基于云计算的实验室综合管理系统的设计和应用

吴 旭， 陈仁安， 魏德志

(集美大学 诚毅学院 实验管理中心， 福建 厦门 361021)



基于云计算的实验室综合管理系统的设计和应用

吴 旭， 陈仁安， 魏德志

(集美大学 诚毅学院 实验管理中心， 福建 厦门 361021)

作者设计了以集美大学诚毅学院云计算下的实验室综合管理系统。该系统将云计算与实验室综合管理系统的优势进行有机结合，运用网络技术、数据存储技术、快速数据处理技术、创新型实验管理理念等元素，对实验室进行全方位教学管理。新系统有效优化了传统系统的存储和访问功能，并能够建立数据的内在关联，有利于找到实验教学和管理中的薄弱点并作出决策分析，同时实现了部门间协作上的无缝连接。通过该系统的应用，节约了物理资源，极大地提高了实验教学水平和管理效率。

云计算； 实验室； 综合管理系统

0 引 言

集美大学诚毅学院实验管理中心是集计算机语音、电子电工、物理、机械、船舶操纵模拟5个实验部门组成的综合型实验室。各个实验室所开展的实验科目不同、实验流程差异大、管理模式不同。之前各实验室均配置有各自的服务器和网站管理系统来进行信息化管理。但是却造成各个实验室的教学与管理信息成为孤岛，许多基础数据例如学生信息、教师信息、公用设备信息等无法在部门间共享；各部门服务器存储的数据种类少，存储量不均匀，配置相同的服务器在有些部门使用起来，存储数据的空间显得紧张，在有些部门使用起来，存储空间又显得有极大的富余，造成空间浪费[1]；各部门网站系统功能单一，基本只具备新闻浏览、作业布置和文件上传几项功能，没有大量的基础数据，无法建立关联分析；各部门实验设备维护依赖传统桌面纸质文档登记，消耗纸张资源多，而且信息收集和反馈不及时；平时信息沟通基本通过文件传递，通过电话又没有备案记录，导致部门间合作协调效率不高等。基于这些因素，导致实验管理中心无法和相关教研室相互配合，共同进行深度实验教学和管理上的优化，无法适应不断创新的实验教学和管理的形式[2]。

为解决上述问题，本文设计应用的基于云计算的实验室综合管理系统，结合网络技术、数据存储技术、快速数据处理技术、创新型实验管理理念等元素对实验室进行全方位教学管理。系统以实验室为核心，将业务流程、实验环境、参与人员、实验设备、操作方法、实验记录、科研和项目管理等影响分析数据的因素有机结合起来，为师生提供各项实验决策依据和改进方案；同时，实现信息化管理、无纸化办公、自动化操作[3]。该模式解决了之前的信息单向传递、管理功能简单、平台封闭等缺点，具备了交互性强、管理能力强、平台开放、支持多样化数据如多媒体微信息，如：图片、语音、视频等优点[4]。

1 系统的优势

云计算是一种新兴的网络计算模式，能够把资源、数据、应用以服务的方式通过网络提供给用户[3]。其具备的优点有计算能力强，构成灵活，可以是一台服务器，也可以是一组服务器；数据可靠性高，甚至高于本地计算机；终端灵活化，仅一台电脑或者一部智能手机，就可以接入网络享有各种服务，甚至包括超级计算；相对廉价，集中式自动化管理方式可以有效降低数据管理方面的成本等[5]

实验室综合管理系统具备的优点有通用性强(示意图见图1)，各实验室可以共享基础性数据；管理功能强大，有丰富的查询和统计功能，通过建立模型，能够从基础和零碎的信息中统计所需的各类数据并建立数据关联性，从而提炼出所需的各种信息；具有良好的扩展性，根据实际应用需求，系统可以方便增加子功能模块；能更加充分有效协调和利用各个实验室项资源[6]。该系统有利于各层级的使用者更好处理问题，完成各项相关业务工作，从而为提高实验室教学与管理水平，并协调各层级间的关系创造良好条件[7]。

2 系统的功能设计

本系统的功能主要分为开放部分和管理部分。开放部分的功能主要提供新闻浏览、实验作业提交批改、即时通讯、实验预约、资料查询及下载、设备报修、实验方案改进决策支持等。管理部分的功能主要提供管理权限分配、人员管理、预约审批、资产及设备管理、报表数据生成、维修方案决策支持等[8]。本系统最重要的是引入了对手机移动端的支持，极大方便了使用者。

图1 基于云计算的实验室综合管理系统示意图

云计算技术的特点决定了其对B/S结构的系统具有最大的优势，具体原理本文不再赘述。因此，本文设计的基于云计算的实验室综合管理系统采用的是B/S体系结构。系统的各层和数据库均构建在互联网上，只要用户拥有账户和密码，就可以通过浏览器访问该管理系统[9]。实验室综合管理系统功能图见图2。

图2 基于云计算的实验室综合管理系统功能图

云计算按照服务模式，可分为三个层次：IaaS、PaaS、以及SaaS；按照服务对象，可划分为公有云，私有云以及混合云。其中，基础设施即服务(InfTastructure as a Service，IaaS)主要是虚拟化技术[10]。

本系统按照模式划分，采用的是IaaS层次。该模式对硬件资源例如CPU、I/O、网络等资源进行虚拟化，从而可以为用户提供更加灵活，成本更低廉的基础架构服务。IaaS主要依靠软件技术实现各种虚拟技术、资源调度算法、虚拟机节能等。在虚拟化的基础上，用户可以可以按需获得计算和存储资源，也可以控制防火墙、网络拓扑等[11]。

基于云计算的实验室综合管理系统模型见图3。

2.1 系统开放部分的功能设计

(1) 云保存及查询功能。云保存功能可实现从学生到教师，把在实验环节以及课后交流中产生的任何有关实验的信息保存在云端。从而脱离了传统的存储模式，例如使用各种移动存储工具或者本地计算机存储。云查询功能可实现师生仅仅依靠手机，或者联网的电脑就可以实时查询自己的实验数据、相关实验教学信息的搜索等。

(2) 云日程管理及便签功能。云日程管理可实现师生在线日历查看并进行日程管理。极大方便了师生根据日程自主安排实验课程和实验预约预约，使得选择更加有序。通过在线服务可以有效解决单机日历和日程不便于查询和修改的缺陷。云便签功能可以更好地帮助学生进行实验学习。传统模式下，必须在有电脑的环境下才能将想法保存在本地文档里，而且因为记录的位置不固定，不方便日后查找。而云便签功能可以提供实时记录功能，只要身边有手机，随时接入云平台，就可以记录在管理系统的指定位置，并可以形成系列文档。

图3 基于云计算的实验室综合管理系统的模型设计图

(3) 云群件功能及报修功能。云群件功能可提供包括生成页面、上传附件、发布评论、共享页面或文件等。云报修功能可实现学生在课上或课后通过手机发送有问题的设备所在位置和故障描述到云端系统，这样所有的设备故障问题将及时汇总显示在故障统计页面，以便实验员进行相关检修，检修信息也能很快通过反馈页面公布出来。解决了客观存在的实验教室数量多、座位数多、仪器总量多，传统的桌面文档记录报修和检修模式已经不能很好的适应实验设备维护的需要，缺乏实时性的问题。

(4) 云通讯功能。尽管目前几乎人手都有QQ、微信或者其他专业聊天沟通工具，但在教学和共同的学习群体中，教师和学生还是难以共存于一个共同且公开的通讯平台上。而在实验室综合系统里构建专业的通讯平台，统一提前导入账号和分配好发言权限，就可以构建针对特定事物的沟通交流环境。在该环境下，师生就可以进行专门的实验学习交流讨论[8]。讨论信息可以被系统记录、建模提取关键字、汇总从而得到有用的决策信息。

2.2 系统管理部分的功能设计

(1) 人员管理。人员管理功能主要是进行人员管理的权限分配。其中，系统管理员拥有最高权限，能够对所有用户进行添加、删除、更新、查询、权限分配等操作；给予普通实验员对各类设备登记检修、维护记录等管理权限；给予实验教师作业批改、实验预约、查询分析统计等权限；给予学生账户查看作业、上传下载文件、实验预约、分析实验情况等权限。

(2) 设备管理。设备管理功能。① 设备信息记录，例如设备所在楼号、房间号、桌号、设备型号、设备规格、设备生产商、国别、购买价格、购买时间、设备详细说明等相关信息；② 设备维护信息记录，例如已修复设备的ID号、设备存放位置、设备型号、资产编号、解决方案、解决时间、修复登记人等相关信息[12]。

(3) 实验预约。在实验预约模块中，师生可以通过提交教师的ID号或学号，学年，学期，周次，星期ID，房间号，课程节次，实验课程名，申请时间等信息实现实验预约申请。系统将首先自动根据预先输入的实验课程安排表检测是否和现有实验室使用冲突，过滤筛选掉冲突的申请，然后交由实验员审批。教师在提交申请后如果实际情况发生变化，可以在网上撤销自己提交的申请[13]。

(4) 查询统计服务。查询统计模块。① 主要提供依据各类查询条件，统计条件对实验室各类设备，资产进行查询服务和统计服务。能为查询者方便快捷的提供各类有关设备的详细信息。② 通过设定相关的模型，可以统计特定内容的实验数据，并发布到系统开放部分的信息里以便师生查看[14]。

(5) 信息发布。信息发布模块主要往系统前台提供实验室规章制度、新闻以及其他相关的各类信息。

3 系统的应用

本系统采用的云存储和计算资源的访问，全部是由诚毅学院实验室自身控制，而非公用的云计算服务提供商所提供的，所以是完全意义上的物理隔离，保证了数据的安全性。

基于云计算的实验室综合管理系统应用见图4。

图4 基于云计算的实验室综合管理系统应用示意图

自系统上线运行至今，共计开通账户18 000多个，基本上全院师生每人拥有一个账户。平均每日在线活跃用户数达到1 000人左右，每日在云端产生含通讯信息在内的上万条各类信息记录。接下来系统准备逐步开放给集美大学所有适合的学院使用。届时用户数将会达到3万多人，预计每日活跃用户将达到2 000人。目前，整个系统运行稳定，取得了良好效果。

(1) 实验教学环节得到优化。通过系统分析整理的数据，可以得到每个实验里学生的疑问集中点，从而加以特别教学优化。例如通过系统收集云通讯功能中的学生的实验讨论留言，提取到计算机一级图文混排实验中，“艺术字设置”这几个关键字出现最为频繁；在船舶操纵模拟实验中，提取到“滚装船”、“平衡操纵”这两个关键字出现频率高。因此在相对应的实验课程中，重点针对这些具体的实验细节进行了深入的优化讲解，最大程度化解了学生的疑问。师生在课后交流的活跃度也大大提高，实验作业批改、资料下载都比以往方便许多。

(2) 实验资源得到充分利用。通过开放实验预约功能，师生预约以及审批环节的效率得到极大提高。实验场所及设备资源得到更加充分科学利用。自从开通这个功能后，就为学生参与“全国数学建模竞赛”、“大学生智能车竞赛”、“全国电子商务建模竞赛”等一系列创新型实验提供了场所，并取得了良好的名次。

(3) 实验室管理流程得到优化。学生通过手机能够方便地报修设备。实验员通过报修页面能够对当前各实验室设备损坏情况一目了然，及时获取信息，大大缩短了设备检修间隔；系统通过数据分析汇总，能得到故障分析决策。例如通过分析，得知实验楼13-508的计算机机房内存故障比较普遍，然后集中更换了一批新内存；实验楼14-610的计算机主板电池普遍电池电量低，然后采购新的锂电池更换；实验楼14-209语音室控制端软件不稳定，然后升级重装等。通过系统决策分析，使得维护更加到位及时，更好地保障了实验教学。提高了工作效率和实现了低碳工作方式。

4 结 语

对于规模相对较大的高校，使用云环境下的管理系统从事教学管理活动逐渐成为教学管理实践的一种趋势[15]。随着信息化的快速发展，实验教学中产生的各类数据增加迅速。受限于以往软硬件限制，很多有价值的数据都被遗弃。采用B/S结构的实验室综合管理系统与云平台有机结合之后，不仅能有效解决综合实验室管理问题，更是为存储和分析各类实验数据提供了可能，能让教学者和管理者从更深的层面上认识师生在实验中存在的各种情况，从而有助于提高教师教授实验、学生掌握实验的水平。综合型实验室在物理和逻辑上管理相对分散的天然劣势在这样一个统一的平台上得到较好改进，实现化分散为集中[16]。

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Design and Application of Laboratory Integrated Management System under Cloud Computing

WUXu，CHENRen-an，WEIDe-zhi

(Laboratory Management Center， Chengyi College, Jimei University， Xiamen 361021, China)

This paper presents a case study of Chengyi College Laboratory Integrated Management System in Jimei University based upon cloud computing model. Advantages of LIMS and cloud computing are combined. Network technology, data storage, data fast processing, and innovative lab management, etc, are used to realize overall teaching administration in the lab. LIMS works to make optimization of data storing and data access in traditional systems. Due to the data interrelation, LIMS helps monitor vulnerabilities in teaching and administration, makes decision analytics, and leads to closer department coordination. With such an application, there will be less prodigal expenses, and be great uplifts in teaching levels and administrative efficiency.

cloud computing； laboratory； integrated management system

2014-12-19

福建省教育厅科技项目 (C13001)

吴 旭(1981-)，男，福建三明人， 硕士，实验师，研究方向： 云计算 实验室管理 网络安全。

TP 391

A

1006-7167(2015)10-0226-04

Tel.：13799771006；E-mai:julang@jmu.edu.cn