基于云技術(shù)的實驗室管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)＊

廈門華廈學(xué)院 陳志聰 洪小堅

在引入云技術(shù)之前，實驗室的管理不足可能會導(dǎo)致實驗室不能完全滿足用戶要求。由此可能導(dǎo)致實驗室效率低下且不靈活，甚至在維護(hù)時容易出錯。因此，需要一種具有明確目標(biāo)、采用成熟技術(shù)的實驗室管理系統(tǒng)，以充分識別、映射、驗證和優(yōu)化實驗室功能、事件和數(shù)據(jù)。所設(shè)計的實驗室管理系統(tǒng)要充分考慮實驗室快速、高效和透明的需要，利用最新的云技術(shù)工具，實現(xiàn)管理系統(tǒng)高度的信息化和智能化，并確保實驗室具有更好的可訪問性。

隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，實驗室的規(guī)模不斷擴(kuò)大，涉及項目日趨增加，使用人數(shù)不斷增長，由此加重實驗室管理人員的工作負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致部分實驗室在日常管理中存在資源浪費、功能欠缺、效率低下、管理工作繁重等問題，實驗室管理亂象頻發(fā)。基于此，有必要設(shè)計一套更加高效的、自動化的、具有一定智能的實驗室管理系統(tǒng)，為實驗室的高質(zhì)量發(fā)展貢獻(xiàn)力量。由于不同行業(yè)和項目的實驗室對其管理系統(tǒng)的需求也有所不同，本次研究以高校計算機(jī)實驗室為例，基于現(xiàn)階段云技術(shù)的研究成果，闡述一套高信息化的計算機(jī)實驗室管理系統(tǒng)，并論證所設(shè)計的實驗室管理系統(tǒng)的實現(xiàn)，以期為從業(yè)人員的研究和實踐提供一定的幫助。

1 基于云技術(shù)的實驗室管理系統(tǒng)需求

通常，傳統(tǒng)的實驗室管理依賴手動方法、電子表格和非集成模塊化軟件的組合來滿足數(shù)據(jù)管理和操作需求。針對高校計算機(jī)實驗室的管理而言，其業(yè)務(wù)核心主要包括對實驗室的預(yù)約、使用和維護(hù)等方面的協(xié)調(diào)和管理[1]。具體來說，基于云技術(shù)的實驗室管理系統(tǒng)的設(shè)計需求主要包括以下幾點：

（1）所設(shè)計的計算機(jī)實驗室管理系統(tǒng)需要滿足高校計算機(jī)課程日常教學(xué)和課題研究的計劃安排；能夠為高校計算機(jī)課程的教學(xué)人員和研究人員提供預(yù)約服務(wù)并提供自動的實驗室匹配，以降低實驗室管理人員的工作量，提升實驗室管理工作效率。（2）所設(shè)計的計算機(jī)實驗室管理系統(tǒng)需要滿足管理人員對實驗室的硬件設(shè)備和軟件資源的管理，包括實時顯示計算機(jī)實驗室設(shè)備使用情況、耗材庫存情況、實驗室資源統(tǒng)計等，以實現(xiàn)高校計算機(jī)實驗室資源分配和減少并最終取代過時的、主要基于紙質(zhì)和電子電子表格的數(shù)據(jù)和工作流管理系統(tǒng)。（3）所設(shè)計的計算機(jī)實驗室管理系統(tǒng)需要滿足全方位服務(wù)高校計算機(jī)實驗室的各種信息管理需求，強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)良好的開發(fā)過程的整體重要性，并描述現(xiàn)代技術(shù)的新應(yīng)用。

基于上述系統(tǒng)需求，本次研究使用基于云技術(shù)的項目管理方法和第三方合作伙伴關(guān)系，用于構(gòu)建和部署適用于現(xiàn)代高校計算機(jī)實驗室管理系統(tǒng)。

2 基于云技術(shù)的實驗室管理系統(tǒng)模型

云計算因其多重優(yōu)勢而越來越受歡迎，在最基本的形式中，云計算通過互聯(lián)網(wǎng)而不是計算機(jī)的硬盤驅(qū)動器存儲和訪問數(shù)據(jù)和程序。使用云計算的客戶不擁有基礎(chǔ)設(shè)施；相反，他們從第三方供應(yīng)商那里租用。因此，按需自助服務(wù)、廣泛的網(wǎng)絡(luò)訪問、資源池化和快速彈性是云計算和云服務(wù)的基本屬性[2]。依靠互聯(lián)網(wǎng)，云資源可隨時通過網(wǎng)絡(luò)訪問，允許組織通過云服務(wù)避免高昂的軟件許可費用。

在實際中，基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù)(IaaS)、平臺即服務(wù)(PaaS)和軟件即服務(wù)(SaaS)是云計算的三個基本類別[3]。其中，IaaS是云計算的基礎(chǔ)，它通常使用戶能夠訪問網(wǎng)絡(luò)功能、計算機(jī)和數(shù)據(jù)存儲。IaaS允許人們對IT資源擁有最大的靈活性和控制權(quán)。它可與許多IT部門和開發(fā)人員已經(jīng)熟悉的現(xiàn)有IT資源相媲美。PaaS消除了管理底層基礎(chǔ)設(shè)施的需要，允許人們專注于應(yīng)用程序的部署和管理。這可以提高工作效率，因為不必?fù)?dān)心資源采購、容量規(guī)劃、軟件維護(hù)、修補(bǔ)或任何其他與運(yùn)行應(yīng)用程序相關(guān)的無差別繁重工作。SaaS提供由服務(wù)提供商管理和維護(hù)的功能齊全的產(chǎn)品。

基于上述內(nèi)容，本系統(tǒng)功能模型分別使用基于云技術(shù)的Jira和Confluence來組織開發(fā)任務(wù)和項目文檔；TeamCity 2019.1用于構(gòu)建一個持續(xù)集成管道；PyCharm 2019.1、Docker Desktop Community 2.1.0.5、VirtualBox 6.1和Postman 8.1用于本地測試和開發(fā)。其中，Python是一種流行的通用高級編程語言，具有文檔完善、支持良好的工程標(biāo)準(zhǔn)，用于開發(fā)外部程序插件、自動化測試腳本、報告模板和其他服務(wù)。

對于高校計算機(jī)實驗室管理流程，開源Python s4-Clarity庫用于支持實驗室預(yù)約、實驗室儀器集成和其他實驗室資源統(tǒng)計。其中，外部程序插件(EPP)可在LIMS中訪問的獨立腳本文件，用于執(zhí)行過于復(fù)雜或繁瑣而無法在LIMS本身內(nèi)配置的計算、轉(zhuǎn)換或集成；應(yīng)用程序編程接口(API)用于連接多個應(yīng)用程序，允許它們交換信息并增加安全限制。

3 基于云技術(shù)的實驗室管理系統(tǒng)設(shè)計

3.1 功能架構(gòu)

本次研究所設(shè)計的高校計算機(jī)實驗室管理系統(tǒng)應(yīng)用了云技術(shù)，以期實現(xiàn)實驗室預(yù)約、實驗室管理、實驗室數(shù)據(jù)庫構(gòu)建等操作。因此，需要系統(tǒng)具備以下功能：

（1）所設(shè)計的計算機(jī)實驗室管理系統(tǒng)能夠讓用戶對資源分配提出申請，對資源的增加或減少提出申請；（2）所設(shè)計的計算機(jī)實驗室管理系統(tǒng)能夠提供對用戶請求的自動化部署，部署根據(jù)用戶的申請來實際部署，由云計算軟件管理平臺來自動實現(xiàn)；（3）所設(shè)計的計算機(jī)實驗室管理系統(tǒng)能夠進(jìn)行對學(xué)生成績的統(tǒng)計、查詢和管理[4]。

總體來看，所設(shè)計的高校計算機(jī)實驗室管理系統(tǒng)的功能框架如圖1所示。

圖1 高校計算機(jī)實驗室管理系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Architecture of university computer laboratory management system

3.2 數(shù)據(jù)庫分析

本研究所設(shè)計的基于云技術(shù)的高校計算機(jī)實驗室管理系統(tǒng)的E-R如圖2所示。

圖2 高校計算機(jī)實驗室管理系統(tǒng)的E-R圖Fig.2 E-R diagram of computer laboratory management system in colleges and universities

基于云技術(shù)的高校計算機(jī)實驗室管理系統(tǒng)，旨在支持以分層方式構(gòu)建工作流，其中工作流包含協(xié)議，而協(xié)議又包含步驟。最終用戶的工作分步進(jìn)行，促進(jìn)工作流程某一階段的步驟集合，通過分類和存儲實驗室工作流程數(shù)據(jù)來支持實驗室管理系統(tǒng)的接口和可追溯性[5]。因此，在管理系統(tǒng)中，云信息服務(wù)至關(guān)重要。它的作用是充當(dāng)數(shù)據(jù)中心和數(shù)據(jù)中心代理之間的聯(lián)絡(luò)人。CIS是一種云存儲，其中包含云中可用的資源。構(gòu)建數(shù)據(jù)中心時，必須首先向CIS注冊。然后，代理嘗試獲取已向CIS注冊的資源。一旦代理可以從CIS讀取數(shù)據(jù)，就與數(shù)據(jù)中心建立連接。本次研究所設(shè)計的系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫選擇Oracle 11G，用于儲存實驗室管理數(shù)據(jù)，如教室名稱、申請教師/學(xué)生、使用時間、耗材情況等；教師數(shù)據(jù)，如用戶名、部門、性別、編號等；學(xué)生數(shù)據(jù)，如用戶名、系別、性別、學(xué)號等。

4 基于云技術(shù)的實驗室管理系統(tǒng)實現(xiàn)

由于云計算的目的是最大限度地利用虛擬機(jī)(VM)，同時最大限度地減少數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營費用，因此資源調(diào)度至關(guān)重要。這導(dǎo)致云計算中服務(wù)質(zhì)量(QoS)指標(biāo)的提高[6]。為了實現(xiàn)云服務(wù)提供商和用戶雙方的目標(biāo)，資源調(diào)度管理了大量的用戶，并將它們?nèi)糠职l(fā)到最適用的虛擬機(jī)上，本次研究由于最終用戶能夠隨時隨地訪問資源，系統(tǒng)的難點之一就是RA。Soap/Restful Web API將存儲或計算請求連接到虛擬化ICT資源，是獲取云中可訪問資源的唯一途徑。由于云數(shù)據(jù)中心具有高度的資源人工性，云計算范式可以按需提供彈性資源分配。然而，如此高水平的人工可能會導(dǎo)致資源分配浪費。為了將按需資源分配給云終端客戶，該系統(tǒng)利用傳統(tǒng)調(diào)度算法的max-min和min-min原則，根據(jù)用戶的調(diào)度需求為用戶分配資源。選擇這種方法是因為它使用較少的計算機(jī)能力并采用啟發(fā)式算法。該方法與最佳匹配策略結(jié)合使用，會考慮每個主機(jī)節(jié)點的處理和存儲特性，虛擬機(jī)被分配到提供服務(wù)的最佳節(jié)點，同時考慮到用戶的需求以及每個節(jié)點的高低組成。具體的節(jié)點配置如表1所示。

表1 高校計算機(jī)實驗室管理系統(tǒng)節(jié)點配置表Tab.1 Node configuration table of university computer laboratory management system

在應(yīng)用中，所設(shè)計的系統(tǒng)通過描述聯(lián)合構(gòu)建優(yōu)化問題避免了整數(shù)規(guī)劃的復(fù)雜性，在獨立的網(wǎng)段192.128.0.*內(nèi)，使用迭代方法管理項目交付的實踐系統(tǒng)；系統(tǒng)優(yōu)化是通過持續(xù)發(fā)布來實現(xiàn)的，其中包括基于每次迭代中利益相關(guān)者審查的更改。該過程對于以機(jī)械的、漸進(jìn)的方式解決高度復(fù)雜的實驗室管理問題很有用。系統(tǒng)使用LIMS對工作流程進(jìn)行數(shù)字化建模，允許開發(fā)人員將代碼更改合并到一個中央存儲庫中，在那里可以更頻繁、更輕松地運(yùn)行構(gòu)建。通過持續(xù)集成(CI)管道，可以存儲和分類大量實驗室工作流程數(shù)據(jù)，并自動執(zhí)行可能會增加人為錯誤的費力、重復(fù)性工作流程任務(wù)。

5 結(jié)語

綜上所述，云技術(shù)的關(guān)鍵優(yōu)勢在于借助云資源（例如數(shù)據(jù)存儲和計算能力）提供按需訪問。基于云技術(shù)的實驗室管理系統(tǒng)可以在任何地方訪問所需的數(shù)據(jù)庫，并在服務(wù)器端有效處理所有功能特性。其有效的降低了一般實驗室管理系統(tǒng)的成本、提升了實驗室管理系統(tǒng)的工作效率、降低了實驗室管理人員的工作量，對于實驗室高質(zhì)量發(fā)展有重要意義。

引用

[1]李少峰,喬磊,楊孟飛,等.面向安全關(guān)鍵內(nèi)存管理系統(tǒng)分層驗證方法[J].軟件學(xué)報,2022,33(6):2312-2330.

[2]黃家明,李冠廣,侯青軍,等.面向云計算業(yè)務(wù)的總體擁有成本建模方法[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報,2020,41(4):589-594.

[3]段文雪,胡銘,周瓊,等.云計算系統(tǒng)可靠性研究綜述[J].計算機(jī)研究與發(fā)展,2020,57(1):102-123.

[4]尹世學(xué),黃樂,聞星火,等.基于B/S模式的實驗室開放基金管理信息系統(tǒng)[J].中山大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2009,48(S1):181- 182+188.

[5]王臻,聞星火,謝素萍,等.基于網(wǎng)站群的實驗室管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].中山大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2009,48(S1):156-158.

[6]陳國震.基于Linux的開放實驗室管理平臺設(shè)計[J].計算機(jī)工程,2006(16):269-270+279.