基于云技术的实验室管理系统的设计与实现＊

厦门华厦学院 陈志聪 洪小坚

在引入云技术之前，实验室的管理不足可能会导致实验室不能完全满足用户要求。由此可能导致实验室效率低下且不灵活，甚至在维护时容易出错。因此，需要一种具有明确目标、采用成熟技术的实验室管理系统，以充分识别、映射、验证和优化实验室功能、事件和数据。所设计的实验室管理系统要充分考虑实验室快速、高效和透明的需要，利用最新的云技术工具，实现管理系统高度的信息化和智能化，并确保实验室具有更好的可访问性。

随着现代技术的发展，实验室的规模不断扩大，涉及项目日趋增加，使用人数不断增长，由此加重实验室管理人员的工作负担，导致部分实验室在日常管理中存在资源浪费、功能欠缺、效率低下、管理工作繁重等问题，实验室管理乱象频发。基于此，有必要设计一套更加高效的、自动化的、具有一定智能的实验室管理系统，为实验室的高质量发展贡献力量。由于不同行业和项目的实验室对其管理系统的需求也有所不同，本次研究以高校计算机实验室为例，基于现阶段云技术的研究成果，阐述一套高信息化的计算机实验室管理系统，并论证所设计的实验室管理系统的实现，以期为从业人员的研究和实践提供一定的帮助。

1 基于云技术的实验室管理系统需求

通常，传统的实验室管理依赖手动方法、电子表格和非集成模块化软件的组合来满足数据管理和操作需求。针对高校计算机实验室的管理而言，其业务核心主要包括对实验室的预约、使用和维护等方面的协调和管理[1]。具体来说，基于云技术的实验室管理系统的设计需求主要包括以下几点：

（1）所设计的计算机实验室管理系统需要满足高校计算机课程日常教学和课题研究的计划安排；能够为高校计算机课程的教学人员和研究人员提供预约服务并提供自动的实验室匹配，以降低实验室管理人员的工作量，提升实验室管理工作效率。（2）所设计的计算机实验室管理系统需要满足管理人员对实验室的硬件设备和软件资源的管理，包括实时显示计算机实验室设备使用情况、耗材库存情况、实验室资源统计等，以实现高校计算机实验室资源分配和减少并最终取代过时的、主要基于纸质和电子电子表格的数据和工作流管理系统。（3）所设计的计算机实验室管理系统需要满足全方位服务高校计算机实验室的各种信息管理需求，强调结构良好的开发过程的整体重要性，并描述现代技术的新应用。

基于上述系统需求，本次研究使用基于云技术的项目管理方法和第三方合作伙伴关系，用于构建和部署适用于现代高校计算机实验室管理系统。

2 基于云技术的实验室管理系统模型

云计算因其多重优势而越来越受欢迎，在最基本的形式中，云计算通过互联网而不是计算机的硬盘驱动器存储和访问数据和程序。使用云计算的客户不拥有基础设施；相反，他们从第三方供应商那里租用。因此，按需自助服务、广泛的网络访问、资源池化和快速弹性是云计算和云服务的基本属性[2]。依靠互联网，云资源可随时通过网络访问，允许组织通过云服务避免高昂的软件许可费用。

在实际中，基础架构即服务(IaaS)、平台即服务(PaaS)和软件即服务(SaaS)是云计算的三个基本类别[3]。其中，IaaS是云计算的基础，它通常使用户能够访问网络功能、计算机和数据存储。IaaS允许人们对IT资源拥有最大的灵活性和控制权。它可与许多IT部门和开发人员已经熟悉的现有IT资源相媲美。PaaS消除了管理底层基础设施的需要，允许人们专注于应用程序的部署和管理。这可以提高工作效率，因为不必担心资源采购、容量规划、软件维护、修补或任何其他与运行应用程序相关的无差别繁重工作。SaaS提供由服务提供商管理和维护的功能齐全的产品。

基于上述内容，本系统功能模型分别使用基于云技术的Jira和Confluence来组织开发任务和项目文档；TeamCity 2019.1用于构建一个持续集成管道；PyCharm 2019.1、Docker Desktop Community 2.1.0.5、VirtualBox 6.1和Postman 8.1用于本地测试和开发。其中，Python是一种流行的通用高级编程语言，具有文档完善、支持良好的工程标准，用于开发外部程序插件、自动化测试脚本、报告模板和其他服务。

对于高校计算机实验室管理流程，开源Python s4-Clarity库用于支持实验室预约、实验室仪器集成和其他实验室资源统计。其中，外部程序插件(EPP)可在LIMS中访问的独立脚本文件，用于执行过于复杂或繁琐而无法在LIMS本身内配置的计算、转换或集成；应用程序编程接口(API)用于连接多个应用程序，允许它们交换信息并增加安全限制。

3 基于云技术的实验室管理系统设计

3.1 功能架构

本次研究所设计的高校计算机实验室管理系统应用了云技术，以期实现实验室预约、实验室管理、实验室数据库构建等操作。因此，需要系统具备以下功能：

（1）所设计的计算机实验室管理系统能够让用户对资源分配提出申请，对资源的增加或减少提出申请；（2）所设计的计算机实验室管理系统能够提供对用户请求的自动化部署，部署根据用户的申请来实际部署，由云计算软件管理平台来自动实现；（3）所设计的计算机实验室管理系统能够进行对学生成绩的统计、查询和管理[4]。

总体来看，所设计的高校计算机实验室管理系统的功能框架如图1所示。

图1 高校计算机实验室管理系统架构图Fig.1 Architecture of university computer laboratory management system

3.2 数据库分析

本研究所设计的基于云技术的高校计算机实验室管理系统的E-R如图2所示。

图2 高校计算机实验室管理系统的E-R图Fig.2 E-R diagram of computer laboratory management system in colleges and universities

基于云技术的高校计算机实验室管理系统，旨在支持以分层方式构建工作流，其中工作流包含协议，而协议又包含步骤。最终用户的工作分步进行，促进工作流程某一阶段的步骤集合，通过分类和存储实验室工作流程数据来支持实验室管理系统的接口和可追溯性[5]。因此，在管理系统中，云信息服务至关重要。它的作用是充当数据中心和数据中心代理之间的联络人。CIS是一种云存储，其中包含云中可用的资源。构建数据中心时，必须首先向CIS注册。然后，代理尝试获取已向CIS注册的资源。一旦代理可以从CIS读取数据，就与数据中心建立连接。本次研究所设计的系统的数据库选择Oracle 11G，用于储存实验室管理数据，如教室名称、申请教师/学生、使用时间、耗材情况等；教师数据，如用户名、部门、性别、编号等；学生数据，如用户名、系别、性别、学号等。

4 基于云技术的实验室管理系统实现

由于云计算的目的是最大限度地利用虚拟机(VM)，同时最大限度地减少数据中心的运营费用，因此资源调度至关重要。这导致云计算中服务质量(QoS)指标的提高[6]。为了实现云服务提供商和用户双方的目标，资源调度管理了大量的用户，并将它们全部分发到最适用的虚拟机上，本次研究由于最终用户能够随时随地访问资源，系统的难点之一就是RA。Soap/Restful Web API将存储或计算请求连接到虚拟化ICT资源，是获取云中可访问资源的唯一途径。由于云数据中心具有高度的资源人工性，云计算范式可以按需提供弹性资源分配。然而，如此高水平的人工可能会导致资源分配浪费。为了将按需资源分配给云终端客户，该系统利用传统调度算法的max-min和min-min原则，根据用户的调度需求为用户分配资源。选择这种方法是因为它使用较少的计算机能力并采用启发式算法。该方法与最佳匹配策略结合使用，会考虑每个主机节点的处理和存储特性，虚拟机被分配到提供服务的最佳节点，同时考虑到用户的需求以及每个节点的高低组成。具体的节点配置如表1所示。

表1 高校计算机实验室管理系统节点配置表Tab.1 Node configuration table of university computer laboratory management system

在应用中，所设计的系统通过描述联合构建优化问题避免了整数规划的复杂性，在独立的网段192.128.0.*内，使用迭代方法管理项目交付的实践系统；系统优化是通过持续发布来实现的，其中包括基于每次迭代中利益相关者审查的更改。该过程对于以机械的、渐进的方式解决高度复杂的实验室管理问题很有用。系统使用LIMS对工作流程进行数字化建模，允许开发人员将代码更改合并到一个中央存储库中，在那里可以更频繁、更轻松地运行构建。通过持续集成(CI)管道，可以存储和分类大量实验室工作流程数据，并自动执行可能会增加人为错误的费力、重复性工作流程任务。

5 结语

综上所述，云技术的关键优势在于借助云资源（例如数据存储和计算能力）提供按需访问。基于云技术的实验室管理系统可以在任何地方访问所需的数据库，并在服务器端有效处理所有功能特性。其有效的降低了一般实验室管理系统的成本、提升了实验室管理系统的工作效率、降低了实验室管理人员的工作量，对于实验室高质量发展有重要意义。

引用

[1]李少峰,乔磊,杨孟飞,等.面向安全关键内存管理系统分层验证方法[J].软件学报,2022,33(6):2312-2330.

[2]黄家明,李冠广,侯青军,等.面向云计算业务的总体拥有成本建模方法[J].哈尔滨工程大学学报,2020,41(4):589-594.

[3]段文雪,胡铭,周琼,等.云计算系统可靠性研究综述[J].计算机研究与发展,2020,57(1):102-123.

[4]尹世学,黄乐,闻星火,等.基于B/S模式的实验室开放基金管理信息系统[J].中山大学学报(自然科学版),2009,48(S1):181- 182+188.

[5]王臻,闻星火,谢素萍,等.基于网站群的实验室管理系统设计与实现[J].中山大学学报(自然科学版),2009,48(S1):156-158.

[6]陈国震.基于Linux的开放实验室管理平台设计[J].计算机工程,2006(16):269-270+279.