數(shù)字化多維度大儀共享管理系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

中圖分類號(hào)：TP311.52 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編碼：1672-7274（2025）07-0231-03

Architecture Design and Practice of the Digital Multi-dimensional Shared Management System for Large-scale Instruments

CHEN Min¹ ，WANG Min2

（1.NatioalEngineringResearch CenterforSpecialSeparationMembrane，NanjingTechUniversityNanjing 21816，Chia; 2.Laboratory Construction and Management Ofie，Nanjing Tech University，Nanjing 211816，China）

Abstract： This paper explores the architecture design and practice of the digital multi-dimensional shared management system forlarge-scale instruments，aimingtoachieve the sharingand eficient managementof largescale instruments and equipment through information-based means.The system adopts advanced design concepts and technical means to improve the utilization rateof equipment，optimize resource allocation，and promote scientific research cooperation and innovative development.

Keywords：digitalization; large-scale instrumentsand equipment; shared management system; architecture desigr

0 引言

在科研領(lǐng)域，大型儀器設(shè)備作為科研活動(dòng)的重要支撐，其高效管理與共享利用對(duì)于提升科研效率、促進(jìn)資源優(yōu)化配置具有極端的重要性。然而，傳統(tǒng)管理方式卻常常陷入信息孤島、資源分配失衡、預(yù)約流程繁復(fù)的困境，嚴(yán)重阻礙了科研工作的順暢進(jìn)行。因此，構(gòu)建一套數(shù)字化、多維度的大儀共享管理系統(tǒng)顯得尤為迫切。隨著數(shù)字化浪潮的蓬勃興起，利用數(shù)字化多維度的先進(jìn)理念和技術(shù)手段，可以打破傳統(tǒng)管理桎梏，實(shí)現(xiàn)設(shè)備信息的實(shí)時(shí)共享、資源的高效配置以及使用流程的極大簡(jiǎn)化。

1 數(shù)字化多維度大儀共享管理系統(tǒng)概述

1.1數(shù)字化多維度的內(nèi)涵闡釋

數(shù)字化是將物理世界中的各類信息轉(zhuǎn)化為可被計(jì)算機(jī)識(shí)別、處理與傳輸?shù)臄?shù)字形式的過(guò)程。在大儀共享管理系統(tǒng)中，深度融合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等前沿?cái)?shù)字技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備管理的智能化與高效化。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使設(shè)備的狀態(tài)能夠?qū)崟r(shí)被監(jiān)測(cè)，確保設(shè)備的正常運(yùn)行與及時(shí)維護(hù)。大數(shù)據(jù)技術(shù)負(fù)責(zé)對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘與分析，為決策提供有力支持。云計(jì)算提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理能力，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。從管理視角來(lái)看，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備、用戶、使用流程等多維度的全面覆蓋。在設(shè)備維度上，詳細(xì)記錄各項(xiàng)參數(shù)與使用狀態(tài)；在用戶維度上，精準(zhǔn)管理身份、權(quán)限與行為；在使用流程維度上，優(yōu)化了預(yù)約、審批、使用、反饋等環(huán)節(jié)。這些維度的有機(jī)融合，共同構(gòu)建了一個(gè)高效、智能、便捷的大儀共享管理體系。

1.2大型儀器設(shè)備的概念與范圍界定

大型儀器設(shè)備（簡(jiǎn)稱大儀），是指那些體積龐大、技術(shù)復(fù)雜、價(jià)格昂貴，且具備高精度、高性能或特殊功能的科研與教學(xué)設(shè)備。這些設(shè)備涵蓋多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，如物理學(xué)的電子顯微鏡、化學(xué)領(lǐng)域的質(zhì)譜儀、生物學(xué)的基因測(cè)序儀，以及工程學(xué)的精密加工機(jī)床等，它們都是各自領(lǐng)域內(nèi)的貴重儀器[1]。在科研活動(dòng)中，大型儀器設(shè)備是探索未知、驗(yàn)證理論的重要工具，為科研人員提供了精確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，推動(dòng)了科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。在教學(xué)方面，這些設(shè)備是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新思維的重要平臺(tái)，幫助學(xué)生更好地理解科學(xué)原理，掌握實(shí)驗(yàn)技能。因此，大型儀器設(shè)備是推動(dòng)學(xué)科發(fā)展、提升教育質(zhì)量的重要基石。

1.3共享管理系統(tǒng)的功能與構(gòu)成要素

共享管理系統(tǒng)作為一種創(chuàng)新的管理模式，旨在實(shí)現(xiàn)資源的高效利用與協(xié)同管理。它具備一系列基礎(chǔ)而關(guān)鍵功能，涵蓋資源的集中調(diào)度、信息的無(wú)縫共享、精細(xì)的權(quán)限控制以及全面的使用監(jiān)控，從而確保資源能夠精準(zhǔn)對(duì)接需求，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化配置。從構(gòu)成層面來(lái)看，共享管理系統(tǒng)精心設(shè)計(jì)了多個(gè)核心組件，包括資源數(shù)據(jù)庫(kù)這一信息基石，用戶管理模塊以支持多用戶環(huán)境的靈活管理，預(yù)約審批流程以簡(jiǎn)化并規(guī)范資源申請(qǐng)過(guò)程，以及使用記錄與反饋機(jī)制，為持續(xù)改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支撐。這些組件之間緊密配合，相互支撐，共同維系著系統(tǒng)的穩(wěn)定高效運(yùn)行。相較于傳統(tǒng)的設(shè)備管理模式，共享管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。它打破了信息壁壘，促進(jìn)了資源的實(shí)時(shí)共享與動(dòng)態(tài)調(diào)配。通過(guò)簡(jiǎn)化預(yù)約流程，極大地提高了設(shè)備的使用效率，使得資源能夠更迅速地響應(yīng)需求變化。

2 大型儀器設(shè)備共享應(yīng)用現(xiàn)狀與管理需求

2.1大型儀器設(shè)備共享應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來(lái)，高校大型儀器設(shè)備數(shù)量迅猛增長(zhǎng)，總量以年均約 10% 的速度遞增，總值逼近萬(wàn)億元，大型儀器設(shè)備占比逐年上升。為促進(jìn)這些資源的開放共享，國(guó)家出臺(tái)了一系列政策措施。在此背景下，高校和科研院所對(duì)科研儀器開放共享的理念發(fā)生根本轉(zhuǎn)變，從“為我所有”轉(zhuǎn)向“為我所用”，并紛紛建立大型儀器設(shè)備共享平臺(tái)，用戶只需通過(guò)平臺(tái)，即可輕松查詢?cè)O(shè)備狀態(tài)、預(yù)約使用時(shí)間，了解收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，這極大提高了設(shè)備利用率。2024年，受財(cái)政部、科技部等部門委托，國(guó)家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)中心對(duì)中央級(jí)高校和科研院所的科研設(shè)施與儀器開放共享情況進(jìn)行了評(píng)價(jià)考核。此次考核覆蓋26個(gè)部門的344家單位，涉及科研儀器共計(jì)4.9萬(wàn)臺(tái)（套），其中包括80個(gè)重大科研基礎(chǔ)設(shè)施。考核結(jié)果顯示，50家單位表現(xiàn)優(yōu)異，榮獲優(yōu)秀評(píng)價(jià)；100家單位表現(xiàn)良好，獲得良好評(píng)價(jià)。值得一提的是，參評(píng)科研儀器的年平均有效工作機(jī)時(shí)高達(dá)1511小時(shí)，入網(wǎng)比例實(shí)現(xiàn) 100% 全覆蓋，年平均對(duì)外服務(wù)機(jī)時(shí)達(dá)到256小時(shí)[2]。部分高校通過(guò)深化改革和創(chuàng)新實(shí)踐，顯著提升了科研設(shè)備的使用效益。

2.2大型儀器設(shè)備共享管理需求

大型儀器設(shè)備共享管理需統(tǒng)籌兼顧多維需求，構(gòu)建科學(xué)化管理體系。從用戶需求維度看，科研人員亟需智能化預(yù)約系統(tǒng)與實(shí)時(shí)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能，以優(yōu)化實(shí)驗(yàn)規(guī)劃并實(shí)現(xiàn)課題組科研數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)可視化；學(xué)生群體則依賴簡(jiǎn)潔易用的交互界面，要求集成儀器查詢、在線學(xué)習(xí)、預(yù)約及報(bào)告獲取等全流程服務(wù)模塊。在管理需求層面，需建立設(shè)備全生命周期監(jiān)管機(jī)制，通過(guò)資源調(diào)度算法提升設(shè)備利用率，依托資產(chǎn)效益分析模型支撐管理決策，同時(shí)強(qiáng)化操作規(guī)范培訓(xùn)體系以保障使用安全。從發(fā)展需求來(lái)看，共享平臺(tái)應(yīng)著力破除學(xué)科壁壘，通過(guò)開放共享機(jī)制促進(jìn)跨領(lǐng)域技術(shù)融合，重點(diǎn)配置前沿設(shè)備以滿足創(chuàng)新型科研需求，構(gòu)建“資源-技術(shù)-服務(wù)”協(xié)同創(chuàng)新生態(tài)，切實(shí)提升科研基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)高水平成果產(chǎn)出的支撐效能。

3 數(shù)字化多維度大儀共享管理系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)字化多維度大儀共享管理系統(tǒng)的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)，首先要明確架構(gòu)目標(biāo)與原則。系統(tǒng)的總體目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)大型儀器設(shè)備的高效共享、智能管理以及安全可靠運(yùn)行，滿足科研創(chuàng)新和發(fā)展的多元化需求。在設(shè)計(jì)原則上，要堅(jiān)持開放性，確保系統(tǒng)能夠兼容并蓄，與各類科研設(shè)備和平臺(tái)無(wú)縫對(duì)接；要注重可擴(kuò)展性，以便隨著科研技術(shù)的進(jìn)步和需求的變化，系統(tǒng)能夠靈活升級(jí)和擴(kuò)展；要強(qiáng)調(diào)易用性，讓科研人員能夠輕松上手，高效利用系統(tǒng)資源。在分層架構(gòu)模型設(shè)計(jì)上，要采用表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)訪問(wèn)層三層架構(gòu)模式。表現(xiàn)層作為系統(tǒng)的前端，實(shí)現(xiàn)用戶交互體驗(yàn)，提供直觀易用的操作界面；業(yè)務(wù)邏輯層則負(fù)責(zé)處理核心業(yè)務(wù)，通過(guò)智能管理和高效調(diào)度，確保業(yè)務(wù)流程的順暢執(zhí)行；而數(shù)據(jù)訪問(wèn)層作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基石，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、快速檢索和有效管理，嚴(yán)格保障數(shù)據(jù)的安全性與一致性。這種分層設(shè)計(jì)不僅結(jié)構(gòu)清晰、合理，而且能夠充分發(fā)揮各層的功能優(yōu)勢(shì)，有效提升系統(tǒng)的整體性能和穩(wěn)定性，為大型儀器設(shè)備的共享管理提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。

3.2功能模塊設(shè)計(jì)

數(shù)字化多維度大儀共享管理系統(tǒng)是由多個(gè)功能模塊組成。在設(shè)備管理模塊中，規(guī)劃設(shè)備信息的錄入與更新機(jī)制，確保每一份設(shè)備檔案都準(zhǔn)確無(wú)誤，為設(shè)備管理奠定基礎(chǔ)。通過(guò)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能，實(shí)時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，為及時(shí)進(jìn)行維護(hù)提供依據(jù)。設(shè)備維護(hù)提醒功能則自動(dòng)發(fā)送維護(hù)通知，確保設(shè)備得到及時(shí)保養(yǎng)，避免因疏于維護(hù)而造成損壞。在用戶管理模塊中，針對(duì)不同類型用戶設(shè)計(jì)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖?cè)、登錄機(jī)制，并配以精細(xì)的權(quán)限分配策略，確保系統(tǒng)使用的安全性和合規(guī)性。用戶信息修改功能讓用戶能夠隨時(shí)隨地更新個(gè)人信息，保持?jǐn)?shù)據(jù)的時(shí)效性和準(zhǔn)確性。在預(yù)約使用模塊中，構(gòu)建便捷的預(yù)約流程，用戶可輕松查看可預(yù)約時(shí)段，提交預(yù)約申請(qǐng)，等待系統(tǒng)審核，并可預(yù)約變更與取消操作，方便用戶根據(jù)自己的需求合理安排設(shè)備使用時(shí)間。在資源配置與統(tǒng)計(jì)分析模塊中，根據(jù)設(shè)備使用情況和用戶需求，動(dòng)態(tài)調(diào)整設(shè)備分配方案，提高設(shè)備利用率。提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析功能，為管理決策提供科學(xué)、準(zhǔn)確的依據(jù)。在數(shù)據(jù)安全與監(jiān)控模塊中，通過(guò)加密、備份恢復(fù)和訪問(wèn)控制等多重功能，確保數(shù)據(jù)的安全無(wú)虞。實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理異常情況，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

在數(shù)字化多維度大儀共享管理系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)關(guān)系著數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理。在數(shù)據(jù)需求分析階段，深入剖析系統(tǒng)運(yùn)行所需存儲(chǔ)和管理的各類數(shù)據(jù)。這包括設(shè)備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如設(shè)備名稱、型號(hào)、規(guī)格、生產(chǎn)廠家等；用戶信息數(shù)據(jù)，涵蓋用戶身份、聯(lián)系方式、權(quán)限等級(jí)等；預(yù)約記錄數(shù)據(jù)，記錄用戶的預(yù)約時(shí)間、設(shè)備名稱、使用時(shí)長(zhǎng)等；設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，如設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、維護(hù)記錄、故障報(bào)警等。明確這些數(shù)據(jù)的來(lái)源、格式以及它們之間的相互關(guān)系，為數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。在數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，根據(jù)數(shù)據(jù)需求，設(shè)計(jì)合理的數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)。創(chuàng)建多個(gè)數(shù)據(jù)表，明確每個(gè)表的字段定義，如字段名稱、數(shù)據(jù)類型、長(zhǎng)度等。設(shè)置主鍵與外鍵，確保數(shù)據(jù)的完整性和一致性。通過(guò)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效存儲(chǔ)與查詢，為系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供有力保障。

4 數(shù)字化多維度大儀共享管理系統(tǒng)的實(shí)踐應(yīng)用

4.1系統(tǒng)開發(fā)與部署

開發(fā)與部署數(shù)字化多維度大儀共享管理系統(tǒng)是一個(gè)系統(tǒng)工程。在開發(fā)環(huán)境與技術(shù)選型方面，選擇主流的編程語(yǔ)言，如Java或Python，結(jié)合SpringBoot等高效開發(fā)框架，以及MySQL或Oracle等穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。這些選擇基于技術(shù)成熟度、性能表現(xiàn)及可擴(kuò)展性考慮，確保系統(tǒng)能夠高效運(yùn)行并易于后續(xù)升級(jí)。在系統(tǒng)部署方案方面，注重實(shí)際應(yīng)用的穩(wěn)定性與用戶需求滿足。規(guī)劃高性能的服務(wù)器配置，設(shè)計(jì)穩(wěn)健的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，確保系統(tǒng)能夠承載大量并發(fā)訪問(wèn)。充分考慮與現(xiàn)有信息系統(tǒng)的集成，通過(guò)API接口或數(shù)據(jù)同步等方式，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的無(wú)縫對(duì)接，提升整體工作效率。這樣的部署方案既保障了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，又滿足了用戶的實(shí)際需求，為數(shù)字化大儀共享管理提供了有力支撐。

4.2系統(tǒng)應(yīng)用案例展示

以南京工業(yè)大學(xué)為例，截至2024年10月，我校構(gòu)建并運(yùn)行的大型器共享信息化服務(wù)平臺(tái)，已成功納入638臺(tái)（套）處于良好運(yùn)行狀態(tài)的大型儀器設(shè)備。其中，559臺(tái)設(shè)備實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)的線上使用功能，累計(jì)生成30190條使用記錄，完成15.2萬(wàn)個(gè)測(cè)試樣品的檢測(cè)工作，總使用時(shí)長(zhǎng)達(dá)到了10.1萬(wàn)小時(shí)[3]。通過(guò)對(duì)比平臺(tái)應(yīng)用前后的相關(guān)數(shù)據(jù)，明顯觀察到設(shè)備利用率得到了顯著提升。同時(shí)，用戶滿意度也隨之上升，科研人員能夠更加便捷地進(jìn)行設(shè)備預(yù)約和使用，科研活動(dòng)的進(jìn)程因此變得更加順暢高效。此外，管理效率也得到了極大程度的提升，管理人員能夠?qū)崟r(shí)了解設(shè)備的使用狀態(tài)，迅速響應(yīng)各類需求。該平臺(tái)的實(shí)際運(yùn)行，提高了大型儀器設(shè)備的共享利用率，增強(qiáng)了科研機(jī)構(gòu)的整體科研實(shí)力和管理水平，為科研創(chuàng)新工作提供了堅(jiān)實(shí)的支撐，展現(xiàn)了數(shù)字化管理在大型儀器設(shè)備共享領(lǐng)域所發(fā)揮的積極作用。

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)深入探索與實(shí)踐，數(shù)字化多維度大儀共享管理系統(tǒng)已初步成型。系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)科學(xué)合理，充分考慮了用戶需求、管理效率及技術(shù)發(fā)展等多方面因素，為系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。在實(shí)踐過(guò)程中，不斷優(yōu)化系統(tǒng)功能，提升用戶體驗(yàn)，取得了顯著成效。因此，要繼續(xù)秉承創(chuàng)新理念，不斷完善系統(tǒng)架構(gòu)，深化實(shí)踐應(yīng)用，努力打造更加高效、便捷、智能的大型儀器設(shè)備共享管理平臺(tái)，為科研創(chuàng)新和發(fā)展提供有力支撐，助力科技事業(yè)蓬勃向前。

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