基于云技術(shù)的高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李丹

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

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室;預(yù)約匹配;設(shè)備管理;云技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311.1 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：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(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室不僅承擔(dān)著高校計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的日常上機(jī)實(shí)踐任務(wù)，同時(shí)還需要為其他專(zhuān)業(yè)的學(xué)生提供計(jì)算機(jī)操作和實(shí)踐教學(xué)的硬件支持，對(duì)于高校人才培養(yǎng)質(zhì)量有著重要的影響[1]。近年來(lái)，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(lái)越廣泛[2]。然而，在國(guó)內(nèi)眾多高校的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理工作中仍主要采用人工登記管理的方式進(jìn)行實(shí)施，實(shí)驗(yàn)室預(yù)約、使用及內(nèi)部設(shè)備、耗材的管理、實(shí)驗(yàn)教學(xué)視頻等資源維護(hù)還缺乏專(zhuān)門(mén)的管理軟件支持，總體管理效率較低下;尤其在計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作中經(jīng)常使用的教學(xué)視頻、音頻、文檔等存儲(chǔ)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(shì)，為計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理工作提供自動(dòng)化的管理工具，提高實(shí)驗(yàn)室管理業(yè)務(wù)的信息化水平，是高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理部門(mén)所需解決的問(wèn)題[4]。

1 需求分析

計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的日常工作核心是實(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的功能及其他需求主要包括如下幾點(diǎn)：

1） 系統(tǒng)可以按照實(shí)驗(yàn)室課程計(jì)劃安排，自動(dòng)對(duì)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行匹配，并為教師用戶(hù)提供實(shí)驗(yàn)室預(yù)約功能。

2） 系統(tǒng)可以為實(shí)驗(yàn)室管理人員提供各個(gè)實(shí)驗(yàn)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(pán)、投影儀、照明器材等耗材的出庫(kù)、入庫(kù)維護(hù)、統(tǒng)計(jì)管理功能支持。

3） 系統(tǒng)需要支持計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的高效存儲(chǔ)、檢索及統(tǒng)計(jì)功能。

系統(tǒng)的目標(biāo)用戶(hù)包括了實(shí)驗(yàn)中心管理人員、實(shí)驗(yàn)課程的任課教師等，實(shí)驗(yàn)中心管理人員主要使用系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備、耗材管理，以及實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室預(yù)約、實(shí)驗(yàn)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(jì)

本系統(tǒng)采用Java Web技術(shù)以及SSM模式進(jìn)行模型設(shè)計(jì)，同時(shí)為了提供實(shí)驗(yàn)教學(xué)視頻資源的存儲(chǔ)、檢索等功能，在Web后臺(tái)基于CloudSIM平臺(tái)搭建分布式文件系統(tǒng)，實(shí)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(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)選擇Oracle專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。從總體角度來(lái)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(gè)功能層次，具體如圖1所示。

按照?qǐng)D1所示，實(shí)驗(yàn)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(hù)在交互層中包含的操作Web頁(yè)面中的邏輯操作請(qǐng)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(shí)驗(yàn)室預(yù)約管理組件、實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理組件、實(shí)驗(yàn)室耗材管理組件以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源管理組件等，對(duì)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(kù)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(duì)象實(shí)現(xiàn)，以自定義數(shù)據(jù)類(lèi)的方式進(jìn)行內(nèi)部定義。同時(shí)，在系統(tǒng)后臺(tái)的Web服務(wù)發(fā)布過(guò)程中，基于實(shí)驗(yàn)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(tái)工具搭建分布式文件系統(tǒng)，主要用于對(duì)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)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(chǔ)、檢索等管理。

3 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室預(yù)約管理、實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理、實(shí)驗(yàn)室耗材管理以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源管理等。在實(shí)驗(yàn)室預(yù)約管理模塊中主要實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室日常使用、人工預(yù)約以及按照實(shí)驗(yàn)課程計(jì)劃進(jìn)行自動(dòng)匹配等功能;實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理模塊中主要用于為用戶(hù)提供實(shí)驗(yàn)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(xún)等功能;實(shí)驗(yàn)室耗材管理模塊主要用于為用戶(hù)提供打印紙、鼠標(biāo)、鍵盤(pán)、U盤(pán)等日常耗材的添加、查詢(xún)、狀態(tài)更新等功能;實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源管理模塊主要為實(shí)驗(yàn)課程教師提供各類(lèi)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(kù)管理模塊中實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室設(shè)備、耗材的采購(gòu)入庫(kù)、出庫(kù)信息的增刪改查、設(shè)備報(bào)廢等功能。在統(tǒng)計(jì)查詢(xún)模塊中包括了實(shí)驗(yàn)室相關(guān)信息的統(tǒng)計(jì)功能。在系統(tǒng)管理模塊中實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)驗(yàn)室的增刪改查以及內(nèi)部資源的相關(guān)配置、用戶(hù)信息的維護(hù)等功能。

4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)分析

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)選擇Oracle 11G，主要用于存儲(chǔ)系統(tǒng)的用戶(hù)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)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(hù)數(shù)據(jù)：主要包括用戶(hù)編號(hào)、名稱(chēng)、部門(mén)、角色、登錄密碼等，采用用戶(hù)編號(hào)作為主鍵。

2） 實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)：主要包括實(shí)驗(yàn)室編號(hào)、名稱(chēng)、門(mén)牌號(hào)、類(lèi)型、狀態(tài)等，采用實(shí)驗(yàn)室編號(hào)作為主鍵。

3） 實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)據(jù)：主要包括設(shè)備編號(hào)、所在實(shí)驗(yàn)室編號(hào)、設(shè)備名稱(chēng)、設(shè)備類(lèi)型、設(shè)備狀態(tài)等，采用設(shè)備編號(hào)作為主鍵。

4） 實(shí)驗(yàn)耗材數(shù)據(jù)：主要包括耗材編號(hào)、耗材類(lèi)型、耗材名稱(chēng)、數(shù)量等，采用耗材編號(hào)作為主鍵。

5） 出入庫(kù)數(shù)據(jù)：主要指實(shí)驗(yàn)設(shè)備及耗材的入庫(kù)和出庫(kù)情況，如出入庫(kù)數(shù)量、單價(jià)、庫(kù)存數(shù)量等。

6） 教學(xué)資源元數(shù)據(jù)：教學(xué)資源存儲(chǔ)在系統(tǒng)后臺(tái)云平臺(tái)中，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中只存儲(chǔ)其元數(shù)據(jù)，包括資源編號(hào)、資源類(lèi)型、資源名稱(chēng)、資源大小、校驗(yàn)碼、上傳時(shí)間等。

7） 課程表數(shù)據(jù)：主要包括了ID、課程編號(hào)、課程名稱(chēng)、上課時(shí)間、實(shí)驗(yàn)室編號(hào)、任課教師等，采用ID作為主鍵。

5 實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)匹配功能設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)匹配是指按照學(xué)校的實(shí)驗(yàn)課程計(jì)劃，以及實(shí)驗(yàn)中心的實(shí)驗(yàn)室資源配置情況，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室的課程匹配，完成最終的實(shí)驗(yàn)課程表的創(chuàng)建。本系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)匹配算法采用了雙回歸鏈表（Double Regression Link，DRL）[5]算法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，算法原理如圖3所示。

在設(shè)計(jì)中，將圖3中所示的課程集合及可用的實(shí)驗(yàn)室資源分別以鏈表形式進(jìn)行定義，每個(gè)鏈表的節(jié)點(diǎn)定義說(shuō)明如下：

其中的Nodec表示未匹配的課程，Nodel表示每個(gè)教學(xué)時(shí)間點(diǎn)可用的實(shí)驗(yàn)室，式（1）和式（2）中的Y、T分別表示實(shí)驗(yàn)課程和實(shí)驗(yàn)室的類(lèi)型以及教學(xué)時(shí)間點(diǎn)，只有Nodec的類(lèi)型和Nodel的類(lèi)型相同時(shí)，才可以進(jìn)行匹配，其中的Flag表示課程和實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(dòng)匹配完成的實(shí)驗(yàn)課程詳細(xì)課表，對(duì)于未匹配成功的課程，將所有Flag為-1的課程節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行輸出，為實(shí)驗(yàn)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(diǎn)，則表明實(shí)驗(yàn)課程計(jì)劃中存在沖突問(wèn)題，系統(tǒng)將其這些課程節(jié)點(diǎn)進(jìn)行輸出，為實(shí)驗(yàn)室管理人員提供實(shí)驗(yàn)課程手動(dòng)調(diào)整的參考。同時(shí)，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(shí)調(diào)整，可以通過(guò)系統(tǒng)的人工預(yù)約功能提交請(qǐng)求，由實(shí)驗(yàn)中心管理人員根據(jù)目標(biāo)實(shí)驗(yàn)室的分配情況，對(duì)課表進(jìn)行臨時(shí)調(diào)整處理。

6 教學(xué)資源云服務(wù)功能設(shè)計(jì)

針對(duì)實(shí)驗(yàn)中心的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)視頻、音頻、PPT、電子書(shū)等文檔資源數(shù)量較大的問(wèn)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(chǔ)能力，同時(shí)充分利用實(shí)驗(yàn)中心的計(jì)算機(jī)軟硬件資源。云平臺(tái)工具采用CloudSIM，云節(jié)點(diǎn)服務(wù)器采用實(shí)驗(yàn)中心機(jī)房中的34臺(tái)主機(jī)（編號(hào)為#1到#34）實(shí)現(xiàn)，操作系統(tǒng)為Ubuntu 16.04，節(jié)點(diǎn)配置如表1所示。

在表1中，如果#1的Master主節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或崩潰，則利用CloudSIM云平臺(tái)的服務(wù)配置，由#2的Master備用節(jié)點(diǎn)進(jìn)行服務(wù)代替。在應(yīng)用中，系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中保存的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源文件名稱(chēng)或編號(hào)、關(guān)鍵字進(jìn)行檢索，由CloudSIM云平臺(tái)的Master主節(jié)點(diǎn)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(diǎn)執(zhí)行文件的拼接以及完整性驗(yàn)證服務(wù)，利用Linux平臺(tái)下的MD5值進(jìn)行驗(yàn)證。本系統(tǒng)云服務(wù)硬件資源部署在獨(dú)立的網(wǎng)段192.168.0.*內(nèi)，并利用實(shí)驗(yàn)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(kù)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(kù)服務(wù)器采用雙機(jī)并行模式，直接部署在實(shí)驗(yàn)中心內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，Web服務(wù)器通過(guò)IP地址為192.168.0.1的路由器接入到CloudSIM云平臺(tái)中，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的讀取、寫(xiě)入等操作。系統(tǒng)的整個(gè)云服務(wù)的功能邏輯流程如圖6所示。

系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源在進(jìn)行分布式存儲(chǔ)時(shí)采用了CloudSIM的默認(rèn)配置方式，根據(jù)實(shí)際的硬件存儲(chǔ)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(chǔ)，并在Master節(jié)點(diǎn)中維護(hù)各個(gè)資源文件的分布式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

7 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的首頁(yè)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(xiàng)功能入口進(jìn)行展示。

用戶(hù)可以通過(guò)登錄系統(tǒng)，點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的功能菜單或圖標(biāo)，進(jìn)入對(duì)應(yīng)的功能頁(yè)面，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室預(yù)約管理、實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理、實(shí)驗(yàn)耗材管理、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及耗材的出入庫(kù)管理、統(tǒng)計(jì)查詢(xún)管理、教學(xué)資源管理以及系統(tǒng)管理等功能。

8 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)是基于高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)中心的實(shí)際需求進(jìn)行研發(fā)，針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的存儲(chǔ)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(chǔ)，對(duì)實(shí)驗(yàn)中心的核心工作提供信息化支持，提高實(shí)驗(yàn)室管理工作的效率和信息化水平。

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