生物醫(yī)學(xué)科研儀器共享信息系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

張春宇，高 波*，毛軍文

（1.軍事科學(xué)院科研部條件建設(shè)處，北京 100091；2.北京腦科學(xué)與類腦研究中心，北京 102206）

0 引言

近年來，互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的信息數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)逐漸成為科研儀器管理的主流方向[1-2]。同時(shí)，隨著“生物大數(shù)據(jù)”時(shí)代的到來與測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，生物數(shù)據(jù)呈指數(shù)增長，而傳統(tǒng)的生物數(shù)據(jù)管理方法和技術(shù)手段已無法滿足海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理、統(tǒng)計(jì)提取及分析挖掘等需求，這使得生物信息學(xué)的發(fā)展需要新技術(shù)的支持。因此，需要構(gòu)建一個(gè)生物醫(yī)學(xué)科研儀器共享信息系統(tǒng)，一方面是通過最大程度地共享儀器數(shù)據(jù)，進(jìn)而從各種類型的數(shù)據(jù)中快速采集獲得有價(jià)值的信息；另一方面是利用該系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及管理、數(shù)據(jù)提取及處理、數(shù)據(jù)分析及挖掘、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及應(yīng)用等操作[3]。信息化科研（e-Science）包括信息化基礎(chǔ)設(shè)施和信息化科研活動(dòng)2個(gè)方面[4]，生物醫(yī)學(xué)大型科研儀器是科學(xué)研究的基礎(chǔ)設(shè)施，各種研究、測(cè)試及分析是基本的科研活動(dòng)，將上述科研基礎(chǔ)設(shè)施和科研活動(dòng)與信息化的生物數(shù)據(jù)庫結(jié)合，從而構(gòu)成了一種新的、信息化的生物醫(yī)學(xué)科研儀器共享信息系統(tǒng)[5]。該信息系統(tǒng)能解決儀器利用率普遍較低、設(shè)備私有化以及信息不透明等問題，避免了國有資產(chǎn)的巨大浪費(fèi)。同時(shí)，將先進(jìn)的信息技術(shù)應(yīng)用于科研活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，可激發(fā)新科研模式的產(chǎn)生，反向促進(jìn)了科研工作的順利開展與生物交叉學(xué)科的融合。以生物數(shù)據(jù)庫為主的信息化科研環(huán)境為科研儀器的共享管理提供了條件，是提高儀器利用率的有效手段。因此，本文進(jìn)行了生物醫(yī)學(xué)科研儀器共享信息系統(tǒng)的開發(fā)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

生物醫(yī)學(xué)科研儀器共享信息系統(tǒng)的建設(shè)是按照“整合、共享、完善、提高”的思路，借鑒國外大學(xué)資源計(jì)劃（university resource planning，URP）的經(jīng)驗(yàn)，綜合地域空間、使用密度、管理歸屬等因素，統(tǒng)籌本單位生物醫(yī)學(xué)科研儀器與技術(shù)測(cè)試能力等公共資源，進(jìn)行高度優(yōu)化配置整合和整體規(guī)劃，注重集約發(fā)展。在加快基礎(chǔ)性、支撐性、戰(zhàn)略性的科技基礎(chǔ)條件設(shè)施建設(shè)的基礎(chǔ)上，探索建立緊貼醫(yī)學(xué)科研實(shí)際、有效可行的信息共享體系，以實(shí)現(xiàn)生物醫(yī)學(xué)科研儀器的集中建設(shè)、有序管理與高效利用。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

生物醫(yī)學(xué)科研儀器共享信息系統(tǒng)采用瀏覽器/服務(wù)器（Browser/Server，B/S）模式，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。本系統(tǒng)包含儀器全生命周期管理（本文不作介紹）、共享預(yù)約管理和系統(tǒng)設(shè)置3個(gè)功能模塊，實(shí)現(xiàn)了對(duì)院內(nèi)所有在用生物醫(yī)學(xué)科研儀器的精準(zhǔn)管理，且模塊間實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無縫集成，將系統(tǒng)中產(chǎn)生的生物樣品屬性信息和測(cè)試指標(biāo)數(shù)據(jù)資源與生物信息數(shù)據(jù)庫實(shí)時(shí)互聯(lián)，以便及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集、整理和挖掘利用。

2 系統(tǒng)開發(fā)

本文基于計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)，采用先進(jìn)的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和實(shí)驗(yàn)室管理理念，構(gòu)建了一個(gè)全面、規(guī)范的生物醫(yī)學(xué)科研儀器共享信息系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用C#編程語言、.Net Framework信息系統(tǒng)框架和Oracle數(shù)據(jù)庫進(jìn)行開發(fā)，主要包括共享預(yù)約管理模塊和系統(tǒng)設(shè)置模塊的開發(fā)。生物醫(yī)學(xué)科研儀器共享信息系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 生物醫(yī)學(xué)科研儀器共享信息系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

2.1 共享預(yù)約管理模塊

生物醫(yī)學(xué)科研儀器共享信息系統(tǒng)是以數(shù)據(jù)庫為核心的信息數(shù)據(jù)技術(shù)與科研共享理念相結(jié)合設(shè)計(jì)的信息化管理工具，通過網(wǎng)絡(luò)把安裝了軟件平臺(tái)的服務(wù)器、儀器監(jiān)控保護(hù)儀（硬件終端）及個(gè)人計(jì)算機(jī)聯(lián)為一體。除了具備信息系統(tǒng)的基本功能外，還具備預(yù)測(cè)、計(jì)劃、控制和輔助決策等功能，不同身份的用戶可以根據(jù)自身需要從相應(yīng)入口進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行操作。共享預(yù)約管理模塊下設(shè)儀器開發(fā)設(shè)置和項(xiàng)目信息設(shè)置2個(gè)子模塊。儀器開發(fā)設(shè)置子模塊可以讓儀器的管理者根據(jù)個(gè)人科研工作計(jì)劃來設(shè)置共享儀器對(duì)外開放信息，包括儀器是否對(duì)外開放、儀器開放時(shí)間段、維修保養(yǎng)時(shí)間和預(yù)約儀器填寫信息欄目等。項(xiàng)目信息設(shè)置子模塊可以讓技術(shù)服務(wù)項(xiàng)目管理者設(shè)置項(xiàng)目測(cè)試共享服務(wù)信息，包括測(cè)試樣品要求、技術(shù)方法、服務(wù)時(shí)限、收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)和必填樣品屬性信息等內(nèi)容。通過以上2個(gè)子模塊的功能設(shè)置來引導(dǎo)用戶順利申請(qǐng)生物醫(yī)學(xué)科研儀器的共享服務(wù)。通過生物醫(yī)學(xué)科研儀器共享，提高資源使用效益和效率，增進(jìn)學(xué)術(shù)交流和學(xué)科交叉，促進(jìn)生物醫(yī)學(xué)科研儀器使用的專業(yè)化和社會(huì)化，推進(jìn)科學(xué)研究方法與技術(shù)的創(chuàng)新[6]。

共享預(yù)約管理模塊部分開發(fā)代碼如下：

public ActionResult InstrumentReservationForm(int iID,string iName)

{

//獲取使用儀器

var instrumentServiceEntity= _instrumentServiceAppService.GetInstrumentServiceExtend(iID)；

//儀器預(yù)約設(shè)置值綁定

if(instrumentServiceEntity!=null)

{

instrumentServiceEntity.BeginUnit=ConvertTo－TimeUnit(instrumentServiceEntity.BeginUnit)；

instrumentServiceEntity.EndUnit=ConvertTo－TimeUnit(instrumentServiceEntity.EndUnit)；

var fieldList=_customTableAppService.GetAll－CustomTableById(instrumentServiceEntity.ReTableID)；

if(fieldList!=null)

ViewBag.BuildHtml=new MvcHtmlString(field－List.FormHtml)；

ViewData["CurrentName"] =base.CurrentPersonal.Name；

ViewData["CurrentPhone"] =base.CurrentPersonal.Phone；

ViewData["CurrentUnit"] =base.CurrentPersonal.UnitStr+base.CurrentPersonal.OfficeStr；

return View(instrumentServiceEntity)；

}

2.2 系統(tǒng)設(shè)置模塊

系統(tǒng)設(shè)置模塊包括用戶管理、字典管理、權(quán)限管理、統(tǒng)計(jì)分析和信用卡管理5個(gè)部分。其中，用戶管理可將所有使用本系統(tǒng)的用戶進(jìn)行角色分類，如明確用戶的姓名、性別、科室、課題組、部門和職務(wù)等信息，實(shí)現(xiàn)用戶的精準(zhǔn)身份管理。字典管理用于生物醫(yī)學(xué)科研儀器共享信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)語言的規(guī)范，即實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)中用戶、儀器或樣品的所有基礎(chǔ)信息的標(biāo)準(zhǔn)化，可進(jìn)行數(shù)據(jù)字典維護(hù)、定制與查詢等。權(quán)限管理用于針對(duì)不同用戶進(jìn)行操作權(quán)限的區(qū)分與設(shè)定，防止用戶超權(quán)限操作。統(tǒng)計(jì)分析用于共享過程中各種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的信息統(tǒng)計(jì)工作。信用卡管理用于管理所有用戶支付共享經(jīng)費(fèi)所關(guān)聯(lián)使用的信用卡信息，但在此之前需要聯(lián)合財(cái)務(wù)部門明確各課題組成員使用的信用卡卡號(hào)并錄入系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)共享過程中產(chǎn)生的費(fèi)用記錄在信用卡中，以便定期進(jìn)行經(jīng)費(fèi)結(jié)轉(zhuǎn)。系統(tǒng)用戶角色分類見表1。

表1 系統(tǒng)用戶角色分類表

系統(tǒng)設(shè)置模塊部分開發(fā)代碼如下：

public ActionResult SaveRoleUser(string RoleIDList,string Account)

{

//獲取角色I(xiàn)D

string[] TempList=RoleIDList.Split(',')；

List＜int＞ _TempRoleIdList=new List＜int＞()；foreach(var item in TempList)

{_TempRoleIdList.Add(int.Parse(item))；

}

try

{

var_roleUserExt=new RoleUserExtDto

{

RoleIdList=_TempRoleIdList,

Account=Account

}；

//保存

_roleUserAppService.GetRoleUserInput(_roleUser Ext)；

return Json("OK")；

}

catch(Exception ex)

{

return Json("ERROR")；

}

}

3 系統(tǒng)功能

3.1 共享預(yù)約管理模塊

共享預(yù)約管理模塊分為儀器開放時(shí)間預(yù)約和檢測(cè)項(xiàng)目預(yù)約2個(gè)部分，可實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目查詢、儀器預(yù)約、生物樣品信息錄入、管理員審批和預(yù)約信息查詢等功能。儀器預(yù)約審批流程如圖2所示。科研人員可根據(jù)儀器和項(xiàng)目查詢所有可提供預(yù)約的清單，根據(jù)儀器時(shí)間和測(cè)試項(xiàng)目2種類型進(jìn)行預(yù)約測(cè)試工作，還能按照儀器名、項(xiàng)目名、時(shí)間段、流程狀態(tài)等條件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總，查看儀器的預(yù)約及使用情況。共享預(yù)約管理模塊的應(yīng)用界面如圖3所示。

圖2 儀器預(yù)約審批流程圖

圖3 共享預(yù)約管理模塊應(yīng)用界面

3.2 系統(tǒng)設(shè)置模塊

系統(tǒng)設(shè)置模塊的主要功能是管理用戶、角色、權(quán)限、字典、信用卡、流程、表單、位置等信息。其中，用戶管理可以查看、注冊(cè)、修改和禁用用戶賬號(hào)；角色管理可以查看、新建、修改和禁用角色，角色一般分為普通用戶、指導(dǎo)老師、課題組長、儀器管理員、所領(lǐng)導(dǎo)、院領(lǐng)導(dǎo)等，角色不同，其相應(yīng)的權(quán)限也不同；權(quán)限管理可以修改用戶或角色的權(quán)限；字典管理可以查看和新建網(wǎng)站數(shù)據(jù)庫字典信息；信用卡管理可以查看、注冊(cè)、修改和禁用院內(nèi)信用卡；流程管理可以新建、修改和禁用儀器的共享預(yù)約審批流程；表單管理可以新建、修改和刪除表單；位置管理可以新建、修改和禁用位置[7]。系統(tǒng)設(shè)置模塊的應(yīng)用界面如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)設(shè)置模塊應(yīng)用界面

4 系統(tǒng)應(yīng)用

目前，本單位已將新藥研發(fā)、蛋白質(zhì)組學(xué)、生物技術(shù)、分析測(cè)試、食品環(huán)境及健康、安全評(píng)價(jià)和實(shí)驗(yàn)動(dòng)物等多個(gè)方向1 100余項(xiàng)技術(shù)服務(wù)項(xiàng)目和上百臺(tái)共享生物醫(yī)學(xué)科研儀器信息錄入了本系統(tǒng)，可提供在線預(yù)約測(cè)試服務(wù)。本系統(tǒng)的使用用戶已達(dá)3 000余人，使用申請(qǐng)3萬余項(xiàng)，測(cè)試樣品數(shù)萬個(gè)，實(shí)時(shí)積累了大量寶貴的一線科研生物信息數(shù)據(jù)。同時(shí)，我院還制定了《院科研儀器設(shè)備共享管理規(guī)定》及配套的政策法規(guī)，用以規(guī)范系統(tǒng)的運(yùn)行管理流程，并在院、所、室3個(gè)層次上構(gòu)建開放共享的信息系統(tǒng)矩陣，實(shí)現(xiàn)了建設(shè)虛擬儀器測(cè)試中心的目標(biāo)。圖5～7分別是可預(yù)約的生物醫(yī)學(xué)科研儀器列表、預(yù)約狀態(tài)界面以及儀器使用統(tǒng)計(jì)情況。

圖5 生物醫(yī)學(xué)科研儀器列表界面

5 系統(tǒng)特點(diǎn)

5.1 解決了生物醫(yī)學(xué)科研儀器共享和生物信息管理問題

筆者從實(shí)際案例中總結(jié)了2點(diǎn)生物醫(yī)學(xué)科研儀器利用率低的原因：一是科研儀器的共享與個(gè)別科研團(tuán)體占有之間的矛盾；二是科研儀器擁有者和使用者信息交流不透明的矛盾。正是為了徹底解決這“兩個(gè)矛盾”，我們利用問題倒逼機(jī)制，通過逐步完善，自主研發(fā)了生物醫(yī)學(xué)科研儀器共享信息系統(tǒng)，一方面，該系統(tǒng)通過制定共享規(guī)則，依托網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、生物信息數(shù)據(jù)庫等信息化技術(shù)進(jìn)行信息傳遞，從而使得物理存放位置和所屬權(quán)限分散的科研儀器在邏輯上整合起來，形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的儀器測(cè)試分析中心，利用信息流帶動(dòng)“物流”，進(jìn)而提高科研儀器的利用率[4，8-9]。另一方面，生物醫(yī)學(xué)科研儀器共享信息系統(tǒng)是一個(gè)公開透明的管理系統(tǒng)，系統(tǒng)中所有合法用戶均可了解系統(tǒng)所提供的科研儀器資源及其任意時(shí)刻的使用情況和實(shí)時(shí)產(chǎn)生的生物數(shù)據(jù)信息。生物醫(yī)學(xué)科研儀器共享信息系統(tǒng)不僅提高了科研儀器運(yùn)行狀態(tài)和生物數(shù)據(jù)使用的透明度，打破了科研儀器和生物數(shù)據(jù)小集團(tuán)擁有的壁壘，還促進(jìn)了科研儀器合理、公平使用。因此，在信息化科研環(huán)境的基礎(chǔ)下，將科研儀器共享管理理念與生物信息大數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用結(jié)合起來是提高儀器設(shè)備利用率的有效途徑，也是當(dāng)今最先進(jìn)的生物信息數(shù)據(jù)管理技術(shù)體系[10-11]。

圖6 預(yù)約狀態(tài)界面

圖7 信息統(tǒng)計(jì)圖

5.2 優(yōu)化了生物醫(yī)學(xué)科研儀器評(píng)估及其管理者的考核評(píng)價(jià)問題

長期以來，科研儀器使用狀況評(píng)估和儀器管理者的績效評(píng)價(jià)偏差較大，缺乏科學(xué)的考核評(píng)價(jià)辦法[12]。而生物醫(yī)學(xué)科研儀器共享信息系統(tǒng)提供了科學(xué)合理的數(shù)據(jù)指標(biāo)記錄體系（包括記錄測(cè)試分析活動(dòng)），如儀器預(yù)約申請(qǐng)信息、預(yù)約審核信息、儀器使用日志、收費(fèi)登記信息等。這些信息客觀地記錄了測(cè)試分析活動(dòng)的全部過程，并相互依存和制約。從科研管理的角度而言，本系統(tǒng)完善了管理機(jī)制，促進(jìn)了科研儀器的全面共享，可針對(duì)科研儀器的使用情況、操作員的工作量等方面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從而準(zhǔn)確、方便地得到什么科研儀器在用、什么人在用、用來做什么等基礎(chǔ)信息[13]。這些科研活動(dòng)信息對(duì)于科研儀器管理有3個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：（1）能準(zhǔn)確掌握科研儀器的研究需求，將科研儀器使用率作為儀器建設(shè)和布局的重要依據(jù)，提高投資效益；（2）能準(zhǔn)確掌握科研儀器操作者的人才需求，從而引導(dǎo)儀器操作技術(shù)隊(duì)伍的建設(shè)；（3）能提供翔實(shí)的科研儀器操作者的工作量信息，從而改進(jìn)對(duì)儀器管理技術(shù)人員的績效評(píng)價(jià)辦法[14]。

6 結(jié)語

生物醫(yī)學(xué)科研儀器共享信息系統(tǒng)在本單位通過3 a的實(shí)際應(yīng)用，在儀器共享共用、科研協(xié)作和生物信息數(shù)據(jù)收集等方面均取得了很好的效果，受到廣大一線科研人員的好評(píng)。但如何將收集的海量生物信息數(shù)據(jù)進(jìn)行更深層次的整理、挖掘和應(yīng)用，衍生新的研究方向，解決復(fù)雜難題，將是下一步研究的重點(diǎn)。