高校实验室管理系统方案.docx
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高校实验室管理系统方案
万欣高校实验室管理系统方案
概述
一、高校实验室实现智能化综合性管理的需求
实验室是高等学校的重要组成部分，是办好高校的基本条件之一，高校实验室管理是确保高等学校实验教学、科学研究、技术开发、资产管理的一项重要工作。
当前我国高校的实验室建设进入了一个崭新的阶段，
随着建设速度和投入力度的加大、高校管理变革的逐步推进、实验室建设和管理的进一步规范化、复杂化，
使得实验室管理工作变得更加繁重、复杂，实验室的教学、资产和人员等管理给管理带来了巨大的压力和工作强度。
如何运用现代计算机信息技术，对高校实验室进行科学的信息化管理、提高工作效率和管理水平，已经成为高校实验室管理工作者亟待解决的重要问题之一。
为加强高校实验室信息化管理，教育部和各省教育厅曾指定使用过多种管理系统软件，一部分高校也已经使用了实验室管理软件，对高校实验室信息化管理确实起到了积极的推动作用，但在使用过程中也不可避免地存在着很多不足，主要表现是：
⑴功能不完善，不能覆盖实验室建设和管理的各个方面；⑵单机管理模式；⑶管理模式分级不合理，难以适应不同的实验室管理体制；⑷信息化标准不统一，各系统之间不能有机连接。
⑸不利于学分制的实施。
基于上述原因，市面上现有的一些实验室管理系统不能得到全面推广应用。
二、实践教学改革的必要性
高等教育的目标就是要培养基础扎实、知识面广、能力强、素质高、全面发展的复合型人才。
加强对学生的素质教育和创新能力首先必须改革传统的教、学观念，注重他们的动手能力，加强对学生实践能力的培养。
我国高校的一些学科实验教学所占比重较低，远远低于西方的一些发达国家水平，据不完全统计：
美国、日本、德国、法国等国家高校的实验教学占总教学时数的比例（因学院及专业的性质而异），理科为17.1%-33.6%,工科为5.6%〜12.5%，农科为15.7%〜40.3，医科为25.1%〜45%相比之下，面对这种新形势，作为培养人才重要基地的高等学校实验室，实践教学的改革势在必行。
主要包括以下几个方面的：
1、增加
实践教学课时，加强实验教学管理；2、改革实践教学管理体制，完善实验室管理制度；3、强化对实验室
的控制及管理；4、优化实验室资源配置，保障开放实验的需求；5、提高实验室利用率，随时查询、统计
岀实验室的使用状况；6、建设实验技术队伍；7、提升实验教学质量等。
充分运用信息网络手段，强化对实验室的控制及管理，以达到立竿见影的实验室改革效果。
三、万欣实验室综合管理系统的设计思路
3.1总体目标:
旨在运用计算机软件技术、智能卡技术、单片机工控技术等先进技术，以先进的管理理念为指导，实现教学、实验全过程的计算机管理，减轻对实验室管理的工作负担，提供工作效率和服务水平。
加强实验室主管部门对设备和材料的计划、采购、使用和维修的宏观控制，以节约成本，提高利用，强化管理。
实验室综合管理系统能为实验室的评估提供原始资料和基本数据，全校统一使用还能促进学校间的实验资源共享，
且符合教育部管理信息标准，满足学校向教育主管部门上报数据的需求。
通过使用本系统实现对实验室管理的规范化、流程化和信息化，提高实验教学的质量、管理水平和服务水
平，为实验室主管部门的宏观管理和科学决策提供依据，为实验室对外开放提供有力保障。
3.2设计要求：
实验室综合管理系统软件设计原则：
1零编程2、先进性3、安全性4、易操作5、易扩展6、易维护7、
全面细致8、资源丰富
3.3整体分析
随着高校管理变革的逐步推进，使用计算机网络进行实验室管理成为了必然。
实验室建设的进一步规范化和复杂化迫切需要用计算机来实现实验教学、开放的全过程自动化，以简化我们的工作，加强实验室主管部门对设备和材料的计划、采购、使用和维修的宏观控制和管理。
3.3.1实现开放式统一管理运行模式。
实验室实行开放式运行模式，在时间、资源、管理方式和服务等方面全方位开放。
根据学校教学科研计划，通过实验室管理系统统一安排教学实验、科研性实验和自主性实验计划，最大限度提高实验室的有效利用率。
3.3.2提高管理水平，满足师生各类实验需求。
通过校园网向全校师生提供开放式的平台，各级用户可以随时浏览实验室管理系统主页，查询实验室的使
用情况，并可和实验管理人员实时交流。
校外用户通过网络在本系统内注册申请，经管理员审核通过后，
可查询或预约实验室的使用，充分提高实验室的利用率，扩大社会效益。
系统管理员可根据需要给相应高端用户授权，使这些用户可以根据实验计划自行对实验的使用进行预约，充分保证重要的实验和科研项目的顺利进行，又给师生提供了最大的方便。
实验管理员也可以通过网络了解各实验中心的实验室，人员，工位，设备使用情况，并及时进行维护和管理。
3.3.3量化实验室工作量，提供实验技术人员工作考核的有效依据。
根据实验室综合管理系统的相关运行数据，可以做到均衡分配实验工作量，改革实验室人员的管理体制和分配机制，为衡量实验人员的工作业绩提供有效、科学、准确的依据。
根据实验教学和科研实验计划的需求，合理划拨管理经费津贴到实验室，调动管理人员的工作积极性以保障实验室的开放、提高实验室利用
率、使实验人员工作业绩和收入上形成良性循环。
334及时准确提供实验室运行的各项数据，给实验室的建设提供依据。
实验室综合管理系统可以对实验室的开放、使用率、实验设备的各项数据、设备的使用情况自动做岀统计，
这样，管理人员可以充分了解需求，给今后实验室的规划和建设提供准确的依据，避免建设和管理的脱节,
有效利用学校的建设资金。
3.3.5对接第三方系统。
实验室综合管理系统提供与第三方系统对接平台，可从教务管理系统或其他管理系统中获取学生信息、教
职工用户信息、排课、学生选课等相关信息直接同步到实验室管理系统，同时可生成并提交相关数据到第
三方系统。
四、万欣实验室综合管理系统的架构
4.1系统基本层次结构
系统采用三层架构，层次结构图如下：
数据库
数据库访问接口
综合前置服务
通信接口
智能卡读写接口
应用层
前台应用层
中间业务层
后台数据层
4.1.1后台数据层：
用于存储、查询实验室管理系统所需的各种数据，这些数据包括：
用户基本信息，实验室基本信息，预约
选课信息，实验刷卡记录，系统基本信息，系统日志等。
支持SQLServer数据库。
4.1.2中间业务层：
用于处理应用层的各种请求，对各种请求进行权限检查，并将处理结果返回应用层。
该层由数据库访问接
口、综合前置服务、通信接口、智能卡读写接口四部分组成。
数据库访问接口：
由综合前置服务调用，用于实现对数据的存取，设计该接口的目的在于实现综合前置服
务与数据库系统的无关系，亦即对数据库系统透明。
综合前置服务：
处理前台应用的各种请求和逻辑运算，隔离数据库系统与前台应用系统以保障核心数据安全。
通信接口：
基于TCP/IP协议开发，通过自定义协议包与AES动态传输加密算法保证数据传输的安全性。
服
务器端采用Microsoft最新的通信模型（完成端口模型）以保证数据传输的快捷和准确。
支持数据校验和重发机制。
通信接口实现了数据传输的安全、快捷，准确。
智能卡读写接口：
用于通过IC卡门禁读卡终端从直接读取校园一卡通卡片上的用户信息，并将用户的刷卡
信息提交到服务器。
4.1.3前台应用层：
实现人机对话，根据不同的应用开发不同的应用系统，支持个性化开发。
4.2系统总体架构
系统网络拓扑图如下：
实验室综合管理软件主要由实验室管理系统、实验室门禁管理系统、电源控制管理系统及第三方接口平台
等多个部分组成。
4.2.1实验室管理系统
实验室管理系统主要实现实验室管理、实验室教学管理、实验室开放管理、实验队伍管理、仪器设备管理、
低值易耗品管理、学生管理等业务。
l数据服务器：
负责全部实验室数据的存储、更新、备份、维护；
l管理服务器：
主要负责处理管理端、门禁管理服务器、查询机与管理服务器时间的数据通讯与业务请求，根据前台请求对数据库服务器进行数据存取控制；
l管理端：
管理员通过管理端可实现所有的管理功能和远程控制，有帐户管理、实验室教学和开放管理、
刷卡管理、预约排课管理、课程设置、查询和统计、消息管理、安全控制等功能；
4.2.2实验室门禁管理系统
I门禁管理服务器：
负责管理与各个实验室门禁刷卡终端之间的数据通讯，数据采集与控制等业务。
l刷卡终端：
将用户刷卡信息提交给中心服务器，从中心服务器下载用户信息和管理数据，显示用户和实
验相关信息l考勤管理：
采用刷卡方式对所有用户（超级管理员、各级管理员、教师、学生及校外用户）进行身份认
证、考勤及统一管理。
423电源控制管理系统
I电源控制器：
在电源控制的前端通过以太网TCP/IP通讯远程控制技术管理各类实验仪器设备的电源开/
合及使用权限。
I大型仪器设备的管理：
通过刷卡认证身份后，系统自动接通设备电源，有效的控制设备的使用和管理。
4.2.4第三方接口平台
系统提供灵活、通用、简单的接口方案，可以把已有的或将要应用的第三方系统与“万欣实验室综合管理系统”对接。
该接口主要包括以下功能：
1、从一卡通数据中心获取所有用户的用户信息及IC卡资料信息，
2、从教务系统中直接获取教务排课、学生选课信息等信息；
通过完全同步技术和差异同步技术相结合保证实验室管理系统与各应用系统间数据的一致性和完整性；
4.3系统安全设计
由于实验室综合管理系统承担着全校实验室的开放与教学管理功能，因此系统的安全性至关重要，必须有效防范各种不良攻击、防止信息被盗窃、窜改和丢失。
本系统要求采用如下安全机制以保障数据的传输和存储安全。
4.3.1实验室管理平台采用安全稳定的品牌服务器，选用大型关系数据库SQLServer为后台数据库系统。
4.3.2采用三层架构将中心数据库系统与校园网隔离，使核心数据运行在防火墙内，有效避免核心数据遭受不良攻击的风险。
4.3.3核心服务器使用磁盘阵列或双机热备，保障数据安全。
4.3.4支持定时数据备份，支持异地数据备份。
4.3.5各应用服务器均支持关闭所有系统监听端口，如137、139、23、1403等。
有效避免各服务器遭受黑
客和病毒攻击。
4.3.6数据传输协议是基于TCP/IP的不公开的自定义协议，传输数据全部采用AES动态加密算法加密，保证了数据的传输安全。
4.3.7基于操作类别划分的权限控制、管理人员仅可以使用授权的功能，未授权的功能不能操作。
4.3.8详细的操作日志、管理员可能对系统数据产生影响的操作均被记录日志，便于事后查询和还原。
439各接入服务器需授权方可接入，防止架设未授权服务器。
4.3.10管理员密码和用户密码加密传输、存储，防止被窃。
4.3.11存储电子钱包的卡片采用非接触IC卡（菲利普芯片），具有不可复制性。
4.3.12非接触式IC卡上设置存取控制密码，该密码理论上具有不可破译性。
4.3.13各工作站与帐务数据中心的实时同步机制最大限度保护用户发生卡丢失等意外事件的利益。
4.4系统性能设计
4.4.1系统性能的三个关键指标
该系统性能要求的三个关键指标定义是：
系统响应时间，最大并发量和最大并发量状态下的持续时间。
系
统响应时间应该为秒级，最大响应时间应不超过5秒。
并发量与学校规模和使用的接入终端相关，理想的
并发量是当系统的所有相关终端均处于工作状态时（最大并发量），系统响应时间仍能满足需求，且系统处
于最大并发量状态下仍能持续稳定运行。
根据学校的规模和要求，考虑到系统的扩展性，基于方案中的硬件配置，本系统三个关键性能指标如下：
系统响应时间（包括刷卡响应时间、密码认证时间，数据修改响应时间）：
<=5秒.平均1秒.
最大并发量：
支持3000以上终端同时工作。
最大并发量下系统持续稳定运行时间：
>12小时.
4.4.2系统性能的优化设计
系统性能的好坏取决于以下因素：
系统赖以运行的软件和硬件（服务器和数据库系统）、网络带宽、系统性
能设计方案和系统的编程。
在满足系统性能要求的前提下，所依赖的软硬件配置和网络带宽越低，则系统性能越优，整个系统的资金
投入也越小。
网络带宽是系统性能设计的瓶颈，系统必须运行在现有的校园网平台上，校园网由于承载着全校教学、科
研、生活、娱乐等电子数据的传输，同时可能存在病毒等发送大量的数据包而影响网络带宽，因此系统应
尽可能少的占用网络带宽，并能突破校园网信息传输不稳定的限制，使系统在现有网络下能正常稳定地运行。
为使系统在现有网络环境和硬件环境下满足性能要求，本系统对性能作了如下优化：
1•完成端口模型：
通信模型采用完成端口模型，该模型是目前windows平台下最快的通信模型。
2•多线程技术：
数据通信、商务运算和数据库存取访问均支持多线程，即一个系统内可同时处理多个相同
的请求
3.高速缓存：
由于引入了综合前置机，使系统的数据库系统的依赖大大降低，许多运算直接在内存中运行，
部分需频繁读取的数据直接放入综合前置机的高速缓存中，使系统性能有很大的提高。
4•后台处理：
系统优先处理响应要求高的请求、对部分不需及时响应的请求则转入后台处理。
5.差异同步：
中心服务器和各应用服务器间需进行数据同步，目前采用的实时同步模式采用触发机制，这
种机制是当中心服务器的数据被修改后，由中心服务器自动将修改的数据下发到各分服务器，这种方式的优点是数据实时性较高，但数据的一致性和完整性很难保证，另外当分服务器较多时，中心服务器的负担过重，严重影响系统的性能，为保证中心服务器有良好的性能，系统设计应采用请求/响应机制。
即中心服
务器只负责响应各分服务器的请求，将处理结果发送到分服务器上。
目前FTP服务器、Web!
务器、Mail
服务器等都采用这种模式。
为保证同步数据的实时性，同时最大限度减少网络传输量，本系统采用差异同步机制。
即服务器端需同步的数据被更新时，数据标志也被更新，各应用服务器都保存有本地数据对应的更新标志，定期向服务器请求与本地数据不一致的数据。
6•核心采用VC+■开发：
系统的核心模块采用了具有良好性能和底层技术支持的VC++6.0开发，使系统性
能得以大大提升，系统运行速度和占用的内存、硬盘等资源最少。
7.自定义通信协议：
为使系统占用的网络带宽最小，系统自定义的通信协议采用二进制数据传输，槟弃文本模式（如HTTP）的数据传输方法。
为适应校园网拥堵和不稳定，该通信协议支持超时提醒、重传机制和数据校验。
4.5系统稳定性设计
实验室综合管理系统承担着全校实验室的使用、开放、维护、学生实验等重要的管理，系统的稳定性至关
重要，本系统针对可能导致系统不稳定的每一个环节，采取相应机制，以保证系统能长期无故障运行。
系统依赖的软硬件
可能导致的不稳定因素
对策
后台操作系统、数据库系统、
服务器
1.系统瘫痪
2.硬盘损坏
3.停电
4.遭受病毒和黑客攻击
1.选择稳定性高的品牌软硬件系统。
2.磁盘阵列。
3.双机热备。
4.主从互备。
5.数据隔离、关闭系统端口。
网络通信
1.数据丢失
2.网络堵塞
3.网络中断
1.数据校验和重发。
2.差异同步，各应用服务器保持中心数据副本。
3.脱机消费。
4.最大限度减少网络传输量。
五、实验室综合管理
5.1系统特点
I先进的管理思想
融合万欣科技多年来对高校实验室管理工作的理解及众多高校实验室管理专家的经验。
最大程度地实现教务数据集中管理与共享，有效避免管理漏洞的产生，满足开放式自主学习和实验的需求，强化仪器设备和低值易耗品的使用流程管理，为学校管理层的决策统计岀详尽的数据依据。
I模块化的软件结构
系统运行于Internet上,采用C/S结构与B/S结构相结合的体系结构既满足实验室管理用户集中、大量处
理数据的要求，又满足学生最大范围地使用该系统。
系统开发基于.NET框架和三层结构开发，采用模块
化设计，具有良好的开放性和扩展性。
I强大的管理功能
全面覆盖实验室管理和设备管理各个领域细化管理功能，紧贴用户需求。
I系统操作的友好性
采用图形化的界面。
每个模块都采用统一的数据记录定位操作和数据编辑操作。
对一个模块的数据操作后
即可操作系统所有的模块，让教务管理工作不再是简单而繁重的信息处理。
I强大的权限管理功能，提供全面的安全策略
权限控制可细到记录、字段级，例如：
可控制用户是否可看某些数据显示窗口中的部分信息，以及不同系
的管理人员只能修改授权的数据。
权限最大可设到模块，即是否可对某一模块有操作权限。
I信息与数据共享
可将万欣实验综合管理系统中的信息与万欣机房管理系统、场馆管理系统共享，并可从万欣机房管理系统，
场馆管理系统中采集相关的实验与管理数据，实现系统之间数据资源的共享与无缝整合。
5.2系统优势
I基于三层架构模式使数据存储、商务运算和人机交互相互独立，使系统具
有更好的稳定性和安全性。
I数据库访问接口、通信接口、智能卡读写接口与系统独立的模块化设计使本系统与具体的数据库系统、
通信模型和通信方式、选取的硬件无关。
具有良好的开放性和扩展性。
I系统安全方案建立在操作系统、数据库系统，磁盘阵列、VLANVPNMF1卡、POS机等软硬件平台固有
的安全机制上，同时采用独立存储、封锁端口、自定义协议、传输加密、远程同步备份等技术手段使系统的安全等级大大提高l从设计到开发对系统性能的严格要求保证了系统具有良好的性能，在现有的软硬件平台和网络平台上可
完全满足响应和并发量的要求。
且具有很大的冗余，满足系统扩展的需要。
l独特的模块化设计使人机界面、数据传输、数据存取、商务运算相互独立且有机地组合在一起，保障系
统能长期稳定运行，易于个性化开发。
l根据用户要求提供个性化开发。
5.3万欣实验室综合管理系统功能模块
实验室综合管理系统由实验室管理系统，实验室门禁管理系统，电源控制管理系统、实验室信息查询系统、
第三方通用接口平台等多个部分共同组成，其主要管理功能如下：
实验室管理系统贯穿整个实验教学的全过程，其功能模块结构组成如下：
5.3.1系统设置管理
系统设置是使用系统最初始的工作，包括系统初始化、基础数据和权限管理三个子模块。
⑴初始化设置：
包括学校信息设置、根据校历创建新学期起止时间和当前学期的设置、创建节次的起止时
间，方便管理员对计划内和计划外的实验教学预约排课。
⑵基础数据：
系统提供基本信息创建和外部数据直接导入的功能。
可单独创建部门信息、行政班级、选修
班级、学生信息、实验场地、课程信息、教材管理、专业管理等，另外还包括流程管理、仓库资料、供应商管理信息和软件版本信息、许可文件、数据字典设置等基础数据，以保证系统运行的数据完整性和统一性，方便查询统计。
⑶权限管理：
本系统提供了明确的权限设置、多级角色管理，不同角色不同的权限，相同角色还可以按职
责进行权限的细化设置，且任意级别角色均可以修改自己的密码。
不仅如此，针对具体应用，还可以专门
创建了按部门和实验室进行资源分配的权限设定。
5.3.2实验室管理
实验室管理的核心功能包括实验中心管理、实验室自评、收费管理、实验室建设等四个模块组成。
⑴实验中心管理：
在部门中建立实验中心名称、编号、所属位置、中心负责人、中心简介等。
然后创建实
验室名称，所属院系和学科、所属实验中心、实验室类别和类型、容纳人数、占用面积、仪器设备台套数、仪器设备总值、建立时间和批文编号、地址、实验室编号、添加实验室负责人和所面向的课程，设立多种奖励模式和进岀实验室的管理模式（刷卡记录/进岀/脱机考勤型）。
通过此设置所有实验室的信息一目了
然，可以很方便查看某个实验室或实验分室的详细信息，有修改权限的用户还能对查看的信息进行修改；分类建立学校及各实验室与实验室教学管理工作相关的规章制度，标示岀标题、关键字检索和录入单位以方便查阅；实验室各类获奖信息标示着实验教学成果成败。
⑵实验室自评：
建立实验室自评报告模版，含编号、评估范围、评估内容、评估标准。
汇总建立自评报告基本情况表，然后生成实验室自评报告并形成实验室自评报告检查。
⑶电源设备管理：
添加电源控制模块的设备IP、网关、设备通讯端口，设备的MAC地址及上报服务器的
通讯端口，将管理设备安排座位，通过TCP/IP通讯协议控制设备的通讯端口，以此来控制设备电源的开启与闭合，管理员也可按照实验室设备配置表查看设备电源状态等。
⑷刷卡门禁管理：
针对实验室设置刷卡管理端，配置设备IP、网关、设备通讯端口，设备的MAC地址及
上报服务器的通讯端口，设置本刷卡端的管理方式和刷卡进岀方式等；可以根据教师分配可控制管理的实验室，也可按实验室分配可管理的老师，两种方式同时使用满足实验室的管理需求。
⑸实验室建设：
实验室管理员根据实验教学的需要申请购买实验设备或新建实验室，申请表内需详细标明
所建实验室类别、职能、所属学科、所属实验中心、所需实验设备数量、参考厂家、参考型号，所需实验场地面积、总投资额，实验室可容纳人数等信息，并提交至相关主管部门，经论证审核结束后交至于采购部门。
5.3.3实验教学管理
实验教学是指独立设课的实验课和理论课中的实验环节，是以提高实验室利用率及提高实验课的教学质量为目地。
其基本任务是在实验室的设备、人员、实验时间、实验内容、实验费用可控的前提下对学生进行实验技能的基本训练。
通过了解科学实验的主要过程和基本方法，培养学生的观察力、创造力、动手能力及严肃认真的学习态度、主动积极的探索精神，理论联系实际。
严格按照实验教学大纲开展工作，保证稳定的实验教学秩序和实验教学的质量。
充分发挥实验教学人员在实验教学过程中的主导作用，运用各种必要的教学手段加强学生的操作技能训练，巩固学生对理论的理解。
实验教学管理包括实验教学研究、实验教学计划与任务、实验室排课、实验分批、临时预约、预习管理等几个部分构成，函概教学管理的各个环节，以确保实验教学的质量和秩序。
⑴实验教学研究：
包括实验教学大纲的制定、专业教学计划、实验项目管理等方面。
实验教学大纲：
由具有丰富教学经验并熟悉教学实验的教师拟订，经院、部、中心组织有关教研室人员讨论和修改，教务处批准后方可正式具有法规性质的教学文件。
实验教学大纲需明确定义该课程实验教学总的目的、任务、要求、实验项目的确定（包括选做项目）、学时分配、教学方式、成绩考核等；专业教学计划：
由教务处根据不同的课程制定不同的专业培养计划，详细定义计划的名称、专业课程、所属院系、专业、实验人员、计划实施时间等方面；
实验项目管理：
根据实验内容设立实验项目名称，设置实验项目编号，定义实验课程、面向专业、所属实验室、实验类别、组数、每组人数、实验时数、实验类型、主要仪器设备名称、规格型号、数量、低值易耗品的使用等;
⑵实验教学计划与任务包括两个解决方案：
一是任课老师根据班级和课程确定该门课程是否实验，所需学
时、学分制定、周次、周课时数、课程类别等信息生成实验教学任务申请书提交至实验室管理中心相关部门审批，审批通过后形成实验教学任务，然后交于实验室管理员排课；二是任课老师根据相关教学要求直接在实验室进行排课申请，详细标明所排班级、课程、选择实验室、实验人数、课程周期、课程起止时间
（节次或设置绝对时间）并附加详细申请说明后生成实验教学任务申请表提交给实验室相关管理部门审核，
审核通过后可对此次的排课申请做相应的调整后则直接形成实验室安排表。
实验教学任务申请：
任课老师依据教学大纲要求根据专业、
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