基于PaaS的高校實驗室信息系統的建設與研究

陶建平，詹廣輝，曹 霞

（華中科技大學 網絡與計算中心，湖北 武漢 430074）

信息技術的發展和應用，在改變人們生產生活方式的同時，對高等教育的創新與變革也有著深刻影響。以教育信息化帶動教育現代化的戰略部署，不僅明確了現代教育的目標任務，對人才培養、實驗教學和實驗室管理也提出了更高的要求[1-4]。

在建設以“智慧校園”為目標的過程中，華中科技大學著力推進以“數據中心”為核心的信息化基礎平臺建設，實現了從IaaS（infrastructure as a service，基礎設施即服務）到PaaS（platform as a service，平臺即服務）的升級。在此基礎上，如何實現實驗室管理規范化、創新實驗教學模式和完善實驗安全體系是實驗室信息化建設的研究重點。

1 高校實驗室的信息化需求

1.1 運用信息技術擴展管理功能

在實驗室管理中廣泛應用物聯網、云計算等信息技術，有效開發和利用各類資源，是加快實驗室現代化管理的有效手段[5]。因此實驗室信息系統不應局限于實驗機房開放和學生實驗管理，還需涵蓋實驗室建設、設備運維、資產管理、實驗教學、實驗室安全以及實驗人員量化考核等各個環節，并利用大數據分析為管理部門提供決策依據[6-10]。

1.2 廣泛的數據共享和數據安全

實驗室及院系各部的原有信息系統均以獨立模式運行，由于數據標準和結構不一致，致使各系統間的數據難以共享。填寫實驗數據報表時因為信息之間的差異，需按不同的數據要求反復填報，不僅增加了工作量，也容易出錯。而且各環節在單機上操作，平臺的不穩定性和數據庫漏洞，導致數據的安全性、完整性都無法保證。

因此在保證一致性、安全性的前提下打破信息孤島，最大化地實現數據共享[11-12]，提升數據利用率，也是建設實驗室信息化的任務之一。

1.3 實驗室管理角色的轉變

高校實驗室的形式日趨多樣化，因此實驗室管理不只是對實驗設備和人員的管理，還需大量采集實驗中的各種數據和重新整合多種實驗平臺，突破實驗室時間和空間上的制約，為實驗者提供多樣化的服務，將實驗流程信息化、實驗業務數據化，滿足個性化的資源需求。

2 實驗室信息系統的設計思路和原則

2.1 實驗室管理的流程信息化

將實驗室的事務和流程進行信息化處理，對原來需人工介入的事務流程經過梳理后進行再造，以信息化管理來代替人工管理。例如在實驗室教學管理模塊中，從教學計劃開始到實驗結束，對整個教學過程進行了信息化處理：

（1）將教學計劃課表中的實驗課程和教室課程經程序分析后自動剝離、分類建表；

（2）規整后的實驗排課數據，經過線上審核后直接錄入信息平臺；

（3）實驗課前，系統自動向師生推送實驗時間和地點信息；

（4）實驗當日，依據課表中具體的節次和機房編號，自動為上機實驗的專業班級開放所需的系統環境；

（5）實驗結束后，將采集的學生到課率、實驗時長、實驗報告以及實驗效果評價等信息自動匯總，并發送給任課教師。

通過對流程的信息化處理，不僅簡化了實驗過程管理，還提升了效率和服務質量。

2.2 實驗室管理的信息標準化

根據國家和教育部的相關要求，結合學校實際制定了全校統一的信息標準。實驗室信息化系統在設計之初，就要求各類數據和信息字段必須嚴格遵循標準，避免以后與其他系統在數據共享與交換時產生數據不一致的情況。

將實驗教學計劃、實驗預約、臨時調課安排、資產管理、設備維護情況、實驗課程數、學時數、實驗人數等一系列表格數據納入全校的基礎數據云中，遵守誰提供、誰負責的原則，在保證數據準確性的前提下，也更易于資料的存儲和調閱。

2.3 實現實驗教學的多樣化

隨著虛擬仿真、翻轉課堂、網絡實驗平臺等多種實驗教學手段的出現，實驗室信息系統必須與這些實驗平臺統籌規劃，分步有序地建設。將已經成熟的教學平臺融合進來，同時為以后的應用擴展保留公共接口，使得教學實驗平臺不僅能做驗證性實驗，同時也能為研究型實驗、自主型實驗和拓展型實驗提供良好的實驗環境。

2.4 保障實驗室的信息安全

隨著智能移動終端的普遍使用、無時不在的信息交互，在享受便捷的同時，下列安全問題也需高度重視。

（1）黑客攻擊。大量含有隱私和敏感信息的數據，極易成為黑客攻擊的目標。而且一些敏感數據的所有權和使用權并沒有明確界定，容易被濫用。因此抵御外部的攻擊，避免個人隱私泄露是信息安全的首要任務。

（2）存儲和防護漏洞。各類業務數據和個人信息數據的集中存儲，稍微松懈就會產生安全隔離的問題。另外數據量的非線性增長，對防護手段的更新和升級速度也是嚴苛的考驗。

（3）數據的意外損失。包括人為錯誤、軟件和硬件故障引起數據的完整性和可用性受損。

3 實驗室信息系統的建設與實踐

3.1 實驗室信息系統的架構

實驗室信息系統運行于校園統一開發的運行平臺中。該平臺采用PaaS 模式，除提供網絡、服務器、存儲等硬件基礎服務外，還包括公共信息平臺、基礎數據與業務資源庫以及其他中間組件服務，基于PaaS的實驗室信息系統架構見圖1。

3.1.1 應用層

應用層是在服務平臺的支撐下，面向終端用戶提供信息系統的應用交互。

3.1.2 服務層

服務層是整個統一開發運行平臺的核心，為納入框架的應用提供以下服務。

（1）開發部署。提供集成開發框架和環境，可根據不同的編程語言將應用封裝成通用發布包，在開發運行平臺內進行統一測試和部署。

（2）公共服務。將頻繁使用的公共組件進行封裝，以SOA 方式對外提供服務，對應開發和運維的不同權限提供訪問或調用接口，實現基礎組件復用，避免重復開發，提高已有組件的利用率和應用系統的開發效率。

（3）應用支持。對接入平臺的數據整合后，通過數據交換與共享平臺，為系統間所需數據提供自動推送與更新。并持續監控系統應用的運行狀態和事務日志，如健康狀態、硬件資源使用率和可用性等指標，為開發運行平臺的自動彈性伸縮提供數據基礎。

（4）運行支持。以云計算為基礎的并行處理、分布式存儲和基于ESB（enterprise service bus）消息總線 的建設，高效實現跨部門、跨系統應用所需的運行環境。

圖1 基于PaaS 的實驗室信息系統架構

（5）安全支持。對入駐的應用系統采用源碼審核、系統漏洞預警、補丁升級、病毒掃描、攻擊防御等技術手段，提供統一的安全服務。

3.1.3 基礎設施層

基礎設施層是為系統應用提供硬件支持。實驗室信息系統的應用程序部署在兩臺虛擬服務器中，采用雙通信鏈路，負載均衡設備依據實時訪問量和處理單元壓力自動分配資源，同時雙機互為備份。數據庫獨立存放于數據池中由平臺統一管理，與應用服務進行安全隔離。

3.2 實驗室信息系統的建設內容

實驗室信息系統由實驗教學管理、實驗室綜合管理和實驗安全管理三部分組成，整合了多個與教學相關的實驗平臺，構建了高校計算機實驗室的運維管理和安全體系，實驗室信息系統組成見圖2。

（1）適應多種需求的實驗排課系統。對教學實驗排課需求重新梳理，將編排細化到實驗機房的具體排數和機位。而且一個實驗班級可以跨多個區域安排，也可以將相同實驗課程的多個班級集中在單獨的區域，提高了教學時段內機房的利用率。同時優化了排課算法，能滿足多種安排方式，并且快速、準確。

（2）提供人性化的實驗信息服務。在教學、實驗室和信息門戶等多個平臺上，通過計算機客戶端、移動設備或多媒體交互終端都可動態顯示和查詢實驗教學安排、位置信息、實驗室開放情況、機位預約狀態及實時使用情況，并且添加了更加細致信息服務。例如手機微校園的消息提醒中，在課前將實驗和位置信息精確推送給上課師生，實驗結束后將學生的到課情況（率）、上機時長、遲到早退信息、實驗報告完成情況發送給教師。

圖2 實驗室信息系統組成

（3）不斷改革實驗和考核模式。利用云端服務提 供了計算機網絡、信息安全、電路設計、生物藥學分析等多個仿真實驗平臺，以及計算機語言（Visual C++、Visual Basic、Java、Python）自主學習及考核平臺，將練、學、考核和內容擴展相結合，不斷探索實驗教學改革。現已有多門課程取消了線下考核，轉為自主實驗與線上考核相結合的綜合評分模式。

（4）量化教學及實驗評價考核。通過調查問卷和評分系統收集實驗的課堂效果、實驗指導評價、實驗室管理服務、實驗軟硬件及環境等多個指標參數，除及時反饋給實驗教師和管理人員外，還作為考核的重要數據參考。

（5）智能高效的資產管理。系統中的設備列表與資產基礎庫進行數據比對，將實際存放位置、管理人、使用狀態、年限等信息自動填充完整。同時設置了資產報廢時間和UPS 電池到期提醒，可以智能化管理設備，高效完成資產清查。

（6）詳細的實驗室評估數據。通過計算機客戶端采集包括機房在用時間、實驗人次統計、機房日使用量報表、具體設備的在用時間、使用人次統計、設備操作記錄、設備狀態評估（在線、空閑、故障設備臺數及比例）、實驗課程和課時數統計、專業班級及院系分布等一系列量化的效能數據，可為上級管理部門在實驗室的基礎建設、設備投入、資源優化等方面提供決策依據。

（7）提升實驗室的運維水平。通過對實驗設備運行和使用情況的監測，從異常報警、故障類型標記、設備巡查、設備維修，到正常上線形成完整的維管信息鏈，軟件的維護升級也有著類似的流程管理。將信息化管理應用于實驗室的各項運維工作中，使所有的管理過程都可查詢和追溯。

（8）加強實驗過程中的安全管理。利用系統的客戶端記錄實驗人員的操作過程，同時結合遠程屏幕監控和多角度的視頻監控，加強對使用者的網絡信息安全管理，規范網絡使用行為。

（9）構筑多維度的實驗室安全體系。將無線紅外探測、溫濕度監測、空氣循環、高清攝像監控、消防滅火、門禁等設備都納入實驗室信息化系統中。構筑起一個多層次的，可實施自動預警、自動干預的實驗室安全體系。

3.3 實驗室信息數據的安全及共享

（1）信息安全的保障。系統所有的信息數據都交由統一開發運行平臺管理，有專門的技術團隊進行維護和管理，并定期發布數據庫漏洞和各類平臺的升級補丁。數據庫服務器和應用服務器均在物理上進行了隔離，對訪問請求經身份審核后才能通過統一的接口進行訪問，以確保數據的安全性和訪問主體的可控性。

（2）實驗室相關數據的共享。信息系統之間的數據是不允許互相訪問，而是采用由數據需求方先申請，再按“最少可用”的原則開放部分數據，定時發送數據至指定的位置。實驗室信息化系統申請了學生、教師以及實驗設備資產三項基礎數據，通過系統把采集的教學、設備、開放及安全監測等信息補充回填至基礎數據庫中，對于實驗室每學期要上報的“高校實驗室綜合信息表”“實驗教學項目表”“實驗室基本情況表”等表格內容可自動從基礎數據庫對應條目中調用，減少了人工填報和統計的困擾。在個人申報教學實驗成果時，經院系統一申請后數據可同步導入，不再需要申報人填寫，而只對導入數據審核及確認即可。

4 結語

通過對實驗教學、實驗室管理過程相關數據的分析，可以促使高校實驗室在功能和管理方式上轉變思維，最大化地利用實驗室信息系統融合各類實驗平臺和資源，加強在實驗教學、人才培養、科研創新、實驗安全管理等方面的深入研究。