基于云技术的高校计算机实验室管理系统设计与实现

李丹

摘要：为提高学校计算机实验室管理的信息化水平，针对实验室预约、设备管理、耗材管理工作自动化程度不高的问题，采用Web技术和云技术实现学校计算机实验室日常业务流程的数字化管理，通过实验室管理系统为管理人员提供实验室使用状态维护、预约匹配、手动调整、设备维护、耗材管理、实验资源等功能。

关键词：计算机实验室;预约匹配;设备管理;云技术

中图分类号：TP311.1        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）13-0094-03

Abstract：In order to improve the school computer laboratory management information level， and aiming at the problems of low automation degree of laboratory appointment， equipment management and consumable management， a digital management mode for the management business of the computer laboratory is proposed by the use of Web technology and Cloud technology. The functions of laboratory operation status maintenance， appointment matching， manual adjustment， equipment maintenance， consumables management are provided through the laboratory management system to the laboratory managers.

Key words： computer laboratory; appointment matching; equipment management; cloud technology

計算机实验室不仅承担着高校计算机专业学生的日常上机实践任务，同时还需要为其他专业的学生提供计算机操作和实践教学的硬件支持，对于高校人才培养质量有着重要的影响[1]。近年来，高校教学教务管理的信息化发展有了飞速发展，各种高新技术的应用越来越广泛[2]。然而，在国内众多高校的计算机实验室管理工作中仍主要采用人工登记管理的方式进行实施，实验室预约、使用及内部设备、耗材的管理、实验教学视频等资源维护还缺乏专门的管理软件支持，总体管理效率较低下;尤其在计算机实验教学工作中经常使用的教学视频、音频、文档等存储容量需求较大的资源管理方面，缺乏可靠快速的管理工具，人工维护的工作量及压力较大[3]。所以，如何充分发挥信息技术优势，为计算机实验室管理工作提供自动化的管理工具，提高实验室管理业务的信息化水平，是高校计算机实验室管理部门所需解决的问题[4]。

1 需求分析

计算机实验室的日常工作核心是实验室的预约、使用和内部设备资源、耗材资源的维护管理，因此结合上述业务背景，以及信息化软件发展的情况，提出计算机实验室管理系统的功能及其他需求主要包括如下几点：

1） 系统可以按照实验室课程计划安排，自动对计算机实验室进行匹配，并为教师用户提供实验室预约功能。

2） 系统可以为实验室管理人员提供各个实验室、内部主机设备、网络设备等硬件资源，文具、鼠标、键盘、投影仪、照明器材等耗材的出库、入库维护、统计管理功能支持。

3） 系统需要支持计算机实验教学资源的高效存储、检索及统计功能。

系统的目标用户包括了实验中心管理人员、实验课程的任课教师等，实验中心管理人员主要使用系统的实验室设备、耗材管理，以及实验教学资源的上传、维护等;任课教师主要使用系统的实验室预约、实验教学资源的检索及应用功能等。

2 系统功能模型设计

本系统采用Java Web技术以及SSM模式进行模型设计，同时为了提供实验教学视频资源的存储、检索等功能，在Web后台基于CloudSIM平台搭建分布式文件系统，实现系统的海量资源数据信息的管理服务，系统的后台数据库管理系统选择Oracle专业数据库系统。从总体角度来看，本系统的功能模型可以分为交互层、逻辑层和数据层3个功能层次，具体如图1所示。

按照图1所示，实验室管理系统的总体功能框架基于SpringMVC服务组件进行模型搭建;用户在交互层中包含的操作Web页面中的逻辑操作请求在SpringMVC服务组件的调度下由JavaBean组件进行处理，是系统的内部核心功能，其中包括了实验室预约管理组件、实验室设备管理组件、实验室耗材管理组件以及实验教学资源管理组件等，对应的是系统的逻辑层。系统的数据层中的数据库操作服务采用基于MyBatis服务组件的持久化模式进行处理，所有的数据操作基于中间数据对象实现，以自定义数据类的方式进行内部定义。同时，在系统后台的Web服务发布过程中，基于实验室中心现有硬件资源、软件资源以及系统服务资源的支持，采用CloudSIM云平台工具搭建分布式文件系统，主要用于对计算机实验教学所用的视频教学资源、音频资源等文件数据进行分布式存储、检索等管理。

3 系统功能结构设计

实验室管理系统的功能结构如图2所示。

系统中的功能模块分为实验室预约管理、实验室设备管理、实验室耗材管理以及实验教学资源管理等。在实验室预约管理模块中主要实现对实验室日常使用、人工预约以及按照实验课程计划进行自动匹配等功能;实验室设备管理模块中主要用于为用户提供实验室的主机设备、网络设备等硬件的添加、删除、修改、配置、查询等功能;实验室耗材管理模块主要用于为用户提供打印纸、鼠标、键盘、U盘等日常耗材的添加、查询、状态更新等功能;实验教学资源管理模块主要为实验课程教师提供各类教学视频、音频、PPT等文件的检索、查阅、播放等功能。在出入库管理模块中实现了实验室设备、耗材的采购入库、出库信息的增删改查、设备报废等功能。在统计查询模块中包括了实验室相关信息的统计功能。在系统管理模块中实现了对实验室的增删改查以及内部资源的相关配置、用户信息的维护等功能。

4 系统数据库分析

本系统的数据库选择Oracle 11G，主要用于存储系统的用户数据、实验室数据、实验设备数据、实验耗材数据、教学资源元数据、课程表数据等：

1） 用户数据：主要包括用户编号、名称、部门、角色、登录密码等，采用用户编号作为主键。

2） 实验室数据：主要包括实验室编号、名称、门牌号、类型、状态等，采用实验室编号作为主键。

3） 实验设备数据：主要包括设备编号、所在实验室编号、设备名称、设备类型、设备状态等，采用设备编号作为主键。

4） 实验耗材数据：主要包括耗材编号、耗材类型、耗材名称、数量等，采用耗材编号作为主键。

5） 出入库数据：主要指实验设备及耗材的入库和出库情况，如出入库数量、单价、库存数量等。

6） 教学资源元数据：教学资源存储在系统后台云平台中，本系统数据库中只存储其元数据，包括资源编号、资源类型、资源名称、资源大小、校验码、上传时间等。

7） 课程表数据：主要包括了ID、课程编号、课程名称、上课时间、实验室编号、任课教师等，采用ID作为主键。

5 实验室自动匹配功能设计

实验室自动匹配是指按照学校的实验课程计划，以及实验中心的实验室资源配置情况，系统自动进行实验室的课程匹配，完成最终的实验课程表的创建。本系统的实验室自动匹配算法采用了双回归链表（Double Regression Link，DRL）[5]算法进行实现，算法原理如图3所示。

在设计中，将图3中所示的课程集合及可用的实验室资源分别以链表形式进行定义，每个链表的节点定义说明如下：

其中的Nodec表示未匹配的课程，Nodel表示每个教学时间点可用的实验室，式（1）和式（2）中的Y、T分别表示实验课程和实验室的类型以及教学时间点，只有Nodec的类型和Nodel的类型相同时，才可以进行匹配，其中的Flag表示课程和实验室的匹配状态，Flag为0则表示尚未匹配， Flag为1表示匹配成功，Flag为-1表示课程匹配失败。在所有实验课程匹配成功之后，将所有Flag值为1的Nodel进行输出，即可得到自动匹配完成的实验课程详细课表，对于未匹配成功的课程，将所有Flag为-1的课程节点信息进行输出，为实验室管理人员提供匹配失败提示，详细流程如图4所示。

在图4中，如果算法执行完成后存在Flag为-1的课程节点，则表明实验课程计划中存在冲突问题，系统将其这些课程节点进行输出，为实验室管理人员提供实验课程手动调整的参考。同时，系统在完成了课程表的创建之后，如果任课教师需要进行临时调整，可以通过系统的人工预约功能提交请求，由实验中心管理人员根据目标实验室的分配情况，对课表进行临时调整处理。

6 教学资源云服务功能设计

针对实验中心的实验课程教学视频、音频、PPT、电子书等文档资源数量较大的问题，本系统采用云技术搭建分布式文件系统，提高系统数据存储能力，同时充分利用实验中心的计算机软硬件资源。云平台工具采用CloudSIM，云节点服务器采用实验中心机房中的34台主机（编号为#1到#34）实现，操作系统为Ubuntu 16.04，节点配置如表1所示。

在表1中，如果#1的Master主节点出现故障或崩溃，则利用CloudSIM云平台的服务配置，由#2的Master备用节点进行服务代替。在应用中，系统根据数据库中保存的实验教学资源文件名称或编号、关键字进行检索，由CloudSIM云平台的Master主节点负责分布式文件系统数据读取的功能调度。#3和#4节点执行文件的拼接以及完整性验证服务，利用Linux平台下的MD5值进行验证。本系统云服务硬件资源部署在独立的网段192.168.0.*内，并利用实验中心路由器设备和系统的Web服务器主机、数据库主机进行连接，具体的网络结构如图5所示。

如图5所示，本系统的Web服务器和数据库服务器采用双机并行模式，直接部署在实验中心内部网络。同时，Web服务器通过IP地址为192.168.0.1的路由器接入到CloudSIM云平臺中，进行实验教学资源的读取、写入等操作。系统的整个云服务的功能逻辑流程如图6所示。

系统的实验教学资源在进行分布式存储时采用了CloudSIM的默认配置方式，根据实际的硬件存储空间以及文件大小等进行默认大小的分割和物理存储，并在Master节点中维护各个资源文件的分布式存储数据。

7 系统实现

实验室管理系统的首页面如图7所示，在其中以快捷菜单以及图标的形式将系统的各项功能入口进行展示。

用户可以通过登录系统，点击对应的功能菜单或图标，进入对应的功能页面，实现实验室预约管理、实验设备管理、实验耗材管理、实验设备及耗材的出入库管理、统计查询管理、教学资源管理以及系统管理等功能。

8 结束语

实验室管理系统是基于高校计算机实验中心的实际需求进行研发，针对实验教学资源的存储容量需求大的情况，选择云技术以分布式文件系统方式进行存储，对实验中心的核心工作提供信息化支持，提高实验室管理工作的效率和信息化水平。

参考文献：

[1] 杨健.高校开放式实验室管理系统的设计[J].微型电脑应用，2018（12）：102-104.

[2] 何立富.高职院校实验实训耗材管理系统分析与设计[J].电脑编程技巧与维护，2018（12）：108-110.

[3] 高小霞，冯增才.实验室与实验教学管理平台的设计与实现[J].信息与电脑：理论版，2018（21）：64-66.

[4] 冯小荣，冯增才.基于B/S结构的实验室管理系统的设计与开发[J].黑龙江科技信息，2016（15）：86.

[5] Verma R，Hart A.Laboratory-Targeted， Data Management and Processing System for the Early Detection Research Network[C]. Computer-Based Medical Systems （CBMS）， 2014 IEEE 27th International Symposium on，2014.

【通联编辑：代影】