基于大數據的高校實驗室管理數字系統設計

文/石偉豪 趙李冰

實驗室是高校進行實驗教學、科學研究的重要人才培養場所，隨著高校實驗室儀器設備種類、數量的急劇增加，在現代信息技術飛速發展的當下，如何利用科學技術處理海量數據，對實驗室進行數字化、科學化管理，已然成為了當下實驗室管理關注的重點。基于大數據的實驗室管理數字系統，結合云計算技術，可以有效提高資源共享、加強數據運算，全面提升實驗室管理水平。

1 系統開發背景與要求

1.1 實驗室管理現狀及問題

1.1.1 管理模式相對落后

實驗室的日常管理多為“以人為主”的管理模式，現代化的計算機設備以及管理系統只是輔助作用，主要還是承擔資產記錄的作用，對于臨時性的資源調配、問題發現解決以及長久性的資源共享機制建設，都沒有很好的實現。

1.1.2 信息整理復雜

隨著實驗教學要求的不斷變化、提高，實驗儀器設備更加多樣化、復雜化，需要存儲、記錄、修改的信息越來越大，如何對儀器設備進行“規范命名”、“高效匯總”、“快速查詢”、“智能導出”成為了實驗室日常管理中亟待解決的問題之一。同時，缺乏實驗室全生命周期的數據記錄與管理，在為新項目的規劃建設時，無法提供詳細、全面的數據參考。

1.1.3 資源共享低下

高校實驗室擁有的實驗資源，在沒有一個統一平臺的規范管理下，往往是獨立的，在實驗室管理方面很難提供有效的信息交流、信息共享，尤其在出現業務交叉、共享利用時需要進行大工程量的人為干預操作，費時費力。上級部門進行管理決策時，因為信息不流通、更新不實時、掌握不全面，也無法做出最為及時、科學、有效的判斷。

圖1：系統體系結構圖設計

1.2 系統開發要求

目前實驗室管理系統更多的是采用C/S架構或者單機系統，在功能應用上只是作為數據增加、查找、修改、刪除等簡單用途，在信息共享、數據時效性方面更是存在不足。基于數據安全性、簡化客戶端、提高復雜業務交互性、打通信息孤島、方便日常管理等方面綜合考慮，基于大數據的實驗室數字管理系統將采用C/S與B/S相結合的混合模式。

同時，為加強數據存儲、運算，提高資源利用率，提升實驗室管理水平，方便用戶體驗，基于大數據的實驗室管理數字系統將充分結合云計算技術，為用戶提供更加完善的功能選擇。

2 云計算平臺

2.1 云計算技術概述

云計算是一種基于互聯網的全新計算方式，通過互聯網上異構、自治的服務為用戶提供按需分配的計算，云計算的基本概念就是通過互聯網，將復雜的待處理程序拆分成多個子程序，交由多部服務器組成的系統進行數據搜索、計算、分析，再講處理結果返回用戶。采用云計算技術，可以在數秒內處理數以萬計、億計乃至更多的信息，實現和超級計算機一樣強大的效果。

2.2 云計算平臺架構設計

實驗室管理系統的云計算平臺，以分層設計為主導，依托飛速發展的互聯網，通過虛擬化、分布式存儲等技術方式，整合高校各實驗中心的實驗教學資源，為實驗室管理系統提供更加強大的數據存儲、信息計算等服務。

實驗室管理系統的云平臺主要分“管理”和“服務”兩大模塊。

管理方面，主要以云的管理層為主，用于確保實驗室管理系統云平臺的安全、高效、有序運行，從而便于用戶可以進行有效的管理。服務方面，主要基于云的各種服務為主。服務部分包括三大核心層：基礎架構即服務層（IaaS）、平臺即服務層（PaaS）、軟件即服務層（SaaS）。

目前分布式云計算平臺搭建主要是基于Hadoop架構在Linux系統上進行搭建。常用的搭建方式有兩種：安裝Linux系統和其他已有的操作系統下安裝Linux虛擬機后再搭建云計算平臺。基于大數據的實驗室管理數字系統的云計算平臺，采用“虛擬機”+“Hadoop系統”+“SHH框架”進行搭建。

3 基于大數據的實驗室數字管理系統設計

3.1 系統體系結構設計

實驗室數字管理系統部署在云計算平臺的SaaS層，云計算平臺將為管理系統提供強大的數據計算、分析服務。

系統采用C/S與B/S的混合架構模式，將兩種體系結構有機結合，充分發揮各自優勢的同時，極大的提高數據訪問的安全性，同時高校內部用戶的交互性將大大提升，數據查詢、修改、導出具有更快的響應速度。如圖1所示。

3.2 C/S功能結構設計

C/S結構主要用于學校內部用戶的訪問，通過C/S模式訪問中心數據庫，能夠實現數據的增加、刪除、修改、查詢等各種方式，整個管理系統主要由以下五大功能模塊構成：系統管理、實驗教學管理、學生實驗管理、實驗室管理、數據輸出。

3.2.1 系統管理

主要面向系統管理員和系統維護人員，用于系統設置、權限分配和數據維護等，包括對全校實驗室信息、實驗教師信息、實驗人員信息、學生信息、課程信息、專業信息等數據進行維護，同時對實驗室管理數字系統相關運行參數的修改，以及對其他維護信息進行的數據增加、查詢、修改、刪除等操作。

3.2.2 實驗教學管理

該模塊主要面向實驗教師，內容包括開設實驗課程信息、實驗教師信息、實驗班級/人員信息、學生實驗成績管理等。

3.2.3 學生實驗管理

主要面向學生用戶，包括學生的自主選課、對內對外的實驗預約、實驗學生信息、學生實驗成績查詢等。

3.2.4 實驗室管理

包括實驗室新增信息、實驗室更新維護以及報廢信息、實驗室開放信息等，在資產信息方面，主要是儀器設備的更新、維護、報廢、借用等，以及日常運行中對儀器設備使用的實時監控、突發狀況時向管理人員及時報警、某時間段內的儀器設備使用情況等。在該模塊中，最主要的就是實驗室資產信息庫的管理，龐大的實驗室資產信息將通過此模塊進行登記、查詢等操作。

3.2.5 數據輸出

實驗室管理人員可以通過該模塊，自助選擇需要的數據內容進行輸出打印操作，如某一時間段內某實驗室的實驗人數、教學儀器設備的年使用率、教育部相關信息統計的報表導出等。

3.3 B/S功能結構設計

三級用戶可以直接通過瀏覽器對實驗室管理系統進行訪問，執行實驗室的預約、查詢、數據打印、信息發布等操作。用戶使用瀏覽器通過B/S模式訪問數據庫，快速獲取自身所需要的信息，如實驗室使用情況、實驗室運行情況、資產設備情況、學生成績查詢、學生實驗預約、報表打印輸出、通知公告等。

4 結束語

基于大數據的實驗室數字管理系統，采用C/S與B/S相混合的系統結構，同時將大數據與云計算技術充分融合，不但可以整合實驗室教學資源，提高資源共享及資源利用率，還可以大大降低實驗室管理人員工作復雜度，將實驗室管理從粗放型、經驗型從精細化、科學化的模式轉變，顯著提升高校實驗室管理效率，提高服務質量。