基于物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)的方艙智慧中控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張怡敏，甄希金，石粟萍，孔 寧，楊山林

（1.上海申博信息系統(tǒng)工程有限公司，上海 200032；2.上海船舶工藝研究所，上海 200032；3.船舶智能制造國家工程研究中心，上海 200032）

0 引言

2020年初新型冠狀病毒在國內(nèi)蔓延，面對(duì)數(shù)量巨大的待檢人數(shù)，方艙式快速核酸檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室迅速發(fā)展并在機(jī)場(chǎng)、高鐵站等范圍得到了廣泛應(yīng)用。方艙式核酸檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室對(duì)高效、精準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)新冠病毒，快速、有效隔離感染人群具有重大作用。但目前市面上的方艙實(shí)驗(yàn)室仍然缺乏統(tǒng)一的中控系統(tǒng)，常見的實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)無法感知環(huán)境信息，智能化水平較低。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，很多場(chǎng)景借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)或正在實(shí)現(xiàn)智能化的轉(zhuǎn)變，而方艙智慧中控系統(tǒng)要想實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)控疫情高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的方艙式快速核酸檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室，對(duì)于環(huán)境信息的感知必不可少。根據(jù)智慧中控系統(tǒng)的業(yè)務(wù)、功能需求，基于物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)，研究設(shè)計(jì)智慧中控系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境感知，為智慧中控系統(tǒng)控制功能的開發(fā)及實(shí)現(xiàn)夯實(shí)基礎(chǔ)，最終實(shí)現(xiàn)方艙實(shí)驗(yàn)室的智能化監(jiān)測(cè)與控制。

1 物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)概述

1.1 基本概念

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things,IoT）是指通過互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等信息技術(shù)載體，使任何可以執(zhí)行單一功用的通用物體之間進(jìn)行互相聯(lián)通的信息網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)通過不同裝置與技術(shù)，實(shí)時(shí)采集不同的信息，并通過不同類型的網(wǎng)絡(luò)接入，實(shí)現(xiàn)物與物、物與人的泛在連接。在所有物品信息相互傳遞和相互交換的整個(gè)流程中，完成了對(duì)所有物品信息的自動(dòng)識(shí)別、監(jiān)測(cè)、管理、追溯和自主定位，同時(shí)也完成了所有用戶對(duì)物體結(jié)構(gòu)和過程信息的智能感應(yīng)、識(shí)別和管理[1]。

物聯(lián)網(wǎng)主要體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1 可知，感知層是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)的末端，是支撐整體物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重要基石，也是物聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)的重要區(qū)別。物聯(lián)網(wǎng)感知層的資料獲取和感知功能主要是用來獲取物理行為和資料，包含了各類物理量、標(biāo)記、聲音和視頻等資料。物聯(lián)網(wǎng)的感知技術(shù)一般包含傳感器、RFID、多媒體信息搜集、二維碼和即時(shí)位置等核心技術(shù)。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

1.2 網(wǎng)絡(luò)基本架構(gòu)

實(shí)驗(yàn)室智慧中控系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要分為系統(tǒng)管理應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層以及環(huán)境感知層三部分[2]。其中，環(huán)境感知層和網(wǎng)絡(luò)層由各種傳感器設(shè)備和傳感器網(wǎng)關(guān)等組成，是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)工作流程中的環(huán)境數(shù)據(jù)和信息的主要來源，涵蓋了各種傳感器和設(shè)備，包括環(huán)境監(jiān)測(cè)攝像機(jī)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集設(shè)備、信息監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)設(shè)施等，也是在目前的信息技術(shù)背景下在物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)中對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)施在線監(jiān)控時(shí)所必需要使用的數(shù)據(jù)傳感器和設(shè)備[3]。

環(huán)境傳感層的主要功能與人體感官系統(tǒng)相似。利用不同的技術(shù)手段收集、分類、鑒別各種物體的信號(hào)，采用不同的方式使這些物體互相聯(lián)系，在接觸環(huán)境時(shí)記錄所需要的數(shù)據(jù)并上傳，最后展示在用戶面前。

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)層由各類私有網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、有線與無線通信網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及云計(jì)算平臺(tái)等構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)傳送與管理從感知層獲取的各種數(shù)據(jù)信息。一般情況下，信息處理中心、網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)中心、網(wǎng)絡(luò)安全控制與管理中心等都指向網(wǎng)絡(luò)層，它是整個(gè)信息管理中心和其他物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)之間的無線通信或者聯(lián)網(wǎng)途徑。通俗地說，網(wǎng)絡(luò)層相當(dāng)于人類的神經(jīng)中樞與大腦，它最重要的功能就是把采集到的數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)傳送到監(jiān)控中心。

1.3 關(guān)鍵設(shè)備

1.3.1 傳感器

傳感器是物聯(lián)網(wǎng)感知層的主要感應(yīng)裝置，類型很多，常用的有水溫、氣壓、溫濕度傳感器等。作為一個(gè)測(cè)量設(shè)備，傳感器主要負(fù)責(zé)感知外部信號(hào)，然后把這些信號(hào)通過一定規(guī)律轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，最終結(jié)果經(jīng)由傳感網(wǎng)絡(luò)輸送到個(gè)人電腦上，并提供給軟件通過人工智能進(jìn)行分析使用。針對(duì)方艙智慧中控系統(tǒng)運(yùn)行過程中對(duì)艙室環(huán)境、設(shè)備狀態(tài)、能源消耗等信息的感知需求，結(jié)合多種不同類型、不同功能的傳感器，構(gòu)建部署適用于方艙核酸檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室的艙室感知系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集艙室溫度、濕度、氣壓、含氧量等各類指標(biāo)[4]。

1.3.2 RFID

射頻識(shí)別（RFID,Radio Frequency Identification）作為物聯(lián)網(wǎng)感知層的主要設(shè)備之一，俗稱電子標(biāo)簽。RFID 主要用于建立各種物品的唯一身份，其系統(tǒng)組成包括：電子標(biāo)簽、讀寫器（閱讀器）以及作為服務(wù)器的計(jì)算機(jī)。相對(duì)于條形碼的單向交流，RFID 可以提供更為便捷的雙向讀寫，更適用于方艙智慧中控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的構(gòu)建。在方艙智慧中控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)為方艙核酸檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的物品、設(shè)備及儀器粘貼RFID 標(biāo)簽，然后在系統(tǒng)中建立該物品、設(shè)備及儀器的相關(guān)描述信息，使之與RFID 編碼相對(duì)應(yīng)，用戶可通過讀寫器對(duì)其進(jìn)行操作[5]。

1.3.3 多媒體采集器

多媒體采集器作為物聯(lián)網(wǎng)感知層的主要設(shè)備之一，泛指音頻、視頻、圖像等信息的采集裝置，如攝像頭、話筒、微型照相機(jī)等。在方艙智慧中控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，擬采用人臉識(shí)別攝像頭、紅外線攝像頭等多媒體采集器，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室控制的視頻監(jiān)控、門禁系統(tǒng)及應(yīng)急預(yù)案等功能[6]。

2 智慧中控系統(tǒng)需求分析

2.1 系統(tǒng)業(yè)務(wù)需求

軟件系統(tǒng)業(yè)務(wù)需求分析是系統(tǒng)構(gòu)建的基礎(chǔ)，是智慧中控系統(tǒng)構(gòu)建的首要環(huán)節(jié)。針對(duì)方艙實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行過程中多艙室聯(lián)動(dòng)造成的在控參數(shù)繁多、協(xié)同控制困難、數(shù)據(jù)傳輸效率低、交互響應(yīng)不及時(shí)等實(shí)際問題，開展方艙工作流程及智慧中控系統(tǒng)業(yè)務(wù)需求分析。通過對(duì)模塊化方艙實(shí)驗(yàn)室的工作流程進(jìn)行分析，梳理多模塊艙室運(yùn)行實(shí)際控制需求，分別從數(shù)據(jù)表示與轉(zhuǎn)換、信息通信、智能分析、協(xié)同決策控制、系統(tǒng)開發(fā)集成、數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)、應(yīng)用實(shí)施等方面分析多模塊艙室運(yùn)行過程的智慧控制技術(shù)應(yīng)用特點(diǎn)，明確技術(shù)融合應(yīng)用模式，為疫情形勢(shì)下研發(fā)適用于方艙式檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室的智慧中控系統(tǒng)指明方向[7]。

2.2 系統(tǒng)角色需求

分析不同軟件使用人的需求，對(duì)其在使用軟件時(shí)的角色進(jìn)行定義，對(duì)于不同角色的使用人，軟件系統(tǒng)賦予其不同軟件操作權(quán)限[8]，如圖2 和表1所示。

表1 軟件使用人需求分析

圖2 角色架構(gòu)

3 智慧中控系統(tǒng)開發(fā)

3.1 技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)

智慧中控系統(tǒng)采用B/S 架構(gòu)，此架構(gòu)可以整合服務(wù)器，把系統(tǒng)功能與實(shí)現(xiàn)的核心部分匯集到服務(wù)器上，統(tǒng)一客戶端，簡化系統(tǒng)的開發(fā)、維護(hù)和使用，只需在客戶端上安裝主流瀏覽器，對(duì)于客戶端不做任何性能要求；服務(wù)器安裝數(shù)據(jù)庫，客戶端通過瀏覽器的Web Server 與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能控制。技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 技術(shù)架構(gòu)

3.2 功能架構(gòu)

中控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下4 大方面業(yè)務(wù)：方艙實(shí)驗(yàn)室內(nèi)環(huán)境各類指標(biāo)及各類設(shè)備能耗數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)、實(shí)驗(yàn)室內(nèi)設(shè)備的日?？刂坪蛻?yīng)急預(yù)案、實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)管理和實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生數(shù)據(jù)的管理。具體功能框架如圖4所示。

圖4 智慧中控系統(tǒng)功能架構(gòu)

每個(gè)方面的具體軟件業(yè)務(wù)包含：傳感器監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)測(cè)、報(bào)警通知接收、設(shè)備日?？刂?、應(yīng)急預(yù)案控制、系統(tǒng)設(shè)置和數(shù)據(jù)管理。

傳感器監(jiān)測(cè)主要是對(duì)實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境條件（溫濕度等）以及實(shí)驗(yàn)室內(nèi)設(shè)備能耗/利用率的監(jiān)測(cè)；視頻監(jiān)測(cè)主要是通過網(wǎng)絡(luò)將實(shí)驗(yàn)室內(nèi)實(shí)時(shí)情況傳輸至集控中心并顯示在大屏上；報(bào)警通知接收業(yè)務(wù)主要是在緊急情況發(fā)生時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以收到相關(guān)報(bào)警通知。設(shè)備日常控制業(yè)務(wù)包含對(duì)出入實(shí)驗(yàn)室門禁系統(tǒng)的控制、日常實(shí)驗(yàn)室內(nèi)環(huán)境消殺設(shè)備的控制、空調(diào)和燈光等設(shè)備的開關(guān)控制。應(yīng)急預(yù)案控制主要針對(duì)實(shí)驗(yàn)室在發(fā)生緊急狀況時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)室報(bào)警設(shè)備的控制和其他設(shè)備的一鍵制動(dòng)。系統(tǒng)管理業(yè)務(wù)主要包括系統(tǒng)用戶信息及權(quán)限的管理、艙室位置和艙室內(nèi)報(bào)警類型參數(shù)的設(shè)置和維護(hù)、系統(tǒng)通知規(guī)則的設(shè)置。數(shù)據(jù)管理主要是在樣本信息數(shù)據(jù)庫中錄入和存儲(chǔ)檢測(cè)結(jié)果信息，對(duì)其進(jìn)行管理維護(hù)，形成可視化看板及相關(guān)報(bào)表，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

根據(jù)智慧中控系統(tǒng)需求及上述具體功能需求描述，對(duì)所需的數(shù)據(jù)列表進(jìn)行定義，后期在軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)需求細(xì)化具體數(shù)據(jù)格式。數(shù)據(jù)格式如下：

（1）用戶管理數(shù)據(jù)包含：用戶名、姓名、密碼、工號(hào)、性別、電話、職務(wù)等；

（2）角色管理數(shù)據(jù)包含：角色名稱、角色編碼、關(guān)聯(lián)用戶名等；

（3）權(quán)限管理數(shù)據(jù)包含：權(quán)限名稱、權(quán)限描述、父級(jí)權(quán)限、關(guān)聯(lián)角色編碼等；

（4）艙室位置參數(shù)維護(hù)數(shù)據(jù)包含：艙室名稱、艙室編號(hào)、X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)、Z坐標(biāo)等；

（5）報(bào)警類型數(shù)據(jù)包含：報(bào)警類型、重命名等；

（6）通知規(guī)則數(shù)據(jù)包含：通知事件、通知對(duì)象、通知類型、通知頻率、報(bào)警未處理事件、通知周期等；

（7）設(shè)備儀器管理數(shù)據(jù)包含：設(shè)備品牌、設(shè)備型號(hào)、設(shè)備名稱、設(shè)備編號(hào)、資產(chǎn)編號(hào)、用戶ID、設(shè)備安裝日期、設(shè)備質(zhì)保期、設(shè)備圖片、設(shè)備類型、運(yùn)行狀態(tài)、維保狀態(tài)、監(jiān)控狀態(tài)、傳感器ID 等；

（8）樣本庫信息管理數(shù)據(jù)包含：樣本人姓名、樣本人性別、樣本編號(hào)、樣本人電話、樣本采集時(shí)間、檢測(cè)結(jié)果等；

（9）傳感器管理數(shù)據(jù)包含：傳感器名稱、傳感器類別、艙室ID 等；

（10）能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包含：電流、電壓、功率、頻率、設(shè)備ID、艙室ID 等；

（11）環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包含：溫度、濕度、壓力、氣體濃度、艙室ID、傳感器ID 等。

根據(jù)以上內(nèi)容，得到智慧中控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 智慧中控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)

4 結(jié)語

基于物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)的方艙智慧中控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，首先了解物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)的基本概念，調(diào)研實(shí)現(xiàn)感知技術(shù)所需要的關(guān)鍵設(shè)備；其次對(duì)實(shí)驗(yàn)室智慧中控系統(tǒng)進(jìn)行需求分析，包括業(yè)務(wù)邏輯分析和人員角色分工；最后根據(jù)需求對(duì)系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)、功能框架和數(shù)據(jù)庫進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)。

下一步對(duì)于方艙智慧中控系統(tǒng)主要需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸[9]、信息溝通交流[10]方面的技術(shù)研究和探索，爭取高效、可靠地實(shí)現(xiàn)智慧中控系統(tǒng)對(duì)于方艙實(shí)驗(yàn)室的智能感知、網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通和軟硬件協(xié)調(diào)控制。