化學(xué)試劑及儀器設(shè)備共享管理系統(tǒng)的開發(fā)

王琪，王丙星，竇鵬森，姜小瑩

(河南科技學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003)

0 引言

化學(xué)試劑和儀器是科學(xué)研究和實驗室教學(xué)的重要基礎(chǔ)設(shè)施?；瘜W(xué)試劑具有種類繁多、理化性質(zhì)復(fù)雜、流通速度快、流動范圍廣等特點[1]，而實驗室的儀器設(shè)備大都具有成本較高、需定期維護(hù)，使用者多等特點。以往的人工操作、登記，難以保證化學(xué)試劑庫存信息、實驗儀器狀態(tài)的一致性，一些實驗室存在試劑和儀器重復(fù)購買、管理不當(dāng)?shù)葐栴}，致使管理效率低、管理成本高[2]。近年來教育經(jīng)費有所增長，人才培養(yǎng)方式發(fā)生了轉(zhuǎn)變，許多高校的化學(xué)實驗室都購置了大量儀器設(shè)備，但是由于擴(kuò)大招生，人均占有教學(xué)及科研資源不增反降[3]。因此，如何調(diào)整利用好教學(xué)和科研資源，是當(dāng)今高校亟待解決的問題。

在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成熟的今天，計算機(jī)輔助管理正在被大眾廣泛接受，利用信息化管理可以使實驗室資源合理安排、儀器資源高效運轉(zhuǎn)、人力資源有效利用[4]。通過實驗室所存在問題和現(xiàn)有管理系統(tǒng)功能的對比后發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)存的一些管理系統(tǒng)還是存在一些問題。比如：現(xiàn)有系統(tǒng)對于高校化學(xué)實驗室而言在功能上過于寬泛[5]，一些功能過于理想化卻實用性不強(qiáng)；一些管理系統(tǒng)的管理精確度不高，對儀器及試劑做不到實時的狀態(tài)監(jiān)控[6]；現(xiàn)有的實驗室管理系統(tǒng)大都依賴于管理員或老師這一特定用戶或群體，無法實現(xiàn)多用戶共同操作管理等。

本文在針對高?；瘜W(xué)實驗室現(xiàn)有問題分析及參考現(xiàn)有化學(xué)實驗室管理系統(tǒng)設(shè)計理念的基礎(chǔ)上，構(gòu)建出了一款適用于高?；瘜W(xué)實驗室管理的智能信息化平臺。該系統(tǒng)滿足了“共同管理”“信息開放”“流向追蹤”“Web 訪問”等需求，解決了現(xiàn)有高?；瘜W(xué)實驗室管理系統(tǒng)設(shè)計所存在的問題[7]，具有以下特點：(1)多用戶參與管理，改變傳統(tǒng)的“只有管理員在參與管理”的現(xiàn)狀；(2)給予不同系統(tǒng)用戶不同的操作權(quán)限，使系統(tǒng)兼具開放性和安全性；(3)供容錯方案，使數(shù)據(jù)在相對可靠的情況下兼容使用者造成的誤差；(4)在現(xiàn)有實驗室管理系統(tǒng)基礎(chǔ)上，新增整理操作記錄功能，用以排查系統(tǒng)問題；(5)管理系統(tǒng)設(shè)計為網(wǎng)站形式，無需使用者下載專屬客戶端。

1 系統(tǒng)構(gòu)建分析

1.1 可行性分析

系統(tǒng)的可行性分析是項目決策的重要科學(xué)依據(jù)，以下就經(jīng)濟(jì)、技術(shù)及操作三個方面進(jìn)行分析。

就經(jīng)濟(jì)方面而言，本系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)將采用成本較低的 Java 語言，并且在經(jīng)濟(jì)可承受范圍內(nèi)選用硬件設(shè)備。在實施后，使用本系統(tǒng)可以實現(xiàn)化學(xué)藥品及儀器設(shè)備的共享管理，避免重復(fù)購置，從而降低采購成本。此外，本系統(tǒng)將采用在線預(yù)訂和租借的方式，有效減少儀器設(shè)備的閑置浪費，同時也能夠減少人力、物力和財力成本。從經(jīng)濟(jì)角度來看，用戶使用本系統(tǒng)得到的效益遠(yuǎn)高于開發(fā)成本。

就技術(shù)方面而言，本系統(tǒng)采用了先進(jìn)的 Spring Boot+Vue 組合框架，并且數(shù)據(jù)存儲方面采用了關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) MySQL。這些技術(shù)已相對成熟穩(wěn)定，并且對硬件需求不高，可拓展性強(qiáng)。從技術(shù)方面來看已經(jīng)足夠支撐本系統(tǒng)開發(fā)。

在系統(tǒng)操作方面，本系統(tǒng)的設(shè)計上嚴(yán)格區(qū)分服務(wù)端和客戶端，采用了 Vue 腳手架，可視化界面可以達(dá)到操作方便。為了確保系統(tǒng)安全和穩(wěn)定，本系統(tǒng)將實現(xiàn)多重身份驗證、權(quán)限管理和數(shù)據(jù)備份等措施。

因此，基于以上分析，化學(xué)藥品及儀器設(shè)備共享管理系統(tǒng)的開發(fā)和設(shè)計是可行的。

1.2 需求分析

1.2.1 系統(tǒng)整體需求

在當(dāng)前技術(shù)結(jié)構(gòu)下，一個結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)且邏輯嚴(yán)格具備前后端分離功能的實驗室管理系統(tǒng)功能應(yīng)該具備：依據(jù) Spring Boot 框架編寫的系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳遞模塊和依據(jù) Vue 腳手架編寫的前端操作頁面模塊。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳遞模塊：應(yīng)具備管理員和普通用戶的登錄功能，為普通用戶提供添加試劑及儀器信息、線上預(yù)約、在線查閱信息等功能；為管理員提供對用戶信息增刪改查、用戶行為查看等功能和日志查看等功能，以方便維護(hù)系統(tǒng)。

前端操作頁面模塊：提供給用戶一個精簡的可視化操作頁面，能夠與系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳遞模塊進(jìn)行交互，達(dá)到系統(tǒng)功能需求。

1.2.2 使用者對系統(tǒng)的需求

管理員需求：登錄、授權(quán)；查看修改用戶權(quán)限；修改用戶部分信息；修改自己的賬戶信息；查看系統(tǒng)日志。

在化學(xué)藥品及儀器設(shè)備共享管理系統(tǒng)中父級賬號(即管理員賬號)擁有對其子賬號的絕對管理權(quán)限。父級賬號可在擁有創(chuàng)建子賬號權(quán)限的前提下自定義創(chuàng)建子賬號，并可在創(chuàng)建過程中自定義賦予子賬號小于或等于當(dāng)前賬號的權(quán)限。管理員賬號為系統(tǒng)中最頂級的管理者，它是唯一且沒有父級賬號的最高管理者專屬賬號，一般只用來對廣大賬號進(jìn)行管理，不參與對實驗室信息的管理。

普通用戶需求：注冊、登錄、修改密碼、查詢資源信息、預(yù)約設(shè)備。

在系統(tǒng)中用戶可以在當(dāng)前賬號權(quán)限許可的情況下，向系統(tǒng)中上傳、修改或刪除試劑及儀器信息。同時具備多條件搜索這些信息的能力，并可對有需要的試劑或儀器進(jìn)行預(yù)約申請，而這些申請使用的操作都會被記錄在操作日志當(dāng)中，供用戶搜索查看，這也使得用戶可以精確地確定實驗室資源的狀態(tài)。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 功能設(shè)計

系統(tǒng)功能設(shè)計主要為如圖1 所示的四個功能模塊(信息統(tǒng)計和報表輸出同屬一個模塊)，另外還包括系統(tǒng)用戶模塊，共五大模塊。

圖1 RBAC 權(quán)限管理模型

2.1.1 用戶管理模塊

為了能夠滿足多用戶共同參與管理，解放管理員，且用戶權(quán)限分級這一需求。應(yīng)該對用戶及用戶功能就行設(shè)計，常見的管理系統(tǒng)權(quán)限設(shè)計思路是直接賦予賬號用戶功能，因為在傳統(tǒng)設(shè)計思路中不存在普通用戶這一概念，故不會考慮多用戶多權(quán)限問題。此時為了實現(xiàn)自由擴(kuò)展用戶，且要合理分配新增用戶權(quán)限，將依照如圖1 所示 RBAC 權(quán)限模型從用戶、角色、權(quán)限這三個維度進(jìn)行用戶和權(quán)限的間接綁定[8-9]。首先將包括新增用戶、刪除用戶等在內(nèi)的操作加以不同等級權(quán)限；然后將權(quán)限賦予不同的角色，新增用戶時又可對用戶加以不同角色，在保證了較簡單的新增用戶的同時又不失安全性。如此，用戶擁有角色，角色對應(yīng)權(quán)限的體系就構(gòu)成了。

2.1.2 規(guī)格管理模塊

化學(xué)藥品及儀器設(shè)備共享管理系統(tǒng)的設(shè)計雖然是為了對實驗室藥劑及儀器進(jìn)行管理，但為了便于數(shù)據(jù)的維護(hù)，以及更清晰直觀地將實驗室藥劑及儀器數(shù)據(jù)呈現(xiàn)到用戶面前，確保用戶對藥劑及儀器的數(shù)量及單位有更加準(zhǔn)確的認(rèn)知，因此特別設(shè)計了一個規(guī)格單位的管理模塊，該模塊可以由用戶直接進(jìn)行操作。在新增一個規(guī)格單位時，用戶要分別輸入單位名稱、單位描述、單位類型這三個信息，它們分別代表著用戶所新增這個單位的名稱、具體含義、適用對象，例如瓶-250 mL/瓶-試劑。如此，用戶今后在系統(tǒng)中登記試劑時就可選用該單位表示數(shù)量信息，例如：用戶上傳信息—蒸餾水-25-瓶，則代表25 瓶250 mL 裝的蒸餾水。除新增之外，用戶還可以對該模塊規(guī)格信息進(jìn)行篩選搜索、修改和刪除操作。

2.1.3 試劑及儀器管理模塊

為了解決儀器及試劑在使用過程中的損耗和量取誤差問題增強(qiáng)數(shù)據(jù)的容錯性。藥劑管理和儀器管理在支持當(dāng)前用戶的新增(即上傳共享)、刪除、修改、搜索查詢的基礎(chǔ)上，單獨為操作者提供了修改當(dāng)前試劑或儀器可用量的接口，從而保證系統(tǒng)操作者在操作過程中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)存在誤差后可以及時更正。在實現(xiàn)共同參與管理且保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的同時也要考慮到數(shù)據(jù)安全問題，因此，在用戶權(quán)限之上，每個用戶只能刪除自己導(dǎo)入的器材或者藥劑，針對其他用戶新增的數(shù)據(jù)當(dāng)前用戶只能進(jìn)行預(yù)約操作或修改可用數(shù)量。

2.1.4 日志管理模塊

以往的實驗室管理系統(tǒng)設(shè)計思路上，著重于針對目標(biāo)的管理，例如常見的化學(xué)實驗室管理系統(tǒng)設(shè)計，多專于實驗室藥劑設(shè)備管理[10]。這些傳統(tǒng)管理系統(tǒng)設(shè)計往往疏于對系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的操作記錄進(jìn)行管理，這自然造成了一些人為操作導(dǎo)致的系統(tǒng)數(shù)據(jù)異常難以排查。為了提高化學(xué)實驗室管理系統(tǒng)對自身數(shù)據(jù)異常的自我排查能力，特在管理系統(tǒng)中設(shè)計了操作日志管理模塊。該模塊功能包括對某個或所有用戶在某一時間段的操作記錄，也可通過儀器或試劑名稱查詢某一時間段的用戶操作信息，對實驗室資源流向有著很詳細(xì)的記錄，從而在系統(tǒng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)與實際數(shù)據(jù)不符時可及時通過此模塊排查問題并找到相關(guān)責(zé)任人。

2.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

軟件系統(tǒng)的開發(fā)工作需要考慮系統(tǒng)開發(fā)所需要的數(shù)據(jù)，以及如何對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。這兩個問題貫穿了整個軟件系統(tǒng)的開發(fā)過程。也就是說數(shù)據(jù)庫的設(shè)計問題是整個軟件設(shè)計的核心[11]?；瘜W(xué)藥品及儀器設(shè)備共享管理系統(tǒng)在數(shù)據(jù)的存儲上，選用的是5.1.7 版本的MySQL 數(shù)據(jù)庫。在對系統(tǒng)功能設(shè)計中，存在用戶、規(guī)格、藥劑、儀器、使用記錄這些實體，關(guān)系模式如下：

用戶(id，用戶名，昵稱，性別，電話，部門，是否為管理員，郵箱)；

藥劑(id，名稱，總量，規(guī)格，可用數(shù)量，地點)；

規(guī)格(id，名稱，描述，類型)；

儀器(id，名稱，總量，規(guī)格，可用數(shù)量，地點)；

中間表(id，類型，用戶id，藥劑/儀器id，預(yù)約數(shù)量)；

使用記錄(id, 用戶名，用戶id, 儀器/藥劑名稱，使用數(shù)量，規(guī)格，存放位置)。

具體數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性及其流向如圖2 所示。由關(guān)系模式得知系統(tǒng)在實驗室管理功能中涉及的表有：用戶信息表、規(guī)格單位表、試劑表、儀器表、使用記錄表。

圖2 系統(tǒng)主要數(shù)據(jù)流向圖

3 系統(tǒng)開發(fā)

3.1 系統(tǒng)開發(fā)繪制系統(tǒng)UI 設(shè)計圖

在上文中已經(jīng)明確了系統(tǒng)的主要功能，在功能確定之后便是要將功能效果通過UI 設(shè)計展現(xiàn)出來，化學(xué)藥品及儀器設(shè)備共享管理系統(tǒng)的功能便是通過技術(shù)選型中所調(diào)研的UI 設(shè)計工具XiaoPiu 所呈現(xiàn)出來的。

3.2 前后端分離開發(fā)

在上文提到的技術(shù)選型過程中，通過調(diào)研最終確定以 Vue 2.0 及 Element-UI 將 UI 設(shè)計圖中的系統(tǒng)界面以網(wǎng)頁形式還原。以 Ajax 向數(shù)據(jù)處理模塊發(fā)送瀏覽器數(shù)據(jù)操作請求，數(shù)據(jù)處理模塊通過 Java Web對 Ajax 所發(fā)送的請求進(jìn)行攔截解析。解析的請求信息將被 Spring Boot 中邏輯代碼所處理，最終處理后的結(jié)果將被 Java Web 響應(yīng)給頁面，同時數(shù)據(jù)結(jié)果也將會通過 JDBC 和 Mybatis-Plus 數(shù)據(jù)庫連接工具保存到數(shù)據(jù)庫中。在系統(tǒng)的開發(fā)工程中，所有的系統(tǒng)內(nèi)容將被存儲在 Coding 托管平臺上，以此作為多人系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)。

3.3 搭建系統(tǒng)測試環(huán)境

在系統(tǒng)的開發(fā)基本成型后，可以將系統(tǒng)運行在電腦主機(jī)上以供功能測試。本次系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)過程中，測試環(huán)節(jié)系統(tǒng)被運行在了阿里巴巴旗下產(chǎn)品阿里云服務(wù)器上，服務(wù)器的系統(tǒng)為 CentOS 7。

4 研發(fā)結(jié)果

4.1 成果展示

化學(xué)試劑及儀器設(shè)備共享管理系統(tǒng)采用了 B/S架構(gòu)設(shè)計，使用者可在瀏覽器輸入系統(tǒng)網(wǎng)址直接通過賬號密碼進(jìn)行登錄訪問，無需為了使用該系統(tǒng)而額外下載任何客戶端應(yīng)用。同時，該系統(tǒng)對管理員功能進(jìn)行了抽象化，管理員無需直接參與各項事務(wù)的管理，而是將各種操作設(shè)置對應(yīng)權(quán)限，如上傳操作、查詢操作、修改操作、新增子用戶操作等。管理員只需要創(chuàng)建許多擁有不同權(quán)限的角色，從而在新增用戶時將對應(yīng)的角色賦予該用戶即可。一個角色可以有多重權(quán)限，一個用戶可以有多個角色，用戶創(chuàng)建子用戶時子用戶權(quán)限不可高于當(dāng)前用戶權(quán)限。管理員對用戶、用戶對子用戶的權(quán)限和角色可以動態(tài)的進(jìn)行修改。

如此一來不僅滿足了用戶共同參與管理，進(jìn)而解放管理員的需求，同時兼具安全性和權(quán)限隔離。也正是有了權(quán)限的控制和安全可靠的基礎(chǔ)，更多的用戶可以加入到系統(tǒng)的使用中來，從而提高實驗室信息的開放性。系統(tǒng)中特有的容錯方案也使得系統(tǒng)數(shù)據(jù)在保證時效性和準(zhǔn)確性的同時兼容人為操作導(dǎo)致的數(shù)據(jù)誤差，而對操作記錄的保存和整理更是提高了系統(tǒng)出現(xiàn)問題時的自我排查能力。

4.2 系統(tǒng)測試

4.2.1 測試類別

黑盒測試。

4.2.2 測試環(huán)境

操作系統(tǒng)：Windows 10、Windows 11、CentOS7。內(nèi)存：2G。

4.2.3 測試用例

功能測試用例如表1 所示。

表1 功能測試用例

5 結(jié)語

化學(xué)藥品及儀器設(shè)備共享管理系統(tǒng)的構(gòu)建無疑是在現(xiàn)有化學(xué)實驗室管理的基礎(chǔ)上取得的重大突破，相較于當(dāng)下一些管理系統(tǒng)的設(shè)計理念也優(yōu)化了許多經(jīng)典問題。特別是對“用戶共同參與管理工作”“處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)因人為操作造成的誤差”“化學(xué)實驗室資源流向追蹤”“信息對外公開”這些設(shè)計理念的實現(xiàn)，使得該系統(tǒng)的定位直接處于當(dāng)下領(lǐng)先水平。但是即便有了如此改觀也依舊未能徹底解決當(dāng)下管理系統(tǒng)設(shè)計中所遇到的問題進(jìn)而打破一些共有問題所造成的局限性。如在硬件條件受限的情況下，系統(tǒng)的可靠性不得不依托于用戶的自覺性?？梢娫诮鉀Q當(dāng)下高校化學(xué)實驗室藥劑儀器管理這一問題上仍有很長的路要走。