分布式種質(zhì)資源管理系統(tǒng)的建立

侯亮，李鑫玉，張文英，王變銀，柳斌輝，蔡海燕*

（1.河北省農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息與經(jīng)濟研究所，河北 石家莊 050051；2.河北省農(nóng)林科學(xué)院旱作農(nóng)業(yè)研究所，河北 衡水 053000）

種質(zhì)資源是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，是作物育種及遺傳學(xué)研究重要的材料來源[1]。20 世紀以來，隨著新品種的大量推廣、人口增長、環(huán)境變化、經(jīng)濟建設(shè)等進程的加快，作物種質(zhì)資源多樣性不斷遭到破壞甚至喪失，高度一致的種質(zhì)資源抵抗外來侵害的綜合能力下降，當病蟲等自然災(zāi)害暴發(fā)時，極易造成巨大損失。種質(zhì)資源信息的收集、存儲、管理是一項基礎(chǔ)性工作[2]，受到各國政府的高度重視，隨著國家對種質(zhì)資源研究投入力度的增大，對作物品種、抗性、品質(zhì)、管理提出了更高要求，急需能夠管理大量的種質(zhì)資源信息，滿足數(shù)據(jù)查詢與共享的平臺[3]。項目組開發(fā)了分布式的種質(zhì)資源管理系統(tǒng)，實現(xiàn)作物種質(zhì)資源的條件查詢、存儲、管理和共享，為農(nóng)業(yè)科研人員提供了一個高效的信息平臺。系統(tǒng)的應(yīng)用可以促進種質(zhì)資源的高效利用，充分發(fā)揮作物種質(zhì)資源在農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中的重要作用。

1 需求分析

系統(tǒng)要求能夠?qū)ΨN質(zhì)資源數(shù)據(jù)進行高效管理，針對種質(zhì)資源數(shù)據(jù)類型多樣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特性，系統(tǒng)需滿足以下需求。

1.1 運行環(huán)境需求

系統(tǒng)采用B/S 架構(gòu)，運行環(huán)境選用通用、穩(wěn)定的軟硬件，服務(wù)器端采用Windows Server 2008 及以上操作系統(tǒng)，瀏覽器端采用Windows7 及以上操作系統(tǒng)。服務(wù)器CPU 采用Intel 雙核3.0GHz 或以上，硬盤容量400G 或以上，內(nèi)存容量8G 或以上。瀏覽器采用Internet Explorer8.0 及以上版本，支持主流瀏覽器。

1.2 開發(fā)環(huán)境需求

系統(tǒng)采用C 語言，Microsoft.NET Framework 4.0進行開發(fā)，數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2017。

1.3 功能需求

（1） 實現(xiàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入、查詢、修改、刪除、導(dǎo)出、數(shù)據(jù)可視化等功能。（2） 支持模板個性化定制，為用戶提供靈活定義的數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出模板。 （3） 查詢界面采用模塊化管理，各類查詢條件按照數(shù)據(jù)類型分類，各模塊統(tǒng)一顯示，便于用戶設(shè)置多重條件，方便直觀。（4） 支持查詢結(jié)果以表格、圖表的形式展現(xiàn)，用戶可以在查詢結(jié)果表格中自由選擇數(shù)據(jù)，生成柱狀圖、折線圖等圖表。（5） 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫采用分布式方案，數(shù)據(jù)存儲在在各個數(shù)據(jù)節(jié)點，由管理結(jié)點統(tǒng)一調(diào)度資源，通過路由規(guī)則訪問數(shù)據(jù)結(jié)點中的數(shù)據(jù)。（6）系統(tǒng)具有完善的用戶權(quán)限管理和系統(tǒng)管理功能，系統(tǒng)管理員為不同角色的用戶分配相應(yīng)權(quán)限，用戶僅允許在相應(yīng)權(quán)限下訪問系統(tǒng)資源；系統(tǒng)管理員可以查看系統(tǒng)日志，進行數(shù)據(jù)備份、恢復(fù)等。（7） 系統(tǒng)具有較高的兼容性、可擴展性，便于日常維護和新功能的拓展。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)設(shè)計的原則

2.1.1 友好的人機交互界面 系統(tǒng)的界面應(yīng)符合大多數(shù)據(jù)用戶的使用習慣，采用圖形化的操作界面，色彩搭配柔和自然，各功能分區(qū)明確，模塊調(diào)用便捷。

2.1.2 實用性 系統(tǒng)基于種質(zhì)資源管理工作中面臨的現(xiàn)實問題進行開發(fā)，有著較強的針對性，把滿足各級用戶的需求作為首要任務(wù)，系統(tǒng)功能盡可能全面。

2.1.3 可擴展性 種質(zhì)資源信息是動態(tài)更新的，農(nóng)業(yè)科研工作中即時產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，新的種質(zhì)資源信息意味著新的數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)規(guī)范，系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)充分考慮可擴展性，能夠添加新的功能模塊、對接或移植不同類型的數(shù)據(jù)庫、擴展數(shù)據(jù)庫容量。

2.1.4 可靠性 系統(tǒng)具有較強的容錯和應(yīng)急響應(yīng)能力，具有嚴密的用戶訪問權(quán)限管理功能，防止非授權(quán)登錄；具有數(shù)據(jù)備份和數(shù)據(jù)恢復(fù)功能，力爭最大限度減少信息損失。

2.1.5 規(guī)范性 系統(tǒng)設(shè)計符合軟件開發(fā)的一般流程，采用通用、成熟的開發(fā)環(huán)境，開發(fā)過程規(guī)范；數(shù)據(jù)庫組織、字段定義等環(huán)節(jié)遵循種質(zhì)資源領(lǐng)域的分類編碼標準，努力做到種質(zhì)資源信息分類明確，數(shù)據(jù)類型標準、規(guī)范。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)采用四層架構(gòu)的設(shè)計，從底層至項層分別為基礎(chǔ)環(huán)境層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層和用戶層，基礎(chǔ)環(huán)境層提供軟硬件支持；數(shù)據(jù)層部署種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫，主要完成數(shù)據(jù)的管理、查詢、修改、存儲等功能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)調(diào)用、共享；應(yīng)用層提供各類業(yè)務(wù)功能，是系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵；用戶層響應(yīng)用戶請求，提供數(shù)據(jù)的可視化展示。四層架構(gòu)設(shè)計具有良好的開放性和可擴展性，使系統(tǒng)邏輯更加獨立，各功能模塊的任務(wù)更加清晰。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 System architecture

2.2 功能模塊設(shè)計

2.2.1 系統(tǒng)登錄模塊 由于種質(zhì)資源數(shù)據(jù)的訪問涉及不同的研究團隊，為保證數(shù)據(jù)安全，用戶登錄時需填寫用戶名、密碼，防止非授權(quán)登錄。管理員擁有最高權(quán)限；高級權(quán)限的用戶可以對數(shù)據(jù)執(zhí)行導(dǎo)入導(dǎo)出、查詢、修改、刪除等操作，一般權(quán)限的用戶僅有數(shù)據(jù)查詢和查看查詢結(jié)果的權(quán)限。

2.2.2 數(shù)據(jù)管理模塊 種質(zhì)資源數(shù)據(jù)類型多樣，用戶往往希望有選擇性地導(dǎo)入感興趣信息，剔除冗余信息。針對這一需求，數(shù)據(jù)管理模塊支持用戶自定義模板，運用模板將標準化后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，添加到相應(yīng)數(shù)據(jù)表中，以規(guī)范的格式存儲。

2.2.3 數(shù)據(jù)查詢模塊 此模塊調(diào)用種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫中存儲的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的自定義查詢，主要包括對種質(zhì)資源基本信息、親本組合、表型特征、品質(zhì)特性、產(chǎn)量表現(xiàn)、抗性、栽培技術(shù)要點、適宜種植范圍等幾類信息的查詢。以上信息對應(yīng)獨立的查詢功能區(qū)，各功能區(qū)之間可以聯(lián)合設(shè)置查詢條件，實現(xiàn)跨區(qū)查詢。

2.2.4 數(shù)據(jù)可視化及導(dǎo)出模塊 用戶執(zhí)行查詢操作后，以數(shù)據(jù)表格的形式展現(xiàn)查詢結(jié)果，用戶可以自主選擇表格中的數(shù)據(jù)，生成各類圖表，根據(jù)需求自定義模板，導(dǎo)出查詢結(jié)果。

2.2.5 系統(tǒng)管理模塊 系統(tǒng)管理員為各類用戶賦予相應(yīng)權(quán)限，同時負責系統(tǒng)維護、日志管理、數(shù)據(jù)備份等工作。

3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

系統(tǒng)采用SQL Server 2017 作為數(shù)據(jù)庫平臺，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用分布式方案，布置數(shù)個管理節(jié)點和數(shù)據(jù)節(jié)點，管理節(jié)點負責資源分配和調(diào)度，數(shù)據(jù)節(jié)點負責運算。分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)具有以下優(yōu)點： （1） 分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)將數(shù)據(jù)分發(fā)到各數(shù)據(jù)節(jié)點，由多個節(jié)點并行處理運算任務(wù)，可以有效縮短任務(wù)執(zhí)行時間，提高系統(tǒng)運行效率。（2） 可以較好地平衡各數(shù)據(jù)節(jié)點的負荷。管理節(jié)點根據(jù)任務(wù)量為各數(shù)據(jù)節(jié)點下達運算指令，降低單臺物理機的運算壓力；而任務(wù)量不飽和時，管理節(jié)點可以令不承擔任務(wù)的節(jié)點離線，避免資源浪費。（3） 由于數(shù)據(jù)分散在多個數(shù)據(jù)節(jié)點中，當一個節(jié)點發(fā)生故障時，其余節(jié)點不受其影響，管理節(jié)點可以把故障節(jié)點的任務(wù)分配給正常運行的節(jié)點，使整個系統(tǒng)仍處于正常工作狀態(tài)，保證了數(shù)據(jù)的安全。（4） 具有良好的可擴展性。通過增加數(shù)據(jù)節(jié)點的數(shù)量即可提高系統(tǒng)的運算能力，而無需通過復(fù)雜的接口配置將新的軟硬件資源并入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，這種累加式的資源接入方式使數(shù)據(jù)庫擴展方便、快捷。 （5） 在各節(jié)點負荷大致平衡的情況下，管理節(jié)點將任務(wù)優(yōu)先分配至最近的節(jié)點，可以有效降低系統(tǒng)響應(yīng)延時和傳輸延時。分布式數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 分布式數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)Fig.2 Distributed database structure

3.1 種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

本研究設(shè)計了種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫和系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)庫，采用分布式方案，部署于各個數(shù)據(jù)節(jié)點，由管理結(jié)點統(tǒng)一調(diào)用。種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫存儲了種質(zhì)的表型特征、品質(zhì)特性、抗性等信息，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)Fig.3 Database structure of germplasm resources

3.2 種質(zhì)資源數(shù)據(jù)表設(shè)計

為便于數(shù)據(jù)的查詢、存儲和管理，根據(jù)實體類型將種質(zhì)資源數(shù)據(jù)分為若干類，以小麥為例：

（1） 基本信息。主要包括品種名稱、育種單位、審定年份、審定編號等信息。（2） 親本組合。包括種質(zhì)的父本、母本等信息。（3） 表型特征。主要包括分蘗數(shù)、畝穗數(shù)、穗粒數(shù)、穗型、穗長、千粒重、株高、莖稈形態(tài)、葉片顏色等信息。（4） 品質(zhì)特征。主要包括容重、干基和濕基蛋白質(zhì)含量、濕面筋含量、沉降值、吸水率、弱化度、出粉率、面粉白度、延伸性等信息。（5） 產(chǎn)量表現(xiàn)。主要包括平均單產(chǎn)、對比品種名稱、增減產(chǎn)情況等信息。 （6） 抗性。主要包括抗旱指數(shù)、抗倒伏性、抗青干性、抗寒性、抗倒春寒、抗旱性、抗凍性、各類抗病性等信息。表型特征數(shù)據(jù)表和品質(zhì)特征數(shù)據(jù)表的部分字段見表1和表2。

表1 部分表型特征數(shù)據(jù)Table 1 Parts of phenotypic characteristics data

表2 部分品質(zhì)特征數(shù)據(jù)Table 2 Parts of quality characteristic data

3.3 用戶數(shù)據(jù)表設(shè)計

用戶數(shù)據(jù)表設(shè)立一般用戶、種質(zhì)研究團隊成員和系統(tǒng)管理員三個用戶類，賦予用戶ID、用戶密碼、用戶類型、學(xué)科方向等屬性。用戶ID 具有唯一性，根據(jù)用戶類型分配相應(yīng)的訪問權(quán)限，以確保數(shù)據(jù)的安全。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

4.1 界面設(shè)計

系統(tǒng)界面分為登錄界面、系統(tǒng)主界面和系統(tǒng)管理界面，采用Web 風格的圖形界面形式，以功能區(qū)劃分界面空間，信息的表達形象、直觀；用戶可以自定義界面布局，為重點顯示區(qū)域劃分更多的可視空間；對查詢時間較長的操作，在界面顯示進度條，便于用戶實時了解任務(wù)的進展情況。

4.2 系統(tǒng)登錄

通過輸入用戶名和密碼登錄系統(tǒng)，后臺服務(wù)器驗證用戶請求是否合法。若通過驗證，則跳轉(zhuǎn)到系統(tǒng)主界面，若驗證不成功，則在登錄界面返回錯誤信息。系統(tǒng)登錄界面如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)登錄界面Fig.4 System login interface

4.3 種質(zhì)資源數(shù)據(jù)查詢

根據(jù)種質(zhì)資源的數(shù)據(jù)類型，在界面左側(cè)設(shè)置樹狀目錄，目錄樹可以自由展開、合并，將目錄對應(yīng)的查詢條件在右側(cè)的查詢界面中分組顯示。對于查詢條件較多的分組，設(shè)置滾動條，便于用戶瀏覽。

（1） 數(shù)據(jù)查詢方式。支持用戶自定義查詢。時間型、互斥性的查詢選項采用下拉框的方式展現(xiàn)，限定用戶的選擇范圍；數(shù)值型、描述性、數(shù)據(jù)區(qū)間性的查詢選項采用數(shù)據(jù)框輸入的方式，由用戶自主定義查詢內(nèi)容。系統(tǒng)支持組合條件查詢，便于用戶篩選重點信息。

（2） 數(shù)據(jù)可視化及導(dǎo)出。查詢結(jié)果以表格、圖表的形式在新窗口展現(xiàn)。用戶可以自由選擇表格中的數(shù)據(jù)，自定義圖表的類型，生成柱狀圖、折線圖等，直觀體現(xiàn)查詢結(jié)果。數(shù)據(jù)查詢界面如圖5 所示。

4.4 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)采用獨立的后臺管理界面。管理界面左側(cè)設(shè)置權(quán)限管理和系統(tǒng)維護兩大類目錄，界面右側(cè)以列表形式展現(xiàn)用戶權(quán)限分配信息和系統(tǒng)維護信息，管理員可以對用戶進行添加、修改、刪除、禁用、等操作，可以查看系統(tǒng)日志、進行數(shù)據(jù)備份等。系統(tǒng)管理界面如圖6 所示。

圖5 數(shù)據(jù)查詢界面Fig.5 Data query interface

圖6 系統(tǒng)管理界面Fig.6 System management interface

5 討論

對種質(zhì)資源的高效管理是提高現(xiàn)代農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力的重要保證，開發(fā)種質(zhì)資源管理系統(tǒng)是提高管理效率、發(fā)掘種質(zhì)資源潛在信息有效手段。詳細論述了分布式種質(zhì)資源管理系統(tǒng)的開發(fā)流程，介紹了系統(tǒng)的架構(gòu)、數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)和主要功能，系統(tǒng)提供了一個高效的種質(zhì)資源數(shù)據(jù)管理、查詢、存儲、可視化的平臺，有助于推動種質(zhì)資源的創(chuàng)新、共享和可持續(xù)利用[4]，為農(nóng)業(yè)相關(guān)領(lǐng)域的品種引進、選育、推廣提供了參考[5]。種質(zhì)資源信息收集、存儲、管理是一個長期性的工作[6]，隨著種質(zhì)資源相關(guān)研究的深入，新品種、新特性將不斷涌現(xiàn)，意味著更多的數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)量，系統(tǒng)需持續(xù)擴展或新建數(shù)據(jù)表，不斷更新、添加最新數(shù)據(jù)。系統(tǒng)實現(xiàn)了部分主要糧食作物種質(zhì)資源的管理、查詢、存儲和可視化等功能，在今后的種質(zhì)資源信息化研究中，若繼續(xù)引進蔬菜、水果等經(jīng)濟作物的種質(zhì)資源，系統(tǒng)數(shù)據(jù)和功能將更加完善。