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理系統(tǒng)的可靠性提出了更高的要求，因此需要在云計算和大數(shù)據(jù)環(huán)境下，進(jìn)行開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理系統(tǒng)設(shè)計，以期提升系統(tǒng)的應(yīng)用效果以及可靠性，因此研究開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理系統(tǒng)設(shè)計方法，在提高開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的信息化管理水平方面具有重要意義[1]。

開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理系統(tǒng)是建立在信息分析和融合的基礎(chǔ)上，采用資源優(yōu)化分配和自適應(yīng)信息調(diào)度的方法，構(gòu)建管理信息的模糊特征分布式融合模型以及特征提取模型[2]，通過分塊鏈路檢測和資源優(yōu)化調(diào)度的方法，實(shí)現(xiàn)開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的管理和統(tǒng)計分析，以期提升系統(tǒng)的可應(yīng)用性。傳統(tǒng)的開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理方法主要有基于Java的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理系統(tǒng)、基于B/S模式的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備信息管理系統(tǒng)以及基于電子標(biāo)簽的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備信息管理系統(tǒng)[3-5]，這些方法均是通過構(gòu)建開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備信息管理的信息檢測和融合模型，通過分簇信息模式管理實(shí)現(xiàn)設(shè)備信息管理，但利用傳統(tǒng)方法對設(shè)備信息管理的信息融合度不好，可靠性不高。

針對上述問題，本研究提出基于混合云架構(gòu)的開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理系統(tǒng)設(shè)計方案，最后進(jìn)行仿真測試分析，展示了本系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計構(gòu)架及特征分析

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)服務(wù)器設(shè)計

為了實(shí)現(xiàn)基于混合云架構(gòu)的開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理系統(tǒng)設(shè)計，首先構(gòu)建開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)模型，采用DSP控制D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)服務(wù)器(DB)設(shè)計，以實(shí)現(xiàn)開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理系統(tǒng)的自適應(yīng)控制[6]。

根據(jù)上述分析，本研究在混合云架構(gòu)的支持下，設(shè)計一種開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要有三層架構(gòu)，包括云資源層、核心處理層以及云服務(wù)層，主要是利用云資源層與云服務(wù)層為系統(tǒng)核心處理層提供服務(wù)支持，以提升開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理系統(tǒng)的綜合性能[7]。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)上述對開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用總線控制協(xié)議，分析開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理系統(tǒng)的LOCAL數(shù)據(jù)總線，結(jié)合底層數(shù)據(jù)庫構(gòu)造的方法，分析開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理系統(tǒng)的用戶終端控制協(xié)議，采用PSTN到IP網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)調(diào)度方法，結(jié)合ZigBee組網(wǎng)控制協(xié)議[8]，建立開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，采用SIP作為核心控制層，在業(yè)務(wù)承載協(xié)議下，分析開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理系統(tǒng)的編程控制以及硬件接口配置，得到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務(wù)器設(shè)計如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務(wù)器設(shè)計

根據(jù)上述設(shè)計，實(shí)現(xiàn)B/S構(gòu)建協(xié)議體系構(gòu)建開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)構(gòu)建，采用分段組網(wǎng)和節(jié)點(diǎn)的特征分析方法實(shí)現(xiàn)對開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計。

1.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)特征分析

基于上述管理系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)服務(wù)器設(shè)計，構(gòu)建開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備信息整合的模糊決策模型，采用分組樣本檢測的方法，構(gòu)建開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理的模糊聚類函數(shù)為：

(1)

式中，P表示設(shè)備管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)的分組樣本集，mj(k)表示設(shè)備信息在第k次整合的模糊決策模型。

在Tangent空間中，開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理信息的特征聚類參數(shù)滿足Nij≥m，設(shè)計混合云構(gòu)架體系下開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理信息分布的參數(shù)集，得到模糊參數(shù)聚類特征分量X(i)，采用語義相似度特征分集的方法[9]，得到開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理信息的統(tǒng)計特征量分別為P∈Rn×n、R∈Rm×m和H∈Rm×n，其中m、n為矩陣維數(shù)，綜上可得開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理信息特征檢測的決策量為：

(2)

引入MySQL數(shù)據(jù)庫，結(jié)合得到的決策量結(jié)果，計算底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征狀態(tài)函數(shù)：

(3)

采用相似度特征分解的方法，構(gòu)建開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理信息特征辨識模型[10]，其表達(dá)為：

(4)

在最大概率密度尋優(yōu)控制協(xié)議下，分析開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理信息的樣本狀態(tài)參數(shù)集{Wfinal}，得到開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理信息掛歷的先驗(yàn)分布為：

(5)

在資源分布式融合區(qū)域，得到開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理信息的關(guān)聯(lián)維分布集合G，采用統(tǒng)計信息分析方法，得到特征分解函數(shù)為：

(6)

式中，gωm,ω?{G,T,W,L}，m∈[1,n]表示為關(guān)聯(lián)維分布的元素。

采用樣本空間融合的方法，分析開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理信息的特征分布集合[11]，并劃分為k個子集聚類空間，得到開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)特征分析方程為：

(7)

基于上述分析，得到實(shí)驗(yàn)室設(shè)備系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)特征結(jié)果，結(jié)合信息資源調(diào)度和分配的方法，構(gòu)建開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理信息管理的底層數(shù)據(jù)融合模型，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計[12]。

2 開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理優(yōu)化

為提升開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理質(zhì)量，設(shè)計了一種開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理優(yōu)化算法，具體算法執(zhí)行流程如圖3所示。

圖3 開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理優(yōu)化算法流程

2.1 開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理的信息融合

分析開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理信息的結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合模糊信息調(diào)度和資源自適應(yīng)分配的方法，得到開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理信息分布的子空間模型為：

(8)

式中，C為開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理信息庫的聚類子集，G為約束矢量。采用有向圖結(jié)構(gòu)特征分解的方法，得到開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理信息分布的圖模型為G(A)、G(B)，結(jié)合資源自適應(yīng)調(diào)度，得到開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理信息的樣本融合點(diǎn)，其表示為：

(9)

式中，x+y為開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理信息融合的相似度函數(shù)，利用資源自適應(yīng)分配方法，得到融合特征量：

(10)

式中，w1、w2和w3分別表示開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理信息配置的權(quán)重，Si為平均負(fù)載，Hi為開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理信息融合的檢測閾值。

基于融合特征量的結(jié)果，計算開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理信息融合的時延參數(shù)，其表示為：

(11)

式中，σjk為開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理信息訪問的請求數(shù)量。假設(shè)任意兩個開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理信息存儲節(jié)點(diǎn)的聚類簇Mi與Mj中心距離為Clustdist(Mi,Mj)，當(dāng)i≠j,1≤i≤q,1≤j≤q時，開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理信息分配的加權(quán)信息權(quán)重系數(shù)滿足：

(12)

式中，Qs為開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理信息分布的頻繁項集，在門限約束下，得到開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理的信息融合函數(shù)為：

(13)

其中，x=(x1,x2,…,xn)為開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理信息分布的量化分布集合。綜上分析，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理的信息融合，結(jié)合關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)調(diào)度和資源均衡配置的方法，構(gòu)建開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理信息調(diào)度優(yōu)化模型[13]。

2.2 開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備資源優(yōu)化調(diào)度

采用大數(shù)據(jù)融合和云構(gòu)架分析的方法，構(gòu)造開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備信息管理的樣本參數(shù)聚類特征分布集[14-15]，得到模糊概率密度分布函數(shù)E(i,j)描述為：

(14)

式中，eij表示開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理信息調(diào)度的頻繁項集，emax表示開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理信息資源調(diào)度的效率，e(i,j)為實(shí)際的資源調(diào)度效率。

基于模糊概率密度分布，采用窗函數(shù)匹配的方法，構(gòu)建開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備資源信息的均衡配置模型，得到時間窗口函數(shù)：

(15)

其中，tij表示開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備資源調(diào)度的檢測閾值，t(i,j)為關(guān)聯(lián)函數(shù)。

結(jié)合關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)調(diào)度的方法，進(jìn)行開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的先驗(yàn)信息數(shù)據(jù)調(diào)度分析，構(gòu)建控制變量融合調(diào)度模型，算式為：

(16)

式中，Newi表示開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備資源數(shù)據(jù)的分布式調(diào)度集。綜上分析，采用資源均衡配置的方法，得到開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備資源調(diào)度的迭代更新公式為：

(17)

假設(shè)開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備資源調(diào)度和訪問的誤差為

p(ni)={pk|prkj=1,k=1,2,…,m}

在混合云構(gòu)架體系下，采用優(yōu)先級屬性調(diào)度的方法，得到開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備信息資源優(yōu)化調(diào)度函數(shù)為：

(18)

綜上所述，通過實(shí)現(xiàn)開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理過程中的資源特征分析和信息融合，實(shí)現(xiàn)了開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備資源優(yōu)化調(diào)度，繼而實(shí)現(xiàn)了在混合云架構(gòu)體系下開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計。

3 系統(tǒng)軟件測試與性能分析

在上述進(jìn)行開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備資源信息管理和融合算法設(shè)計基礎(chǔ)上，采用Linux嵌入式控制的方法，構(gòu)建開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理系統(tǒng)的軟件開發(fā)協(xié)議，采用四層體系構(gòu)架設(shè)計的方法，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)控制質(zhì)量的封裝和信令傳輸控制，軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計圖如圖4所示。

圖4 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

基于上述軟件結(jié)構(gòu)，設(shè)定開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備資源數(shù)據(jù)采樣樣本數(shù)為240，訓(xùn)練樣本數(shù)為12，設(shè)備信息資源調(diào)度的迭代數(shù)為400，根據(jù)上述參數(shù)設(shè)定，進(jìn)行開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理系統(tǒng)的應(yīng)用檢測。實(shí)驗(yàn)中所用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及其屬性如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及其屬性

為了更好驗(yàn)證本文方法的應(yīng)用性能，將本方法設(shè)為實(shí)驗(yàn)組，將文獻(xiàn)[3]、文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]方法設(shè)為對照組。

運(yùn)用4種方法測試開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理系統(tǒng)的端到端時延，得到結(jié)果如圖5所示。

圖5 開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理系統(tǒng)的端到端時延

分析圖5得知，本方法進(jìn)行開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理系統(tǒng)設(shè)計，數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩说蕉藭r延最小，一致低于其他三種方法的端到端時延，由此可知，本文方法進(jìn)行的開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理系統(tǒng)具備較好的資源配置能力。

運(yùn)用四種方法測試開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸吞吐量，得到測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 吞吐量測試

分析圖6得知，本文方法進(jìn)行開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理系統(tǒng)設(shè)計，有效提高了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)耐掏铝?，且要高于其他三種方法的網(wǎng)絡(luò)傳輸吞吐量，這表明本文方法設(shè)計的開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理系統(tǒng)的性能較好。

運(yùn)用四種方法測試開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理系統(tǒng)的資源調(diào)度準(zhǔn)確性，得到對比結(jié)果如表2所示。

表2 系統(tǒng)資源調(diào)度準(zhǔn)確性測試

分析表2得知，采用本文方法設(shè)計出的系統(tǒng)資源調(diào)度準(zhǔn)確性較高，在迭代次數(shù)達(dá)到400次時，開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理系統(tǒng)的資源調(diào)度準(zhǔn)確性達(dá)到1，明顯高于其他三種方法的準(zhǔn)確性，這就表明本文方法具有更好的系統(tǒng)可靠性。

4 結(jié)論

構(gòu)建開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理系統(tǒng)的資源配置模型，在混合云構(gòu)架體系下，實(shí)現(xiàn)開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理和資源調(diào)度，提出基于混合云架構(gòu)的開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理系統(tǒng)設(shè)計方案。采用嵌入式的協(xié)議調(diào)度和PCI總線控制方法，分析開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理系統(tǒng)的通信接口和數(shù)據(jù)庫模塊，構(gòu)建基于混合云架構(gòu)的開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理的信息融合模型，采用樣本空間融合的方法，分析開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理信息的特征分布集合，結(jié)合關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)調(diào)度和資源均衡配置的方法，構(gòu)建開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理信息調(diào)度模型，在混合云架構(gòu)體系下實(shí)現(xiàn)開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理優(yōu)化設(shè)計。研究得知，本方法進(jìn)行開放式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理的輸出性能較好，系統(tǒng)可靠性提高。