基于K-means算法的高校实验室管理系统设计

黄 恒

(黎明职业大学 实验实训部，福建 泉州362000)

随着高等教育不断发展，高校实验室建设由传统的结构单一、系统简单化、规模较小逐步向结构复杂、系统复杂以及规模庞大等方向转变。高校实验室除了承担高等教学工作，还为教师开展科研工作提供服务。如何管理实验室系统已成为高校实验室管理面临的重大问题[1]。

目前，高校实验室管理系统研究主要有：为解决设备数据传输问题，提出采用无线射频技术传输数据，通过软硬件设计与实现，解决了设备数据传输问题。针对当前繁杂的管理问题，提出采用智能方式替代原有实验室管理，该方法提高了实验室管理系统的功能。随着信息技术的不断发展，实验室运行产生大量数据，而实验室管理系统对产生的数据未给予足够重视。针对这一问题，采用K-means算法对高校实验室管理系统数据进行挖掘，为高校实验室管理系统提供参考[2]。

1 系统需求分析

1.1 需求分析

图1 系统总体用例图

高校实验室管理系统使用者分为教师、学生以及实验室管理员。教师通过该系统进行相应设备预约、耗材使用、教学工作开展以及科研工作开发。学生通过该系统进行实验学习。系统管理员承担实验室管理系统管理工作[3]。

高校实验室管理系统包含的功能模块有：权限管理、用户管理、设备管理、耗材管理、场地管理、学生管理、采购管理、数据挖掘管理等，如图1所示。

权限管理包含的功能主要有：权限添加、权限修改、权限查看以及权限删除等。学生管理包含的功能有：学生信息查看、学生成绩管理、学生作业管理、学生课程管理等。设备管理包含功能有：设备添加、设备查看、设备使用记录管理、设备维护管理等。耗材管理包含的功能有：耗材领用管理、耗材采购管理、耗材危化品管理[4]。场所管理包含的功能有：场所信息查看、场所信息添加、场所预约等；数据挖掘主要提供数据分析。管理体系包含相应的质量管理、文件管理等。

1.2 系统非功能需求分析

由于高校实验室承担着教学、科研工作，每天有大量学生、教师上网完成相应的操作，需要保证其稳定运行。本文所设计的系统能在60天内正常运行，出现故障后在3小时内解决。系统能够同时支持1500人同时在线，服务器使用率控制在85%以下。

2 功能设计

2.1 K-means算法设计

(1)输入学生数据集信息；

(2)选取K个聚类点，并初始聚类点位置；

(3)按照划分方式进行中心位置查找；

(4)循环(2)～(3)过程直到J不发生改变。

2.2 数据库设计

为降低系统开发成本，选取开源Mysql数据库作为高校实验室管理系统存储数据库。高校实验室管理系统中包含大量信息，需要配置相应的数据表，例如权限信息表、设备信息表、学生信息表、采购信息表。如表1所示。

表1 设备信息表

设备信息表用于存储设备信息。包含字段有：设备编号、设备类别、设备名、设备使用信息、设备价格、设备生产地址、设备购置时间以及设备附件等。

表2 学生信息表

学生信息表用于存储学生信息。包含字段有：学生编号、学生班级、学生名、学生专业、学生成绩、学生作业信息、学生进校时间、学生性别以及备注等。

2.3 功能设计

高校实验室管理系统功能有：权限管理、学生管理、数据挖掘管理、设备管理等。实验室管理系统功能架构图如图2所示。

图2 实验室管理系统架构图

2.4 功能设计

实验室管理系统包含的功能比较多，本文只分析部分功能。采用UML建模技术进行功能设计。

(1)设备管理功能设计

设备管理中包含了设备信息添加、设备信息查看、设备信息修改、设备信息维护以及设备信息使用管理等。如图3所示。

图3 设备管理类图

设备管理包含equipment_Web、equipment_BLL、equipment_DALL，分别用于设备界面管理、设备业务逻辑管理以及设备信息管理。在equipment_Web中显示设备添加、设备修改、设备查看以及设备使用管理等。界面中采用Html技术+javascript技术完成界面展示，数据通过Post方式传输到后台进行业务逻辑管理、数据管理。

(2)耗材管理。耗材管理包含耗材申请、耗材领用、耗材危化品管理、耗材预警。学生在使用耗材时可在系统中填写相应的申请表；耗材申请用于耗材购买管理；耗材危化品管理是系统核心功能，由于危化品可能危及到学生生命因此需要严格管理；耗材预警管理是对耗材进行预警管理。耗材管理如图4所示。

图4 耗材管理类图

耗材管理包含的种类有：Consumables_web、Consumables_BLL、Consumables_DALL，用于耗材界面管理、耗材业务逻辑管理以及耗材数据管理。

(3)数据挖掘管理。采用C#语言编写系统，开源框架Accord.NET作为数据挖掘内容，该框架中提供数据挖掘K-means算法等，可降低开发成本。

3 功能实现

系统编写环境为VS2013，为解决系统兼容性问题，系统采用B/S结构进行实现。系统采用服务器端操作系统运行在Windows2008，服务器使用IIS8.0。系统实验设备管理界面如图5所示。管理员在系统中可进行仪器设备信息添加。

图5 系统设备管理界面

4 结论

以K-means算法作为高校实验室管理系统挖掘算法，与传统实验室管理系统相比，所开发的管理系统能从海量数据中挖掘出有用信息。此外，系统还增加了危化品管理功能，适时监控危化品使用，强化了实验室管理。