面向個性化定制的實驗室管理系統

袁 鋼， 段穎昕， 勞銘輝

(中國農業大學 信息與電氣工程學院，北京 100083)

0 引 言

隨著高校實驗室建設規模的不斷擴大和執行功能的復雜化，在常規實驗教學、開放實驗室、創新實踐基地、競賽培訓等產學研多種模式并存的教學體系需求，以及由院、實驗中心協同實行統一的管理機制下，實驗中心在承擔日常實驗教學任務的同時，為滿足不同用戶個性化發展的需要，提高各類用戶的實際動手能力和理論水平，需要靈活配置各種類型的實驗室，增加選擇性、設計性、綜合性和創新性的實驗內容，這就要求為實驗室管理人員和師生等用戶提供更好的技術支撐、便捷的服務以及高效的管理模式[1]。隨著使用實驗室的人數增加，從受教育的學生、教師和管理人員來說，都不再滿足于傳統的實驗信息系統管理模式，因此，為了有效地提高實驗教學和管理工作效率，需要構建多功能、多模式、為用戶提供個性化服務定制的管理系統。提高實驗平臺資源的利用率，一些高校對實驗室綜合管理系統的設計和架構[2-4]進行了優化和改進。如今，越來越多的實驗采用開放創新的教學模式，通過結合Web、物聯網[5]、視頻監控等技術對實驗室的安全，以及時間和資源的合理配置等方面進行了網絡化的動態管理[6-7]。考慮到對可擴展、可配置共享服務資源的靈活管理，在業務流程的優化[3,8-9]、云服務模式[8]等方面進行了研究，為個性化指導和學習環境[10]提供了便利條件，提高了實驗教學和管理效果。

然而，隨著用戶和實驗室規模擴充、設備和教學資源整合后數量增大、系統功能增強，將會導致信息過載、系統復雜度過高、不同來源的數據沖突等問題，使得用戶很難找到自己想要的信息[11]，為了更好地實現對用戶需求的柔性管理[12]，還需要考慮不同角色[9]用戶的個性化資源服務的定制[13]。因此，為了提高實驗教學質量，實現對實驗室的規范化、流程化和信息化靈活管理，實驗室管理系統需要具備一定的個性化定制功能，以滿足多元化用戶多樣性的訪問需求。

1 實驗室管理系統個性化服務的主要模塊

個性化需求是指具有個體特性的需求和服務[14]，個性化定制即是圍繞業務服務的動態選擇、用戶的按需定制、業務流程的動態改變及業務規則的整合等方面提出一些解決方案。根據個性化方式的不同，定制類型可以分為匹配用戶需求和用戶選擇需求兩種。為了更靈活地實現多用戶個性化操作，以及多元化需求與服務資源之間的統一和約束，提出基于實驗室功能模塊的劃分與基于角色的業務流程相結合的設計方案，系統根據登錄用戶信息，配置相應的功能模塊和資源推送給用戶，用戶也可通過配置界面有針對性地選擇自己需要的功能模塊，并提交相應的定制信息。

個性化定制基于模塊的獨立劃分，根據實驗教學和實驗室管理兩部分內容，本文將實驗室功能進行合理的提取和劃分，主要分為實驗室用戶、實驗教學和實驗室建設及管理3個模塊。

1.1 實驗室用戶模塊

實驗室用戶模塊主要用于對系統用戶的個人信息和權限的維護與管理，分為用戶管理和角色管理2個子模塊。根據不同的類別和工作職責，用戶分成實驗室管理人員、教師和學生等(見圖1)。本文將角色和權限結合起來，即用戶的執行權限是附著在角色中的，活動執行者通過其所具備某種執行權限的角色進行標識。通過對用戶與角色的映射管理，可以實現用戶界面的個性化定制，即根據用戶的角色對實驗教學模塊和實驗室建設及管理模塊進行定制。

圖1 實驗室用戶模塊

用戶管理模塊主要用于維護用戶的基本屬性，以及對用戶的角色的管理。一個用戶在某一部門可以同時屬于幾個角色，一個用戶又可以分屬不同部門并擁有不同角色的權限，如作為實驗教與學的雙方及管理方來說，1名教師用戶可以是實驗指導教師同時也可以為競賽指導教師，他也可以是管理人員。因此，用戶能夠察看的數據集是以上角色權限的并集。

1.2 實驗教學模塊

實驗教學模塊(見圖2)主要包括實驗教學資源、實驗教務、教學輔助等子模塊。教學資源用于實驗教學相關信息資源的發布和維護；教學輔助包括與實驗教學過程相關的部分，如學生實驗預約、師生交流互動、作業上傳、資料下載等；實驗教務包括教學任務的計劃安排、實驗項目和分組的設定、教師對學生實驗環節的考核等，并能針對基礎實驗教學、開放性實驗或競賽培訓等不同任務，根據專業培養計劃及班級學生數據，以及儀器設備數量和教室容量等，自動篩選出符合條件的學生。

圖2 實驗教學模塊

1.3 實驗室建設及管理模塊

實驗室建設及管理模塊(見圖3)主要包括實驗室管理、實驗儀器及耗材、日常辦公事務等子模塊。實驗室管理主要包括基礎和專業實驗室的規劃建設、師資隊伍建設、實驗室日常運行管理和實驗室評估等；實驗儀器及耗材主要包括儀器設備等固定資產管理、實驗耗材管理和庫房管理等；日常辦公事務主要包括實驗室規章制度的制定、新聞和公告的發布等一些日常事務性工作。

圖3 實驗室建設及管理模塊

面向個性化定制的系統實則為系統功能模塊的定制，①根據用戶角色匹配用戶需求，②用戶自行選擇可選配置。提供給用戶的用于定制選擇的按功能分解的模塊，其是否可定制或不可定制的性質，是在功能模塊劃分時附著于用戶角色上的，因此在設計相應的功能模塊時，需要根據不同的業務需求和工作流程，充分考慮到各個不同模塊之間的關聯性、依賴性和互斥性，以提高系統的靈活性、可維護性和可擴展性。

2 個性化定制實驗室管理系統的分析與設計

設計面向個性化定制的實驗室管理系統時，需要考慮以下幾個問題：①能夠提供用戶個人定制的功能，因此系統中需要包括記錄某權限用戶的通用和個性化偏好的存取單元、根據用戶的個性化定制進行模塊配置，以及用于生成用戶個性化內容的呈現單元。②對用戶的類別、權限與功能模塊之間進行一定的約束限定，保證相同角色的用戶及多角色用戶模塊匹配的一致性和統一性。③降低門戶界面與業務資源的耦合程度，在系統設計時，應根據具體的業務盡可能的細分實驗室各功能模塊中的子模塊，門戶界面的組成單元、任務處理的業務流程和數據存儲等與資源相獨立。

2.1 個性化管理策略

系統對用戶個性化定制的管理主要是識別用戶身份和分析用戶差異，針對不同用戶的定制內容提供不同的個性化服務。客戶個性化需求的柔性管理是指系統應對復雜多變的業務環境的能力，包括易用性、動態性和自適應性。對用戶需求個性化柔性管理的本質為根據記錄的用戶個性化定制信息，通過用戶的角色進行定制模塊的匹配和關聯約束，使得用戶能看到的數據集是其所屬所有角色權限的并集。這里，除了設計的各模塊需要相對獨立互斥、同時又具有相互之間的依賴和關聯性之外，還需對角色以及各角色的業務流程進行很好地設計，能很好支持功能模塊定制過程中所有活動的動態操作，通過系統模塊之間數據的自動傳遞而先后觸發，形成一個自動的過程，使得個性化定制的管理系統具備一定的動態性和自動性。

2.2 用戶需求的模塊化定制

以角色的權限管理為基礎，將用戶、角色、權限、用戶偏好、功能模塊、業務流程等關聯在一起，并建立這些元素之間的映射關系。

2.2.1用戶角色

從圖1可以看出，對于不同的用戶，如教師用戶，他可以同時具備教師和管理人員中的多個角色身份并擁有相應的權限，其所能觀看的數據集是以上角色權限的并集。將用戶角色看成是一系列業務活動和操作權限的基本集合，按照參與者的任務、能力和權限抽象而來的單元，規定了擔任此角色的參與者在實現某一業務流程時能執行的活動的權力，定義了角色對相關數據信息、運行環境和功能模塊資源的使用權限。通過設置某角色對系統各模塊的增、刪、改、查等權限，實現管理系統的個性化定制。

根據用戶狀態(US)隸屬的角色(R)中的一個或多個，將其系統功能的個性化定制定義成為一個三元組：PC=，其中US ∈{RTn,RSn,RMn,RTn∪RMn|R}是用戶狀態，其實質為用戶角色的權限；MP

{{TRn,TAn,TDn,LMn,LEn,LAn|RT},{TRn,TAn|RS},{LMn,LEn,LAn|RM}}是用戶定制的模塊，通過用戶角色提供可進行選擇和配置的模塊；SP是功能模塊布局和顯示風格定制。

系統通過登錄獲取用戶角色(US)信息，由此關聯可選擇和配置的模塊，用戶根據個人需求和偏好定制模塊(MP)，并選擇模塊布局和顯示風格(SP)。系統存儲并讀取用戶個性化定制(PC)的信息，根據業務邏輯組合各模塊，用戶界面根據桌面風格(SP)呈現特定用戶的個性化定制內容。

2.2.2用戶任務處理的業務流程

用戶根據個人需求和偏好對管理系統進行個性化定制，即選擇了相應的功能模塊。為了更好體現系統個性化定制的效果，各模塊根據功能等要素劃分足夠細，還需有對功能模塊進行組合。用戶選擇定制各功能模塊用以完成一系列的業務活動，實質是在其所處的業務領域和業務環境下，根據自身的目標期望完成了一條業務流程。構成業務流程的基本要素是用戶角色、業務活動、業務資源，以及表達他們之間相互關聯和約束關系的規則。因此，可以采用業務流程管理的機制，實現模塊的組合、逐步觸發和運行，最終實現用戶需求。

基于用戶角色的定制是由于新角色的加入或角色改變而調整業務流程中用戶的身份，改變對流程中操作活動的權限。采用XML對用戶任務處理的業務流程模板描述為:

targetNamespace="http://pc.com" xmlns="http://pc.com">

面向個性化定制的業務流程模板描述了模塊與用戶角色之間的約束與依賴關系，以及模塊間的關聯和組合。通過數據、角色、業務活動和業務規則之間的業務邏輯控制，在表示層顯示個性化定制的管理系統界面，實現用戶業務目標的功能需求。

2.3 個性化定制系統結構設計

為了將實驗室的所有業務集成在同一平臺下管理，便于系統的功能擴展和維護，滿足用戶多元化、個性化的系統功能定制的需求，根據用戶的角色或模塊定制信息，將用戶所需要的功能模塊組合生成可部署工程，最終實現用戶個性化定制的實驗室管理系統，設計系統結構如圖4所示。

個性化定制的實驗室管理系統采用B/S模式的體系結構，主要包括界面層、業務層和數據層。

(1) 界面層。個性化模塊定制平臺的配置界面與人機交互界面，通過文本、圖形等實現與用戶進行信息交互。系統將資源庫中的功能模塊及其功能描述等相關信息顯示給用戶，用戶通過界面有針對性地選擇自己需要的功能模塊，提交相應的模塊定制信息，向系統請求個性化定制服務，界面最終顯示業務層處理之后的結果，即個性化定制后的功能模塊的組合。

圖4 個性化定制的實驗室管理系統結構圖

(2) 業務層。主要負責對數據信息和業務邏輯進行處理，將從界面表示層傳來的服務請求等轉化為控制數據，結合特定角色任務處理業務流程，判斷操作的執行方向，使得各個系統逐步觸發，實現應用層中各個階段正常運行，驅動客戶端或服務器端應用系統。同時該層也記錄系統中各階段的狀態信息，在個性化定制過程中對功能模塊的配置和選擇進行管理。

(3) 數據層。主要為界面層和業務層提供數據支持服務，如添加、刪除、修改和查詢數據信息操作。數據層對用戶角色權限進行嚴格管理，將用戶在進行功能模塊定制過程中所有業務活動的定制信息，包括文本和圖形信息等轉換為數據的形式，作為系統各個階段先后觸發的條件。該層具有數據安全與系統備份機制，確保數據在傳輸和存儲過程中的完整性和保密性。系統部分功能界面如圖5所示。該圖為實驗課程查看、預約與發布等功能實現界面。

3 結 語

高校實驗中心作為一個重要的教學部門，教學和實驗室管理得好壞直接影響到實驗教學質量。中心除了為在校本科生提供實驗教學服務外，還承擔著院里大部分儀器設備的修購、保管和維護等管理。在實驗教學和管理的各環節中，師生、資源、以及教學和管理都需要一個共享開放的平臺，根據用戶的個性化需求定制功能模塊，各類教學資源通過平臺集成后進行有效管理和監控，實現實驗教學的流程化管理和跟蹤，基于網絡的流程化管理，有效促進了各類實驗的統一安排和優化組合、實驗設備的信息化管理和資源共享，以及實驗中心有序、高效的工作運轉，為提高實驗教學和管理工作的效率奠定了良好的基礎。

圖5 管理系統界面圖-實驗課程預約與發布

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