基于C/S 架構的醫廢調度系統的設計與實現

張 凱

中國恩菲工程技術有限公司 北京 100038

0 引言

近些年，我國工業自動化發展越來越迅速，相關自動化控制技術的進步和應用逐漸受到人們的重視，以機械控制自動化替代操作工成為企業核心競爭力的必由之路。我國在環境保護方面的政策逐步完善，凸顯了國家對環境治理方面的堅定決心。同時，針對污染物處理的監督力度也在不斷加強，合理結合機械控制自動化技術降低污染物帶來的負面影響，具有良好的社會意義和企業價值。

醫療廢物是指接觸過病人血液、肉體等而由醫院生產出的污染性垃圾（如使用過的棉球、紗布、膠布、廢水、一次性醫療器具、術后的廢棄品、過期的藥品等）。當前，針對醫療廢物的處理，各大醫院均在進行數字化、智能化轉型，通過信息系統進行管理，解決以往人工管理的時效滯緩問題[1]，然而針對醫療廢物離開醫院管轄范圍進入垃圾場管理時采取的有效規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，通過與自動化設備進行對接，以醫療廢物的垃圾處理為基礎，對醫療廢物的自動化調度系統的整體設計，并通過服務端—客戶端（C/S）架構實現了1 套調度自動化設備進行無人化處理污染性的控制系統。

1 基于C/S 架構的醫廢調度系統的設計

本文在結合實踐經驗的基礎上，針對當前C/S 架構的應用現狀和醫療廢物處理的需要，對基于C/S 架構的醫廢調度系統設計進行了客觀闡述。醫廢調度系統設計的重點需要考慮應用場景和調度目的，本文針對醫療廢物進入到垃圾處理廠后的全流程進行規劃，實現無人化操作，規避污染性垃圾對操作工產生的危害。在機械設備方面，考慮垃圾車到位后需添加檢測設備[2]觸發調度系統控制運輸設備以及定制化的輔助設備進行醫療廢料投爐焚燒前的必要動作。

如圖1 所示，醫廢調度系統包含卸車設備、運輸設備、輔助設備、調度系統軟件等。其中，卸車設備需滿足不同車型運輸時均可實現無人化卸車，同時還需考慮穩定性，以避免搬運過程中造成的側翻現象；運輸設備需滿足多種不同尺寸規格的醫療廢物處理箱均可穩定輸送，還應增加識別功能，判斷具體的尺寸規格并反饋調度系統，以方便后續處理；輔助設備需滿足針對各種不同尺寸的醫療廢物處理箱進行處理，并將醫用廢料投入投料口進行焚燒。本文著重敘述調度系統軟件的設計。

圖1 醫廢調度系統無人化機械工作面示意圖

圖2 基于C/S 架構的醫廢調度系統的數據庫示意圖

圖3 基于C/S 架構醫廢調度系統的客戶端界面

計算機系統軟件分成B/S 架構和C/S 架構，其中B/S 結構是指瀏覽器—Web 服務器( Broswer-Server )，通常分為3 層架構：表現層、業務邏輯層、數據訪問層。在B/S 架構中，以Vue.js 為主流選擇，而其主要優勢在于其針對分布式系統、廣域網的適用性。

本文選擇C/S 架構進行調度系統的整體框架，C/S架構是指服務端—客戶端（Client-Server)結構，其中服務器負責數據的管理，客戶機負責完成與用戶的交互任務。C/S 架構主要應用于局域網，交互的損耗小，實時性強，且可靠性高；而針對醫廢無人化調度考慮，可靠性、實時性尤其重要。在此，基于C/S 架構的醫廢調度系統的總體架構設計主要包括監控界面、數據處理和數據庫3 個模塊。

1.1 監控界面模塊的設計

監控界面理模塊主要包含實時監控和設備連接，作為無人化處理的控制系統，設備驅動通過卸車設備、運輸設備、輔助設備之間的交互完成。其中，設備連接是用于調度系統主動與機械設備建立通信連接的開關，并通過設備聯通的情況，啟動軟件內部的相關調度算法。實時監控模塊主要是將工作面的設備布局展示出來，并通過與不同設備通信獲得傳感器的信息和動態，進而真正實現科學化和規模化的控制。

1.2 數據采集和處理模塊的設計

在數據采集和處理模塊中，基于C/S 架構的醫廢調度系統可利用相關信息技術實現對設備數據的分析和處理，進而提升設備動作處理的效率。數據采集和處理模塊的主要作用是利用Restful 和OPC UA 共同實現對醫廢調度系統功能完整性的構建，需要確保機械設備與服務器端之間的網絡聯通。除此之外，還需增加數據校驗機制確保信息交互的安全性。本文調度系統涉及與多設備進行實時性對接，需要規劃搭建中間件接口平臺[3]，從而降低開發成本，實現多設備的實時交互。

1.3 數據庫模塊的設計

基于C/S 架構的醫廢調度系統需要通過對數據實時處理的方式才能實現設備調度控制功能，而在實際采集和分析過程中需要采用數據庫功能對數據進行統計和分類處理。所以，在實際分析過程中，需要設計出不同的數據表格，并根據不同的設備信息對表格進行設計和記錄填寫工作，才能真正構建完善的設備信息數據庫，而完整的數據記錄則有助于設備調度實現系統化和規范化。

2 基于C/S 架構的醫廢調度系統的實現

2.1 數據庫模塊的實現

醫廢調度系統數據庫模塊構成了C/S 架構的服務端，本文采用SQL Server 數據庫，其具備強大的處理能力以及多種作業的處理模式，可為系統在實時性上提供良好的支持。數據庫核心數據表主要為設備實時監控表、調度任務表以及負責通信的數據接口表等。

1）設備實時監控表 負責記錄設備的實時數據，包含設備的各項狀態指標、動作執行情況等；

2）調度任務表 負責記錄調度系統的待執行任務及歷史任務，需考慮任務的執行狀態，且可以確定任務執行的優先級，以便于梳理任務的順序；

3）數據接口表 負責與卸車設備、運輸設備、輔助設備進行交互，抽離出交互數據中的狀態數據、任務執行情況并分別存入對應數據表中，且需將觸發的新任務發送給指定的設備，控制其完成指定動作，實現自動化控制。

在以上的3 種數據表中，均具備流水號主鍵及更新時間字段，可方便進行數據維護。針對數據接口，維護有對應的觸發器，便于接口數據的增刪改操作觸發相應的處理，采用此方法可通過較低的資源消耗實現實時復雜的邏輯運算。針對設備的監控，考慮到應盡可能滿足多種設備復用，在抽取共同指標特征的同時增加更多冗余字段，以滿足不同設備參數需求。針對調度任務，在維護更新時間之外還需維護一些關鍵時間節點的記錄，使整個數據流走向更加清晰。針對不同的業務功能，維護不同的存儲過程以便操作數據，充分利用數據庫的原子性和一致性等特性，通過設備數據的實時反饋，帶動存儲過程、觸發器對數據表產生事務性更改，保障了服務端數據的準確性，從而實現工作面的數字化。

2.2 數據采集和處理模塊的實現

數據采集主要分為TCP 層和Http 層2 部分，TCP層的數據交互采用OPC UA 協議實現，Http 層的數據交互采用Restful 實現。

OPC UA 服務器支持3 種認證方式：匿名認證、用戶認證和證書認證。其中，匿名認證安全等級最低，訪問不做任何校驗。用戶認證訪問時，OPC UA 客戶端需要提供用戶名及密碼認證，只有用戶名和密碼正確才允許訪問。本文采用用戶認證訪問，提高了數據訪問過程中的安全性，同時可針對交互信息數據進行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，使設備交互更具保障。調度系統通過訂閱節點的方式可以及時獲知機械設備運行狀態的改變情況，并及時做出響應，降低了對系統性能的消耗。

Restful 數據接口消息形式為Json 格式參數，本文所述Restful 模塊主要進行數據的接收，并模仿外部系統調用中間表接口將數據消息傳入，將數據信息的處理轉移到中間表接口進行處理。中間表接口根據與外部系統約定的技術協議，創建中間數據庫和中間數據表。在創建過程中，中間數據表需比接口協議多創建處理狀態和處理狀態描述這2 個字段，用于記錄數據處理的結果。以某設備單次傳入的數據為例，其傳入的Json 參數為：

數據處理模塊將Json 參數存入SQL Server 的數據表內，在參數報文的基礎上，增加Statu 和Message 字段，用于SQL Server 處理后的反饋，插入時狀態為：

在插入的同時，前述觸發器對數據進行處理，針對不同數據處理結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。

通過觸發器、作業等技術實現實時數據處理，將接收到的數據信息處理為業務系統可以接收的業務數據，存儲到業務數據庫中，并將處理結果更新在中間數據表的處理狀態和處理狀態描述字段中，以供外部系統獲取或Restful 接口反饋。

2.3 監控界面模塊的實現

監控界面的主要功能將服務端數字化后的情況展現給操作工，同時也是C/S 架構下的客戶端，以供操作工全面掌握當前工作面的情況，應對各種突發情況。本文所述醫廢調度系統運行于Windows 系統的工控機內，在數據顯示方面，WPF（Windows Presentation Foundation）技術提供將數據映射到用戶界面元素的自動支持功能，故客戶端采用WPF 的界面展示設計以提供更優的界面交互感。WPF 框架為媒體、用戶界面設計和文檔提供的解決方案遠遠超過開發人員現在所擁有的。WPF 的設計考慮了可擴展性，使開發人員可以完全在 WPF 引擎的基礎上創建自己的控件，也可通過對現有 WPF 控件進行再分類來創建自己的控件。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容的面板的一系列控件，這些自有控件為開發下一代用戶體驗提供了構造塊。

本文所述醫廢調度系統在調度任務方面均采取無人化設計，在任務的觸發及完成的均由服務端控制，客戶端僅需考慮將服務端具備的數字化工作面形象的展示，即可方便地進行操作，滿足日常工作及參觀需求。

本文根據通過前端的圖像技術，盡可能地等比例還原工作面的設備布局，將卸車設備、運輸設備、輔助設備進行二維平面的展示，并利用WPF 技術的MVVM模式對數字化工作面的實時數據與界面進行綁定，將工作面設備的運行狀態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時，會改變關聯的Property 值，然后觸發通知機制，將Property 的變化反映到View 上實現數據的驅動。WPF 的MVVM 的優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。

本文通過WPF 的實現方式降低客戶端在運行過程中產生故障的概率，更加穩定地顯示工作面的實時狀態，在滿足無人化的同時降低軟件系統發生故障的概率。

3 結論

本文探究了基于C/S 架構醫廢調度系統的設計與實現，介紹了醫療廢料處理過程中無人化的重要性，通過介紹B/S 架構和C/S 架構的對比，闡述了基于C/S 架構的原因，詳細介紹了監控界面模塊、數據處理模塊、數據庫模塊3 個方面的設計思路，并結合硬件設備的復雜性和中間件的接口方式，指出了服務端設計的底層思想和數據庫設計的根本依據，進而結合實際應用場景說明了WPF 進行界面設計在實時交互方面的優勢。