基于云技術的高校計算機實驗室管理系統設計與實現

李丹

摘要：為提高學校計算機實驗室管理的信息化水平，針對實驗室預約、設備管理、耗材管理工作自動化程度不高的問題，采用Web技術和云技術實現學校計算機實驗室日常業務流程的數字化管理，通過實驗室管理系統為管理人員提供實驗室使用狀態維護、預約匹配、手動調整、設備維護、耗材管理、實驗資源等功能。

關鍵詞：計算機實驗室;預約匹配;設備管理;云技術

中圖分類號：TP311.1 ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：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

計算機實驗室不僅承擔著高校計算機專業學生的日常上機實踐任務，同時還需要為其他專業的學生提供計算機操作和實踐教學的硬件支持，對于高校人才培養質量有著重要的影響[1]。近年來，高校教學教務管理的信息化發展有了飛速發展，各種高新技術的應用越來越廣泛[2]。然而，在國內眾多高校的計算機實驗室管理工作中仍主要采用人工登記管理的方式進行實施，實驗室預約、使用及內部設備、耗材的管理、實驗教學視頻等資源維護還缺乏專門的管理軟件支持，總體管理效率較低下;尤其在計算機實驗教學工作中經常使用的教學視頻、音頻、文檔等存儲容量需求較大的資源管理方面，缺乏可靠快速的管理工具，人工維護的工作量及壓力較大[3]。所以，如何充分發揮信息技術優勢，為計算機實驗室管理工作提供自動化的管理工具，提高實驗室管理業務的信息化水平，是高校計算機實驗室管理部門所需解決的問題[4]。

1 需求分析

計算機實驗室的日常工作核心是實驗室的預約、使用和內部設備資源、耗材資源的維護管理，因此結合上述業務背景，以及信息化軟件發展的情況，提出計算機實驗室管理系統的功能及其他需求主要包括如下幾點：

1） 系統可以按照實驗室課程計劃安排，自動對計算機實驗室進行匹配，并為教師用戶提供實驗室預約功能。

2） 系統可以為實驗室管理人員提供各個實驗室、內部主機設備、網絡設備等硬件資源，文具、鼠標、鍵盤、投影儀、照明器材等耗材的出庫、入庫維護、統計管理功能支持。

3） 系統需要支持計算機實驗教學資源的高效存儲、檢索及統計功能。

系統的目標用戶包括了實驗中心管理人員、實驗課程的任課教師等，實驗中心管理人員主要使用系統的實驗室設備、耗材管理，以及實驗教學資源的上傳、維護等;任課教師主要使用系統的實驗室預約、實驗教學資源的檢索及應用功能等。

2 系統功能模型設計

本系統采用Java Web技術以及SSM模式進行模型設計，同時為了提供實驗教學視頻資源的存儲、檢索等功能，在Web后臺基于CloudSIM平臺搭建分布式文件系統，實現系統的海量資源數據信息的管理服務，系統的后臺數據庫管理系統選擇Oracle專業數據庫系統。從總體角度來看，本系統的功能模型可以分為交互層、邏輯層和數據層3個功能層次，具體如圖1所示。

按照圖1所示，實驗室管理系統的總體功能框架基于SpringMVC服務組件進行模型搭建;用戶在交互層中包含的操作Web頁面中的邏輯操作請求在SpringMVC服務組件的調度下由JavaBean組件進行處理，是系統的內部核心功能，其中包括了實驗室預約管理組件、實驗室設備管理組件、實驗室耗材管理組件以及實驗教學資源管理組件等，對應的是系統的邏輯層。系統的數據層中的數據庫操作服務采用基于MyBatis服務組件的持久化模式進行處理，所有的數據操作基于中間數據對象實現，以自定義數據類的方式進行內部定義。同時，在系統后臺的Web服務發布過程中，基于實驗室中心現有硬件資源、軟件資源以及系統服務資源的支持，采用CloudSIM云平臺工具搭建分布式文件系統，主要用于對計算機實驗教學所用的視頻教學資源、音頻資源等文件數據進行分布式存儲、檢索等管理。

3 系統功能結構設計

實驗室管理系統的功能結構如圖2所示。

系統中的功能模塊分為實驗室預約管理、實驗室設備管理、實驗室耗材管理以及實驗教學資源管理等。在實驗室預約管理模塊中主要實現對實驗室日常使用、人工預約以及按照實驗課程計劃進行自動匹配等功能;實驗室設備管理模塊中主要用于為用戶提供實驗室的主機設備、網絡設備等硬件的添加、刪除、修改、配置、查詢等功能;實驗室耗材管理模塊主要用于為用戶提供打印紙、鼠標、鍵盤、U盤等日常耗材的添加、查詢、狀態更新等功能;實驗教學資源管理模塊主要為實驗課程教師提供各類教學視頻、音頻、PPT等文件的檢索、查閱、播放等功能。在出入庫管理模塊中實現了實驗室設備、耗材的采購入庫、出庫信息的增刪改查、設備報廢等功能。在統計查詢模塊中包括了實驗室相關信息的統計功能。在系統管理模塊中實現了對實驗室的增刪改查以及內部資源的相關配置、用戶信息的維護等功能。

4 系統數據庫分析

本系統的數據庫選擇Oracle 11G，主要用于存儲系統的用戶數據、實驗室數據、實驗設備數據、實驗耗材數據、教學資源元數據、課程表數據等：

1） 用戶數據：主要包括用戶編號、名稱、部門、角色、登錄密碼等，采用用戶編號作為主鍵。

2） 實驗室數據：主要包括實驗室編號、名稱、門牌號、類型、狀態等，采用實驗室編號作為主鍵。

3） 實驗設備數據：主要包括設備編號、所在實驗室編號、設備名稱、設備類型、設備狀態等，采用設備編號作為主鍵。

4） 實驗耗材數據：主要包括耗材編號、耗材類型、耗材名稱、數量等，采用耗材編號作為主鍵。

5） 出入庫數據：主要指實驗設備及耗材的入庫和出庫情況，如出入庫數量、單價、庫存數量等。

6） 教學資源元數據：教學資源存儲在系統后臺云平臺中，本系統數據庫中只存儲其元數據，包括資源編號、資源類型、資源名稱、資源大小、校驗碼、上傳時間等。

7） 課程表數據：主要包括了ID、課程編號、課程名稱、上課時間、實驗室編號、任課教師等，采用ID作為主鍵。

5 實驗室自動匹配功能設計

實驗室自動匹配是指按照學校的實驗課程計劃，以及實驗中心的實驗室資源配置情況，系統自動進行實驗室的課程匹配，完成最終的實驗課程表的創建。本系統的實驗室自動匹配算法采用了雙回歸鏈表（Double Regression Link，DRL）[5]算法進行實現，算法原理如圖3所示。

在設計中，將圖3中所示的課程集合及可用的實驗室資源分別以鏈表形式進行定義，每個鏈表的節點定義說明如下：

其中的Nodec表示未匹配的課程，Nodel表示每個教學時間點可用的實驗室，式（1）和式（2）中的Y、T分別表示實驗課程和實驗室的類型以及教學時間點，只有Nodec的類型和Nodel的類型相同時，才可以進行匹配，其中的Flag表示課程和實驗室的匹配狀態，Flag為0則表示尚未匹配， Flag為1表示匹配成功，Flag為-1表示課程匹配失敗。在所有實驗課程匹配成功之后，將所有Flag值為1的Nodel進行輸出，即可得到自動匹配完成的實驗課程詳細課表，對于未匹配成功的課程，將所有Flag為-1的課程節點信息進行輸出，為實驗室管理人員提供匹配失敗提示，詳細流程如圖4所示。

在圖4中，如果算法執行完成后存在Flag為-1的課程節點，則表明實驗課程計劃中存在沖突問題，系統將其這些課程節點進行輸出，為實驗室管理人員提供實驗課程手動調整的參考。同時，系統在完成了課程表的創建之后，如果任課教師需要進行臨時調整，可以通過系統的人工預約功能提交請求，由實驗中心管理人員根據目標實驗室的分配情況，對課表進行臨時調整處理。

6 教學資源云服務功能設計

針對實驗中心的實驗課程教學視頻、音頻、PPT、電子書等文檔資源數量較大的問題，本系統采用云技術搭建分布式文件系統，提高系統數據存儲能力，同時充分利用實驗中心的計算機軟硬件資源。云平臺工具采用CloudSIM，云節點服務器采用實驗中心機房中的34臺主機（編號為#1到#34）實現，操作系統為Ubuntu 16.04，節點配置如表1所示。

在表1中，如果#1的Master主節點出現故障或崩潰，則利用CloudSIM云平臺的服務配置，由#2的Master備用節點進行服務代替。在應用中，系統根據數據庫中保存的實驗教學資源文件名稱或編號、關鍵字進行檢索，由CloudSIM云平臺的Master主節點負責分布式文件系統數據讀取的功能調度。#3和#4節點執行文件的拼接以及完整性驗證服務，利用Linux平臺下的MD5值進行驗證。本系統云服務硬件資源部署在獨立的網段192.168.0.*內，并利用實驗中心路由器設備和系統的Web服務器主機、數據庫主機進行連接，具體的網絡結構如圖5所示。

如圖5所示，本系統的Web服務器和數據庫服務器采用雙機并行模式，直接部署在實驗中心內部網絡。同時，Web服務器通過IP地址為192.168.0.1的路由器接入到CloudSIM云平臺中，進行實驗教學資源的讀取、寫入等操作。系統的整個云服務的功能邏輯流程如圖6所示。

系統的實驗教學資源在進行分布式存儲時采用了CloudSIM的默認配置方式，根據實際的硬件存儲空間以及文件大小等進行默認大小的分割和物理存儲，并在Master節點中維護各個資源文件的分布式存儲數據。

7 系統實現

實驗室管理系統的首頁面如圖7所示，在其中以快捷菜單以及圖標的形式將系統的各項功能入口進行展示。

用戶可以通過登錄系統，點擊對應的功能菜單或圖標，進入對應的功能頁面，實現實驗室預約管理、實驗設備管理、實驗耗材管理、實驗設備及耗材的出入庫管理、統計查詢管理、教學資源管理以及系統管理等功能。

8 結束語

實驗室管理系統是基于高校計算機實驗中心的實際需求進行研發，針對實驗教學資源的存儲容量需求大的情況，選擇云技術以分布式文件系統方式進行存儲，對實驗中心的核心工作提供信息化支持，提高實驗室管理工作的效率和信息化水平。

參考文獻：

[1] 楊健.高校開放式實驗室管理系統的設計[J].微型電腦應用，2018（12）：102-104.

[2] 何立富.高職院校實驗實訓耗材管理系統分析與設計[J].電腦編程技巧與維護，2018（12）：108-110.

[3] 高小霞，馮增才.實驗室與實驗教學管理平臺的設計與實現[J].信息與電腦：理論版，2018（21）：64-66.

[4] 馮小榮，馮增才.基于B/S結構的實驗室管理系統的設計與開發[J].黑龍江科技信息，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.

【通聯編輯：代影】