基于混合云架构的开放式实验室设备管理系统设计
2021-04-07唐宇
唐 宇
(辽宁对外经贸学院 实验中心，辽宁 大连 116052)
随着实验室设备信息化管理要求的不断提升，对实验室设备管理系统的可靠性提出了更高的要求，因此需要在云计算和大数据环境下，进行开放式实验室设备管理系统设计，以期提升系统的应用效果以及可靠性，因此研究开放式实验室设备管理系统设计方法，在提高开放式实验室设备的信息化管理水平方面具有重要意义[1]。
开放式实验室设备管理系统是建立在信息分析和融合的基础上，采用资源优化分配和自适应信息调度的方法，构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]，通过分块链路检测和资源优化调度的方法，实现开放式实验室设备的管理和统计分析，以期提升系统的可应用性。传统的开放式实验室设备管理方法主要有基于Java的实验室设备管理系统、基于B/S模式的实验室设备信息管理系统以及基于电子标签的实验室设备信息管理系统[3-5]，这些方法均是通过构建开放式实验室设备信息管理的信息检测和融合模型，通过分簇信息模式管理实现设备信息管理，但利用传统方法对设备信息管理的信息融合度不好，可靠性不高。
针对上述问题，本研究提出基于混合云架构的开放式实验室设备管理系统设计方案，最后进行仿真测试分析，展示了本系统的实际应用效果。
1 系统总体设计构架及特征分析
1.1 系统总体结构和数据服务器设计
为了实现基于混合云架构的开放式实验室设备管理系统设计，首先构建开放式实验室设备管理系统的总体结构模型，采用DSP控制D/A转换器实现开放式实验室设备管理系统的总体结构和数据服务器(DB)设计，以实现开放式实验室设备管理系统的自适应控制[6]。
根据上述分析，本研究在混合云架构的支持下，设计一种开放式实验室设备管理系统，该系统主要有三层架构，包括云资源层、核心处理层以及云服务层，主要是利用云资源层与云服务层为系统核心处理层提供服务支持，以提升开放式实验室设备管理系统的综合性能[7]。系统总体结构设计如图1所示。
图1 系统总体结构设计
根据上述对开放式实验室设备管理系统的总体结构设计，采用总线控制协议，分析开放式实验室设备管理系统的LOCAL数据总线，结合底层数据库构造的方法，分析开放式实验室设备管理系统的用户终端控制协议，采用PSTN到IP网络的自适应调度方法，结合ZigBee组网控制协议[8]，建立开放式实验室设备管理系统的网络协议，采用SIP作为核心控制层，在业务承载协议下，分析开放式实验室设备管理系统的编程控制以及硬件接口配置，得到系统的数据服务器设计如图2所示。
图2 系统的数据服务器设计
根据上述设计，实现B/S构建协议体系构建开放式实验室设备管理系统的基础构建，采用分段组网和节点的特征分析方法实现对开放式实验室设备管理系统的优化设计。
1.2 系统数据库结构特征分析
基于上述管理系统的总体结构和数据服务器设计，构建开放式实验室设备信息整合的模糊决策模型，采用分组样本检测的方法，构建开放式实验室设备管理的模糊聚类函数为：
(1)
式中，P表示设备管理系统数据的分组样本集，mj(k)表示设备信息在第k次整合的模糊决策模型。
在Tangent空间中，开放式实验室设备管理信息的特征聚类参数满足Nij≥m，设计混合云构架体系下开放式实验室设备管理信息分布的参数集，得到模糊参数聚类特征分量X(i)，采用语义相似度特征分集的方法[9]，得到开放式实验室设备管理信息的统计特征量分别为P∈Rn×n、R∈Rm×m和H∈Rm×n，其中m、n为矩阵维数，综上可得开放式实验室设备管理信息特征检测的决策量为：
(2)
引入MySQL数据库，结合得到的决策量结果，计算底层数据结构特征状态函数：
(3)
采用相似度特征分解的方法，构建开放式实验室设备管理信息特征辨识模型[10]，其表达为：
(4)
在最大概率密度寻优控制协议下，分析开放式实验室设备管理信息的样本状态参数集{Wfinal}，得到开放式实验室设备管理信息挂历的先验分布为：
(5)
在资源分布式融合区域，得到开放式实验室设备管理信息的关联维分布集合G，采用统计信息分析方法，得到特征分解函数为：
(6)
式中，gωm,ω⊆{G,T,W,L}，m∈[1,n]表示为关联维分布的元素。
采用样本空间融合的方法，分析开放式实验室设备管理信息的特征分布集合[11]，并划分为k个子集聚类空间，得到开放式实验室设备系统的数据库结构特征分析方程为：
(7)
基于上述分析，得到实验室设备系统的数据库结构特征结果，结合信息资源调度和分配的方法，构建开放式实验室设备管理信息管理的底层数据融合模型，从而实现实验室设备管理系统的优化设计[12]。
2 开放式实验室设备管理优化
为提升开放式实验室设备管理质量，设计了一种开放式实验室设备管理优化算法，具体算法执行流程如图3所示。
图3 开放式实验室设备管理优化算法流程
2.1 开放式实验室设备管理的信息融合
分析开放式实验室设备管理信息的结构特征，结合模糊信息调度和资源自适应分配的方法，得到开放式实验室设备管理信息分布的子空间模型为：
(8)
式中，C为开放式实验室设备管理信息库的聚类子集，G为约束矢量。采用有向图结构特征分解的方法，得到开放式实验室设备管理信息分布的图模型为G(A)、G(B)，结合资源自适应调度，得到开放式实验室设备管理信息的样本融合点，其表示为：
(9)
式中，x+y为开放式实验室设备管理信息融合的相似度函数，利用资源自适应分配方法，得到融合特征量：
(10)
式中，w1、w2和w3分别表示开放式实验室设备管理信息配置的权重，Si为平均负载，Hi为开放式实验室设备管理信息融合的检测阈值。
基于融合特征量的结果，计算开放式实验室设备管理信息融合的时延参数，其表示为：
(11)
式中，σjk为开放式实验室设备管理信息访问的请求数量。假设任意两个开放式实验室设备管理信息存储节点的聚类簇Mi与Mj中心距离为Clustdist(Mi,Mj)，当i≠j,1≤i≤q,1≤j≤q时，开放式实验室设备管理信息分配的加权信息权重系数满足：
(12)
式中，Qs为开放式实验室设备管理信息分布的频繁项集，在门限约束下，得到开放式实验室设备管理的信息融合函数为：
(13)
其中，x=(x1,x2,…,xn)为开放式实验室设备管理信息分布的量化分布集合。综上分析，实现了实验室设备管理的信息融合，结合关联节点调度和资源均衡配置的方法，构建开放式实验室设备管理信息调度优化模型[13]。
2.2 开放式实验室设备资源优化调度
采用大数据融合和云构架分析的方法，构造开放式实验室设备信息管理的样本参数聚类特征分布集[14-15]，得到模糊概率密度分布函数E(i,j)描述为：
(14)
式中，eij表示开放式实验室设备管理信息调度的频繁项集，emax表示开放式实验室设备管理信息资源调度的效率，e(i,j)为实际的资源调度效率。
基于模糊概率密度分布，采用窗函数匹配的方法，构建开放式实验室设备资源信息的均衡配置模型，得到时间窗口函数：
(15)
其中，tij表示开放式实验室设备资源调度的检测阈值，t(i,j)为关联函数。
结合关联节点调度的方法，进行开放式实验室设备的先验信息数据调度分析，构建控制变量融合调度模型，算式为：
(16)
式中，Newi表示开放式实验室设备资源数据的分布式调度集。综上分析，采用资源均衡配置的方法，得到开放式实验室设备资源调度的迭代更新公式为：
(17)
假设开放式实验室设备资源调度和访问的误差为
p(ni)={pk|prkj=1,k=1,2,…,m}
在混合云构架体系下，采用优先级属性调度的方法，得到开放式实验室设备信息资源优化调度函数为：
(18)
综上所述，通过实现开放式实验室设备管理过程中的资源特征分析和信息融合，实现了开放式实验室设备资源优化调度，继而实现了在混合云架构体系下开放式实验室设备管理系统的优化设计。
3 系统软件测试与性能分析
在上述进行开放式实验室设备资源信息管理和融合算法设计基础上，采用Linux嵌入式控制的方法，构建开放式实验室设备管理系统的软件开发协议，采用四层体系构架设计的方法，实现对系统控制质量的封装和信令传输控制，软件结构设计图如图4所示。
图4 软件结构设计图
基于上述软件结构，设定开放式实验室设备资源数据采样样本数为240，训练样本数为12，设备信息资源调度的迭代数为400，根据上述参数设定，进行开放式实验室设备管理系统的应用检测。实验中所用的实验数据及其属性如表1所示。
表1 实验数据及其属性
为了更好验证本文方法的应用性能，将本方法设为实验组，将文献[3]、文献[4]和文献[5]方法设为对照组。
运用4种方法测试开放式实验室设备管理系统的端到端时延，得到结果如图5所示。
图5 开放式实验室设备管理系统的端到端时延
分析图5得知，本方法进行开放式实验室设备管理系统设计，数据传输的端到端时延最小，一致低于其他三种方法的端到端时延，由此可知，本文方法进行的开放式实验室设备管理系统具备较好的资源配置能力。
运用四种方法测试开放式实验室设备管理系统的网络传输吞吐量，得到测试结果如图6所示。
图6 吞吐量测试
分析图6得知，本文方法进行开放式实验室设备管理系统设计，有效提高了网络传输的吞吐量，且要高于其他三种方法的网络传输吞吐量，这表明本文方法设计的开放式实验室设备管理系统的性能较好。
运用四种方法测试开放式实验室设备管理系统的资源调度准确性，得到对比结果如表2所示。
表2 系统资源调度准确性测试
分析表2得知，采用本文方法设计出的系统资源调度准确性较高，在迭代次数达到400次时，开放式实验室设备管理系统的资源调度准确性达到1，明显高于其他三种方法的准确性，这就表明本文方法具有更好的系统可靠性。
4 结论
构建开放式实验室设备管理系统的资源配置模型，在混合云构架体系下，实现开放式实验室设备管理和资源调度，提出基于混合云架构的开放式实验室设备管理系统设计方案。采用嵌入式的协议调度和PCI总线控制方法，分析开放式实验室设备管理系统的通信接口和数据库模块，构建基于混合云架构的开放式实验室设备管理的信息融合模型，采用样本空间融合的方法，分析开放式实验室设备管理信息的特征分布集合，结合关联节点调度和资源均衡配置的方法，构建开放式实验室设备管理信息调度模型，在混合云架构体系下实现开放式实验室设备管理优化设计。研究得知，本方法进行开放式实验室设备管理的输出性能较好，系统可靠性提高。
