基于C/S 架構(gòu)的醫(yī)廢調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

張 凱

中國恩菲工程技術(shù)有限公司 北京 100038

0 引言

近些年，我國工業(yè)自動化發(fā)展越來越迅速，相關(guān)自動化控制技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用逐漸受到人們的重視，以機(jī)械控制自動化替代操作工成為企業(yè)核心競爭力的必由之路。我國在環(huán)境保護(hù)方面的政策逐步完善，凸顯了國家對環(huán)境治理方面的堅定決心。同時，針對污染物處理的監(jiān)督力度也在不斷加強(qiáng)，合理結(jié)合機(jī)械控制自動化技術(shù)降低污染物帶來的負(fù)面影響，具有良好的社會意義和企業(yè)價值。

醫(yī)療廢物是指接觸過病人血液、肉體等而由醫(yī)院生產(chǎn)出的污染性垃圾（如使用過的棉球、紗布、膠布、廢水、一次性醫(yī)療器具、術(shù)后的廢棄品、過期的藥品等）。當(dāng)前，針對醫(yī)療廢物的處理，各大醫(yī)院均在進(jìn)行數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型，通過信息系統(tǒng)進(jìn)行管理，解決以往人工管理的時效滯緩問題[1]，然而針對醫(yī)療廢物離開醫(yī)院管轄范圍進(jìn)入垃圾場管理時采取的有效規(guī)避人員接觸污染性垃圾的處理手段則相對薄弱。本文針對這些不可忽視的問題，通過與自動化設(shè)備進(jìn)行對接，以醫(yī)療廢物的垃圾處理為基礎(chǔ)，對醫(yī)療廢物的自動化調(diào)度系統(tǒng)的整體設(shè)計，并通過服務(wù)端—客戶端（C/S）架構(gòu)實現(xiàn)了1 套調(diào)度自動化設(shè)備進(jìn)行無人化處理污染性的控制系統(tǒng)。

1 基于C/S 架構(gòu)的醫(yī)廢調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計

本文在結(jié)合實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，針對當(dāng)前C/S 架構(gòu)的應(yīng)用現(xiàn)狀和醫(yī)療廢物處理的需要，對基于C/S 架構(gòu)的醫(yī)廢調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行了客觀闡述。醫(yī)廢調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計的重點(diǎn)需要考慮應(yīng)用場景和調(diào)度目的，本文針對醫(yī)療廢物進(jìn)入到垃圾處理廠后的全流程進(jìn)行規(guī)劃，實現(xiàn)無人化操作，規(guī)避污染性垃圾對操作工產(chǎn)生的危害。在機(jī)械設(shè)備方面，考慮垃圾車到位后需添加檢測設(shè)備[2]觸發(fā)調(diào)度系統(tǒng)控制運(yùn)輸設(shè)備以及定制化的輔助設(shè)備進(jìn)行醫(yī)療廢料投爐焚燒前的必要動作。

如圖1 所示，醫(yī)廢調(diào)度系統(tǒng)包含卸車設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備、輔助設(shè)備、調(diào)度系統(tǒng)軟件等。其中，卸車設(shè)備需滿足不同車型運(yùn)輸時均可實現(xiàn)無人化卸車，同時還需考慮穩(wěn)定性，以避免搬運(yùn)過程中造成的側(cè)翻現(xiàn)象；運(yùn)輸設(shè)備需滿足多種不同尺寸規(guī)格的醫(yī)療廢物處理箱均可穩(wěn)定輸送，還應(yīng)增加識別功能，判斷具體的尺寸規(guī)格并反饋調(diào)度系統(tǒng)，以方便后續(xù)處理；輔助設(shè)備需滿足針對各種不同尺寸的醫(yī)療廢物處理箱進(jìn)行處理，并將醫(yī)用廢料投入投料口進(jìn)行焚燒。本文著重敘述調(diào)度系統(tǒng)軟件的設(shè)計。

圖1 醫(yī)廢調(diào)度系統(tǒng)無人化機(jī)械工作面示意圖

圖2 基于C/S 架構(gòu)的醫(yī)廢調(diào)度系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫示意圖

圖3 基于C/S 架構(gòu)醫(yī)廢調(diào)度系統(tǒng)的客戶端界面

計算機(jī)系統(tǒng)軟件分成B/S 架構(gòu)和C/S 架構(gòu)，其中B/S 結(jié)構(gòu)是指瀏覽器—Web 服務(wù)器( Broswer-Server )，通常分為3 層架構(gòu)：表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)訪問層。在B/S 架構(gòu)中，以Vue.js 為主流選擇，而其主要優(yōu)勢在于其針對分布式系統(tǒng)、廣域網(wǎng)的適用性。

本文選擇C/S 架構(gòu)進(jìn)行調(diào)度系統(tǒng)的整體框架，C/S架構(gòu)是指服務(wù)端—客戶端（Client-Server)結(jié)構(gòu)，其中服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的管理，客戶機(jī)負(fù)責(zé)完成與用戶的交互任務(wù)。C/S 架構(gòu)主要應(yīng)用于局域網(wǎng)，交互的損耗小，實時性強(qiáng)，且可靠性高；而針對醫(yī)廢無人化調(diào)度考慮，可靠性、實時性尤其重要。在此，基于C/S 架構(gòu)的醫(yī)廢調(diào)度系統(tǒng)的總體架構(gòu)設(shè)計主要包括監(jiān)控界面、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)庫3 個模塊。

1.1 監(jiān)控界面模塊的設(shè)計

監(jiān)控界面理模塊主要包含實時監(jiān)控和設(shè)備連接，作為無人化處理的控制系統(tǒng)，設(shè)備驅(qū)動通過卸車設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備、輔助設(shè)備之間的交互完成。其中，設(shè)備連接是用于調(diào)度系統(tǒng)主動與機(jī)械設(shè)備建立通信連接的開關(guān)，并通過設(shè)備聯(lián)通的情況，啟動軟件內(nèi)部的相關(guān)調(diào)度算法。實時監(jiān)控模塊主要是將工作面的設(shè)備布局展示出來，并通過與不同設(shè)備通信獲得傳感器的信息和動態(tài)，進(jìn)而真正實現(xiàn)科學(xué)化和規(guī)模化的控制。

1.2 數(shù)據(jù)采集和處理模塊的設(shè)計

在數(shù)據(jù)采集和處理模塊中，基于C/S 架構(gòu)的醫(yī)廢調(diào)度系統(tǒng)可利用相關(guān)信息技術(shù)實現(xiàn)對設(shè)備數(shù)據(jù)的分析和處理，進(jìn)而提升設(shè)備動作處理的效率。數(shù)據(jù)采集和處理模塊的主要作用是利用Restful 和OPC UA 共同實現(xiàn)對醫(yī)廢調(diào)度系統(tǒng)功能完整性的構(gòu)建，需要確保機(jī)械設(shè)備與服務(wù)器端之間的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通。除此之外，還需增加數(shù)據(jù)校驗機(jī)制確保信息交互的安全性。本文調(diào)度系統(tǒng)涉及與多設(shè)備進(jìn)行實時性對接，需要規(guī)劃搭建中間件接口平臺[3]，從而降低開發(fā)成本，實現(xiàn)多設(shè)備的實時交互。

1.3 數(shù)據(jù)庫模塊的設(shè)計

基于C/S 架構(gòu)的醫(yī)廢調(diào)度系統(tǒng)需要通過對數(shù)據(jù)實時處理的方式才能實現(xiàn)設(shè)備調(diào)度控制功能，而在實際采集和分析過程中需要采用數(shù)據(jù)庫功能對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計和分類處理。所以，在實際分析過程中，需要設(shè)計出不同的數(shù)據(jù)表格，并根據(jù)不同的設(shè)備信息對表格進(jìn)行設(shè)計和記錄填寫工作，才能真正構(gòu)建完善的設(shè)備信息數(shù)據(jù)庫，而完整的數(shù)據(jù)記錄則有助于設(shè)備調(diào)度實現(xiàn)系統(tǒng)化和規(guī)范化。

2 基于C/S 架構(gòu)的醫(yī)廢調(diào)度系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)庫模塊的實現(xiàn)

醫(yī)廢調(diào)度系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫模塊構(gòu)成了C/S 架構(gòu)的服務(wù)端，本文采用SQL Server 數(shù)據(jù)庫，其具備強(qiáng)大的處理能力以及多種作業(yè)的處理模式，可為系統(tǒng)在實時性上提供良好的支持。數(shù)據(jù)庫核心數(shù)據(jù)表主要為設(shè)備實時監(jiān)控表、調(diào)度任務(wù)表以及負(fù)責(zé)通信的數(shù)據(jù)接口表等。

1）設(shè)備實時監(jiān)控表 負(fù)責(zé)記錄設(shè)備的實時數(shù)據(jù)，包含設(shè)備的各項狀態(tài)指標(biāo)、動作執(zhí)行情況等；

2）調(diào)度任務(wù)表 負(fù)責(zé)記錄調(diào)度系統(tǒng)的待執(zhí)行任務(wù)及歷史任務(wù)，需考慮任務(wù)的執(zhí)行狀態(tài)，且可以確定任務(wù)執(zhí)行的優(yōu)先級，以便于梳理任務(wù)的順序；

3）數(shù)據(jù)接口表 負(fù)責(zé)與卸車設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備、輔助設(shè)備進(jìn)行交互，抽離出交互數(shù)據(jù)中的狀態(tài)數(shù)據(jù)、任務(wù)執(zhí)行情況并分別存入對應(yīng)數(shù)據(jù)表中，且需將觸發(fā)的新任務(wù)發(fā)送給指定的設(shè)備，控制其完成指定動作，實現(xiàn)自動化控制。

在以上的3 種數(shù)據(jù)表中，均具備流水號主鍵及更新時間字段，可方便進(jìn)行數(shù)據(jù)維護(hù)。針對數(shù)據(jù)接口，維護(hù)有對應(yīng)的觸發(fā)器，便于接口數(shù)據(jù)的增刪改操作觸發(fā)相應(yīng)的處理，采用此方法可通過較低的資源消耗實現(xiàn)實時復(fù)雜的邏輯運(yùn)算。針對設(shè)備的監(jiān)控，考慮到應(yīng)盡可能滿足多種設(shè)備復(fù)用，在抽取共同指標(biāo)特征的同時增加更多冗余字段，以滿足不同設(shè)備參數(shù)需求。針對調(diào)度任務(wù)，在維護(hù)更新時間之外還需維護(hù)一些關(guān)鍵時間節(jié)點(diǎn)的記錄，使整個數(shù)據(jù)流走向更加清晰。針對不同的業(yè)務(wù)功能，維護(hù)不同的存儲過程以便操作數(shù)據(jù)，充分利用數(shù)據(jù)庫的原子性和一致性等特性，通過設(shè)備數(shù)據(jù)的實時反饋，帶動存儲過程、觸發(fā)器對數(shù)據(jù)表產(chǎn)生事務(wù)性更改，保障了服務(wù)端數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，從而實現(xiàn)工作面的數(shù)字化。

2.2 數(shù)據(jù)采集和處理模塊的實現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集主要分為TCP 層和Http 層2 部分，TCP層的數(shù)據(jù)交互采用OPC UA 協(xié)議實現(xiàn)，Http 層的數(shù)據(jù)交互采用Restful 實現(xiàn)。

OPC UA 服務(wù)器支持3 種認(rèn)證方式：匿名認(rèn)證、用戶認(rèn)證和證書認(rèn)證。其中，匿名認(rèn)證安全等級最低，訪問不做任何校驗。用戶認(rèn)證訪問時，OPC UA 客戶端需要提供用戶名及密碼認(rèn)證，只有用戶名和密碼正確才允許訪問。本文采用用戶認(rèn)證訪問，提高了數(shù)據(jù)訪問過程中的安全性，同時可針對交互信息數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC 校驗，提高了交互的安全等級，并減少了不可靠傳輸造成的錯誤率，使設(shè)備交互更具保障。調(diào)度系統(tǒng)通過訂閱節(jié)點(diǎn)的方式可以及時獲知機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的改變情況，并及時做出響應(yīng)，降低了對系統(tǒng)性能的消耗。

Restful 數(shù)據(jù)接口消息形式為Json 格式參數(shù)，本文所述Restful 模塊主要進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收，并模仿外部系統(tǒng)調(diào)用中間表接口將數(shù)據(jù)消息傳入，將數(shù)據(jù)信息的處理轉(zhuǎn)移到中間表接口進(jìn)行處理。中間表接口根據(jù)與外部系統(tǒng)約定的技術(shù)協(xié)議，創(chuàng)建中間數(shù)據(jù)庫和中間數(shù)據(jù)表。在創(chuàng)建過程中，中間數(shù)據(jù)表需比接口協(xié)議多創(chuàng)建處理狀態(tài)和處理狀態(tài)描述這2 個字段，用于記錄數(shù)據(jù)處理的結(jié)果。以某設(shè)備單次傳入的數(shù)據(jù)為例，其傳入的Json 參數(shù)為：

數(shù)據(jù)處理模塊將Json 參數(shù)存入SQL Server 的數(shù)據(jù)表內(nèi)，在參數(shù)報文的基礎(chǔ)上，增加Statu 和Message 字段，用于SQL Server 處理后的反饋，插入時狀態(tài)為：

在插入的同時，前述觸發(fā)器對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，針對不同數(shù)據(jù)處理結(jié)果將成功或失敗插入到Statu 字段，失敗時將具體的失敗信息插入到Message 字段。

通過觸發(fā)器、作業(yè)等技術(shù)實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)處理，將接收到的數(shù)據(jù)信息處理為業(yè)務(wù)系統(tǒng)可以接收的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，存儲到業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫中，并將處理結(jié)果更新在中間數(shù)據(jù)表的處理狀態(tài)和處理狀態(tài)描述字段中，以供外部系統(tǒng)獲取或Restful 接口反饋。

2.3 監(jiān)控界面模塊的實現(xiàn)

監(jiān)控界面的主要功能將服務(wù)端數(shù)字化后的情況展現(xiàn)給操作工，同時也是C/S 架構(gòu)下的客戶端，以供操作工全面掌握當(dāng)前工作面的情況，應(yīng)對各種突發(fā)情況。本文所述醫(yī)廢調(diào)度系統(tǒng)運(yùn)行于Windows 系統(tǒng)的工控機(jī)內(nèi)，在數(shù)據(jù)顯示方面，WPF（Windows Presentation Foundation）技術(shù)提供將數(shù)據(jù)映射到用戶界面元素的自動支持功能，故客戶端采用WPF 的界面展示設(shè)計以提供更優(yōu)的界面交互感。WPF 框架為媒體、用戶界面設(shè)計和文檔提供的解決方案遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過開發(fā)人員現(xiàn)在所擁有的。WPF 的設(shè)計考慮了可擴(kuò)展性，使開發(fā)人員可以完全在 WPF 引擎的基礎(chǔ)上創(chuàng)建自己的控件，也可通過對現(xiàn)有 WPF 控件進(jìn)行再分類來創(chuàng)建自己的控件。WPF 框架的核心是用于形狀、文檔、圖像、視頻、動畫、三維以及用于放置控件和內(nèi)容的面板的一系列控件，這些自有控件為開發(fā)下一代用戶體驗提供了構(gòu)造塊。

本文所述醫(yī)廢調(diào)度系統(tǒng)在調(diào)度任務(wù)方面均采取無人化設(shè)計，在任務(wù)的觸發(fā)及完成的均由服務(wù)端控制，客戶端僅需考慮將服務(wù)端具備的數(shù)字化工作面形象的展示，即可方便地進(jìn)行操作，滿足日常工作及參觀需求。

本文根據(jù)通過前端的圖像技術(shù)，盡可能地等比例還原工作面的設(shè)備布局，將卸車設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備、輔助設(shè)備進(jìn)行二維平面的展示，并利用WPF 技術(shù)的MVVM模式對數(shù)字化工作面的實時數(shù)據(jù)與界面進(jìn)行綁定，將工作面設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)通過界面實時顯示出來。

WPF 的MVVM 是Model、View、ViewModel 的簡寫，這種模式可以降低View 層與Model 層的耦合關(guān)系，即更改界面時不需要改動邏輯代碼，同理邏輯代碼更改時也不需要更改界面。ViewModel 收集到接口反饋的實時狀態(tài)時，會改變關(guān)聯(lián)的Property 值，然后觸發(fā)通知機(jī)制，將Property 的變化反映到View 上實現(xiàn)數(shù)據(jù)的驅(qū)動。WPF 的MVVM 的優(yōu)勢是徹底完成了前后端的分離，3個模塊各司其職無不干擾，更加靈活多變，方便維護(hù)。

本文通過WPF 的實現(xiàn)方式降低客戶端在運(yùn)行過程中產(chǎn)生故障的概率，更加穩(wěn)定地顯示工作面的實時狀態(tài)，在滿足無人化的同時降低軟件系統(tǒng)發(fā)生故障的概率。

3 結(jié)論

本文探究了基于C/S 架構(gòu)醫(yī)廢調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，介紹了醫(yī)療廢料處理過程中無人化的重要性，通過介紹B/S 架構(gòu)和C/S 架構(gòu)的對比，闡述了基于C/S 架構(gòu)的原因，詳細(xì)介紹了監(jiān)控界面模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)庫模塊3 個方面的設(shè)計思路，并結(jié)合硬件設(shè)備的復(fù)雜性和中間件的接口方式，指出了服務(wù)端設(shè)計的底層思想和數(shù)據(jù)庫設(shè)計的根本依據(jù)，進(jìn)而結(jié)合實際應(yīng)用場景說明了WPF 進(jìn)行界面設(shè)計在實時交互方面的優(yōu)勢。