科研院所儀器共享管理平臺的建設

文/劉永強 莫達松 謝安杰 葉蓯佑

隨著科研投入的不斷增加，實驗室購置了大量儀器，特別是大型、貴重儀器設備資源相對于大量的研究人員來說仍然緊缺。各單位之間或是單位內部各實驗室之間資源分布都難以平衡，儀器設備重復購買情況普遍。一些單位或實驗室，沒有專門的經費采購需要的貴重儀器，嚴重影響了其自身的發展。普通科研院所內部多個實驗室儀器設備，特別是通用型儀器設備得不到充分的利用，導致儀器資源閑置浪費，使用效率較低，造成相當時段儀器設備閑置，科研檢測人員卻因無法及時掌握儀器狀態信息無法及時申請使用儀器。另外，目前所采取的人工登記及統計方式不利于統計查詢，對儀器共享管理工作的有效運行有一定的影響，不利于儀器管理人員對儀器設備的績效統計。

1 問題原因

制約科研檢測發展的瓶頸不僅是儀器設備、特別是大型儀器和專項設備的缺乏，而更常見于儀器共享信息渠道不暢，儀器設備利用率低下甚至長期閑置，利用率低下與需求旺盛矛盾激化。普通科研院所原有的儀器管理模式，大多是以科室為單位。這種模式容易形成利益小團體，科室及儀器使用人為了保證儀器完好，有時候甚至設置了各種人為障礙，不允許其他部門或其他單位使用，降低儀器的使用率。人工記錄統計儀器設備使用情況，儀器管理人員工作量大。因此積極推進儀器設備資源共享，成為解決這種不平衡，提高儀器設備效益的最有效途徑。

2 儀器共享平臺結構

2.1 平臺采用易于復用、可以搭建松散耦合、擴展性強應用的多層架構

除了方便平臺開放的組織實施外，也能便于日后系統維護和擴展。系統分為五層主要框架：基礎設施層、數據層、應用支撐層、應用層和用戶層。以儀器設備授權管理為核心，探索儀器設備共享管理機制方向，儀器設備通過網絡共享建設服務平臺。

（1）基礎設施層本系統的硬件支撐系統，包括服務器系統、安全系統、基礎網絡、機房設施等信息設施建設。

（2）數據層主要由用來持久化各種類型數據的載體組成。系統運行所需的大部分數據都通過數據庫的形式進行存儲，少數數據需要使用文件系統或 XML 的形式。

（3）應用支撐層由提供業務支撐的成熟中間件組成，主要包括數據查詢與分析，通用業務構件，SOA構件，數據交換與同步構建，安全基礎構件，模型工具等。

（4）應用層以基礎業務構件為基礎，實現移動本系統的核心業務流程。在應用層中，不能直接訪問數據，須通過應用支撐層的數據訪問構件。應用層對數據訪問業務的調用，是通過數據訪問接口模塊來完成的，實現與具體的數據訪問邏輯解耦。

（5）用戶層，為用戶提供統一的單點式登陸，本系統在展示層主要有 PC 端 Web 系統和移動端 WEB 系統。

2.2 平臺結構硬件實現

根據儀器設備硬件及網絡要求情況，結合單位實際設計拓撲結構圖，如圖1所示。

在信息平臺上進行信息整合和接口開發，使共享管理系統成為信息管理平臺，提供開放共享的管理、服務信息。同時，為用戶查詢、預約及使用，為儀器的效益評價提供 充分的技術支持。從平臺的可擴展性考慮，儀器共享平臺管理系統采用了以下關鍵技術進行開發：

（1）開放、標準的 Web 服務計算架構。根據服務計算的思想和技術，分層架構軟件平臺，向上支持與國家網絡管理平臺接口，向下支持在線服務平臺接口。

（2）個性化儀器推薦算法。用戶在瀏覽儀器時，根據用戶地域、專業、近期瀏覽信息的不同，為不同用戶呈現不同的推薦儀器列表，方便用戶快速訪問，優化用戶體驗。

（3）NoSQL 云數據庫技術。為適應開放系統不斷擴展的需求，以及儀器共享、網絡訪問大數據存在的非結構化、海量、高并行、高并發、高可用性要求，擬采用 NoSQL 云數據庫技術進行存儲。

2.3 平臺需求分析與實現

圖1：網絡結構圖

做好儀器分類，區分儀器設備控制需求。將儀器主要分為帶有通用型計算機工作站的儀器和無外接工作站的一體化儀器兩大類。將需要共享的儀器設備名稱、型號、技術性能、用途、安裝地點、管理人等信息建立一個可用儀器設備的數據庫。儀器設備和數據服務器間通過網絡連接，儀器設備通過硬件終端控制儀器的使用權限。

確定對儀器設備的驗證授權方式有以下兩種。

（1）對于不需要預約的儀器，用戶直接通過刷卡的方式進行驗證。

（2）對于需要預約的儀器，使用刷卡的方式或者在預約有效期內使用網絡發送指令來驗證用戶身份，再根據用戶身份查找當前時間是否已預約此儀器。

其中儀器控制方式有以下兩種：

2.3.1 控制儀器電源

無工作站的小型儀器控制電源。使用電源控制器控制，當用戶通過驗證后，控制儀器的電源實現對儀器進行開關機控制。

2.3.2 控制連接儀器的電腦顯示器/鼠標和鍵盤

大型儀器電腦控制。使用電腦控制器控制，當用戶通過驗證后，控制連接儀器的電腦顯示器或鼠標和鍵盤來實現對儀器進行控制。

接收并存貯服務器預約指令，使用前用戶刷IC卡或通過網絡端點擊上機，通過IC卡或網絡息驗證用戶合法性，驗證通過后用戶方有權限操作電腦。用戶使用完儀器后再刷IC卡或通過網絡點擊下機，驗證通過后電腦將處于無權操作狀態。

2.4 儀器共享平臺需求

平臺系統中常用的角色涉及以下兩種：

儀器管理員、儀器操作員。每個角色都發揮著不同的作用。根據實際工作中可將其分為四個階段：基本信息維護階段、儀器預約使用階段、數據統計階段，在不同的階段中，各角色所起到的作用也不盡相同。

（1）儀器管理員在儀器共享的整個流程中，主要作用有：管理儀器的基本信息，統計效益、儀器使用率等功能。在整個儀器共享的過程中起到樞紐的作用，且還全盤掌控著整個系統內所有儀器使用情況的重要數據。在基本信息的編輯階段，儀器管理員主要負責系統內部各儀器的配置信息編輯及用戶管理編輯；在數據統計階段，需要統計儀器效益和儀器的使用率等數據。

儀器管理員在儀器共享的整個流程中，主要作用有：管理儀器的基本信息，統計效益、儀器使用率等功能。在整個儀器共享的過程中起到樞紐的作用，且還全盤掌控著整個系統內所有儀器使用情況的重要數據。在基本信息的編輯階段，儀器管理員主要負責系統內部各儀器的配置信息編輯及用戶管理編輯；在數據統計階段，需要統計儀器效益和儀器的使用率等數據。在系統運行前期，儀器管理員需要完善系統內所有的儀器基本信息、儀器配置信息、人員信息等操作；在系統運行的中后期，儀器管理員主要的任務就是管理儀器的預約，在預約過程中起到重要的作用，還可按月、按季等統計條件統計儀器所產生的效益等信息，并可導出相應的數據表。

在系統運行前期，儀器管理員需要完善系統內所有的儀器基本信息、儀器配置信息、人員信息等操作；在系統運行的中后期，儀器管理員主要的任務就是管理儀器的預約，在預約過程中起到重要的作用，還可按月、按季等統計條件統計儀器所產生的效益等信息，并可導出相應的數據表。

（2）儀器操作員即使用儀器設備的檢驗研究人員。在儀器共享平臺系統中，至關重要的就是能夠讓儀器的操作員感受到方便、快捷的操作，即能夠很快的預約到所需要的儀器。在此階段，儀器操作員主要的需求有：查看系統內的儀器信息、預約儀器，快速查看空閑時間、時間沖突檢測。儀器操作員主要的需求有：查看系統內的儀器基本信息、預約儀器（查看空閑時間、時間沖突檢測）、查詢預約情況、查詢歷史預約記錄、修改個人信息等。

2.5 功能模塊設計

根據功能需求分析，該儀器共享平臺的功能主要可以分為六個模塊：儀器管理、預約管理、數據統計、部門/人員管理、環境監控、檢驗單。

儀器管理部分。儀器管理員可以添加、修改和刪除儀器設備，錄入儀器各項基本信息。可在系統上信息；可調整儀器設備狀態，如將儀器設置為維護狀態后，其它用戶將不能通過平臺預約此儀器；可將普通用戶分配至不同儀器的名下，只有當該操作員在指定儀器名下方可有權限預約該臺儀器使用；可設置儀器的計費方法和單價。系統提供預約的日程管理，預約日程展示為日歷形式，可通過點擊任意儀器后查看該儀器當月的預約情況，根據目前的預約情況來計劃個人的實驗時間。

圖2：時長統計

預約管理。平臺支持PC端Web端及手機網絡預約兩種方式，支持委托檢驗、課題、專項三種檢驗類型及實驗、數據處理兩種操作方式。無論檢驗類型為何，凡操作方式為“實驗”的，必須填寫樣品單號。對于需要預約的儀器設備，必須要預約成功且儀器管理員審核后方可在預約時間內使用。儀器管理員可通過預約列表查詢儀器操作員的預約申請，并進行審核。

數據統計。儀器管理員可通過按部門、按人員、按儀器三種方式統計查詢儀器設備的預約和使用情況、儀器年度利用率及配置合理水平等。如圖2所示。

部門管理和人員管理。系統管理員可以對系統內用戶進行角色及權限的設置和權限的劃分，從而實現對用戶的有效管理。同時系統管理員應具備用戶的增減、編輯其個人信息功能。

環境監控。在每個儀器房間安裝溫濕度傳感器，服務器可以自動采集每一個儀器房的溫濕度信息。該模塊顯示的內容包括該儀器所屬房間內的溫濕度設備的電壓及更新時間，當超過指定的閾值時自動發送信息至儀器管理員，儀器管理員根據環境情況及時控制。

檢驗單（任務單）。由于在填寫預約單時，樣品為必錄字段，故流程及所需要填寫的內容較多。為了節省儀器操作員的操作時間，也避免預約者因為系統操作繁瑣而失去了預約儀器的興趣，特將填寫樣品時所需的檢驗單號作為單獨系統開發出來由專人負責錄入。儀器操作員在預約時候無須重復錄入任何樣品信息，僅需根據單號進行搜索并單個或批量選擇即可。

3 結束語

通過儀器共享管理平臺的建設，可以讓用戶可方便地了解儀器設備的基本技術資料、分布和使用情況并進行網上預約使用；可實現對儀器使用的實時監控管理，節省人力資源投入，提高工作效率和管理效益；管理人員可了解儀器設備的運行狀況，為新設備的購置和管理機制的創新提供決策依據，能有效避免儀器設備重復購置、低效率運行等現象的發生，有效地提高了儀器的利用率和共享率，節約了大量的人工、管理成本。通過系統自動統計出的各項數據，可以幫助相關部門及時了解儀器運行的真實情況，為決策層做出管理決策提供數據支持，也符合國家要求科研院所儀器設備加快向社會開放的要求。