摘 要：本文在分析實驗室信息管理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)發(fā)展的基礎(chǔ)上，指出目前LIMS體系結(jié)構(gòu)的缺陷，分析了面向服務(wù)架構(gòu)的思想以及這種思想基于XML Web Services的實現(xiàn)方法，從而給出了一種新型的實驗室信息管理系統(tǒng)架構(gòu)。文章結(jié)合某高校電工電子中心實驗室LIMS的設(shè)計開發(fā)過程，闡述了面向服務(wù)架構(gòu)的具體應(yīng)用過程和應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：實驗室信息管理系統(tǒng) 系統(tǒng)架構(gòu) SOA XML Web Services

中圖分類號：TP303 文獻標識碼：A 文章編號：1673-8454（2008）23-0037-03

實驗教學(xué)是高等院校教學(xué)工作的一個重要組成部分，實驗室是開展實驗教學(xué)、培養(yǎng)學(xué)生綜合能力的重要場所，高等院校實驗室的管理水平直接影響到學(xué)生的教學(xué)質(zhì)量和水平。隨著實驗室管理理論研究的深入和信息技術(shù)的發(fā)展，計算機和網(wǎng)絡(luò)開發(fā)技術(shù)在實驗室管理中發(fā)揮的作用越來越重要，目前已經(jīng)形成了較為成熟的實驗室信息管理系統(tǒng)（LIMS，Laboratory Information Management Systems）。

在實驗室信息管理系統(tǒng)的建設(shè)過程中，設(shè)計開發(fā)和使用人員對系統(tǒng)的功能、組成、關(guān)鍵技術(shù)路線等問題進行了多方面深入的研究和探討，相對而言對系統(tǒng)的整體架構(gòu)研究略顯不足。常見的LIMS僅僅采用通用的C/S或B/S結(jié)構(gòu)，缺少深入的研究，而系統(tǒng)的整體架構(gòu)研究雖然在具體的表現(xiàn)形式和功能上反映不多，卻常常對系統(tǒng)的可用性和易用性有著巨大的影響。本文從實驗室信息管理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，結(jié)合在某高校成功使用的電工電子實驗室信息管理系統(tǒng)的研究和開發(fā)過程，介紹一種新型的SOA設(shè)計思想在LIMS中的應(yīng)用。

一、LIMS體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展

1.典型LIMS體系結(jié)構(gòu)

LIMS體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展與計算機軟件理論的發(fā)展息息相關(guān)，一般而言，LIMS的體系結(jié)構(gòu)類型到目前為止主要有單一應(yīng)用結(jié)構(gòu)（單機版系統(tǒng)）、C/S結(jié)構(gòu)（客戶機/服務(wù)器結(jié)構(gòu)）、B/S結(jié)構(gòu)（瀏覽器/服務(wù)器結(jié)構(gòu)）等三類。

單機版系統(tǒng)從整體上看，軟件沒有層次，通常一個應(yīng)用程序包含了所有的應(yīng)用邏輯，包括后臺的數(shù)據(jù)處理、前臺對用戶的響應(yīng)以及對處理結(jié)果的顯示等，軟件功能往往比較單一、具體。

C/S結(jié)構(gòu)是指將整個系統(tǒng)在邏輯上劃分成前端客戶進程和后臺服務(wù)器進程，兩者通過局域網(wǎng)連接。前端的客戶應(yīng)用程序主要完成顯示界面、與用戶進行交互，而后臺的服務(wù)器進程主要負責(zé)進行數(shù)據(jù)處理，將處理后的結(jié)果返回給用戶。采用C/S模式的系統(tǒng)交互性好、速度快，適合于系統(tǒng)中大量數(shù)據(jù)的輸入輸出操作；但是它難以實現(xiàn)集中控制，一旦修改應(yīng)用程序邏輯，安裝在每臺客戶機上的應(yīng)用程序都要作相應(yīng)的修改，系統(tǒng)維護工作量非常大。目前這種結(jié)構(gòu)的LIMS在行業(yè)專用實驗室中仍然大量存在。

隨著Internet/Intranet/Extranet技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是基于Web（HTML、HTTP）的信息發(fā)布和檢索技術(shù)的發(fā)展，整個應(yīng)用系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)從C/S的主從結(jié)構(gòu)向靈活的B/S結(jié)構(gòu)演變。B/S結(jié)構(gòu)的實驗室信息管理系統(tǒng)只需在客戶端通過常見的瀏覽器即可運行，大部分事務(wù)在服務(wù)器上進行。其特點表現(xiàn)在采用統(tǒng)一的瀏覽器軟件、使用簡單、易于維護、信息共享度高、擴展性好等方面。此結(jié)構(gòu)的LIMS凝結(jié)了信息技術(shù)的創(chuàng)新成果，代表了當前LIMS的主要發(fā)展方向。

B/S結(jié)構(gòu)是一種真正的開放式體系，在實際應(yīng)用中，如果把實驗室管理相關(guān)業(yè)務(wù)邏輯處理放在客戶層，則往往使客戶層非常笨重（需采用富客戶端技術(shù)加以實現(xiàn)）；如果把業(yè)務(wù)邏輯處理放在服務(wù)器層，則往往難以在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中實現(xiàn)復(fù)雜的應(yīng)用邏輯。因此，將業(yè)務(wù)邏輯處理作為單獨一層，即中間層，兩層結(jié)構(gòu)就自然演變?yōu)锽/S/S三層結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

2.傳統(tǒng)LIMS體系結(jié)構(gòu)的缺陷

在具體的軟件系統(tǒng)開發(fā)實現(xiàn)過程中，無論是C/S結(jié)構(gòu)還是B/S結(jié)構(gòu)，采用傳統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)方法均存在一系列的問題，主要表現(xiàn)在如下兩個方面：

（１）上述模式在設(shè)計過程中具有明顯的“緊密耦合”的特點，即系統(tǒng)往往由需求出發(fā)，一環(huán)扣一環(huán)地進行開發(fā)，對于一成不變的系統(tǒng)（如固定流程的工業(yè)用系統(tǒng)），這是一個優(yōu)勢，但是作為一個與實驗室管理人員、教學(xué)人員、學(xué)生等多種客戶強交互的系統(tǒng)，系統(tǒng)流程、系統(tǒng)功能等方面經(jīng)常會變動，這時需要的是“松散耦合”的結(jié)構(gòu)。

（２）在開發(fā)過程中，傳統(tǒng)的B/S/S限于開發(fā)技術(shù)，存在許多局限，如編碼過程中前臺頁面、后臺代碼混合在一起，一方面導(dǎo)致效率低下，另一方面為系統(tǒng)的升級維護帶來困難，同時在用戶端也不容易獲得良好的體驗。

在這種情況下，需要對B/S/S的三層體系結(jié)構(gòu)進行改進，一種有效的方法就是使用SOA的設(shè)計思想來指導(dǎo)B/S/S系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)。

二、SOA設(shè)計思想及其實現(xiàn)

1.SOA設(shè)計思想介紹

面向服務(wù)架構(gòu)（Service Oriented Architecture，SOA）是一種架構(gòu)模型，它可以根據(jù)需求通過網(wǎng)絡(luò)對松散耦合的粗粒度應(yīng)用組件進行分布式部署、組合和使用。SOA是一個基于標準的組織和設(shè)計方法，它將應(yīng)用程序的不同功能單元（稱為服務(wù)）通過這些服務(wù)之間定義良好的接口和契約聯(lián)系起來。SOA的概覽如圖2所示。

基于SOA的實驗室信息管理系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)一般而言可概括為兩個方面的工作：需求級別的抽象和代碼級別的抽象。需求級別的抽象目的是通過盡可能地擴展用戶需求，從而為可能出現(xiàn)的應(yīng)用做好準備；代碼級別的抽象則是在開發(fā)過程中將數(shù)據(jù)操作、邏輯計算、用戶界面等在代碼的級別分開并整合。與傳統(tǒng)模式相比，SOA具有松散耦合、基于標準、共享服務(wù)、組合服務(wù)、粗細粒度可調(diào)、同步異步可調(diào)等特性，在具體的系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)過程中，這些特性是十分有用和高效的。

2.基于XML Web Services的SOA實現(xiàn)

SOA思想在實驗室信息管理系統(tǒng)中的貫徹需要具體的開發(fā)技術(shù)和方法的支持，本文中的電工電子實驗室信息管理系統(tǒng)是通過引入XML Web Services來實現(xiàn)面向服務(wù)架構(gòu)的。

XML Web Services（或簡稱為Web服務(wù)）是可通過標準的Internet協(xié)議（如HTTP）編程訪問的、自適應(yīng)的、自描述的Web組件。也就是說，Web服務(wù)是松散耦合的、可重用的軟件模塊，它封裝了離散的功能，在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布后能通過標準的Internet協(xié)議（如HTTP）在程序中訪問。Web服務(wù)具有模塊化、可訪問性、良好描述、實現(xiàn)獨立、互操作等特點，由于它是基于開放的因特網(wǎng)標準，故不局限于特定的軟件平臺。它的結(jié)構(gòu)單元是簡單對象訪問協(xié)議（Simple Object Access Protocol，SOAP）、Web服務(wù)描述語言（Web Service Description Language， WSDL）和通用描述、發(fā)現(xiàn)與集成（Universal Description，Discovery，and Integration，UDDI）。上述三個結(jié)構(gòu)單元是構(gòu)建Web服務(wù)的核心與基礎(chǔ)。由這些分析可知，XML Web Services是一種重要的SOA實現(xiàn)方法，在本系統(tǒng)中的粗粒度實現(xiàn)如圖3所示。需要指出的是，根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯的不同圖3中的各種應(yīng)用需要進行不同的擴展和具體實現(xiàn)。

三、電工電子實驗中心LIMS設(shè)計開發(fā)簡述

1.LIMS系統(tǒng)構(gòu)架

由于系統(tǒng)引入了SOA的設(shè)計思想并通過XML Web Services予以實現(xiàn)，因此系統(tǒng)運行期結(jié)構(gòu)可分為數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、業(yè)務(wù)邏輯（Web服務(wù)實現(xiàn)）、動態(tài)頁面、客戶端頁面等四個部分。這種結(jié)構(gòu)去除了功能與其調(diào)用的底層服務(wù)（基本函數(shù)）及相關(guān)的數(shù)據(jù)表的緊密耦合，使得數(shù)據(jù)、邏輯、用戶界面之間脫離了簡單的一一對應(yīng)關(guān)系，在開發(fā)編碼期擺脫了繁瑣的細節(jié)，在系統(tǒng)運行期便于維護和擴展，對于用戶而言，由于Web服務(wù)的應(yīng)用，可以進一步地使用AJAX技術(shù)獲得更好的用戶體驗。

2.開發(fā)技術(shù)

本系統(tǒng)是在.Net Framework 1.1支持下，使用Visual Studio 2003開發(fā)平臺中的C#相關(guān)開發(fā)工具進行開發(fā)，主要使用了ASP.Net、ADO.Net等具體開發(fā)技術(shù)。

ASP.Net又叫ASP+，它不是ASP的簡單升級，而是Microsoft公司最新推出的基于通用語言的編程框架，使用它可以在服務(wù)器端架構(gòu)強大的網(wǎng)絡(luò)程序，是新一代編制企業(yè)級網(wǎng)絡(luò)的平臺。ASP.Net是微軟發(fā)展的新型體系結(jié)構(gòu).Net的一部分，是動態(tài)服務(wù)器頁面和.Net這兩個主要技術(shù)的集合，是利用.Net提供的新功能來創(chuàng)建動態(tài)Web頁的一種方法。ADO.Net與以前的數(shù)據(jù)訪問技術(shù)，如ADO、OLEDB、ODBC、RDO、DAO等技術(shù)相比，幾乎是一種全新的數(shù)據(jù)訪問技術(shù)。其改進之處在于它支持各種類型的數(shù)據(jù)存儲器，優(yōu)化了單獨的數(shù)據(jù)提供者，適用于遠程數(shù)據(jù)，可以處理大量用戶同時訪問數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序，而且關(guān)鍵在于它使用了新功能：使用斷開連接的數(shù)據(jù)，托管提供者及XML數(shù)據(jù)等，這些特性使得它在以數(shù)據(jù)為中心的實驗室信息管理系統(tǒng)中可以最大限度地發(fā)揮作用。

3.系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

LIMS系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖4所示。主要由信息發(fā)布子系統(tǒng)、實驗教學(xué)管理子系統(tǒng)、開放式實驗預(yù)約子系統(tǒng)、儀器設(shè)備管理子系統(tǒng)以及實驗過程管理子系統(tǒng)等功能模塊構(gòu)成。

由于采用了SOA的設(shè)計思想，系統(tǒng)雖然在功能上進行了模塊的劃分，但在SOA指導(dǎo)下的實現(xiàn)過程中，并沒有逐一模塊地去依次開發(fā)，而是首先分析了各模塊之間在需求上的內(nèi)在關(guān)系，并將這些關(guān)系設(shè)計成可通過不同方式（網(wǎng)頁、應(yīng)用程序）調(diào)用的Web服務(wù)。如實驗預(yù)約子系統(tǒng)、實驗室教學(xué)管理系統(tǒng)和實驗過程管理子系統(tǒng)，三者對實驗課教師、學(xué)生、實驗設(shè)備的狀態(tài)有著共同的需求，系統(tǒng)則在底層實現(xiàn)了如下（部分）服務(wù)：

（１）ＳｅｔＣｌａｓｓＳｔａｔｅ（ＣｌａｓｓＩＤ）、ＧｅｔＣｌａｓｓＳｔａｔｅ（ＣｌａｓｓＩＤ）：實驗教室狀態(tài)的獲取和設(shè)定；

（２）ＧｅｔＴｅａｃｈｅｒｓＩｎｆｏ（）、ＧｅｔＴｅａｃｈｅｒＩｎｆｏ（ＴｅａｃｈｅｒＩＤ）：所有教師或指定教師信息的獲?。?/p>

（３）ＧｅｔＳｔｕｄｅｎｔＩｎｆｏ（）、ＧｅｔＳｔｕｄｅｎｔＰＩｎｆｏ（ＰＩＤ）：學(xué)生以及其屬性信息的獲?。?/p>

（４）ＧｅｔＥＱＩｎｆｏ（ＥＱＩＤ）、ＳｅｔＥＱＩｎｆｏ（ＥＱＩＤ）：指定實驗設(shè)備信息的獲取和設(shè)定。

由于這些基本的服務(wù)在需求過程中，已經(jīng)對跨功能模塊進行了抽象和分析，因此，具體的系統(tǒng)開發(fā)過程中，可被多次重用，提高了系統(tǒng)的開發(fā)效率，也降低了出現(xiàn)不必要異常的可能性。

進一步的，使用SOA思想是可以分層次的，對以上的基本服務(wù)，它們的實現(xiàn)都是通過數(shù)據(jù)庫操作來完成的，可以將數(shù)據(jù)庫操作進一步抽象，在本系統(tǒng)中的抽象，是以XML格式的文檔作為參數(shù)來完成，即使用XML對要操作的庫、表、字段、條件等進行了完整的描述，目前實現(xiàn)的操作有：庫的連接和斷開、連接狀態(tài)查詢、表查詢（包括聯(lián)合查詢）、插入信息、刪除信息、更新信息等。

四、結(jié)束語

基于面向服務(wù)架構(gòu)（SOA）是一種有效的進行實驗室信息管理系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計方法，它對具體的實驗室信息管理系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)實踐過程有著重要的指導(dǎo)意義。本文所述的電工電子實驗中心LIMS由于在設(shè)計中充分貫徹SOA，實現(xiàn)了新型的面向服務(wù)的架構(gòu)，其開發(fā)過程簡捷高效，目前運行穩(wěn)定可靠，使用人員對系統(tǒng)的可用性和易用性都給予了良好的評價。應(yīng)用實踐表明，這種基于SOA的新型系統(tǒng)架構(gòu)對實驗室信息管理系統(tǒng)架構(gòu)理論水平的提高和開發(fā)過程的指導(dǎo)均有良好的作用，具有較好的應(yīng)用和推廣價值。

參考文獻：

[1]盧鳳珠，吳達勝等. 基于C/S與B/S模式的實驗室管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].四川教育學(xué)院學(xué)報，2005(3):83-85.

[2]施能進，胡運昌.高職院校實驗室管理實行MIS的探討[J].寧波工程學(xué)院學(xué)報，2005(2):87-89.

[3]顧東曉，李梅川等.基于C/S與B/S混合模式的高校實驗室建設(shè)與維護管理信息系統(tǒng)開發(fā)[J].實驗室技術(shù)與管理，2007(1):79-83.

[4]張潤杰，劉維民等. 基于B/S模式的網(wǎng)絡(luò)版實驗室管理系統(tǒng)[J] .首都師范大學(xué)學(xué)報，2005(2):16-18.

[5]吳敏，劉曉強，陳家訓(xùn). 基于Web Services 的安全服務(wù)框架及其在數(shù)字化校園中的應(yīng)用研究[J].東北大學(xué)學(xué)報，2006(6):97-101.

[6]謝健，劉原奇，易先卉.高校開放式實驗室設(shè)備管理系統(tǒng)的研究[J].計算技術(shù)與研究，2007(1):102-103.

[7]王群.實驗室信息管理系統(tǒng)(LIMS)原理:技術(shù)與實施指南[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社， 2004.