CN115225625B - 一种基于远程控制的云化学分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于远程控制的云化学分析系统，包括用户终端、云实验平台和本地分析系统；所述用户终端作为云实验平台的入口，用于提交用户的需求参数并获取和查看实验的进度和结果；所述云实验平台包括服务层、业务层、智慧层、控制层和持久层，服务层负责用户终端和本地分析系统的服务接入，业务层用于处理云实验平台内部的业务流程，智慧层用于生成实验策略，持久层负责业务数据的存储和状态维护，控制层负责对本地分析系统的远程调度；所述本地分析系统包括实验室客户端和实验设备，实验室客户端用于接收云实验平台下发的指令并驱动对应的实验设备完成指令，并向云实验平台反馈实验结果。本发明提供一种不受时间、空间限制的远程分析系统。

Description

一种基于远程控制的云化学分析系统

技术领域

本发明涉及远程控制技术领域，具体涉及一种基于远程控制的云化学分析系统。

背景技术

一般的远程控制系统的特征是控制命令的发出和执行之间相隔一段相对较远的距离。系统通常包括一个输入控制命令的控制端和执行命令的执行端，如图1所示，它们之间通过一个介质完成连接，通常以一定的编码格式来传输控制命令。

一般地，执行端既可以是软件，也可以是硬件。

与软件配合的远程控制技术常见于远程桌面，指管理人员在异地通过计算机网络异地拨号或双方都接入Internet等手段，连通需被控制的计算机，将被控计算机的桌面环境显示到自己的计算机上，通过本地计算机对远方计算机进行配置、软件安装程序、修改等工作。其基本原理是：主控端电脑只是将键盘和鼠标的指令传送给远程电脑，同时将被控端电脑的屏幕画面通过通信线路回传过来。也就是说，控制被控端电脑进行操作似乎是在眼前的电脑上进行的，实质是在远程的电脑中实现的，不论打开文件，还是上网浏览、下载等都是存储在远程的被控端电脑中的。

而与硬件配合的远程控制技术在智能家居等领域应用较多，通常利用WiFi、蓝牙、ZigBee等技术将智能家居和控制系统进行连接，实现数据的远程传输与设备的远程控制，让用户即使在异地也可以轻松地管理设备。其基本原理是：远程控制实际上是建立在网络和数据的基础上，用户通过手机等终端以无线形式读取设备的状态，并结合自己的实际需求，借助无线网络来给内置家电中的无线模块(WiFi/蓝牙/ZigBee模块)发送指令，完成对应的动作。

目前，远程控制技术已经广泛地应用于许多领域，与人们的生活息息相关。然而，将远程控制技术应用于化学分析领域的研究相对较少。

传统的化学分析方法大都涉及到仪器操作，这对执行实验的分析人员的专业素养有着较高的要求。除此之外，在绝大多数情况下的分析实验的流程都是固定的，所以分析人员往往都在做机械、重复的劳动。这样不仅费时费力，而且也可能因为人为失误对分析结果造成误差。近些年越来越多的人们开始研究分析化学的自动化方法，也出现了许多自动化分析系统。

相比于传统的人工分析，自动化的分析方法往往具有以下特点：

(1)智能分析，操作简单；

(2)无人值守，自动报告；

(3)连续工作，批量分析；

(4)精度好，分析结果准确；

(5)效率高，快速分析。

然而目前市面上很多的自动化分析系统往往是专用的，即只能服务于特定的化学分析场景，当化学分析场景、分析方案或分析方法发生改变时，很难去动态、灵活地去调整实验策略，让系统的修改和扩展难以进行。与此同时，我们还注意到很多自动分析设备的操作程序大多属于本地控制，没有发挥出联网远程控制的优势，而且很难接入到其他的系统。使用这些自动化分析系统的分析人员往往需要在现场才能控制设备、监控实验流程、以及获取分析结果。这样的话，分析人员既很难集中地管理分散各处的自动化设备(同一实验室不同位置或在不同的实验室)，也很难进行集中地监控实验流程和收集分析结果。

发明内容

本发明为了实现让机器自动且智能地去代替传统的分析人员来做复杂繁琐的分析实验，从而完成对样品的全自动无人远程分析和报告，提供一种基于远程控制的云化学分析系统。

为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于远程控制的云化学分析系统，包括用户终端、云实验平台和本地分析系统；所述用户终端作为云实验平台的入口，用于提交用户的需求参数并获取和查看实验的进度和结果；所述云实验平台包括服务层、业务层、智慧层、控制层和持久层，所述服务层负责用户终端和本地分析系统的服务接入，所述业务层用于处理云实验平台内部的业务流程，所述智慧层用于生成实验策略，所述持久层负责业务数据的存储和状态维护，所述控制层负责对本地分析系统的远程调度；所述本地分析系统包括实验室客户端和实验设备，所述实验室客户端用于接收云实验平台下发的指令并驱动对应的实验设备完成指令，并向云实验平台反馈实验结果。

进一步地，所述的远程调度过程为：

步骤1：启用云实验平台服务器，开启本地分析系统内所有设备的电源，启动实验室客户端，实验室客户端登录到云实验平台，通过WebSocket同云实验平台保持连接；

步骤2：用户在任一地点通过用户终端，访问云实验平台，登录进入云实验平台；

步骤3：用户在云实验平台选择对应的实验过程或者功能，输入用户期望的参数并提交，提交过程会通过Ajax技术将参数请求到云实验平台的服务层；

步骤4：服务层接收到用户请求，将其转发至业务层，业务层根据用户请求的参数生成一个作业对象，该作业对象包含用户作业需求并且拥有一个唯一的作业id，后续用户可根据此作业id查询作业状态和进度；然后将此作业对象持久化到持久层中，同时将作业id添加到控制层的作业队列；然后向用户响应成功或失败结果；

步骤5：控制层的作业消费者线程每次从作业队列中取出一个作业id，然后向持久层查找该作业id指向的作业对象和描述当前系统状态的对象；从作业对象中取出作业需求，然后根据作业需求和系统状态调用智慧层的过程模拟算法生成指令序列和新的系统状态；将生成的指令序列储存到作业对象中，将作业对象和新的系统状态再次更新到持久层中；接着按照顺序从刚刚生成的指令序列中取出指令，通过WebSocket连接向本地分析系统下发指令；下发每一条指令时，都需要检查持久层中的作业状态，根据作业状态决策是否暂停、继续或取消该作业；

步骤6：本地分析系统的实验室客户端接收到对应的指令，驱动对应实验设备完成该指令；完成该指令后，会向云实验平台发送执行成功反馈，云实验平台接收到执行成功的反馈后会下发下一条指令，同时在持久层中更新作业对象中的实验进度；否则将该任务标记为异常，停止继续执行；如此循环往复，直到作业中的所有指令执行完成，将作业标记成结束态。

进一步地，在步骤6中，所述本地分析系统的实验室客户端会按照一定的频率不断地向云实验平台更新本地实时的状态信息，云实验平台在接收到这些信息时，会在持久层中动态地调整系统状态。

进一步地，用户在完成步骤3之后可以退出用户终端，用户可以随时通过用户终端访问云实验平台查看实验的实时进度。

进一步地，用户可以选择通过邮件或者App推送的方式告知实验结果。

进一步地，在步骤4中，所述过程模拟算法包括三级函数，从顶层到底层依次为过程函数、功能函数、单元函数，所述单元函数为实验设备最小的动作函数，通过判断输入的状态，模拟生成未来要完成该动作的不同的指令；所述功能函数通过不同的单元函数之间的配合来实现特定业务场景下的功能；所述过程函数调用不同的功能函数以生成特定实验过程。

进一步地，所述单元函数的输入包括系统某一时刻的状态、该动作的特定参数、用于储存模拟结果的指令序列；所述功能函数的输入包括系统某一时刻的状态、该功能特定的参数、用于储存模拟结果的指令序列；所述过程函数的输入包括系统某一时刻的状态、该过程特定的参数、用于储存模拟结果的指令序列。

进一步地，所述本地分析系统中包括摄像头，所述摄像头实时录制实验过程并将实时视频流推送到云实验平台。

进一步地，所述本地分析系统的实验设备包括固定式三维滑轨、移液模块、光谱仪、机械臂，所述移液模块固定在三维滑轨的Z轴上，跟随三维滑轨的XYZ轴运动；所述固定式三维滑轨的下方设有母液区、试管区、取tip区、脱tip区、废液区、比色皿区，所述机械臂紧邻比色皿区设置，机械臂的工作区域覆盖到比色皿区，光谱仪紧邻机械臂设置。

进一步地，所述固定式三维滑轨下方的母液区前部设有蠕动泵组和补充母液区，所述蠕动泵组将补充母液区内对应的溶液抽取到母液区中。

与现有技术相比，本发明的有益效果有：

1)本发明搭建了一个WEB平台，将所有的自动化分析设备通过一个执行端软件与之联网，将控制流从本地控制转变成云端的远程调度，同时将控制结果反馈给云端，实现了云端的统一远程调度与管理；提供一种不受时间、空间限制的远程分析系统，用户可在任何时间、任何地点登录本系统，提交需求或查看实验的进度和结果，为用户完成实验分析提供极大的便利；

2)本发明提供了一个用户友好的界面，用户在使用本系统的过程中只需要输入与实验有关的参数后提交，云实验平台自动运行，远程调控本地分析系统完成实验并反馈结果，不依赖于用户一直控制用户终端，还可以实时监控分析任务的进展和结果；

3)本发明提供了一种易于调整实验策略的远程分析系统，当实验需求发生改变时，维护人员只需要在云端增加或修改对应的过程模拟算法即可适应新的需求。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是现有技术中一般的远程控制系统架构图；

图2是本发明的系统的架构图；

图3是本发明的系统远程调度原理图；

图4是本发明的系统远程调度细节图；

图5是本发明的系统中本地分析系统的俯视图。

附图标记：1-三维滑轨，2-移液模块，3-光谱仪，4-机械臂，5-推流摄像头，6-蠕动泵组。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

一种基于远程控制的云化学分析系统，如图2、图3、图4所示，包括用户终端、云实验平台和本地分析系统；所述用户终端作为云实验平台的入口，用于提交用户的需求参数并获取和查看实验的进度和结果；所述用户终端为计算机浏览器或移动终端APP；所述云实验平台包括服务层、业务层、智慧层、控制层和持久层，所述服务层负责用户终端和本地分析系统的服务接入，所述业务层用于处理云实验平台内部的业务流程，所述智慧层用于生成实验策略，所述持久层负责业务数据的存储和状态维护，所述控制层负责对本地分析系统的远程调度；所述本地分析系统包括实验室客户端和实验设备，所述实验室客户端用于接收云实验平台下发的指令并驱动对应的实验设备完成指令，并向云实验平台反馈实验结果。

本发明的基于远程控制的云化学分析系统的远程调度的过程如下：

步骤1：启用云实验平台服务器，开启本地分析系统内所有设备的电源，启动实验室客户端，实验室客户端登录到云实验平台，通过WebSocket同云实验平台保持连接。

步骤2：用户在任一地点通过用户终端，访问云实验平台，登录进入云实验平台。

步骤3：用户在云实验平台选择对应的实验过程或者功能，输入用户期望的需求并提交，提交过程会通过Ajax(Asynchronous JavaScript And XML)技术将参数请求到云实验平台的服务层(后台API控制器)。

步骤4：服务层(后台API控制器)接收到用户请求，将其转发至业务层。业务层根据用户请求的参数生成一个作业对象，该作业对象包含作业需求并且拥有一个唯一的作业id，所述作业需求包含用户请求和参数；后续用户可根据此作业id查询作业状态和进度。然后将此作业对象持久化到Redis缓存(持久层)中，同时将作业id添加到控制层的作业队列；然后向用户响应成功或失败结果。

步骤5：控制层的作业消费者线程每次从作业队列中取出一个作业id，然后向Redis缓存查找该作业id指向的作业对象和描述当前系统状态的对象；从作业对象中取出作业需求，然后根据作业需求和系统状态调用智慧层的过程模拟算法生成指令序列和新的系统状态；将生成的指令序列储存到作业对象中，将作业对象和新的系统状态再次更新到Redis缓存中；接着按照顺序从刚刚生成的指令序列中取出指令，通过WebSocket连接向本地分析系统下发指令；下发每一条指令时，都需要检查Redis缓存中的作业状态，根据作业状态决策是否暂停、继续或取消该作业。

步骤6：本地分析系统的实验室客户端接收到对应的指令，驱动对应实验设备完成该指令；完成该指令后，会向云实验平台发送执行成功反馈，云实验平台接收到执行成功的反馈后会下发下一条指令，同时在缓存中更新作业对象中的实验进度；否则将该任务标记为异常，停止继续执行；如此循环往复，直到作业中的所有指令执行完成，将作业标记成结束态。

此外，本地分析系统的实验室客户端会按照一定的频率不断地向云实验平台更新本地实时的状态信息，云实验平台在接收到这些信息时，会在Redis缓存中动态地调整系统状态，这样尽可能地保证了当前序作业取消时，后序作业不会受到影响。

本发明将控制层转移到了云实验平台，本地分析系统的流程控制、调度策略都在云实验平台进行。用户在完成步骤3之后可以退出用户终端，不依赖与用户一直控制用户终端，提交需求后用户可以随时再次访问云实验平台观察实验的实时进度和结果，也可以选择在实验完成时通过邮件或者App推送的方式告知用户实验结果。

以测定溶液吸光度的实验为例：

本地分析系统的实验设备如图5所示，包括固定式三维滑轨1、移液模块2、光谱仪3、机械臂4，所述移液模块2固定在三维滑轨1的Z轴上，跟随三维滑轨的XYZ轴运动，到达指定位置完成相应动作，例如取tip、吸取液体、排出液体、混匀液体、脱tip等动作。所述固定式三维滑轨1的下方设有母液区、试管区、取tip区、脱tip区、废液区、比色皿区，所述机械臂4紧邻比色皿区设置，机械臂4的工作区域覆盖到比色皿区，光谱仪3紧邻机械臂4设置；实验时，三维滑轨带动移液模块2稀释母液以获得不同浓度的溶液到不同的试管区中的试管中，再根据实验条件(溶液配比、量的关系等)将试管中的溶液转移到比色皿区中的比色皿完成显色反应；当反应完成后，实验室客户端调用机械臂4将比色皿拎到机械臂右侧的光谱仪3的架子里完成吸光度的测定，测定完成后，光谱仪3将结果反馈回云实验平台，然后机械臂4将此比色皿转移到废弃比色皿区，再回比色皿区域等待重复测定吸光度的步骤。循环往复，直到所有的样品测定完成。进一步地，在机械臂的后部设置推流摄像头5，所述推流摄像头5的作用是将操作过程的实时视频流推送到云实验平台，再由用户终端拉流播放，实现远程监控的功能。进一步地，在固定式三维滑轨1下方的母液区前部设有蠕动泵组6和补充母液区，所述蠕动泵组6的作用是将补充母液区内对应的溶液抽取到母液区中，实现母液的补充。

本地分析系统的流程控制基于状态维护和过程模拟的动作规划算法来实现，前述算法将一些功能转换为本地分析系统可以识别的动作流程序列。具体的：

将实验设备的动作拆解成最小的单元函数，输入参数为系统某一时刻的状态和该动作特定的参数以及用于储存模拟结果的指令序列(下称指令序列)。单元函数判断输入的状态(对可能发生的情况，作出不同的处理)，模拟生成未来要完成该动作的不同的指令并按顺序添加到指令序列中，在这个过程中输入的系统状态变量也会随着指令的生成而不断变化。简单来说，可以理解为单元函数可以应对系统的任何可能出现的状态来完成对应的动作目的。拿取枪头这个动作举例，在执行时就要考虑滑轨当前的位置、当前移液枪是否已经有tip、tip架子上是否有可用的新的tip、下一个取tip的位置在何处等因素，根据不同的情况未来需要调用不同的指令来协同滑轨和移液模块完成对应的动作单元，而算法做的就是提前生成好这些指令。

在单元函数的基础上封装功能函数，功能函数的输入是系统某一时刻的状态、该功能特定的参数以及用于储存模拟结果的指令序列。功能函数就是通过不同的单元函数之间的配合来实现特定业务场景下的功能，比如配置溶液到某号试管，可能需要用到的单元函数有取枪头函数、脱枪头函数、吸取溶液函数、排放液体函数、安全地移动到目标位置函数等。功能函数中会结合有业务场景相关的算法(如稀释计算等)来完成特定的功能。储存系统状态的变量会在调用这些单元函数时传递，不断地改变。

在功能函数的基础上，封装过程函数。过程函数的输入是系统某一时刻的状态、该过程特定的参数以及用于储存模拟结果的指令序列。过程函数就是在调用不同的功能函数以生成特定实验过程，比如测定铁离子的实验中，可能就需要用到的功能函数有配置溶液到某号试管函数、转移溶液到某号比色皿函数、转移比色皿到光谱仪函数、测定吸光度函数等，最后我们就可以得到相应过程的指令序列。

状态维护是指在系统的缓存中储存系统的状态。当业务需求下达到系统并开始处理时，系统会调用过程函数输入系统的状态来生成对应的指令序列，然后将算法结束后的状态更新到缓存中，作为下一次调用过程模拟算法时的输入参数。除此之外，本地分析系统也会按照一定频率向云实验平台更新本地的实时状态(包括云端维护的系统状态的部分参数，如实际滑轨位置、实际移液模块位置、实际机械臂位置等)，因此假如前序作业发生异常或用户执行了取消操作，下一次作业会根据缓存中最新的系统状态来调用过程模拟算法，这样就不会影响后续作业的进行了。过程模拟体现在指令序列中每一条指令的生成和被消费执行是异步的关系，即指令序列里的每一条指令并不是实时生成和下发的，系统是根据一个初始的系统状态一次性计算出完成某个实验过程需要执行的所有指令，然后将这些有序的指令交给指令下发器去下发给本地分析系统来解译执行；作业中的每一条指令都有一个唯一的id，当一个作业中的所有指令被本地分析系统消费完后，意味着该实验执行完成。

本发明提供了一个用户友好的界面，用户在使用本系统的过程中只需要通过用户终端输入与实验有关的参数(用户关心的)后提交，就可以等待实验结果了。用户并不需要知道系统背后是怎样调度本地分析系统来完成实验过程的(也看不见)，因为这些实现细节都在云端进行的，这对用户来说是无感知的过程。因此，我们的系统对于那些没有经验的使用人员来说，上手也是比较容易的。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于远程控制的云化学分析系统，其特征在于：包括用户终端、云实验平台和本地分析系统；所述用户终端作为云实验平台的入口，用于提交用户的需求参数并获取和查看实验的进度和结果；所述云实验平台包括服务层、业务层、智慧层、控制层和持久层，所述服务层负责用户终端和本地分析系统的服务接入，所述业务层用于处理云实验平台内部的业务流程，所述智慧层用于生成实验策略，所述持久层负责业务数据的存储和状态维护，所述控制层负责对本地分析系统的远程调度；所述本地分析系统包括实验室客户端和实验设备，所述实验室客户端用于接收云实验平台下发的指令并驱动对应的实验设备完成指令，并向云实验平台反馈实验结果；

所述的远程调度过程为：

步骤1：启用云实验平台服务器，开启本地分析系统内所有设备的电源，启动实验室客户端，实验室客户端登录到云实验平台，通过WebSocket同云实验平台保持连接；

步骤2：用户在任一地点通过用户终端，访问云实验平台，登录进入云实验平台；

步骤3：用户在云实验平台选择对应的实验过程或者功能，输入用户期望的参数并提交，提交过程会通过Ajax技术将参数请求到云实验平台的服务层；

步骤4：服务层接收到用户请求，将其转发至业务层，业务层根据用户请求的参数生成一个作业对象，该作业对象包含用户作业需求并且拥有一个唯一的作业id，后续用户可根据此作业id查询作业状态和进度；然后将此作业对象持久化到持久层中，同时将作业id添加到控制层的作业队列；然后向用户响应成功或失败结果；

步骤5：控制层的作业消费者线程每次从作业队列中取出一个作业id，然后向持久层查找该作业id指向的作业对象和描述当前系统状态的对象；从作业对象中取出作业需求，然后根据作业需求和系统状态调用智慧层的过程模拟算法生成指令序列和新的系统状态；将生成的指令序列储存到作业对象中，将作业对象和新的系统状态再次更新到持久层中；接着按照顺序从刚刚生成的指令序列中取出指令，通过WebSocket连接向本地分析系统下发指令；下发每一条指令时，都需要检查持久层中的作业状态，根据作业状态决策是否暂停、继续或取消该作业；

步骤6：本地分析系统的实验室客户端接收到对应的指令，驱动对应实验设备完成该指令；完成该指令后，会向云实验平台发送执行成功反馈，云实验平台接收到执行成功的反馈后会下发下一条指令，同时在持久层中更新作业对象中的实验进度；否则将该指令标记为异常，停止继续执行；如此循环往复，直到作业中的所有指令执行完成，将作业标记成结束态。

2.根据权利要求1所述的基于远程控制的云化学分析系统，其特征在于：在步骤6中，所述本地分析系统的实验室客户端会按照一定的频率不断地向云实验平台更新本地实时的状态信息，云实验平台在接收到这些信息时，会在持久层中动态地调整系统状态。

3.根据权利要求1所述的基于远程控制的云化学分析系统，其特征在于：用户在完成步骤3之后可以退出用户终端，用户可以随时通过用户终端访问云实验平台查看实验的实时进度。

4.根据权利要求1所述的基于远程控制的云化学分析系统，其特征在于：用户可以选择通过邮件或者App推送的方式告知实验结果。

5.根据权利要求1所述的基于远程控制的云化学分析系统，其特征在于：在步骤4中，所述过程模拟算法包括三级函数，从顶层到底层依次为过程函数、功能函数、单元函数，所述单元函数为实验设备最小的动作函数，通过判断输入的状态，模拟生成未来要完成该动作的不同的指令；所述功能函数通过不同的单元函数之间的配合来实现特定业务场景下的功能；所述过程函数调用不同的功能函数以生成特定实验过程。

6.根据权利要求5所述的基于远程控制的云化学分析系统，其特征在于：所述单元函数的输入包括系统某一时刻的状态、该动作的特定参数、用于储存模拟结果的指令序列；所述功能函数的输入包括系统某一时刻的状态、该功能特定的参数、用于储存模拟结果的指令序列；所述过程函数的输入包括系统某一时刻的状态、该过程特定的参数、用于储存模拟结果的指令序列。

7.根据权利要求1所述的基于远程控制的云化学分析系统，其特征在于：所述本地分析系统中包括摄像头，所述摄像头实时录制实验过程并将实时视频流推送到云实验平台。

8.根据权利要求7所述的基于远程控制的云化学分析系统，其特征在于：所述本地分析系统的实验设备包括固定式三维滑轨、移液模块、光谱仪、机械臂，所述移液模块固定在三维滑轨的Z轴上，跟随三维滑轨的XYZ轴运动；所述固定式三维滑轨的下方设有母液区、试管区、取tip区、脱tip区、废液区、比色皿区，所述机械臂紧邻比色皿区设置，机械臂的工作区域覆盖到比色皿区，光谱仪紧邻机械臂设置。

9.根据权利要求8所述的基于远程控制的云化学分析系统，其特征在于：所述固定式三维滑轨下方的母液区前部设有蠕动泵组和补充母液区，所述蠕动泵组将补充母液区内对应的溶液抽取到母液区中。

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