基于大數(shù)據(jù)的高校實(shí)驗(yàn)室管理數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文/石偉豪 趙李冰

實(shí)驗(yàn)室是高校進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科學(xué)研究的重要人才培養(yǎng)場(chǎng)所，隨著高校實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備種類、數(shù)量的急劇增加，在現(xiàn)代信息技術(shù)飛速發(fā)展的當(dāng)下，如何利用科學(xué)技術(shù)處理海量數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行數(shù)字化、科學(xué)化管理，已然成為了當(dāng)下實(shí)驗(yàn)室管理關(guān)注的重點(diǎn)?；诖髷?shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)室管理數(shù)字系統(tǒng)，結(jié)合云計(jì)算技術(shù)，可以有效提高資源共享、加強(qiáng)數(shù)據(jù)運(yùn)算，全面提升實(shí)驗(yàn)室管理水平。

1 系統(tǒng)開發(fā)背景與要求

1.1 實(shí)驗(yàn)室管理現(xiàn)狀及問題

1.1.1 管理模式相對(duì)落后

實(shí)驗(yàn)室的日常管理多為“以人為主”的管理模式，現(xiàn)代化的計(jì)算機(jī)設(shè)備以及管理系統(tǒng)只是輔助作用，主要還是承擔(dān)資產(chǎn)記錄的作用，對(duì)于臨時(shí)性的資源調(diào)配、問題發(fā)現(xiàn)解決以及長(zhǎng)久性的資源共享機(jī)制建設(shè)，都沒有很好的實(shí)現(xiàn)。

1.1.2 信息整理復(fù)雜

隨著實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求的不斷變化、提高，實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備更加多樣化、復(fù)雜化，需要存儲(chǔ)、記錄、修改的信息越來(lái)越大，如何對(duì)儀器設(shè)備進(jìn)行“規(guī)范命名”、“高效匯總”、“快速查詢”、“智能導(dǎo)出”成為了實(shí)驗(yàn)室日常管理中亟待解決的問題之一。同時(shí)，缺乏實(shí)驗(yàn)室全生命周期的數(shù)據(jù)記錄與管理，在為新項(xiàng)目的規(guī)劃建設(shè)時(shí)，無(wú)法提供詳細(xì)、全面的數(shù)據(jù)參考。

1.1.3 資源共享低下

高校實(shí)驗(yàn)室擁有的實(shí)驗(yàn)資源，在沒有一個(gè)統(tǒng)一平臺(tái)的規(guī)范管理下，往往是獨(dú)立的，在實(shí)驗(yàn)室管理方面很難提供有效的信息交流、信息共享，尤其在出現(xiàn)業(yè)務(wù)交叉、共享利用時(shí)需要進(jìn)行大工程量的人為干預(yù)操作，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。上級(jí)部門進(jìn)行管理決策時(shí)，因?yàn)樾畔⒉涣魍ā⒏虏粚?shí)時(shí)、掌握不全面，也無(wú)法做出最為及時(shí)、科學(xué)、有效的判斷。

圖1：系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)

1.2 系統(tǒng)開發(fā)要求

目前實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)更多的是采用C/S架構(gòu)或者單機(jī)系統(tǒng)，在功能應(yīng)用上只是作為數(shù)據(jù)增加、查找、修改、刪除等簡(jiǎn)單用途，在信息共享、數(shù)據(jù)時(shí)效性方面更是存在不足?；跀?shù)據(jù)安全性、簡(jiǎn)化客戶端、提高復(fù)雜業(yè)務(wù)交互性、打通信息孤島、方便日常管理等方面綜合考慮，基于大數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)室數(shù)字管理系統(tǒng)將采用C/S與B/S相結(jié)合的混合模式。

同時(shí)，為加強(qiáng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、運(yùn)算，提高資源利用率，提升實(shí)驗(yàn)室管理水平，方便用戶體驗(yàn)，基于大數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)室管理數(shù)字系統(tǒng)將充分結(jié)合云計(jì)算技術(shù)，為用戶提供更加完善的功能選擇。

2 云計(jì)算平臺(tái)

2.1 云計(jì)算技術(shù)概述

云計(jì)算是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的全新計(jì)算方式，通過互聯(lián)網(wǎng)上異構(gòu)、自治的服務(wù)為用戶提供按需分配的計(jì)算，云計(jì)算的基本概念就是通過互聯(lián)網(wǎng)，將復(fù)雜的待處理程序拆分成多個(gè)子程序，交由多部服務(wù)器組成的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)搜索、計(jì)算、分析，再講處理結(jié)果返回用戶。采用云計(jì)算技術(shù)，可以在數(shù)秒內(nèi)處理數(shù)以萬(wàn)計(jì)、億計(jì)乃至更多的信息，實(shí)現(xiàn)和超級(jí)計(jì)算機(jī)一樣強(qiáng)大的效果。

2.2 云計(jì)算平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的云計(jì)算平臺(tái)，以分層設(shè)計(jì)為主導(dǎo)，依托飛速發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)，通過虛擬化、分布式存儲(chǔ)等技術(shù)方式，整合高校各實(shí)驗(yàn)中心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，為實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)提供更加強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、信息計(jì)算等服務(wù)。

實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的云平臺(tái)主要分“管理”和“服務(wù)”兩大模塊。

管理方面，主要以云的管理層為主，用于確保實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)云平臺(tái)的安全、高效、有序運(yùn)行，從而便于用戶可以進(jìn)行有效的管理。服務(wù)方面，主要基于云的各種服務(wù)為主。服務(wù)部分包括三大核心層：基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù)層（IaaS）、平臺(tái)即服務(wù)層（PaaS）、軟件即服務(wù)層（SaaS）。

目前分布式云計(jì)算平臺(tái)搭建主要是基于Hadoop架構(gòu)在Linux系統(tǒng)上進(jìn)行搭建。常用的搭建方式有兩種：安裝Linux系統(tǒng)和其他已有的操作系統(tǒng)下安裝Linux虛擬機(jī)后再搭建云計(jì)算平臺(tái)。基于大數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)室管理數(shù)字系統(tǒng)的云計(jì)算平臺(tái)，采用“虛擬機(jī)”+“Hadoop系統(tǒng)”+“SHH框架”進(jìn)行搭建。

3 基于大數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)室數(shù)字管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)室數(shù)字管理系統(tǒng)部署在云計(jì)算平臺(tái)的SaaS層，云計(jì)算平臺(tái)將為管理系統(tǒng)提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)計(jì)算、分析服務(wù)。

系統(tǒng)采用C/S與B/S的混合架構(gòu)模式，將兩種體系結(jié)構(gòu)有機(jī)結(jié)合，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，極大的提高數(shù)據(jù)訪問的安全性，同時(shí)高校內(nèi)部用戶的交互性將大大提升，數(shù)據(jù)查詢、修改、導(dǎo)出具有更快的響應(yīng)速度。如圖1所示。

3.2 C/S功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

C/S結(jié)構(gòu)主要用于學(xué)校內(nèi)部用戶的訪問，通過C/S模式訪問中心數(shù)據(jù)庫(kù)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的增加、刪除、修改、查詢等各種方式，整個(gè)管理系統(tǒng)主要由以下五大功能模塊構(gòu)成：系統(tǒng)管理、實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理、學(xué)生實(shí)驗(yàn)管理、實(shí)驗(yàn)室管理、數(shù)據(jù)輸出。

3.2.1 系統(tǒng)管理

主要面向系統(tǒng)管理員和系統(tǒng)維護(hù)人員，用于系統(tǒng)設(shè)置、權(quán)限分配和數(shù)據(jù)維護(hù)等，包括對(duì)全校實(shí)驗(yàn)室信息、實(shí)驗(yàn)教師信息、實(shí)驗(yàn)人員信息、學(xué)生信息、課程信息、專業(yè)信息等數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)，同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)室管理數(shù)字系統(tǒng)相關(guān)運(yùn)行參數(shù)的修改，以及對(duì)其他維護(hù)信息進(jìn)行的數(shù)據(jù)增加、查詢、修改、刪除等操作。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理

該模塊主要面向?qū)嶒?yàn)教師，內(nèi)容包括開設(shè)實(shí)驗(yàn)課程信息、實(shí)驗(yàn)教師信息、實(shí)驗(yàn)班級(jí)/人員信息、學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績(jī)管理等。

3.2.3 學(xué)生實(shí)驗(yàn)管理

主要面向?qū)W生用戶，包括學(xué)生的自主選課、對(duì)內(nèi)對(duì)外的實(shí)驗(yàn)預(yù)約、實(shí)驗(yàn)學(xué)生信息、學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績(jī)查詢等。

3.2.4 實(shí)驗(yàn)室管理

包括實(shí)驗(yàn)室新增信息、實(shí)驗(yàn)室更新維護(hù)以及報(bào)廢信息、實(shí)驗(yàn)室開放信息等，在資產(chǎn)信息方面，主要是儀器設(shè)備的更新、維護(hù)、報(bào)廢、借用等，以及日常運(yùn)行中對(duì)儀器設(shè)備使用的實(shí)時(shí)監(jiān)控、突發(fā)狀況時(shí)向管理人員及時(shí)報(bào)警、某時(shí)間段內(nèi)的儀器設(shè)備使用情況等。在該模塊中，最主要的就是實(shí)驗(yàn)室資產(chǎn)信息庫(kù)的管理，龐大的實(shí)驗(yàn)室資產(chǎn)信息將通過此模塊進(jìn)行登記、查詢等操作。

3.2.5 數(shù)據(jù)輸出

實(shí)驗(yàn)室管理人員可以通過該模塊，自助選擇需要的數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行輸出打印操作，如某一時(shí)間段內(nèi)某實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)人數(shù)、教學(xué)儀器設(shè)備的年使用率、教育部相關(guān)信息統(tǒng)計(jì)的報(bào)表導(dǎo)出等。

3.3 B/S功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

三級(jí)用戶可以直接通過瀏覽器對(duì)實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)進(jìn)行訪問，執(zhí)行實(shí)驗(yàn)室的預(yù)約、查詢、數(shù)據(jù)打印、信息發(fā)布等操作。用戶使用瀏覽器通過B/S模式訪問數(shù)據(jù)庫(kù)，快速獲取自身所需要的信息，如實(shí)驗(yàn)室使用情況、實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行情況、資產(chǎn)設(shè)備情況、學(xué)生成績(jī)查詢、學(xué)生實(shí)驗(yàn)預(yù)約、報(bào)表打印輸出、通知公告等。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于大數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)室數(shù)字管理系統(tǒng)，采用C/S與B/S相混合的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)將大數(shù)據(jù)與云計(jì)算技術(shù)充分融合，不但可以整合實(shí)驗(yàn)室教學(xué)資源，提高資源共享及資源利用率，還可以大大降低實(shí)驗(yàn)室管理人員工作復(fù)雜度，將實(shí)驗(yàn)室管理從粗放型、經(jīng)驗(yàn)型從精細(xì)化、科學(xué)化的模式轉(zhuǎn)變，顯著提升高校實(shí)驗(yàn)室管理效率，提高服務(wù)質(zhì)量。