基于K-means算法的高校實驗室管理系統設計

黃 恒

(黎明職業大學 實驗實訓部，福建 泉州362000)

隨著高等教育不斷發展，高校實驗室建設由傳統的結構單一、系統簡單化、規模較小逐步向結構復雜、系統復雜以及規模龐大等方向轉變。高校實驗室除了承擔高等教學工作，還為教師開展科研工作提供服務。如何管理實驗室系統已成為高校實驗室管理面臨的重大問題[1]。

目前，高校實驗室管理系統研究主要有：為解決設備數據傳輸問題，提出采用無線射頻技術傳輸數據，通過軟硬件設計與實現，解決了設備數據傳輸問題。針對當前繁雜的管理問題，提出采用智能方式替代原有實驗室管理，該方法提高了實驗室管理系統的功能。隨著信息技術的不斷發展，實驗室運行產生大量數據，而實驗室管理系統對產生的數據未給予足夠重視。針對這一問題，采用K-means算法對高校實驗室管理系統數據進行挖掘，為高校實驗室管理系統提供參考[2]。

1 系統需求分析

1.1 需求分析

圖1 系統總體用例圖

高校實驗室管理系統使用者分為教師、學生以及實驗室管理員。教師通過該系統進行相應設備預約、耗材使用、教學工作開展以及科研工作開發。學生通過該系統進行實驗學習。系統管理員承擔實驗室管理系統管理工作[3]。

高校實驗室管理系統包含的功能模塊有：權限管理、用戶管理、設備管理、耗材管理、場地管理、學生管理、采購管理、數據挖掘管理等，如圖1所示。

權限管理包含的功能主要有：權限添加、權限修改、權限查看以及權限刪除等。學生管理包含的功能有：學生信息查看、學生成績管理、學生作業管理、學生課程管理等。設備管理包含功能有：設備添加、設備查看、設備使用記錄管理、設備維護管理等。耗材管理包含的功能有：耗材領用管理、耗材采購管理、耗材危化品管理[4]。場所管理包含的功能有：場所信息查看、場所信息添加、場所預約等；數據挖掘主要提供數據分析。管理體系包含相應的質量管理、文件管理等。

1.2 系統非功能需求分析

由于高校實驗室承擔著教學、科研工作，每天有大量學生、教師上網完成相應的操作，需要保證其穩定運行。本文所設計的系統能在60天內正常運行，出現故障后在3小時內解決。系統能夠同時支持1500人同時在線，服務器使用率控制在85%以下。

2 功能設計

2.1 K-means算法設計

(1)輸入學生數據集信息；

(2)選取K個聚類點，并初始聚類點位置；

(3)按照劃分方式進行中心位置查找；

(4)循環(2)～(3)過程直到J不發生改變。

2.2 數據庫設計

為降低系統開發成本，選取開源Mysql數據庫作為高校實驗室管理系統存儲數據庫。高校實驗室管理系統中包含大量信息，需要配置相應的數據表，例如權限信息表、設備信息表、學生信息表、采購信息表。如表1所示。

表1 設備信息表

設備信息表用于存儲設備信息。包含字段有：設備編號、設備類別、設備名、設備使用信息、設備價格、設備生產地址、設備購置時間以及設備附件等。

表2 學生信息表

學生信息表用于存儲學生信息。包含字段有：學生編號、學生班級、學生名、學生專業、學生成績、學生作業信息、學生進校時間、學生性別以及備注等。

2.3 功能設計

高校實驗室管理系統功能有：權限管理、學生管理、數據挖掘管理、設備管理等。實驗室管理系統功能架構圖如圖2所示。

圖2 實驗室管理系統架構圖

2.4 功能設計

實驗室管理系統包含的功能比較多，本文只分析部分功能。采用UML建模技術進行功能設計。

(1)設備管理功能設計

設備管理中包含了設備信息添加、設備信息查看、設備信息修改、設備信息維護以及設備信息使用管理等。如圖3所示。

圖3 設備管理類圖

設備管理包含equipment_Web、equipment_BLL、equipment_DALL，分別用于設備界面管理、設備業務邏輯管理以及設備信息管理。在equipment_Web中顯示設備添加、設備修改、設備查看以及設備使用管理等。界面中采用Html技術+javascript技術完成界面展示，數據通過Post方式傳輸到后臺進行業務邏輯管理、數據管理。

(2)耗材管理。耗材管理包含耗材申請、耗材領用、耗材危化品管理、耗材預警。學生在使用耗材時可在系統中填寫相應的申請表；耗材申請用于耗材購買管理；耗材危化品管理是系統核心功能，由于危化品可能危及到學生生命因此需要嚴格管理；耗材預警管理是對耗材進行預警管理。耗材管理如圖4所示。

圖4 耗材管理類圖

耗材管理包含的種類有：Consumables_web、Consumables_BLL、Consumables_DALL，用于耗材界面管理、耗材業務邏輯管理以及耗材數據管理。

(3)數據挖掘管理。采用C#語言編寫系統，開源框架Accord.NET作為數據挖掘內容，該框架中提供數據挖掘K-means算法等，可降低開發成本。

3 功能實現

系統編寫環境為VS2013，為解決系統兼容性問題，系統采用B/S結構進行實現。系統采用服務器端操作系統運行在Windows2008，服務器使用IIS8.0。系統實驗設備管理界面如圖5所示。管理員在系統中可進行儀器設備信息添加。

圖5 系統設備管理界面

4 結論

以K-means算法作為高校實驗室管理系統挖掘算法，與傳統實驗室管理系統相比，所開發的管理系統能從海量數據中挖掘出有用信息。此外，系統還增加了危化品管理功能，適時監控危化品使用，強化了實驗室管理。