基于云桌面技术的高校开放实验室信息管理系统设计

唐 宇

(辽宁对外经贸学院 实验中心，辽宁 大连 116052)

高校开放实验室是高校教学资源的核心场所[1]，主要为学生提供学术交流、实验课程、社会技能培训和毕业设计等服务.大学生可以充分利用高校开放实验室实施自主实验以提高大学生的实践能力，在实验过程中深入理解课程中的理论知识，将理论与实际相结合[2-4].为了提高高校学生的整体学术水平，全国各大高校对高校开放实验室非常重视，不断更新和完善高校开放实验室建设与信息管理系统开发.高校开放实验室管理的老师可以通过管理系统实现线上实验课程的管理，整合实验室教学资源[5].但是，现阶段高校开放实验室信息管理过程中仍存在的实验室分散不均，信息共享度较低、系统维护成本高等问题.

以往设计的高校开放实验室信息管理系统存在一定缺陷，如文献[6]设计的基于Wi-Fi嗅探技术的实验室管理系统，在进行高校开放实验室信息管理过程中，需部署多个Wi-Fi嗅探器，导致管理成本增加；文献[7]设计的基于PyVISA的检测实验室信息管理系统，在进行管理过程中，难以进行信息的有效传输，使管理效率降低.云桌面技术是通过云平台将全部应用联系在一起，按照用户的要求推送用户所需信息数据，实现云平台系统与用户之间的信息共享.因此，本文设计基于云桌面技术的高校开放实验室信息管理系统，实现高校开放实验室信息的全面高效管理.

1 基于云桌面技术的高校开放实验室信息管理系统

1.1 系统总体结构

为了提升高校开放实验室信息管理的效益，设计基于云桌面技术的高校开放实验室信息管理系统.系统总体结构如图1所示.

由图1可知，系统由基础设施层、云平台层、应用层构成.其中，云桌面技术是系统运行的保证，基础设施层由硬件、网络、访问控制组件组成，基础设施层将高校开放实验室信息管理数据传输至云平台层，云平台层是系统的核心，在云平台层中完成数据处理与计算.在数据管理模块中采用金字塔技术实现数据转存，并通过粒子群算法对高校开放实验室的数据转存过程进行寻优，将处理后数据传输应用层，应用层依据云平台层反馈的数据实现高校开放实验室信息管理.

1.2 系统硬件

基于云桌面技术的高校开放实验室信息管理系统硬件，见图2.

由图2可知，系统硬件由网络交换机、刀箱、服务器、客户端组成.整个系统共使用H3C UIS型号刀箱3台，服务器配置内存为256G和20G融合网卡的H3刀片，主要负责为系统软件提供基础设施保证，提高软件的运行速度[8-10].

1.3 数据传输信息转存精度的优化

1.3.1 数据在存储主键上的定义

在数据管理模块中，采用金字塔技术实施高校开放实验室的数据传输信息转存，为了获取数据转存判定点所属的金字塔编号，将数据抽象为1组二元键值，给出元数据转存范围[11].存储主键的数据量是通过中心点的坐标和判断点间差值，优先转存质量最好的数据子流，按照子流的权重实施排序，对所有转存数据相关变量实施调整，实现数据转存子区间大小的实时更新.

设元数据的b维向量的一维索引用bv描述，节点用Ni描述，按照逻辑功能分成转存节点和存储节点，分别用INi、SNi描述.数据统一抽象为1组二元键值是通过采用金字塔技术获取，具体计算过程，如公式(1)描述.

(1)，

设元数据用vj描述.具体转存过程用公式(2)描述.

(2)

其中，归一化后的值用v(1)j描述，元数据的取值范围分别用vjmax、vjmin描述.

设数据转存判定点用A描述，数据转存判定点所属的金字塔编号用i描述，其计算用公式(3)描述.

(3)

其中，一维索引值域区间用Φ描述，中心点p在第i维的坐标差值与数据转存判定点A内最大的一维向量用(j|hv)描述.

设数据转存请求用Q(P)描述，数据库内任意数据转存的有效节点用label描述，各个转存数值与二进制数有共同前缀的概率用δ(u)描述，定义存储主键的数据量是通过公式(4)选取共同前缀，其计算用公式(4)描述.

(4)

其中，数据分布的负载均衡性用available描述，存储在SNi上的数据被转存的次数用qjmin描述.

设数据中心任意节点用Ninit描述，当B被提交在数据中心任意节点里，动态调整数据转存子区间大小是利用公式(5)实施调整.

(5)

其中，转存次数最多的有效节点用Mij描述.

设不同子流的编号用i″描述，数据层与子流层间映射关系用RTT描述，每一条子流的质量用QSi描述，按照子流的权重对每一条子流的质量实施排序，每个数据转存的相关变量，通过公式(6)实施更新.

(6)

设每一条子流的质量分别用max-RTT和min-RTT描述，优先选取质量最佳的数据子流实施转存，具体如公式(7)所示.

RTT*=requ×(max-RTT,min-RTT).

(7)

1.3.2 基于粒子群的数据批量优化转存

以优先转存数据子集为基础，为了求解数据批量转存的总时间、数据转存的紧急度，把粒子群导入离散位置的加法运算中[12-14]，采用粒子群对高校开放实验室的数据转存过程实施寻优[15].

设优先转存数据子集用RTT*描述，请求转存数据包的序号用IPi描述，当前转存数据包的序号用IPpiay描述，转存窗口的大小用WT描述，则数据转存的紧急度用公式(8)描述.

(8)

设节点i的转存时延时用Di描述，等待转移数据量用Ti描述，数据批量转存的总时间用Ts描述.数据批量转存的总时间用公式(9)描述.

Ts=(Ti⊗Di)⊗Uri.

(9)

(10)

(11)

(12)

设个体适应度函数用F(Xi)描述，F(Xi)计算公式用公式(13)描述.

(13)

其中，数据转存前的存储地址用(Xi,pbesti)描述，数据转存后的存储地址用S(Xi,Pbest)描述，数据转存节点集的数量用S描述.

按照全局最优位置用kbest描述，粒子位置实时调整公式用公式(14)描述.

(14)

2 实验分析

为了验证设计管理系统的性能，进行仿真对比验证实验.实验的具体步骤如下.

步1 选取实验对象，确定实验数据的大小，并选择实验所用的仿真工具.

步2 确定仿真实验过程中系统的运行参数，确保实验结果的可靠性.

步3 选择实验所用的对比系统，用于突出所设计系统的性能.

步4 设定实验指标，包括系统数据转存的时间、数据转存均方根误差、资源利用率、数据转存成功率、响应时间以及管理成本.

步5 进行不同系统的对比实验，得出实验结果，并对实验结果进行分析.

实验步骤流程图如图3所示.

图3 实验流程图

选取某高校开放实验室信息管理工作作为实验对象，实验数据选取高校开放实验室信息管理数据，数据总量为20GB，实验采用的仿真工具为PlantSim.

实验采用的对比系统分别是文献[6]基于Wi-Fi嗅探技术的实验室管理系统以及文献[7]基于PyVISA的检测实验室信息管理系统.

设置实验指标是系统数据转存的时间、数据转存均方根误差、资源利用率、数据转存成功率、响应时间、管理成本.

为检验本文系统中数据转存的性能，在实验中随机抽选1000个数据，采用三种系统实施多维复杂数据传输信息的转存实验，用三种系统数据转存的时间和数据转存均方根误差做对比，结果用图4和图5描述.

图4 数据转存的时间图5 数据转存均方根误差

从图4的系统数据转存时间对比结果中可以看出，在数据量持续增加的情况下，本文系统的数据转存耗时最低，平均数据转存为39 ms，分别比其他两种对比系统快17.3 ms、10.5 ms.因此，说明本文系统能够高效率地实现实验室数据的转存.

观察图5所示的数据转存均方根误差对比结果可知，本文系统的均方根误差远低于其他两种对比系统，本文系统转存的最高均方根误差为0.04，而文献[6]与文献[7]系统的最高转存均方根误差分别为0.96与0.54.

本文系统具有较高的数据转存效率与较低均方根误差的原因在于其他在数据转存过程中，融合了金字塔技术与粒子群寻优算法，提高了转存效率与转存精度.

为了验证系统实施数据转存的整体优越性，采用三种系统对高校开放实验室多维复杂数据传输信息转存实施数据转存后的资源利用率和数据转存成功率进行实验，实验结果用图6和图7描述.

由图6和图7可知，本文系统的整体优越性要高于其他两种对比系统.在图6中，本文系统的平均资源利用率高达92%，分别比其他两种对比系统的平均资源利用率高26%、17%；在图7中，本文系统平均资源转存成功率为93%，分别比其他两种系统平均资源转存成功率高出24%、19%.由此可知，本文系统转存精度高.产生上述实验结果的原因在于，本文系统采用粒子群算法对高校开放实验室的数据转存过程实施寻优，经过优化处理后，大大提高了数据的利用率与转存成功率.

10090807060504030201001002003004005006007008009001000实验数据(个)资源利用率(%)文献[6]系统文献[7]系统本文系统9590858075706560555001002003004005006007008009001000实验数据(个)文献[6]系统文献[7]系统本文系统转存成功率(%)图6 资源利用率图7 数据转存成功率

为了进一步验证系统的性能，对比三种系统响应时间实验.实验结果，用图8描述.

图8 系统响应时间

由图8可知，本文系统响应时间明显高于其他两种对比系统，本文系统平均响应为8.5 ms，分别比其它两种对比系统平均响应快12 ms、9 ms.说明本文系统响应时间快，系统性能良好.原因在于本文系统首先设计三层系统架构，并且在系统硬件部分设计高效率高内存的服务器，从而降低了系统的响应时间.

实验测试三种系统应用前后高校开放实验室信息管理成本情况，结果用表1描述.

表1 高校开放实验室信息管理成本(万元)

月份文献[6]系统文献[7]系统本文系统52081881176276199116715816511581991691199287178118102681971161127819611712288185118

分析表1可以看出，相对于其他两种系统，本文设计的高校开放实验室信息管理系统成本更低，该系统管理成本为117万元，分别比其他两种系统节省64万元、111万元.说明本文系统实现高校开放实验室信息管理过程中，降低高校开放实验室信息管理成本，提升高校开放实验室信息管理效益.这是由于本文系统的整体结构并不复杂，硬件结构的维护成本较低，从而降低了实验室信息管理的成本.

3 结论

为了提高高校开放实验室信息管理效率，设计基于云桌面技术的高校开放实验室信息管理系统.在数据传输信息转存过程中，采用金字塔技术将多维数据转存成一维索引，按照子流的权重实施排序，数据转化质量最好，同时运用粒子群对高校开放实验室的数据转存过程实施寻优，实现多维复杂数据传输信息转存，优化数据传输信息转存的精度，确保管理系统的高质量运行.实验结果表明，本文系统在实现高校开放实验室信息管理过程中，降低高校开放实验室信息管理成本，提升高校开放实验室信息管理效益.