基于云計算的實驗室管理信息系統設計

伍燕青

(廣東工程職業技術學院管理工程系，廣東廣州510520)

0 引言

目前，高校的各個校區甚至各個實驗中心的管理信息系統都是相互獨立的，各系統之間不能高效率地實現軟硬件設施和實驗教學信息等資源的共享。而且隨著學校實驗室規模的不斷擴大和實驗教學資源的不斷豐富，實驗室管理信息系統功能日益復雜化、多樣化，使得各系統中龐大的數據存儲和快速運算又成為一個難題。云計算技術的出現，能夠有效地解決現有信息系統運行模式中的各種不利因素，利用云計算平臺，將分布在不同地區的軟硬件資源虛擬地構建起來，實現應用層面的軟硬件資源共享。云計算技術的這些特點，正適合高校多校區網絡協同辦公、共享優質教學資源的需求。因此，本文將構建基于云計算平臺的實驗室管理信息系統，旨在為提高系統中資源利用率、運算速度和信息安全性，并降低系統設備成本。

1 云計算平臺

1.1 云計算技術

云計算技術實際上就是分布式計算、虛擬化、網絡存儲、負載均衡等各種計算機網絡技術相統一融合的最終產物，致力于解決網絡平臺中的通訊、存儲和資源利用等方面的問題。云計算技術依托于計算機網絡，運用服務器虛擬化技術和分布式文件存儲等技術，將網絡中分布在各地的存儲設備、運算設備和軟件等資源整合起來，以服務的形式提供給用戶，并且可以隨著用戶需求的變化，動態地擴展和配置軟硬件資源，以滿足用戶的需求，實現資源的共享和按需分配。云計算必將為我們展示其強大的生命力，并將改變信息技術的運行模式，甚至改變我們的工作和生活模式［1］。

1.2 平臺架構設計［2-4］

本文將構建的云計算平臺，以分層設計為理念，通過分布式存儲和服務器的虛擬化等技術，依靠互聯網，將多個校區的軟硬件資源和實驗教學資源整合到一起來協同工作，用來為覆蓋多校區的實驗室管理信息系統提供服務平臺，實現軟硬件和實驗教學資源的高效管理和共享使用。該云計算平臺的核心構架分為四層:基礎設施層、基礎管理層、應用接口層和應用層，如圖1所示。

圖1 云計算平臺核心架構圖

(1)基礎設施層。是整個系統的性能基礎，是信息系統發揮功能的硬件保障。本層應用了虛擬化技術，使用VMware WorkStation軟件搭建虛擬化服務器集群，統一管理所有設施，并根據用戶需求將硬件資源如計算能力、存儲空間、網絡帶寬等分配給用戶。

(2)基礎管理層。部署了Hadoop系統來實現分布式文件存儲功能，它對平臺中所有分散的存儲資源進行了抽象的表示和統一管理，實現儲存資源的共享使用和分布式存儲。Hadoop系統采用了冗余備份和容錯機制來實現系統中數據的準確存儲，能夠保證平臺內數據儲存相關操作的安全性和可靠性。

(3)應用接口層。實現了網絡接口、用戶環境配置、身份認證和訪問授權等，用于應用層應用程序與下層基礎設施層之間的通信。

(4)應用層。安裝部署了本文所設計的實驗室管理信息系統，實現對多個校區各實驗室的統一管理和實驗教學資源的共享使用。

1.3 平臺的搭建［5-7］

云計算平臺的搭建是一項細致而復雜的工作，一點細小的失誤都可能導致整個云計算平臺無法正常運行。云平臺的搭建是在虛擬機VMware WorkStation下，安裝操作系統(本文采用Ubuntun操作系統)，并通過Hadoop系統來實現分布式文件存儲，構建起云平臺環境。具體的部署步驟如下:

(1)在服務器上安裝VMware WorkStation軟件。

通過該軟件進行虛擬機的創建，每臺虛擬機作為一個節點，建立虛擬化服務器集群，并完成虛擬機上操作系統(Ubuntu)的安裝。在服務器集群中選擇一臺虛擬機作為主節點或名字節點(NameNode)，其他虛擬機作為子節點或數據節點(DateNode)，并為各個節點配置IP地址和主機名稱。

(2)建立虛擬機之間的Secure Shell(SSH)無密碼登錄。因為在云平臺環境下，虛擬機間的連接和通信十分頻繁，如果每次都需要進行密碼輸入，將會大幅降低工作效率。建立SSH無密碼登錄，首先在主節點上生成密匙對;然后將生成的密匙對分別復制到其他的各個子節點上。這樣，各個節點間的SSH連接就不在需要密碼登錄。

(3)Hadoop系統的安裝和配置。Hadoop系統的安裝非常簡單，關鍵是對運行環境的配置，包括各節點的地址、端口號、訪問權限、分布式文件系統的管理方式、冗余備份原則等等。配置成功后，還需要對分布式文件系統進行統一的格式化操作，將各個子節點的文件系統統一處理。

(4)安裝所設計的實驗室管理信息系統。將系統源文件放到Apache下，系統數據庫放到MySQL下。

至此，云計算平臺的搭建工作基本完成。

2 基于云計算的實驗室管理信息系統

2.1 系統分析

2.1.1 設計目標

基于云計算的實驗室管理信息系統是針對現有普通實驗室管理信息系統的不足和缺陷，并結合云計算平臺自身的特點而設計的。旨在為系統用戶提供方便、簡潔的服務和功能，并提高系統中資源利用率、運算速度和信息安全性，降低系統設備成本。系統通過整合實驗室管理工作中所涉及的絕大部分數據和管理事務，搭建一個平滑的數據平臺，實現多個校區、多個實驗中心、多個功能之間數據共享、事務審核及業務辦理。系統將全面實現實驗室管理、儀器設備管理、實驗教學管理、實驗耗材管理和實驗室建設管理的規范化、信息化;提高實驗教學特別是開放實驗教學管理與服務水平;為實驗室評估、實驗室建設及實驗教學評教等決策提供數據支持;為大型儀器設備開放共享提供網絡化管理服務平臺;智能生成每學年教育部實驗室信息數據報表，高效地完成年度數據上報工作。系統極大地提高實驗室管理工作的效率，提升服務水平，消除各校區、實驗中心以及管理職能部門之間的隔閡，消除信息孤島，實現實驗室管理的規范化、流程化，以及軟硬件和實驗教學資源的共享使用。

2.1.2 需求分析［8］

系統的需求分析體現了對系統的功能設計要求，根據系統的設計目標，系統須包括如下功能:

(1)實現實驗室資源管理的信息化。包括實驗室、實驗人員、實驗用房、實驗室資料文檔等實驗室資源信息;

(2)實現實驗教學管理的信息化。實現實驗教學基本信息管理、實驗教學任務與安排、實習與課程設計、課表查詢等功能;

(3)實現實驗室開放管理信息化。實現實驗室或實驗項目的開放管理，學生在線進行實驗項目預約或實驗室預約;

(4)實現實驗室建設及評估工作網絡化管理。構建實驗室建設項目、評估評教工作的信息化平臺。

(5)實現儀器設備科學管理。包括計劃采購管理、報增入庫管理、變動維修管理以及儀器設備查詢與統計等各個環節的網絡化管理。

(6)實現實驗低值品、耗材的精確化管理。為實驗低值品、耗材計劃申購、采購、庫存、領用等管理提供基礎。

(7)實現對大型儀器設備管理。使用信息、開放服務信息、預約情況信息等網上發布與查詢。

(8)實現教育部實驗室信息報表及學校報表的智能收集與上報。能夠按照用戶需求從數據庫提取數據，并自動進行統計與分析后生成各種統計表;

2.2 系統體系結構設計［9-11］

系統的體系結構設計運用分層設計的思想，將系統功能進行有序的分層:應用程序專用功能位于上層;跨越應用程序領域的功能位于中層;而配置環境專用功能位于底層。多層設計使得各個邏輯層相互獨立，某一層的變化不會影響到其他層，使系統以更松散的方式耦合，從而更易于維護。系統的體系結構分為三層(見圖2):表示層、業務邏輯層和數據訪問層。

(1)表示層。位于最上層，離用戶最近。用于顯示數據和接收用戶輸入的數據，為用戶提供一種交互式操作的界面。

(2)業務邏輯層。位于數據訪問層與表示層中間，起到了數據交換中承上啟下的作用。負責從數據訪問層獲取適當的數據并執行最后的合法性檢查，實現用戶的全部業務邏輯。

(3)數據訪問層。實現數據庫的訪問，對數據進行保存和讀取操作。

圖2 系統體系結構圖

2.3 系統功能模塊設計［12-14］

根據系統的設計目標和需求分析，將系統分為10個功能模塊:實驗室管理、實驗室隊伍管理、實驗教學管理、實驗室開放管理、實驗室建設與評估管理、儀器設備管理、大型儀器設備設備管理、低值品及耗材管理、數據統計與報表、系統管理等，系統功能模塊結構如圖3所示。

2.3.1 實驗室管理

實驗室管理功能模塊提供一個覆蓋全校實驗室常規業務管理的信息化平臺，其主要管理功能是實現全校實驗室基本信息的添加和維護操作;實驗室規章制度等電子文本及表格信息庫的維護，讓原本繁鎖的工作變得異常輕松和簡單。

(1)實驗室信息。分級列出實驗室情況，同時實現維護、增減實驗室基本信息功能;實現查看和打印實驗室相關實驗項目、實驗人員、實驗用房、實驗課程及實驗儀器等基本信息的功能。

(2)實驗室介紹。實現實驗室基本資料的管理，上傳實驗室相關介紹文檔、規章制度及圖片資料等等，同時提供各實驗室網站的鏈接。

(3)實驗用房管理。實現學校所有實驗用房信息和所屬實驗室的管理，同時可為實驗房間設置實驗位平面圖，供學生預約開放實驗房間時預約到指定的實驗位做實驗。

(4)表格管理。提供實驗室管理表格文檔的上傳、下載、查看及收藏等功能。

2.3.2 實驗室隊伍管理

實驗室隊伍管理模塊實現實驗室人員基本信息的管理，如專兼職人員基本信息管理、獲獎成果管理、個人崗位職責和日志管理等功能。

圖3 系統功能模塊結構圖

(1)人員基本信息。實現實驗室專、兼職人員基本信息的管理，實驗室人員基本信息的增、刪、改操作，建立學校實驗室人員基本信息庫。

(2)崗位職責與日志。實現實驗室人員崗位職責信息的管理，工作日志的記錄和管理。

(3)教研科研管理。實現實驗室及實驗人員承擔教學研究或科研攻關課題基本信息情況、發表論文情況、出版實驗教材及相關著作情況等信息的管理。

(4)獎勵成果。實現實驗室及實驗人員獲獎情況、實驗室教學或科研成果鑒定情況，以及實驗室及實驗教師所獲專利情況等信息的管理。

2.3.3 實驗教學管理

實驗教學管理模塊包括實驗教學基本信息管理、教學任務與安排、實習與課程設計、課表查詢等主要管理功能，該模塊是高校實現常規實驗實踐教學不可或缺的管理平臺。

(1)實驗教學基本信息。實現實驗教學項目編排的基礎工作，由實驗項目信息庫、實驗課程與項目信息、實驗項目指導書信息、實驗項目所需儀器及耗材信息等管理功能組成。其相應的基本信息，系統可根據用戶登錄身份的不同自動過濾。

(2)實驗教學任務與安排。實現實驗教學主管部門對實驗課程教學任務的管理;實現實驗課程安排的管理，實驗室根據教學任務的安排，制定相關實驗課程實驗的上課形式及實驗時間、實驗地點、實驗指導教師、實驗班級人員、實驗分批等信息。

(3)實習與課程設計。實現實習基地、實習項目、實習成績及實習經費管理功能;實現課程設計項目安排及成績管理功能。

(4)課表查詢。實現便捷的教師課表、實驗室課表、班級課表、實驗課表的查看和打印功能，提供全校實驗課表的綜合查詢，其課表顯示時間(周次、節次)、地點、教師、學生、項目等信息。

2.3.4 實驗室開放管理

該模塊實現實驗室開放和預約的管理功能。實驗室的開放預約管理模式分為:基于實驗內容的實驗項目開放管理和基于場所開放的實驗室空間開放管理兩種形式。

(1)實驗項目開放管理。為教師和管理人員提供功能完備的實驗項目開放管理功能，實現開放項目的設置、查詢、申請、成績統計等功能，并實現學生用戶網上預約實驗項目。

(2)實驗室空間開放管理。實現實驗室空間開放的管理和預約，實驗室管理人員可進行批量預約和取消預約，學生可根據自己的學習進展和愛好選擇實驗項目或自擬項目預約開放實驗房間。

(3)開放基金管理。實現實驗室開放基金的申請、審批等功能。

2.3.5 實驗室建設與評估管理

實驗室建設管理模塊主要實現實驗室建設過程中相關信息、資料的管理;實驗室評估模塊主要功能是提供一個開展校內實驗室評估管理的信息化平臺，為管理部門提供科學、詳實數據支持。

(1)實驗室建設。實現實驗室建設過程中相關信息、資料的管理，如建設項目申請資料、建設項目申請的各級審批情況，建設項目任務書及建設項目各級評審驗收意見的歸檔，以及建設項目儀器設備購置匯總。

(2)實驗室評估。提供開展實驗室評估管理的信息化平臺，實現評估指標管理、評估參數設置、評估主題設定、在線測評及評估統計等功能，為實驗室主管部門提供科學、詳實的數據支持。

2.3.6 儀器設備管理

該模塊實現儀器設備的采購管理、報增管理、變動管理、查詢與統計等功能，系統能兼容其它設備管理系統數據，能夠為設備管理部門提供完備的數據查詢與統計服務。

(1)設備采購管理。實現儀器設備申報、審批、采購整個流程的信息化管理。

(2)設備報增管理。實現儀器設備及附件報增、審批管理。

(3)設備變動管理。實現儀器設備信息批量變更、報修、報失、報廢、維修及驗收等流程管理。

(4)設備查詢與統計。實現儀器設備賬、儀器設備注銷賬、儀器設備調動記錄以及維修、報廢等各類明細記錄的查詢與匯總，并能夠根據儀器設備相關信息組合進行查詢與標簽打印;實現儀器設備分戶統計、教育部分類及國標分類統計、年度變動分戶統計教育科研儀器變動統計及相關統計結果數據導出與打印。

2.3.7 大型儀器設備管理

此模塊具備儀器設備管理功能模塊的所有功能，同時還能實現對大型儀器設備使用情況登記與查詢;實現對大型儀器設備信息、開放服務信息、預約情況信息等網上查詢與發布，以及校內校外用戶開放服務管理等功能。

(1)大型儀器管理。大型儀器設備賬:大型儀器管理除具備儀器設備管理的功能外，還記錄了儀器的使用機時，產生樣品數、收費、培訓的人員數等信息，以供教育部數據上報使用。

(2)大型儀器開放管理。實現大型儀器設備信息、開放服務信息、預約情況信息等網上發布與查詢，及校內校外用戶開放服務的申請與審批等管理功能。

2.3.8 低值品及耗材管理

實現對實驗低耗的有效管理和監督，能及時掌握低值品與耗材使用狀況。

(1)低值品管理。實現實驗低值品入庫、驗收、報增及查詢等功能，并實現低值品信息批量變更、報修、報失、報廢、維修等業務流程的申請與審批管理。

(2)耗材管理。實現耗材入庫、驗收、注銷、領用、統計等業務流程管理，以及實驗室自行耗材采購登記與報賬情況等管理。

2.3.9 數據統計與報表

(1)數據統計與分析。系統對運行數據自動進行統計與分析后生成各種統計表，如學年實驗室使用情況統計、學年實驗教學情況統計、實驗人員結構分析表等，相關統計結果可作為學校領導的決策依據。

(2)教育部數據報表。系統按上報學年從數據庫提取各報表所需要的基本數據，各院系及實驗室通過本系統對上報條目及內容進行必要的審核、補充與調整。數據修改完成后，系統按教育部上報的格式進行檢測，確認無誤后生成上報格式文件，同時形成歷年上報數據存檔，供日后查詢。

2.3.10 系統管理

系統管理模塊包含:數據導入與同步、用戶權限管理、系統參數維護及系統日志等功能，實現系統運行環境設置與訪問安全的初始化管理。

(1)數據導入與同步。系統提供數據導入實用工具，便于系統管理員將學校已有 Excel數據批量導入系統數據庫中。導入工具可進行數據項的對應關系及轉換設置，并可將數據導入方案保存以便下次直接調用。同時系統在獲得其它系統授權后可自動同步相關的系統基礎數據，實時保證系統基礎數據在不同系統中的一致性。

(2)用戶權限管理。采取基于RBAC模型的權限管理，通過設置角色權限來賦予用戶組的相關功能操作，能夠根據系統角色進行數據的權限控制，不同的用戶組擁有不同的功能操作和界面風格。

(3)系統參數設置。實現對各功能模塊運行所需的各種條件、參數、初始化數據的管理，如學年學期設置、項目開放參數設置、儀器參數設置等;同時維護用戶字典和系統字典。

(4)系統日志。系統實時記錄登錄用戶的操作日志信息，并提供如修改、刪除操作時的實時快照。

2.4 系統數據庫設計［15-16］

數據庫是實驗室管理信息系統的基礎，為系統提供存儲、維護、檢索等功能。數據庫設計的好壞，直接影響到系統的運行效率。因此，對數據庫的設計至關重要。實驗室管理信息系統主要的數據庫表及其字段如下:

(1)用戶表。用于儲存用戶的注冊信息，包括用戶編號、用戶名、密碼、權限等字段。其中，用戶編號字段是該條記錄的唯一標識，由系統自動生成;權限字段由系統管理員設定;其它字段可以由用戶自己修改。

(2)實驗室表。用于儲存實驗室的基本信息，包括實驗室編號、實驗室名稱、所屬院系、用房信息、實驗室負責人、建設時間、實驗室類型等字段。

(3)實驗人員表。用于儲存實驗室人員的基本信息，包括教師編號、姓名、性別、出生日期、職稱、學歷、學位、政治面貌、所屬實驗室、專業方向等字段。

(4)實驗項目表。用于儲存實驗項目的基本信息，包括實驗項目編號、實驗項目名稱、實驗學時、每組人數、實驗類別、實驗者類別、所屬學科、隸屬實驗室等字段。

(5)儀器設備表。用于儲存儀器設備基本信息，包括儀器設備編號、設備名稱、分類號、型號、規格、單價、購置日期、使用方向、保管人、所屬實驗室等字段。

(6)大型儀器設備表。用于儲存大型儀器設備基本信息，包括儀器編號、儀器名稱、購置日期、單價、使用方向、存放地點、現狀、所屬實驗室、使用記錄等。

3 結語

把云計算技術運用到高校實驗室管理信息系統的建設中，不但可以整合軟硬件資源和實驗教學資源，提高資源利用率，克服傳統模式管理系統軟硬件資源共享性差、資源重復建設嚴重、運算速度慢等弱點，而且可以為云計算帶來新的應用領域，讓我們切身感受新科技帶來的巨大變革。雖然本文基于云計算的實驗室管理信息系統設計方案還不夠成熟，但是云計算技術解決海量數據儲存、高速運算的能力，以及資源共享的特點，必使云計算技術在信息系統的應用成為信息系統未來發展的方向。

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