基于云平台的PCR实验室管理系统

本发明涉及实验室管理，尤其涉及基于云平台的pcr实验室管理系统。

背景技术：

1、随着分子诊断技术的普及与应用，pcr（聚合酶链式反应）实验室在突发公共卫生事件和常规大规模医学筛查中发挥着核心作用。pcr实验室具有极高的物理隔离与防污染要求，例如负压梯度维持、气溶胶扩散控制以及样本跨区流转管控等。在突发大规模样本处理场景下，如何在满足生物安全要求的前提下动态优化排班流转策略并协同调度云端稀缺资源，成为实验室智能化管理中的关键技术问题。

2、现有技术中，部分实验室管理方案主要针对单一实验区域内设备状态或能耗数据进行监测和控制，侧重于底层硬件信号的采集、对齐或异常处理，难以对pcr实验室中与气溶胶浓度变化、负压梯度失衡及样本业务流转相关的多维安全状态进行统一建模；同时，现有方案通常缺少基于本地运行环境的策略预演机制，无法在物理执行前对外部排班流转策略进行安全性和周转效率评估；此外，在跨实验室共享云端稀缺资源时，现有方案对多节点资源竞争场景下的约束调度和结果反馈处理仍不完善，难以兼顾资源配置效率与生物安全要求。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是：现有技术中难以在满足生物安全约束的前提下对pcr实验室排班流转策略进行动态优化，难以在引入外部策略时进行本地化安全预演评估，同时难以在多节点竞争云端稀缺资源时实现闭环协同调度。

2、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：基于云平台的pcr实验室管理系统，包括映射模块、策略探索模块、模拟评估模块和资源调度模块：

3、所述映射模块用于将本地pcr实验室的物理环境传感数据和检测排班执行数据映射构建为本地数字孪生环境模型，计算生物安全风险特征值和样本周转效能特征值；

4、所述策略探索模块用于基于生物安全风险特征值和样本周转效能特征值判断是否满足安全探索触发条件，在满足所述安全探索触发条件时开启本地安全探索窗口，并在本地安全探索窗口内检索并提取目标pcr实验室的目标排班流转策略数据；

5、所述模拟评估模块用于将目标排班流转策略数据输入本地数字孪生环境模型中进行虚拟试运行，输出预期生物安全惩罚成本和预期周转效能收益，并生成策略增量净效用值，并在策略增量净效用值大于零时，把本地pcr实验室的当前排班策略替换为目标排班流转策略数据；

6、所述资源调度模块用于接收候选借调pcr实验室的资源借调请求，根据历史防污染合规记录生成资源借调约束信息和冻结防污染合规积分，将云端稀缺资源分配给目标借调pcr实验室，在完成资源使用后，基于更新后的生物安全风险特征值对冻结防污染合规积分进行调整，输出积分变动结果至映射模块，更新本地数字孪生环境模型。

7、优选地，所述映射模块具体包括：

8、采集本地pcr实验室的物理环境传感数据，所述物理环境传感数据包括气溶胶浓度传感数据、负压梯度传感数据、温度传感数据和湿度传感数据；

9、获取本地pcr实验室的检测排班执行数据，所述检测排班执行数据包括样本批次流转节点数据、设备运行负荷数据和操作人员空间定位数据；

10、获取本地pcr实验室的物理建筑布局平面图，根据物理建筑布局平面图构建多层拓扑空间矩阵，所述多层拓扑空间矩阵包括环境流场特征层和实体业务轨迹层。

11、优选地，将所述物理环境传感数据映射至环境流场特征层，并将检测排班执行数据映射至实体业务轨迹层，通过将所述环境流场特征层和实体业务轨迹层进行图节点坐标对齐，构建本地数字孪生环境模型；

12、从所述本地数字孪生环境模型中提取气溶胶浓度传感数据的浓度变化率和负压梯度传感数据的压力偏离值，将浓度变化率和压力偏离值输入预设的流体力学风险衰减方程进行加权计算，生成生物安全风险特征值；

13、从所述本地数字孪生环境模型中提取样本批次流转节点数据在相邻业务节点之间的排队等待时间参数，并提取设备运行负荷数据的设备空闲率参数，将所述排队等待时间参数和设备空闲率参数输入预设的周转效能评估函数进行非线性拟合，生成样本周转效能特征值。

14、优选地，所述策略探索模块具体包括：

15、基于所述样本周转效能特征值和生物安全风险特征值，判断样本周转效能特征值是否小于预设的效能报警阈值，并判断生物安全风险特征值是否小于或等于预设的生物安全基线对应的最大风险容忍值；

16、在所述样本周转效能特征值小于预设的效能报警阈值，且生物安全风险特征值小于或等于最大风险容忍值时，生成安全探索授权指令；

17、根据所述安全探索授权指令，阻断对本地pcr实验室的底层物理设备发送外部执行指令的控制通路，并在本地数字孪生环境模型中开启本地安全探索窗口。

18、优选地，在所述本地安全探索窗口开启期间，提取本地pcr实验室的当前待处理样本批次特征和本地底层设备拓扑图结构；

19、将所述当前待处理样本批次特征输入预设的图状态预测网络，计算当前待处理样本批次特征相对于本地历史经验特征库的拓扑预测误差；

20、在所述拓扑预测误差大于预设的新奇度触发阈值时，向云平台发送携带本地底层设备拓扑图结构的策略检索请求。

21、优选地，计算所述策略检索请求携带的本地底层设备拓扑图结构和多个云端候选pcr实验室对应的云端候选设备拓扑图结构之间的图编辑距离相似度；

22、将所述图编辑距离相似度数值最大的云端候选pcr实验室确定为目标pcr实验室；

23、从所述目标pcr实验室对应的历史运行数据库中提取最高周转效能最优的排班流转参数，并将所述排班流转参数作为目标排班流转策略数据返回至本地数字孪生环境模型。

24、优选地，所述模拟评估模块具体包括：

25、解析所述目标排班流转策略数据，提取目标设备配置参数序列和目标工作流节点序列；

26、将所述目标设备配置参数序列和目标工作流节点序列映射至本地数字孪生环境模型中，并在本地数字孪生环境模型中设定虚拟时间推演窗口；

27、在所述虚拟时间推演窗口内，触发本地数字孪生环境模型运行离散事件仿真计算；

28、在所述离散事件仿真计算运行完成后，从本地数字孪生环境模型中提取虚拟生物安全风险特征值和虚拟样本周转效能特征值；

29、将所述虚拟生物安全风险特征值输入预设的风险惩罚换算函数中进行映射，生成预期生物安全惩罚成本；

30、将所述虚拟样本周转效能特征值输入预设的效能收益换算函数中进行映射，生成预期周转效能收益；

31、将所述预期周转效能收益减去预期生物安全惩罚成本，生成目标策略统一净效用值；

32、同时，基于本地pcr实验室当前排班策略对应的当前生物安全风险特征值和当前样本周转效能特征值，采用相同的风险惩罚换算函数和效能收益换算函数，计算当前策略统一净效用值，将目标策略统一净效用值减去当前策略统一净效用值，生成策略增量净效用值。

33、优选地，所述模拟评估模块仅在策略增量净效用值大于零时，将本地pcr实验室的当前排班策略替换为目标排班流转策略数据进行物理实体执行，具体包括：

34、判断所述策略增量净效用值是否大于零；

35、在策略增量净效用值大于零时，解除对本地pcr实验室的底层物理设备发送外部执行指令的控制通路的阻断状态，向本地pcr实验室的底层物理设备下发配置更新指令，将本地pcr实验室的当前排班策略替换为目标排班流转策略数据进行物理实体执行；

36、在所述策略增量净效用值小于或等于零时，丢弃目标排班流转策略数据，并维持所述阻断状态，恢复本地pcr实验室的当前排班策略。

37、优选地，所述资源调度模块具体包括：

38、接收候选借调pcr实验室并发发送的资源借调请求，所述资源借调请求包含所请求的云端稀缺资源的资源标识符；

39、解析每一个候选借调pcr实验室的历史防污染合规记录数据，并根据所述历史防污染合规记录数据计算每一个候选借调pcr实验室的可用防污染合规积分；

40、根据所述资源借调请求和每一个候选借调pcr实验室的可用防污染合规积分，生成针对云端稀缺资源的资源借调约束信息；

41、根据所述资源借调约束信息提取指定的质押积分额度，并对每一个候选借调pcr实验室的可用防污染合规积分中对应于冻结积分额度的部分进行冻结状态锁定，生成对应的冻结防污染合规积分；

42、对所有候选借调pcr实验室的冻结防污染合规积分进行排序，并将冻结防污染合规积分最高的候选借调pcr实验室确定为目标借调pcr实验室；

43、若存在多个冻结防污染合规积分相同的候选借调pcr实验室时，则将可用防污染合规积分最高的候选借调pcr实验室确定为目标借调pcr实验室，将具有资源标识符的云端稀缺资源分配并授权给目标借调pcr实验室使用。

44、优选地，监测所述目标借调pcr实验室对云端稀缺资源的使用状态，在目标借调pcr实验室完成资源使用时，重新计算并输出目标借调pcr实验室更新后的生物安全风险特征值；

45、将更新后的生物安全风险特征值和预设的质押安全基线值进行比对校验；

46、在更新后的生物安全风险特征值大于质押安全基线值时，判定发生防污染违约，扣除目标借调pcr实验室的冻结防污染合规积分，并输出包含扣除指令的积分变动结果；

47、在更新后的生物安全风险特征值小于或等于质押安全基线值时，判定防污染履约成功，对所述目标借调pcr实验室解除冻结状态锁定并发放返还积分，输出包含返还指令的积分变动结果；

48、将所述积分变动结果发送至目标借调pcr实验室对应的本地数字孪生环境模型中；

49、提取所述积分变动结果中的信用状态变化量，并将所述信用状态变化量作为反馈约束因子输入本地数字孪生环境模型的周转效能评估函数中，更新本地数字孪生环境模型。

50、本发明的有益效果：通过构建本地数字孪生环境模型，对pcr实验室的生物安全风险和样本周转效能进行联合表征，有利于提高实验室运行状态的可视化和可预测性；通过设置本地安全探索窗口并对目标排班流转策略进行虚拟试运行，有利于在物理执行前完成安全性和效能评估，从而降低直接应用外部策略带来的运行风险；通过结合防污染合规信息进行云端稀缺资源调度，并将资源使用结果反馈至本地数字孪生环境模型，有利于形成排班优化与资源协同的闭环控制机制，提高资源配置效率和系统适应能力。