基于云技術的實驗室管理系統的設計與實現＊

廈門華廈學院 陳志聰 洪小堅

在引入云技術之前，實驗室的管理不足可能會導致實驗室不能完全滿足用戶要求。由此可能導致實驗室效率低下且不靈活，甚至在維護時容易出錯。因此，需要一種具有明確目標、采用成熟技術的實驗室管理系統，以充分識別、映射、驗證和優化實驗室功能、事件和數據。所設計的實驗室管理系統要充分考慮實驗室快速、高效和透明的需要，利用最新的云技術工具，實現管理系統高度的信息化和智能化，并確保實驗室具有更好的可訪問性。

隨著現代技術的發展，實驗室的規模不斷擴大，涉及項目日趨增加，使用人數不斷增長，由此加重實驗室管理人員的工作負擔，導致部分實驗室在日常管理中存在資源浪費、功能欠缺、效率低下、管理工作繁重等問題，實驗室管理亂象頻發。基于此，有必要設計一套更加高效的、自動化的、具有一定智能的實驗室管理系統，為實驗室的高質量發展貢獻力量。由于不同行業和項目的實驗室對其管理系統的需求也有所不同，本次研究以高校計算機實驗室為例，基于現階段云技術的研究成果，闡述一套高信息化的計算機實驗室管理系統，并論證所設計的實驗室管理系統的實現，以期為從業人員的研究和實踐提供一定的幫助。

1 基于云技術的實驗室管理系統需求

通常，傳統的實驗室管理依賴手動方法、電子表格和非集成模塊化軟件的組合來滿足數據管理和操作需求。針對高校計算機實驗室的管理而言，其業務核心主要包括對實驗室的預約、使用和維護等方面的協調和管理[1]。具體來說，基于云技術的實驗室管理系統的設計需求主要包括以下幾點：

（1）所設計的計算機實驗室管理系統需要滿足高校計算機課程日常教學和課題研究的計劃安排；能夠為高校計算機課程的教學人員和研究人員提供預約服務并提供自動的實驗室匹配，以降低實驗室管理人員的工作量，提升實驗室管理工作效率。（2）所設計的計算機實驗室管理系統需要滿足管理人員對實驗室的硬件設備和軟件資源的管理，包括實時顯示計算機實驗室設備使用情況、耗材庫存情況、實驗室資源統計等，以實現高校計算機實驗室資源分配和減少并最終取代過時的、主要基于紙質和電子電子表格的數據和工作流管理系統。（3）所設計的計算機實驗室管理系統需要滿足全方位服務高校計算機實驗室的各種信息管理需求，強調結構良好的開發過程的整體重要性，并描述現代技術的新應用。

基于上述系統需求，本次研究使用基于云技術的項目管理方法和第三方合作伙伴關系，用于構建和部署適用于現代高校計算機實驗室管理系統。

2 基于云技術的實驗室管理系統模型

云計算因其多重優勢而越來越受歡迎，在最基本的形式中，云計算通過互聯網而不是計算機的硬盤驅動器存儲和訪問數據和程序。使用云計算的客戶不擁有基礎設施；相反，他們從第三方供應商那里租用。因此，按需自助服務、廣泛的網絡訪問、資源池化和快速彈性是云計算和云服務的基本屬性[2]。依靠互聯網，云資源可隨時通過網絡訪問，允許組織通過云服務避免高昂的軟件許可費用。

在實際中，基礎架構即服務(IaaS)、平臺即服務(PaaS)和軟件即服務(SaaS)是云計算的三個基本類別[3]。其中，IaaS是云計算的基礎，它通常使用戶能夠訪問網絡功能、計算機和數據存儲。IaaS允許人們對IT資源擁有最大的靈活性和控制權。它可與許多IT部門和開發人員已經熟悉的現有IT資源相媲美。PaaS消除了管理底層基礎設施的需要，允許人們專注于應用程序的部署和管理。這可以提高工作效率，因為不必擔心資源采購、容量規劃、軟件維護、修補或任何其他與運行應用程序相關的無差別繁重工作。SaaS提供由服務提供商管理和維護的功能齊全的產品。

基于上述內容，本系統功能模型分別使用基于云技術的Jira和Confluence來組織開發任務和項目文檔；TeamCity 2019.1用于構建一個持續集成管道；PyCharm 2019.1、Docker Desktop Community 2.1.0.5、VirtualBox 6.1和Postman 8.1用于本地測試和開發。其中，Python是一種流行的通用高級編程語言，具有文檔完善、支持良好的工程標準，用于開發外部程序插件、自動化測試腳本、報告模板和其他服務。

對于高校計算機實驗室管理流程，開源Python s4-Clarity庫用于支持實驗室預約、實驗室儀器集成和其他實驗室資源統計。其中，外部程序插件(EPP)可在LIMS中訪問的獨立腳本文件，用于執行過于復雜或繁瑣而無法在LIMS本身內配置的計算、轉換或集成；應用程序編程接口(API)用于連接多個應用程序，允許它們交換信息并增加安全限制。

3 基于云技術的實驗室管理系統設計

3.1 功能架構

本次研究所設計的高校計算機實驗室管理系統應用了云技術，以期實現實驗室預約、實驗室管理、實驗室數據庫構建等操作。因此，需要系統具備以下功能：

（1）所設計的計算機實驗室管理系統能夠讓用戶對資源分配提出申請，對資源的增加或減少提出申請；（2）所設計的計算機實驗室管理系統能夠提供對用戶請求的自動化部署，部署根據用戶的申請來實際部署，由云計算軟件管理平臺來自動實現；（3）所設計的計算機實驗室管理系統能夠進行對學生成績的統計、查詢和管理[4]。

總體來看，所設計的高校計算機實驗室管理系統的功能框架如圖1所示。

圖1 高校計算機實驗室管理系統架構圖Fig.1 Architecture of university computer laboratory management system

3.2 數據庫分析

本研究所設計的基于云技術的高校計算機實驗室管理系統的E-R如圖2所示。

圖2 高校計算機實驗室管理系統的E-R圖Fig.2 E-R diagram of computer laboratory management system in colleges and universities

基于云技術的高校計算機實驗室管理系統，旨在支持以分層方式構建工作流，其中工作流包含協議，而協議又包含步驟。最終用戶的工作分步進行，促進工作流程某一階段的步驟集合，通過分類和存儲實驗室工作流程數據來支持實驗室管理系統的接口和可追溯性[5]。因此，在管理系統中，云信息服務至關重要。它的作用是充當數據中心和數據中心代理之間的聯絡人。CIS是一種云存儲，其中包含云中可用的資源。構建數據中心時，必須首先向CIS注冊。然后，代理嘗試獲取已向CIS注冊的資源。一旦代理可以從CIS讀取數據，就與數據中心建立連接。本次研究所設計的系統的數據庫選擇Oracle 11G，用于儲存實驗室管理數據，如教室名稱、申請教師/學生、使用時間、耗材情況等；教師數據，如用戶名、部門、性別、編號等；學生數據，如用戶名、系別、性別、學號等。

4 基于云技術的實驗室管理系統實現

由于云計算的目的是最大限度地利用虛擬機(VM)，同時最大限度地減少數據中心的運營費用，因此資源調度至關重要。這導致云計算中服務質量(QoS)指標的提高[6]。為了實現云服務提供商和用戶雙方的目標，資源調度管理了大量的用戶，并將它們全部分發到最適用的虛擬機上，本次研究由于最終用戶能夠隨時隨地訪問資源，系統的難點之一就是RA。Soap/Restful Web API將存儲或計算請求連接到虛擬化ICT資源，是獲取云中可訪問資源的唯一途徑。由于云數據中心具有高度的資源人工性，云計算范式可以按需提供彈性資源分配。然而，如此高水平的人工可能會導致資源分配浪費。為了將按需資源分配給云終端客戶，該系統利用傳統調度算法的max-min和min-min原則，根據用戶的調度需求為用戶分配資源。選擇這種方法是因為它使用較少的計算機能力并采用啟發式算法。該方法與最佳匹配策略結合使用，會考慮每個主機節點的處理和存儲特性，虛擬機被分配到提供服務的最佳節點，同時考慮到用戶的需求以及每個節點的高低組成。具體的節點配置如表1所示。

表1 高校計算機實驗室管理系統節點配置表Tab.1 Node configuration table of university computer laboratory management system

在應用中，所設計的系統通過描述聯合構建優化問題避免了整數規劃的復雜性，在獨立的網段192.128.0.*內，使用迭代方法管理項目交付的實踐系統；系統優化是通過持續發布來實現的，其中包括基于每次迭代中利益相關者審查的更改。該過程對于以機械的、漸進的方式解決高度復雜的實驗室管理問題很有用。系統使用LIMS對工作流程進行數字化建模，允許開發人員將代碼更改合并到一個中央存儲庫中，在那里可以更頻繁、更輕松地運行構建。通過持續集成(CI)管道，可以存儲和分類大量實驗室工作流程數據，并自動執行可能會增加人為錯誤的費力、重復性工作流程任務。

5 結語

綜上所述，云技術的關鍵優勢在于借助云資源（例如數據存儲和計算能力）提供按需訪問。基于云技術的實驗室管理系統可以在任何地方訪問所需的數據庫，并在服務器端有效處理所有功能特性。其有效的降低了一般實驗室管理系統的成本、提升了實驗室管理系統的工作效率、降低了實驗室管理人員的工作量，對于實驗室高質量發展有重要意義。

引用

[1]李少峰,喬磊,楊孟飛,等.面向安全關鍵內存管理系統分層驗證方法[J].軟件學報,2022,33(6):2312-2330.

[2]黃家明,李冠廣,侯青軍,等.面向云計算業務的總體擁有成本建模方法[J].哈爾濱工程大學學報,2020,41(4):589-594.

[3]段文雪,胡銘,周瓊,等.云計算系統可靠性研究綜述[J].計算機研究與發展,2020,57(1):102-123.

[4]尹世學,黃樂,聞星火,等.基于B/S模式的實驗室開放基金管理信息系統[J].中山大學學報(自然科學版),2009,48(S1):181- 182+188.

[5]王臻,聞星火,謝素萍,等.基于網站群的實驗室管理系統設計與實現[J].中山大學學報(自然科學版),2009,48(S1):156-158.

[6]陳國震.基于Linux的開放實驗室管理平臺設計[J].計算機工程,2006(16):269-270+279.