基于云計算的實驗室綜合管理系統的設計和應用

吳 旭， 陳仁安， 魏德志

(集美大學 誠毅學院 實驗管理中心， 福建 廈門 361021)

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基于云計算的實驗室綜合管理系統的設計和應用

吳 旭， 陳仁安， 魏德志

(集美大學 誠毅學院 實驗管理中心， 福建 廈門 361021)

作者設計了以集美大學誠毅學院云計算下的實驗室綜合管理系統。該系統將云計算與實驗室綜合管理系統的優勢進行有機結合，運用網絡技術、數據存儲技術、快速數據處理技術、創新型實驗管理理念等元素，對實驗室進行全方位教學管理。新系統有效優化了傳統系統的存儲和訪問功能，并能夠建立數據的內在關聯，有利于找到實驗教學和管理中的薄弱點并作出決策分析，同時實現了部門間協作上的無縫連接。通過該系統的應用，節約了物理資源，極大地提高了實驗教學水平和管理效率。

云計算； 實驗室； 綜合管理系統

0 引 言

集美大學誠毅學院實驗管理中心是集計算機語音、電子電工、物理、機械、船舶操縱模擬5個實驗部門組成的綜合型實驗室。各個實驗室所開展的實驗科目不同、實驗流程差異大、管理模式不同。之前各實驗室均配置有各自的服務器和網站管理系統來進行信息化管理。但是卻造成各個實驗室的教學與管理信息成為孤島，許多基礎數據例如學生信息、教師信息、公用設備信息等無法在部門間共享；各部門服務器存儲的數據種類少，存儲量不均勻，配置相同的服務器在有些部門使用起來，存儲數據的空間顯得緊張，在有些部門使用起來，存儲空間又顯得有極大的富余，造成空間浪費[1]；各部門網站系統功能單一，基本只具備新聞瀏覽、作業布置和文件上傳幾項功能，沒有大量的基礎數據，無法建立關聯分析；各部門實驗設備維護依賴傳統桌面紙質文檔登記，消耗紙張資源多，而且信息收集和反饋不及時；平時信息溝通基本通過文件傳遞，通過電話又沒有備案記錄，導致部門間合作協調效率不高等。基于這些因素，導致實驗管理中心無法和相關教研室相互配合，共同進行深度實驗教學和管理上的優化，無法適應不斷創新的實驗教學和管理的形式[2]。

為解決上述問題，本文設計應用的基于云計算的實驗室綜合管理系統，結合網絡技術、數據存儲技術、快速數據處理技術、創新型實驗管理理念等元素對實驗室進行全方位教學管理。系統以實驗室為核心，將業務流程、實驗環境、參與人員、實驗設備、操作方法、實驗記錄、科研和項目管理等影響分析數據的因素有機結合起來，為師生提供各項實驗決策依據和改進方案；同時，實現信息化管理、無紙化辦公、自動化操作[3]。該模式解決了之前的信息單向傳遞、管理功能簡單、平臺封閉等缺點，具備了交互性強、管理能力強、平臺開放、支持多樣化數據如多媒體微信息，如：圖片、語音、視頻等優點[4]。

1 系統的優勢

云計算是一種新興的網絡計算模式，能夠把資源、數據、應用以服務的方式通過網絡提供給用戶[3]。其具備的優點有計算能力強，構成靈活，可以是一臺服務器，也可以是一組服務器；數據可靠性高，甚至高于本地計算機；終端靈活化，僅一臺電腦或者一部智能手機，就可以接入網絡享有各種服務，甚至包括超級計算；相對廉價，集中式自動化管理方式可以有效降低數據管理方面的成本等[5]

實驗室綜合管理系統具備的優點有通用性強(示意圖見圖1)，各實驗室可以共享基礎性數據；管理功能強大，有豐富的查詢和統計功能，通過建立模型，能夠從基礎和零碎的信息中統計所需的各類數據并建立數據關聯性，從而提煉出所需的各種信息；具有良好的擴展性，根據實際應用需求，系統可以方便增加子功能模塊；能更加充分有效協調和利用各個實驗室項資源[6]。該系統有利于各層級的使用者更好處理問題，完成各項相關業務工作，從而為提高實驗室教學與管理水平，并協調各層級間的關系創造良好條件[7]。

2 系統的功能設計

本系統的功能主要分為開放部分和管理部分。開放部分的功能主要提供新聞瀏覽、實驗作業提交批改、即時通訊、實驗預約、資料查詢及下載、設備報修、實驗方案改進決策支持等。管理部分的功能主要提供管理權限分配、人員管理、預約審批、資產及設備管理、報表數據生成、維修方案決策支持等[8]。本系統最重要的是引入了對手機移動端的支持，極大方便了使用者。

圖1 基于云計算的實驗室綜合管理系統示意圖

云計算技術的特點決定了其對B/S結構的系統具有最大的優勢，具體原理本文不再贅述。因此，本文設計的基于云計算的實驗室綜合管理系統采用的是B/S體系結構。系統的各層和數據庫均構建在互聯網上，只要用戶擁有賬戶和密碼，就可以通過瀏覽器訪問該管理系統[9]。實驗室綜合管理系統功能圖見圖2。

圖2 基于云計算的實驗室綜合管理系統功能圖

云計算按照服務模式，可分為三個層次：IaaS、PaaS、以及SaaS；按照服務對象，可劃分為公有云，私有云以及混合云。其中，基礎設施即服務(InfTastructure as a Service，IaaS)主要是虛擬化技術[10]。

本系統按照模式劃分，采用的是IaaS層次。該模式對硬件資源例如CPU、I/O、網絡等資源進行虛擬化，從而可以為用戶提供更加靈活，成本更低廉的基礎架構服務。IaaS主要依靠軟件技術實現各種虛擬技術、資源調度算法、虛擬機節能等。在虛擬化的基礎上，用戶可以可以按需獲得計算和存儲資源，也可以控制防火墻、網絡拓撲等[11]。

基于云計算的實驗室綜合管理系統模型見圖3。

2.1 系統開放部分的功能設計

(1) 云保存及查詢功能。云保存功能可實現從學生到教師，把在實驗環節以及課后交流中產生的任何有關實驗的信息保存在云端。從而脫離了傳統的存儲模式，例如使用各種移動存儲工具或者本地計算機存儲。云查詢功能可實現師生僅僅依靠手機，或者聯網的電腦就可以實時查詢自己的實驗數據、相關實驗教學信息的搜索等。

(2) 云日程管理及便簽功能。云日程管理可實現師生在線日歷查看并進行日程管理。極大方便了師生根據日程自主安排實驗課程和實驗預約預約，使得選擇更加有序。通過在線服務可以有效解決單機日歷和日程不便于查詢和修改的缺陷。云便簽功能可以更好地幫助學生進行實驗學習。傳統模式下，必須在有電腦的環境下才能將想法保存在本地文檔里，而且因為記錄的位置不固定，不方便日后查找。而云便簽功能可以提供實時記錄功能，只要身邊有手機，隨時接入云平臺，就可以記錄在管理系統的指定位置，并可以形成系列文檔。

圖3 基于云計算的實驗室綜合管理系統的模型設計圖

(3) 云群件功能及報修功能。云群件功能可提供包括生成頁面、上傳附件、發布評論、共享頁面或文件等。云報修功能可實現學生在課上或課后通過手機發送有問題的設備所在位置和故障描述到云端系統，這樣所有的設備故障問題將及時匯總顯示在故障統計頁面，以便實驗員進行相關檢修，檢修信息也能很快通過反饋頁面公布出來。解決了客觀存在的實驗教室數量多、座位數多、儀器總量多，傳統的桌面文檔記錄報修和檢修模式已經不能很好的適應實驗設備維護的需要，缺乏實時性的問題。

(4) 云通訊功能。盡管目前幾乎人手都有QQ、微信或者其他專業聊天溝通工具，但在教學和共同的學習群體中，教師和學生還是難以共存于一個共同且公開的通訊平臺上。而在實驗室綜合系統里構建專業的通訊平臺，統一提前導入賬號和分配好發言權限，就可以構建針對特定事物的溝通交流環境。在該環境下，師生就可以進行專門的實驗學習交流討論[8]。討論信息可以被系統記錄、建模提取關鍵字、匯總從而得到有用的決策信息。

2.2 系統管理部分的功能設計

(1) 人員管理。人員管理功能主要是進行人員管理的權限分配。其中，系統管理員擁有最高權限，能夠對所有用戶進行添加、刪除、更新、查詢、權限分配等操作；給予普通實驗員對各類設備登記檢修、維護記錄等管理權限；給予實驗教師作業批改、實驗預約、查詢分析統計等權限；給予學生賬戶查看作業、上傳下載文件、實驗預約、分析實驗情況等權限。

(2) 設備管理。設備管理功能。① 設備信息記錄，例如設備所在樓號、房間號、桌號、設備型號、設備規格、設備生產商、國別、購買價格、購買時間、設備詳細說明等相關信息；② 設備維護信息記錄，例如已修復設備的ID號、設備存放位置、設備型號、資產編號、解決方案、解決時間、修復登記人等相關信息[12]。

(3) 實驗預約。在實驗預約模塊中，師生可以通過提交教師的ID號或學號，學年，學期，周次，星期ID，房間號，課程節次，實驗課程名，申請時間等信息實現實驗預約申請。系統將首先自動根據預先輸入的實驗課程安排表檢測是否和現有實驗室使用沖突，過濾篩選掉沖突的申請，然后交由實驗員審批。教師在提交申請后如果實際情況發生變化，可以在網上撤銷自己提交的申請[13]。

(4) 查詢統計服務。查詢統計模塊。① 主要提供依據各類查詢條件，統計條件對實驗室各類設備，資產進行查詢服務和統計服務。能為查詢者方便快捷的提供各類有關設備的詳細信息。② 通過設定相關的模型，可以統計特定內容的實驗數據，并發布到系統開放部分的信息里以便師生查看[14]。

(5) 信息發布。信息發布模塊主要往系統前臺提供實驗室規章制度、新聞以及其他相關的各類信息。

3 系統的應用

本系統采用的云存儲和計算資源的訪問，全部是由誠毅學院實驗室自身控制，而非公用的云計算服務提供商所提供的，所以是完全意義上的物理隔離，保證了數據的安全性。

基于云計算的實驗室綜合管理系統應用見圖4。

圖4 基于云計算的實驗室綜合管理系統應用示意圖

自系統上線運行至今，共計開通賬戶18 000多個，基本上全院師生每人擁有一個賬戶。平均每日在線活躍用戶數達到1 000人左右，每日在云端產生含通訊信息在內的上萬條各類信息記錄。接下來系統準備逐步開放給集美大學所有適合的學院使用。屆時用戶數將會達到3萬多人，預計每日活躍用戶將達到2 000人。目前，整個系統運行穩定，取得了良好效果。

(1) 實驗教學環節得到優化。通過系統分析整理的數據，可以得到每個實驗里學生的疑問集中點，從而加以特別教學優化。例如通過系統收集云通訊功能中的學生的實驗討論留言，提取到計算機一級圖文混排實驗中，“藝術字設置”這幾個關鍵字出現最為頻繁；在船舶操縱模擬實驗中，提取到“滾裝船”、“平衡操縱”這兩個關鍵字出現頻率高。因此在相對應的實驗課程中，重點針對這些具體的實驗細節進行了深入的優化講解，最大程度化解了學生的疑問。師生在課后交流的活躍度也大大提高，實驗作業批改、資料下載都比以往方便許多。

(2) 實驗資源得到充分利用。通過開放實驗預約功能，師生預約以及審批環節的效率得到極大提高。實驗場所及設備資源得到更加充分科學利用。自從開通這個功能后，就為學生參與“全國數學建模競賽”、“大學生智能車競賽”、“全國電子商務建模競賽”等一系列創新型實驗提供了場所，并取得了良好的名次。

(3) 實驗室管理流程得到優化。學生通過手機能夠方便地報修設備。實驗員通過報修頁面能夠對當前各實驗室設備損壞情況一目了然，及時獲取信息，大大縮短了設備檢修間隔；系統通過數據分析匯總，能得到故障分析決策。例如通過分析，得知實驗樓13-508的計算機機房內存故障比較普遍，然后集中更換了一批新內存；實驗樓14-610的計算機主板電池普遍電池電量低，然后采購新的鋰電池更換；實驗樓14-209語音室控制端軟件不穩定，然后升級重裝等。通過系統決策分析，使得維護更加到位及時，更好地保障了實驗教學。提高了工作效率和實現了低碳工作方式。

4 結 語

對于規模相對較大的高校，使用云環境下的管理系統從事教學管理活動逐漸成為教學管理實踐的一種趨勢[15]。隨著信息化的快速發展，實驗教學中產生的各類數據增加迅速。受限于以往軟硬件限制，很多有價值的數據都被遺棄。采用B/S結構的實驗室綜合管理系統與云平臺有機結合之后，不僅能有效解決綜合實驗室管理問題，更是為存儲和分析各類實驗數據提供了可能，能讓教學者和管理者從更深的層面上認識師生在實驗中存在的各種情況，從而有助于提高教師教授實驗、學生掌握實驗的水平。綜合型實驗室在物理和邏輯上管理相對分散的天然劣勢在這樣一個統一的平臺上得到較好改進，實現化分散為集中[16]。

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Design and Application of Laboratory Integrated Management System under Cloud Computing

WUXu，CHENRen-an，WEIDe-zhi

(Laboratory Management Center， Chengyi College, Jimei University， Xiamen 361021, China)

This paper presents a case study of Chengyi College Laboratory Integrated Management System in Jimei University based upon cloud computing model. Advantages of LIMS and cloud computing are combined. Network technology, data storage, data fast processing, and innovative lab management, etc, are used to realize overall teaching administration in the lab. LIMS works to make optimization of data storing and data access in traditional systems. Due to the data interrelation, LIMS helps monitor vulnerabilities in teaching and administration, makes decision analytics, and leads to closer department coordination. With such an application, there will be less prodigal expenses, and be great uplifts in teaching levels and administrative efficiency.

cloud computing； laboratory； integrated management system

2014-12-19

福建省教育廳科技項目 (C13001)

吳 旭(1981-)，男，福建三明人， 碩士，實驗師，研究方向： 云計算 實驗室管理 網絡安全。

TP 391

A

1006-7167(2015)10-0226-04

Tel.：13799771006；E-mai:julang@jmu.edu.cn