基于云桌面技術(shù)的高校開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

唐 宇

(遼寧對(duì)外經(jīng)貿(mào)學(xué)院 實(shí)驗(yàn)中心，遼寧 大連 116052)

高校開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室是高校教學(xué)資源的核心場(chǎng)所[1]，主要為學(xué)生提供學(xué)術(shù)交流、實(shí)驗(yàn)課程、社會(huì)技能培訓(xùn)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等服務(wù).大學(xué)生可以充分利用高校開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室實(shí)施自主實(shí)驗(yàn)以提高大學(xué)生的實(shí)踐能力，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中深入理解課程中的理論知識(shí)，將理論與實(shí)際相結(jié)合[2-4].為了提高高校學(xué)生的整體學(xué)術(shù)水平，全國(guó)各大高校對(duì)高校開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室非常重視，不斷更新和完善高校開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與信息管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā).高校開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室管理的老師可以通過(guò)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)線上實(shí)驗(yàn)課程的管理，整合實(shí)驗(yàn)室教學(xué)資源[5].但是，現(xiàn)階段高校開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室信息管理過(guò)程中仍存在的實(shí)驗(yàn)室分散不均，信息共享度較低、系統(tǒng)維護(hù)成本高等問(wèn)題.

以往設(shè)計(jì)的高校開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)存在一定缺陷，如文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)的基于Wi-Fi嗅探技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)，在進(jìn)行高校開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室信息管理過(guò)程中，需部署多個(gè)Wi-Fi嗅探器，導(dǎo)致管理成本增加；文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)的基于PyVISA的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)，在進(jìn)行管理過(guò)程中，難以進(jìn)行信息的有效傳輸，使管理效率降低.云桌面技術(shù)是通過(guò)云平臺(tái)將全部應(yīng)用聯(lián)系在一起，按照用戶的要求推送用戶所需信息數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)云平臺(tái)系統(tǒng)與用戶之間的信息共享.因此，本文設(shè)計(jì)基于云桌面技術(shù)的高校開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高校開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室信息的全面高效管理.

1 基于云桌面技術(shù)的高校開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

為了提升高校開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室信息管理的效益，設(shè)計(jì)基于云桌面技術(shù)的高校開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng).系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

由圖1可知，系統(tǒng)由基礎(chǔ)設(shè)施層、云平臺(tái)層、應(yīng)用層構(gòu)成.其中，云桌面技術(shù)是系統(tǒng)運(yùn)行的保證，基礎(chǔ)設(shè)施層由硬件、網(wǎng)絡(luò)、訪問(wèn)控制組件組成，基礎(chǔ)設(shè)施層將高校開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室信息管理數(shù)據(jù)傳輸至云平臺(tái)層，云平臺(tái)層是系統(tǒng)的核心，在云平臺(tái)層中完成數(shù)據(jù)處理與計(jì)算.在數(shù)據(jù)管理模塊中采用金字塔技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存，并通過(guò)粒子群算法對(duì)高校開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存過(guò)程進(jìn)行尋優(yōu)，將處理后數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用層，應(yīng)用層依據(jù)云平臺(tái)層反饋的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)高校開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室信息管理.

1.2 系統(tǒng)硬件

基于云桌面技術(shù)的高校開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)硬件，見(jiàn)圖2.

由圖2可知，系統(tǒng)硬件由網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、刀箱、服務(wù)器、客戶端組成.整個(gè)系統(tǒng)共使用H3C UIS型號(hào)刀箱3臺(tái)，服務(wù)器配置內(nèi)存為256G和20G融合網(wǎng)卡的H3刀片，主要負(fù)責(zé)為系統(tǒng)軟件提供基礎(chǔ)設(shè)施保證，提高軟件的運(yùn)行速度[8-10].

1.3 數(shù)據(jù)傳輸信息轉(zhuǎn)存精度的優(yōu)化

1.3.1 數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)主鍵上的定義

在數(shù)據(jù)管理模塊中，采用金字塔技術(shù)實(shí)施高校開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)傳輸信息轉(zhuǎn)存，為了獲取數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存判定點(diǎn)所屬的金字塔編號(hào)，將數(shù)據(jù)抽象為1組二元鍵值，給出元數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存范圍[11].存儲(chǔ)主鍵的數(shù)據(jù)量是通過(guò)中心點(diǎn)的坐標(biāo)和判斷點(diǎn)間差值，優(yōu)先轉(zhuǎn)存質(zhì)量最好的數(shù)據(jù)子流，按照子流的權(quán)重實(shí)施排序，對(duì)所有轉(zhuǎn)存數(shù)據(jù)相關(guān)變量實(shí)施調(diào)整，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存子區(qū)間大小的實(shí)時(shí)更新.

設(shè)元數(shù)據(jù)的b維向量的一維索引用bv描述，節(jié)點(diǎn)用Ni描述，按照邏輯功能分成轉(zhuǎn)存節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，分別用INi、SNi描述.數(shù)據(jù)統(tǒng)一抽象為1組二元鍵值是通過(guò)采用金字塔技術(shù)獲取，具體計(jì)算過(guò)程，如公式(1)描述.

(1)，

設(shè)元數(shù)據(jù)用vj描述.具體轉(zhuǎn)存過(guò)程用公式(2)描述.

(2)

其中，歸一化后的值用v(1)j描述，元數(shù)據(jù)的取值范圍分別用vjmax、vjmin描述.

設(shè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存判定點(diǎn)用A描述，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存判定點(diǎn)所屬的金字塔編號(hào)用i描述，其計(jì)算用公式(3)描述.

(3)

其中，一維索引值域區(qū)間用Φ描述，中心點(diǎn)p在第i維的坐標(biāo)差值與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存判定點(diǎn)A內(nèi)最大的一維向量用(j|hv)描述.

設(shè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存請(qǐng)求用Q(P)描述，數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)任意數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存的有效節(jié)點(diǎn)用label描述，各個(gè)轉(zhuǎn)存數(shù)值與二進(jìn)制數(shù)有共同前綴的概率用δ(u)描述，定義存儲(chǔ)主鍵的數(shù)據(jù)量是通過(guò)公式(4)選取共同前綴，其計(jì)算用公式(4)描述.

(4)

其中，數(shù)據(jù)分布的負(fù)載均衡性用available描述，存儲(chǔ)在SNi上的數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)存的次數(shù)用qjmin描述.

設(shè)數(shù)據(jù)中心任意節(jié)點(diǎn)用Ninit描述，當(dāng)B被提交在數(shù)據(jù)中心任意節(jié)點(diǎn)里，動(dòng)態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存子區(qū)間大小是利用公式(5)實(shí)施調(diào)整.

(5)

其中，轉(zhuǎn)存次數(shù)最多的有效節(jié)點(diǎn)用Mij描述.

設(shè)不同子流的編號(hào)用i″描述，數(shù)據(jù)層與子流層間映射關(guān)系用RTT描述，每一條子流的質(zhì)量用QSi描述，按照子流的權(quán)重對(duì)每一條子流的質(zhì)量實(shí)施排序，每個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存的相關(guān)變量，通過(guò)公式(6)實(shí)施更新.

(6)

設(shè)每一條子流的質(zhì)量分別用max-RTT和min-RTT描述，優(yōu)先選取質(zhì)量最佳的數(shù)據(jù)子流實(shí)施轉(zhuǎn)存，具體如公式(7)所示.

RTT*=requ×(max-RTT,min-RTT).

(7)

1.3.2 基于粒子群的數(shù)據(jù)批量?jī)?yōu)化轉(zhuǎn)存

以優(yōu)先轉(zhuǎn)存數(shù)據(jù)子集為基礎(chǔ)，為了求解數(shù)據(jù)批量轉(zhuǎn)存的總時(shí)間、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存的緊急度，把粒子群導(dǎo)入離散位置的加法運(yùn)算中[12-14]，采用粒子群對(duì)高校開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存過(guò)程實(shí)施尋優(yōu)[15].

設(shè)優(yōu)先轉(zhuǎn)存數(shù)據(jù)子集用RTT*描述，請(qǐng)求轉(zhuǎn)存數(shù)據(jù)包的序號(hào)用IPi描述，當(dāng)前轉(zhuǎn)存數(shù)據(jù)包的序號(hào)用IPpiay描述，轉(zhuǎn)存窗口的大小用WT描述，則數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存的緊急度用公式(8)描述.

(8)

設(shè)節(jié)點(diǎn)i的轉(zhuǎn)存時(shí)延時(shí)用Di描述，等待轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)量用Ti描述，數(shù)據(jù)批量轉(zhuǎn)存的總時(shí)間用Ts描述.數(shù)據(jù)批量轉(zhuǎn)存的總時(shí)間用公式(9)描述.

Ts=(Ti?Di)?Uri.

(9)

(10)

(11)

(12)

設(shè)個(gè)體適應(yīng)度函數(shù)用F(Xi)描述，F(xiàn)(Xi)計(jì)算公式用公式(13)描述.

(13)

其中，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存前的存儲(chǔ)地址用(Xi,pbesti)描述，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存后的存儲(chǔ)地址用S(Xi,Pbest)描述，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存節(jié)點(diǎn)集的數(shù)量用S描述.

按照全局最優(yōu)位置用kbest描述，粒子位置實(shí)時(shí)調(diào)整公式用公式(14)描述.

(14)

2 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)的性能，進(jìn)行仿真對(duì)比驗(yàn)證實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)的具體步驟如下.

步1 選取實(shí)驗(yàn)對(duì)象，確定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的大小，并選擇實(shí)驗(yàn)所用的仿真工具.

步2 確定仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性.

步3 選擇實(shí)驗(yàn)所用的對(duì)比系統(tǒng)，用于突出所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的性能.

步4 設(shè)定實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，包括系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存的時(shí)間、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存均方根誤差、資源利用率、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存成功率、響應(yīng)時(shí)間以及管理成本.

步5 進(jìn)行不同系統(tǒng)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析.

實(shí)驗(yàn)步驟流程圖如圖3所示.

圖3 實(shí)驗(yàn)流程圖

選取某高校開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室信息管理工作作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取高校開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室信息管理數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)總量為20GB，實(shí)驗(yàn)采用的仿真工具為PlantSim.

實(shí)驗(yàn)采用的對(duì)比系統(tǒng)分別是文獻(xiàn)[6]基于Wi-Fi嗅探技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)以及文獻(xiàn)[7]基于PyVISA的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng).

設(shè)置實(shí)驗(yàn)指標(biāo)是系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存的時(shí)間、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存均方根誤差、資源利用率、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存成功率、響應(yīng)時(shí)間、管理成本.

為檢驗(yàn)本文系統(tǒng)中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存的性能，在實(shí)驗(yàn)中隨機(jī)抽選1000個(gè)數(shù)據(jù)，采用三種系統(tǒng)實(shí)施多維復(fù)雜數(shù)據(jù)傳輸信息的轉(zhuǎn)存實(shí)驗(yàn)，用三種系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存的時(shí)間和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存均方根誤差做對(duì)比，結(jié)果用圖4和圖5描述.

圖4 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存的時(shí)間圖5 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存均方根誤差

從圖4的系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存時(shí)間對(duì)比結(jié)果中可以看出，在數(shù)據(jù)量持續(xù)增加的情況下，本文系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存耗時(shí)最低，平均數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存為39 ms，分別比其他兩種對(duì)比系統(tǒng)快17.3 ms、10.5 ms.因此，說(shuō)明本文系統(tǒng)能夠高效率地實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)存.

觀察圖5所示的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存均方根誤差對(duì)比結(jié)果可知，本文系統(tǒng)的均方根誤差遠(yuǎn)低于其他兩種對(duì)比系統(tǒng)，本文系統(tǒng)轉(zhuǎn)存的最高均方根誤差為0.04，而文獻(xiàn)[6]與文獻(xiàn)[7]系統(tǒng)的最高轉(zhuǎn)存均方根誤差分別為0.96與0.54.

本文系統(tǒng)具有較高的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存效率與較低均方根誤差的原因在于其他在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存過(guò)程中，融合了金字塔技術(shù)與粒子群尋優(yōu)算法，提高了轉(zhuǎn)存效率與轉(zhuǎn)存精度.

為了驗(yàn)證系統(tǒng)實(shí)施數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存的整體優(yōu)越性，采用三種系統(tǒng)對(duì)高校開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室多維復(fù)雜數(shù)據(jù)傳輸信息轉(zhuǎn)存實(shí)施數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存后的資源利用率和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存成功率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果用圖6和圖7描述.

由圖6和圖7可知，本文系統(tǒng)的整體優(yōu)越性要高于其他兩種對(duì)比系統(tǒng).在圖6中，本文系統(tǒng)的平均資源利用率高達(dá)92%，分別比其他兩種對(duì)比系統(tǒng)的平均資源利用率高26%、17%；在圖7中，本文系統(tǒng)平均資源轉(zhuǎn)存成功率為93%，分別比其他兩種系統(tǒng)平均資源轉(zhuǎn)存成功率高出24%、19%.由此可知，本文系統(tǒng)轉(zhuǎn)存精度高.產(chǎn)生上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果的原因在于，本文系統(tǒng)采用粒子群算法對(duì)高校開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存過(guò)程實(shí)施尋優(yōu)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化處理后，大大提高了數(shù)據(jù)的利用率與轉(zhuǎn)存成功率.

10090807060504030201001002003004005006007008009001000實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(個(gè))資源利用率(%)文獻(xiàn)[6]系統(tǒng)文獻(xiàn)[7]系統(tǒng)本文系統(tǒng)9590858075706560555001002003004005006007008009001000實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(個(gè))文獻(xiàn)[6]系統(tǒng)文獻(xiàn)[7]系統(tǒng)本文系統(tǒng)轉(zhuǎn)存成功率(%)圖6 資源利用率圖7 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存成功率

為了進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)的性能，對(duì)比三種系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果，用圖8描述.

圖8 系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間

由圖8可知，本文系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間明顯高于其他兩種對(duì)比系統(tǒng)，本文系統(tǒng)平均響應(yīng)為8.5 ms，分別比其它兩種對(duì)比系統(tǒng)平均響應(yīng)快12 ms、9 ms.說(shuō)明本文系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間快，系統(tǒng)性能良好.原因在于本文系統(tǒng)首先設(shè)計(jì)三層系統(tǒng)架構(gòu)，并且在系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)高效率高內(nèi)存的服務(wù)器，從而降低了系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間.

實(shí)驗(yàn)測(cè)試三種系統(tǒng)應(yīng)用前后高校開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室信息管理成本情況，結(jié)果用表1描述.

表1 高校開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室信息管理成本(萬(wàn)元)

月份文獻(xiàn)[6]系統(tǒng)文獻(xiàn)[7]系統(tǒng)本文系統(tǒng)52081881176276199116715816511581991691199287178118102681971161127819611712288185118

分析表1可以看出，相對(duì)于其他兩種系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)的高校開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)成本更低，該系統(tǒng)管理成本為117萬(wàn)元，分別比其他兩種系統(tǒng)節(jié)省64萬(wàn)元、111萬(wàn)元.說(shuō)明本文系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高校開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室信息管理過(guò)程中，降低高校開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室信息管理成本，提升高校開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室信息管理效益.這是由于本文系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，硬件結(jié)構(gòu)的維護(hù)成本較低，從而降低了實(shí)驗(yàn)室信息管理的成本.

3 結(jié)論

為了提高高校開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室信息管理效率，設(shè)計(jì)基于云桌面技術(shù)的高校開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng).在數(shù)據(jù)傳輸信息轉(zhuǎn)存過(guò)程中，采用金字塔技術(shù)將多維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存成一維索引，按照子流的權(quán)重實(shí)施排序，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化質(zhì)量最好，同時(shí)運(yùn)用粒子群對(duì)高校開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存過(guò)程實(shí)施尋優(yōu)，實(shí)現(xiàn)多維復(fù)雜數(shù)據(jù)傳輸信息轉(zhuǎn)存，優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸信息轉(zhuǎn)存的精度，確保管理系統(tǒng)的高質(zhì)量運(yùn)行.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)高校開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室信息管理過(guò)程中，降低高校開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室信息管理成本，提升高校開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室信息管理效益.