基于K-means算法的高校實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃 恒

(黎明職業(yè)大學(xué) 實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)部，福建 泉州362000)

隨著高等教育不斷發(fā)展，高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)由傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)單一、系統(tǒng)簡(jiǎn)單化、規(guī)模較小逐步向結(jié)構(gòu)復(fù)雜、系統(tǒng)復(fù)雜以及規(guī)模龐大等方向轉(zhuǎn)變。高校實(shí)驗(yàn)室除了承擔(dān)高等教學(xué)工作，還為教師開展科研工作提供服務(wù)。如何管理實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)已成為高校實(shí)驗(yàn)室管理面臨的重大問題[1]。

目前，高校實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)研究主要有：為解決設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸問題，提出采用無(wú)線射頻技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)，通過軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，解決了設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸問題。針對(duì)當(dāng)前繁雜的管理問題，提出采用智能方式替代原有實(shí)驗(yàn)室管理，該方法提高了實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的功能。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，而實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)未給予足夠重視。針對(duì)這一問題，采用K-means算法對(duì)高校實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，為高校實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)提供參考[2]。

1 系統(tǒng)需求分析

1.1 需求分析

圖1 系統(tǒng)總體用例圖

高校實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)使用者分為教師、學(xué)生以及實(shí)驗(yàn)室管理員。教師通過該系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)備預(yù)約、耗材使用、教學(xué)工作開展以及科研工作開發(fā)。學(xué)生通過該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)。系統(tǒng)管理員承擔(dān)實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)管理工作[3]。

高校實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)包含的功能模塊有：權(quán)限管理、用戶管理、設(shè)備管理、耗材管理、場(chǎng)地管理、學(xué)生管理、采購(gòu)管理、數(shù)據(jù)挖掘管理等，如圖1所示。

權(quán)限管理包含的功能主要有：權(quán)限添加、權(quán)限修改、權(quán)限查看以及權(quán)限刪除等。學(xué)生管理包含的功能有：學(xué)生信息查看、學(xué)生成績(jī)管理、學(xué)生作業(yè)管理、學(xué)生課程管理等。設(shè)備管理包含功能有：設(shè)備添加、設(shè)備查看、設(shè)備使用記錄管理、設(shè)備維護(hù)管理等。耗材管理包含的功能有：耗材領(lǐng)用管理、耗材采購(gòu)管理、耗材危化品管理[4]。場(chǎng)所管理包含的功能有：場(chǎng)所信息查看、場(chǎng)所信息添加、場(chǎng)所預(yù)約等；數(shù)據(jù)挖掘主要提供數(shù)據(jù)分析。管理體系包含相應(yīng)的質(zhì)量管理、文件管理等。

1.2 系統(tǒng)非功能需求分析

由于高校實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)著教學(xué)、科研工作，每天有大量學(xué)生、教師上網(wǎng)完成相應(yīng)的操作，需要保證其穩(wěn)定運(yùn)行。本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能在60天內(nèi)正常運(yùn)行，出現(xiàn)故障后在3小時(shí)內(nèi)解決。系統(tǒng)能夠同時(shí)支持1500人同時(shí)在線，服務(wù)器使用率控制在85%以下。

2 功能設(shè)計(jì)

2.1 K-means算法設(shè)計(jì)

(1)輸入學(xué)生數(shù)據(jù)集信息；

(2)選取K個(gè)聚類點(diǎn)，并初始聚類點(diǎn)位置；

(3)按照劃分方式進(jìn)行中心位置查找；

(4)循環(huán)(2)～(3)過程直到J不發(fā)生改變。

2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

為降低系統(tǒng)開發(fā)成本，選取開源Mysql數(shù)據(jù)庫(kù)作為高校實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。高校實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)中包含大量信息，需要配置相應(yīng)的數(shù)據(jù)表，例如權(quán)限信息表、設(shè)備信息表、學(xué)生信息表、采購(gòu)信息表。如表1所示。

表1 設(shè)備信息表

設(shè)備信息表用于存儲(chǔ)設(shè)備信息。包含字段有：設(shè)備編號(hào)、設(shè)備類別、設(shè)備名、設(shè)備使用信息、設(shè)備價(jià)格、設(shè)備生產(chǎn)地址、設(shè)備購(gòu)置時(shí)間以及設(shè)備附件等。

表2 學(xué)生信息表

學(xué)生信息表用于存儲(chǔ)學(xué)生信息。包含字段有：學(xué)生編號(hào)、學(xué)生班級(jí)、學(xué)生名、學(xué)生專業(yè)、學(xué)生成績(jī)、學(xué)生作業(yè)信息、學(xué)生進(jìn)校時(shí)間、學(xué)生性別以及備注等。

2.3 功能設(shè)計(jì)

高校實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)功能有：權(quán)限管理、學(xué)生管理、數(shù)據(jù)挖掘管理、設(shè)備管理等。實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)功能架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.4 功能設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)包含的功能比較多，本文只分析部分功能。采用UML建模技術(shù)進(jìn)行功能設(shè)計(jì)。

(1)設(shè)備管理功能設(shè)計(jì)

設(shè)備管理中包含了設(shè)備信息添加、設(shè)備信息查看、設(shè)備信息修改、設(shè)備信息維護(hù)以及設(shè)備信息使用管理等。如圖3所示。

圖3 設(shè)備管理類圖

設(shè)備管理包含equipment_Web、equipment_BLL、equipment_DALL，分別用于設(shè)備界面管理、設(shè)備業(yè)務(wù)邏輯管理以及設(shè)備信息管理。在equipment_Web中顯示設(shè)備添加、設(shè)備修改、設(shè)備查看以及設(shè)備使用管理等。界面中采用Html技術(shù)+javascript技術(shù)完成界面展示，數(shù)據(jù)通過Post方式傳輸?shù)胶笈_(tái)進(jìn)行業(yè)務(wù)邏輯管理、數(shù)據(jù)管理。

(2)耗材管理。耗材管理包含耗材申請(qǐng)、耗材領(lǐng)用、耗材危化品管理、耗材預(yù)警。學(xué)生在使用耗材時(shí)可在系統(tǒng)中填寫相應(yīng)的申請(qǐng)表；耗材申請(qǐng)用于耗材購(gòu)買管理；耗材危化品管理是系統(tǒng)核心功能，由于危化品可能危及到學(xué)生生命因此需要嚴(yán)格管理；耗材預(yù)警管理是對(duì)耗材進(jìn)行預(yù)警管理。耗材管理如圖4所示。

圖4 耗材管理類圖

耗材管理包含的種類有：Consumables_web、Consumables_BLL、Consumables_DALL，用于耗材界面管理、耗材業(yè)務(wù)邏輯管理以及耗材數(shù)據(jù)管理。

(3)數(shù)據(jù)挖掘管理。采用C#語(yǔ)言編寫系統(tǒng)，開源框架Accord.NET作為數(shù)據(jù)挖掘內(nèi)容，該框架中提供數(shù)據(jù)挖掘K-means算法等，可降低開發(fā)成本。

3 功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)編寫環(huán)境為VS2013，為解決系統(tǒng)兼容性問題，系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)采用服務(wù)器端操作系統(tǒng)運(yùn)行在Windows2008，服務(wù)器使用IIS8.0。系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理界面如圖5所示。管理員在系統(tǒng)中可進(jìn)行儀器設(shè)備信息添加。

圖5 系統(tǒng)設(shè)備管理界面

4 結(jié)論

以K-means算法作為高校實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)挖掘算法，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)相比，所開發(fā)的管理系統(tǒng)能從海量數(shù)據(jù)中挖掘出有用信息。此外，系統(tǒng)還增加了危化品管理功能，適時(shí)監(jiān)控危化品使用，強(qiáng)化了實(shí)驗(yàn)室管理。