文/石偉豪 趙李冰

實驗室是高校進行實驗教學(xué)、科學(xué)研究的重要人才培養(yǎng)場所，隨著高校實驗室儀器設(shè)備種類、數(shù)量的急劇增加，在現(xiàn)代信息技術(shù)飛速發(fā)展的當(dāng)下，如何利用科學(xué)技術(shù)處理海量數(shù)據(jù)，對實驗室進行數(shù)字化、科學(xué)化管理，已然成為了當(dāng)下實驗室管理關(guān)注的重點?；诖髷?shù)據(jù)的實驗室管理數(shù)字系統(tǒng)，結(jié)合云計算技術(shù)，可以有效提高資源共享、加強數(shù)據(jù)運算，全面提升實驗室管理水平。

1 系統(tǒng)開發(fā)背景與要求

1.1 實驗室管理現(xiàn)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(xiàn)代化的計算機設(shè)備以及管理系統(tǒng)只是輔助作用，主要還是承擔(dān)資產(chǎn)記錄的作用，對于臨時性的資源調(diào)配、問題發(fā)現(xiàn)解決以及長久性的資源共享機制建設(shè)，都沒有很好的實現(xiàn)。

1.1.2 信息整理復(fù)雜

隨著實驗教學(xué)要求的不斷變化、提高，實驗儀器設(shè)備更加多樣化、復(fù)雜化，需要存儲、記錄、修改的信息越來越大，如何對儀器設(shè)備進行“規(guī)范命名”、“高效匯總”、“快速查詢”、“智能導(dǎo)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(shù)據(jù)記錄與管理，在為新項目的規(guī)劃建設(shè)時，無法提供詳細、全面的數(shù)據(jù)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(tǒng)一平臺的規(guī)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(xiàn)業(yè)務(wù)交叉、共享利用時需要進行大工程量的人為干預(yù)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(xué)、有效的判斷。

圖1：系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖設(shè)計

1.2 系統(tǒng)開發(fā)要求

目前實驗室管理系統(tǒng)更多的是采用C/S架構(gòu)或者單機系統(tǒng)，在功能應(yīng)用上只是作為數(shù)據(jù)增加、查找、修改、刪除等簡單用途，在信息共享、數(shù)據(jù)時效性方面更是存在不足?；跀?shù)據(jù)安全性、簡化客戶端、提高復(fù)雜業(yè)務(wù)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(shù)據(jù)的實驗室數(shù)字管理系統(tǒng)將采用C/S與B/S相結(jié)合的混合模式。

同時，為加強數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的實驗室管理數(shù)字系統(tǒng)將充分結(jié)合云計算技術(shù)，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(shù)概述

云計算是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的全新計算方式，通過互聯(lián)網(wǎng)上異構(gòu)、自治的服務(wù)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(lián)網(wǎng)，將復(fù)雜的待處理程序拆分成多個子程序，交由多部服務(wù)器組成的系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)搜索、計算、分析，再講處理結(jié)果返回用戶。采用云計算技術(shù)，可以在數(shù)秒內(nèi)處理數(shù)以萬計、億計乃至更多的信息，實現(xiàn)和超級計算機一樣強大的效果。

2.2 云計算平臺架構(gòu)設(shè)計

實驗室管理系統(tǒng)的云計算平臺，以分層設(shè)計為主導(dǎo)，依托飛速發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)，通過虛擬化、分布式存儲等技術(shù)方式，整合高校各實驗中心的實驗教學(xué)資源，為實驗室管理系統(tǒng)提供更加強大的數(shù)據(jù)存儲、信息計算等服務(wù)。

實驗室管理系統(tǒng)的云平臺主要分“管理”和“服務(wù)”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(tǒng)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(wù)方面，主要基于云的各種服務(wù)為主。服務(wù)部分包括三大核心層：基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù)層（IaaS）、平臺即服務(wù)層（PaaS）、軟件即服務(wù)層（SaaS）。

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

3 基于大數(shù)據(jù)的實驗室數(shù)字管理系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

實驗室數(shù)字管理系統(tǒng)部署在云計算平臺的SaaS層，云計算平臺將為管理系統(tǒng)提供強大的數(shù)據(jù)計算、分析服務(wù)。

系統(tǒng)采用C/S與B/S的混合架構(gòu)模式，將兩種體系結(jié)構(gòu)有機結(jié)合，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢的同時，極大的提高數(shù)據(jù)訪問的安全性，同時高校內(nèi)部用戶的交互性將大大提升，數(shù)據(jù)查詢、修改、導(dǎo)出具有更快的響應(yīng)速度。如圖1所示。

3.2 C/S功能結(jié)構(gòu)設(shè)計

C/S結(jié)構(gòu)主要用于學(xué)校內(nèi)部用戶的訪問，通過C/S模式訪問中心數(shù)據(jù)庫，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的增加、刪除、修改、查詢等各種方式，整個管理系統(tǒng)主要由以下五大功能模塊構(gòu)成：系統(tǒng)管理、實驗教學(xué)管理、學(xué)生實驗管理、實驗室管理、數(shù)據(jù)輸出。

3.2.1 系統(tǒng)管理

主要面向系統(tǒng)管理員和系統(tǒng)維護人員，用于系統(tǒng)設(shè)置、權(quán)限分配和數(shù)據(jù)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(xué)生信息、課程信息、專業(yè)信息等數(shù)據(jù)進行維護，同時對實驗室管理數(shù)字系統(tǒng)相關(guān)運行參數(shù)的修改，以及對其他維護信息進行的數(shù)據(jù)增加、查詢、修改、刪除等操作。

3.2.2 實驗教學(xué)管理

該模塊主要面向?qū)嶒灲處?，?nèi)容包括開設(shè)實驗課程信息、實驗教師信息、實驗班級/人員信息、學(xué)生實驗成績管理等。

3.2.3 學(xué)生實驗管理

主要面向?qū)W生用戶，包括學(xué)生的自主選課、對內(nèi)對外的實驗預(yù)約、實驗學(xué)生信息、學(xué)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(chǎn)信息方面，主要是儀器設(shè)備的更新、維護、報廢、借用等，以及日常運行中對儀器設(shè)備使用的實時監(jiān)控、突發(fā)狀況時向管理人員及時報警、某時間段內(nèi)的儀器設(shè)備使用情況等。在該模塊中，最主要的就是實驗室資產(chǎn)信息庫的管理，龐大的實驗室資產(chǎn)信息將通過此模塊進行登記、查詢等操作。

3.2.5 數(shù)據(jù)輸出

實驗室管理人員可以通過該模塊，自助選擇需要的數(shù)據(jù)內(nèi)容進行輸出打印操作，如某一時間段內(nèi)某實驗室的實驗人數(shù)、教學(xué)儀器設(shè)備的年使用率、教育部相關(guān)信息統(tǒng)計的報表導(dǎo)出等。

3.3 B/S功能結(jié)構(gòu)設(shè)計

三級用戶可以直接通過瀏覽器對實驗室管理系統(tǒng)進行訪問，執(zhí)行實驗室的預(yù)約、查詢、數(shù)據(jù)打印、信息發(fā)布等操作。用戶使用瀏覽器通過B/S模式訪問數(shù)據(jù)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(chǎn)設(shè)備情況、學(xué)生成績查詢、學(xué)生實驗預(yù)約、報表打印輸出、通知公告等。

4 結(jié)束語

基于大數(shù)據(jù)的實驗室數(shù)字管理系統(tǒng)，采用C/S與B/S相混合的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時將大數(shù)據(jù)與云計算技術(shù)充分融合，不但可以整合實驗室教學(xué)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(fù)雜度，將實驗室管理從粗放型、經(jīng)驗型從精細化、科學(xué)化的模式轉(zhuǎn)變，顯著提升高校實驗室管理效率，提高服務(wù)質(zhì)量。