李丹

摘要：為提高學(xué)校計算機(jī)實驗室管理的信息化水平，針對實驗室預(yù)約、設(shè)備管理、耗材管理工作自動化程度不高的問題，采用Web技術(shù)和云技術(shù)實現(xiàn)學(xué)校計算機(jī)實驗室日常業(yè)務(wù)流程的數(shù)字化管理，通過實驗室管理系統(tǒng)為管理人員提供實驗室使用狀態(tài)維護(hù)、預(yù)約匹配、手動調(diào)整、設(shè)備維護(hù)、耗材管理、實驗資源等功能。

關(guān)鍵詞：計算機(jī)實驗室;預(yù)約匹配;設(shè)備管理;云技術(shù)

中圖分類號：TP311.1 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)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(jī)實驗室不僅承擔(dān)著高校計算機(jī)專業(yè)學(xué)生的日常上機(jī)實踐任務(wù)，同時還需要為其他專業(yè)的學(xué)生提供計算機(jī)操作和實踐教學(xué)的硬件支持，對于高校人才培養(yǎng)質(zhì)量有著重要的影響[1]。近年來，高校教學(xué)教務(wù)管理的信息化發(fā)展有了飛速發(fā)展，各種高新技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛[2]。然而，在國內(nèi)眾多高校的計算機(jī)實驗室管理工作中仍主要采用人工登記管理的方式進(jìn)行實施，實驗室預(yù)約、使用及內(nèi)部設(shè)備、耗材的管理、實驗教學(xué)視頻等資源維護(hù)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(jī)實驗教學(xué)工作中經(jīng)常使用的教學(xué)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(hù)的工作量及壓力較大[3]。所以，如何充分發(fā)揮信息技術(shù)優(yōu)勢，為計算機(jī)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(yè)務(wù)的信息化水平，是高校計算機(jī)實驗室管理部門所需解決的問題[4]。

1 需求分析

計算機(jī)實驗室的日常工作核心是實驗室的預(yù)約、使用和內(nèi)部設(shè)備資源、耗材資源的維護(hù)管理，因此結(jié)合上述業(yè)務(wù)背景，以及信息化軟件發(fā)展的情況，提出計算機(jī)實驗室管理系統(tǒng)的功能及其他需求主要包括如下幾點：

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

2） 系統(tǒng)可以為實驗室管理人員提供各個實驗室、內(nèi)部主機(jī)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等硬件資源，文具、鼠標(biāo)、鍵盤、投影儀、照明器材等耗材的出庫、入庫維護(hù)、統(tǒng)計管理功能支持。

3） 系統(tǒng)需要支持計算機(jī)實驗教學(xué)資源的高效存儲、檢索及統(tǒng)計功能。

系統(tǒng)的目標(biāo)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(tǒng)的實驗室設(shè)備、耗材管理，以及實驗教學(xué)資源的上傳、維護(hù)等;任課教師主要使用系統(tǒng)的實驗室預(yù)約、實驗教學(xué)資源的檢索及應(yīng)用功能等。

2 系統(tǒng)功能模型設(shè)計

本系統(tǒng)采用Java Web技術(shù)以及SSM模式進(jìn)行模型設(shè)計，同時為了提供實驗教學(xué)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(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)的海量資源數(shù)據(jù)信息的管理服務(wù)，系統(tǒng)的后臺數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)選擇Oracle專業(yè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。從總體角度來看，本系統(tǒng)的功能模型可以分為交互層、邏輯層和數(shù)據(jù)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(tǒng)的總體功能框架基于SpringMVC服務(wù)組件進(jìn)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(wù)組件的調(diào)度下由JavaBean組件進(jìn)行處理，是系統(tǒng)的內(nèi)部核心功能，其中包括了實驗室預(yù)約管理組件、實驗室設(shè)備管理組件、實驗室耗材管理組件以及實驗教學(xué)資源管理組件等，對應(yīng)的是系統(tǒng)的邏輯層。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)層中的數(shù)據(jù)庫操作服務(wù)采用基于MyBatis服務(wù)組件的持久化模式進(jìn)行處理，所有的數(shù)據(jù)操作基于中間數(shù)據(jù)對象實現(xiàn)，以自定義數(shù)據(jù)類的方式進(jìn)行內(nèi)部定義。同時，在系統(tǒng)后臺的Web服務(wù)發(fā)布過程中，基于實驗室中心現(xiàn)有硬件資源、軟件資源以及系統(tǒng)服務(wù)資源的支持，采用CloudSIM云平臺工具搭建分布式文件系統(tǒng)，主要用于對計算機(jī)實驗教學(xué)所用的視頻教學(xué)資源、音頻資源等文件數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式存儲、檢索等管理。

3 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計

實驗室管理系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

系統(tǒng)中的功能模塊分為實驗室預(yù)約管理、實驗室設(shè)備管理、實驗室耗材管理以及實驗教學(xué)資源管理等。在實驗室預(yù)約管理模塊中主要實現(xiàn)對實驗室日常使用、人工預(yù)約以及按照實驗課程計劃進(jìn)行自動匹配等功能;實驗室設(shè)備管理模塊中主要用于為用戶提供實驗室的主機(jī)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(biāo)、鍵盤、U盤等日常耗材的添加、查詢、狀態(tài)更新等功能;實驗教學(xué)資源管理模塊主要為實驗課程教師提供各類教學(xué)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(xiàn)了實驗室設(shè)備、耗材的采購入庫、出庫信息的增刪改查、設(shè)備報廢等功能。在統(tǒng)計查詢模塊中包括了實驗室相關(guān)信息的統(tǒng)計功能。在系統(tǒng)管理模塊中實現(xiàn)了對實驗室的增刪改查以及內(nèi)部資源的相關(guān)配置、用戶信息的維護(hù)等功能。

4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫分析

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫選擇Oracle 11G，主要用于存儲系統(tǒng)的用戶數(shù)據(jù)、實驗室數(shù)據(jù)、實驗設(shè)備數(shù)據(jù)、實驗耗材數(shù)據(jù)、教學(xué)資源元數(shù)據(jù)、課程表數(shù)據(jù)等：

1） 用戶數(shù)據(jù)：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(shù)據(jù)：主要包括實驗室編號、名稱、門牌號、類型、狀態(tài)等，采用實驗室編號作為主鍵。

3） 實驗設(shè)備數(shù)據(jù)：主要包括設(shè)備編號、所在實驗室編號、設(shè)備名稱、設(shè)備類型、設(shè)備狀態(tài)等，采用設(shè)備編號作為主鍵。

4） 實驗耗材數(shù)據(jù)：主要包括耗材編號、耗材類型、耗材名稱、數(shù)量等，采用耗材編號作為主鍵。

5） 出入庫數(shù)據(jù)：主要指實驗設(shè)備及耗材的入庫和出庫情況，如出入庫數(shù)量、單價、庫存數(shù)量等。

6） 教學(xué)資源元數(shù)據(jù)：教學(xué)資源存儲在系統(tǒng)后臺云平臺中，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中只存儲其元數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)：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(shè)計

實驗室自動匹配是指按照學(xué)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(tǒng)自動進(jìn)行實驗室的課程匹配，完成最終的實驗課程表的創(chuàng)建。本系統(tǒng)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(jìn)行實現(xiàn)，算法原理如圖3所示。

在設(shè)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(jìn)行定義，每個鏈表的節(jié)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(xué)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(xué)時間點，只有Nodec的類型和Nodel的類型相同時，才可以進(jìn)行匹配，其中的Flag表示課程和實驗室的匹配狀態(tài)，F(xiàn)lag為0則表示尚未匹配， Flag為1表示匹配成功，F(xiàn)lag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(jìn)行輸出，即可得到自動匹配完成的實驗課程詳細(xì)課表，對于未匹配成功的課程，將所有Flag為-1的課程節(jié)點信息進(jìn)行輸出，為實驗室管理人員提供匹配失敗提示，詳細(xì)流程如圖4所示。

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

6 教學(xué)資源云服務(wù)功能設(shè)計

針對實驗中心的實驗課程教學(xué)視頻、音頻、PPT、電子書等文檔資源數(shù)量較大的問題，本系統(tǒng)采用云技術(shù)搭建分布式文件系統(tǒng)，提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲能力，同時充分利用實驗中心的計算機(jī)軟硬件資源。云平臺工具采用CloudSIM，云節(jié)點服務(wù)器采用實驗中心機(jī)房中的34臺主機(jī)（編號為#1到#34）實現(xiàn)，操作系統(tǒng)為Ubuntu 16.04，節(jié)點配置如表1所示。

在表1中，如果#1的Master主節(jié)點出現(xiàn)故障或崩潰，則利用CloudSIM云平臺的服務(wù)配置，由#2的Master備用節(jié)點進(jìn)行服務(wù)代替。在應(yīng)用中，系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)庫中保存的實驗教學(xué)資源文件名稱或編號、關(guān)鍵字進(jìn)行檢索，由CloudSIM云平臺的Master主節(jié)點負(fù)責(zé)分布式文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)讀取的功能調(diào)度。#3和#4節(jié)點執(zhí)行文件的拼接以及完整性驗證服務(wù)，利用Linux平臺下的MD5值進(jìn)行驗證。本系統(tǒng)云服務(wù)硬件資源部署在獨立的網(wǎng)段192.168.0.*內(nèi)，并利用實驗中心路由器設(shè)備和系統(tǒng)的Web服務(wù)器主機(jī)、數(shù)據(jù)庫主機(jī)進(jìn)行連接，具體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

如圖5所示，本系統(tǒng)的Web服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器采用雙機(jī)并行模式，直接部署在實驗中心內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。同時，Web服務(wù)器通過IP地址為192.168.0.1的路由器接入到CloudSIM云平臺中，進(jìn)行實驗教學(xué)資源的讀取、寫入等操作。系統(tǒng)的整個云服務(wù)的功能邏輯流程如圖6所示。

系統(tǒng)的實驗教學(xué)資源在進(jìn)行分布式存儲時采用了CloudSIM的默認(rèn)配置方式，根據(jù)實際的硬件存儲空間以及文件大小等進(jìn)行默認(rèn)大小的分割和物理存儲，并在Master節(jié)點中維護(hù)各個資源文件的分布式存儲數(shù)據(jù)。

7 系統(tǒng)實現(xiàn)

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

用戶可以通過登錄系統(tǒng)，點擊對應(yīng)的功能菜單或圖標(biāo)，進(jìn)入對應(yīng)的功能頁面，實現(xiàn)實驗室預(yù)約管理、實驗設(shè)備管理、實驗耗材管理、實驗設(shè)備及耗材的出入庫管理、統(tǒng)計查詢管理、教學(xué)資源管理以及系統(tǒng)管理等功能。

8 結(jié)束語

實驗室管理系統(tǒng)是基于高校計算機(jī)實驗中心的實際需求進(jìn)行研發(fā)，針對實驗教學(xué)資源的存儲容量需求大的情況，選擇云技術(shù)以分布式文件系統(tǒng)方式進(jìn)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(xiàn)：

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