基于LIMS的排程系統(tǒng)與流程設(shè)計器的開發(fā)

劉曉東，孫陸楠，劉亞偉，關(guān)朋，戎錫鋒

（天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津 300180）

實驗室信息管理系統(tǒng)（laboratory information management system，LIMS），是以實驗室為中心，應(yīng)用局域網(wǎng)，將信息技術(shù)與實驗室管理理念相結(jié)合，對檢測數(shù)據(jù)和相關(guān)信息進行收集、分析、報告和管理的系統(tǒng)[1-2]。LIMS在國外發(fā)達國家已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，而國內(nèi)實驗室引入LIMS的時間較短[3]。據(jù)中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)發(fā)布的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，截至2018年我國國內(nèi)有檢測機構(gòu)3 947家且呈遞增趨勢[4]。LIMS的應(yīng)用也呈發(fā)展趨勢，由于國內(nèi)第三方檢測實驗室信息化建設(shè)初期主要關(guān)注業(yè)務(wù)、流程、財務(wù)等經(jīng)營層面的問題，而對于實驗室任務(wù)計劃運行、進度的控制、流程變更等問題關(guān)注的不夠。當(dāng)LIMS系統(tǒng)上線后，經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)一些不足，一是，實驗任務(wù)計劃需要人工來排程；二是，當(dāng)試驗流程發(fā)生變更時，需要修改后臺程序，操作費時費力。因此，開發(fā)了排程系統(tǒng)和流程設(shè)計器。

排程系統(tǒng)一般用于高校排課[5]、生產(chǎn)車間排程[6]，排程系統(tǒng)的設(shè)計將排程思想與實驗室試驗任務(wù)管理相結(jié)合，旨在合理安排試驗任務(wù)，保證試驗進度，提升效率。流程設(shè)計器針對LIMS流程經(jīng)常變動而設(shè)計，通過流程設(shè)計器，用戶可自己定義、編輯、發(fā)布流程，減少系統(tǒng)的運維成本。

1 主要技術(shù)

1）J2EE技術(shù)框架。Java2平臺企業(yè)版（java 2 platform enterprise edition，J2EE），是由SUN公司領(lǐng)導(dǎo)、多廠家共同制定并得到廣泛認可的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，目前已經(jīng)成為使用最廣泛的Web程序設(shè)計技術(shù)。J2EE使用多層分布式應(yīng)用模型，應(yīng)用邏輯按功能劃分成組件，各個應(yīng)用組件根據(jù)他們所在的層分布在不同的機器上，J2EE為搭建具有可伸縮性、靈活性、易維護性的商務(wù)系統(tǒng)提供了良好的機制[7]。

2）JBPM工作流引擎。業(yè)務(wù)流程管理（java business process management，JBPM），它是一個開源的、靈活的、易擴展的可執(zhí)行流程語言框架[8-9]。JBPM采用圖形化開發(fā)工具和JPDL（JBoss process definition language）來描述流程圖。JPDL的表示形式是 XML（extensible markup language）文件，它定義了這個流程圖的每個部分，如起始節(jié)點、結(jié)束節(jié)點、節(jié)點之間的轉(zhuǎn)換。通過圖形化流程定義，能夠直觀地描述業(yè)務(wù)流程。

3）SVG?？煽s放矢量圖形（scalable vector graphics，SVG），他是使用XML來定義二維圖形和繪圖程序的語言。一般SVG用于定義基于網(wǎng)絡(luò)的矢量圖形，是萬維網(wǎng)聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)。HTML5支持內(nèi)聯(lián)SVG元素，通過瀏覽器即可創(chuàng)建SVG矢量圖。

2 LIMS系統(tǒng)現(xiàn)狀

LIMS功能和任務(wù)流程是依據(jù)ISO/IEC17025《檢測和校準(zhǔn)實驗室能力的通用要求》[10]和原有實驗室管理模式設(shè)計的，具有通用性和適用性。LIMS系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 LIMS系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 The system architecture chart of LIMS

1）數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)是系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)，主要包括：客戶信息、人員崗位信息、設(shè)備儀器信息、檢測標(biāo)準(zhǔn)庫、計量標(biāo)準(zhǔn)庫、報告模板庫等。由系統(tǒng)將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)組織起來，實現(xiàn)數(shù)據(jù)互通和共享，為數(shù)據(jù)統(tǒng)計、數(shù)據(jù)報表提供數(shù)據(jù)源。數(shù)據(jù)格式包括文字、圖片、文檔、聲音等。

2）業(yè)務(wù)層。業(yè)務(wù)層描述檢測實驗室的核心業(yè)務(wù)流，包括合同簽訂流程和試驗任務(wù)流程，業(yè)務(wù)流通過工作流引擎JBPM創(chuàng)建，用戶和開發(fā)人員只需關(guān)心當(dāng)前任務(wù)，當(dāng)前任務(wù)處理完成后的下一個節(jié)點將由工作流自動引導(dǎo)流向。

3）應(yīng)用層。應(yīng)用層主要提供用戶可操作的界面，主要是對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的增、刪、改、查詢功能。不同崗位對任務(wù)的申請、審核、審批。數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖表、報表的展示和導(dǎo)出等。LIMS系統(tǒng)可通過接口服務(wù)與排程系統(tǒng)和流程設(shè)計器進行數(shù)據(jù)共享。

3 排程系統(tǒng)

3.1 優(yōu)先權(quán)調(diào)度算法

優(yōu)先級調(diào)度算法一般用于操作系統(tǒng)的作業(yè)調(diào)度，基于作業(yè)的緊迫程度，由外部賦予作業(yè)相應(yīng)的優(yōu)先級，系統(tǒng)根據(jù)優(yōu)先級進行調(diào)度[11]。排程系統(tǒng)引用了這個算法思想，首先通過試驗任務(wù)的緊迫程度計算優(yōu)先級系數(shù)，然后根據(jù)優(yōu)先級進行排程，優(yōu)先級系數(shù)的計算如下式所示：

式中：r為優(yōu)先級系數(shù)；st為服務(wù)時長；et為任務(wù)計劃完成時間；at為任務(wù)到達時間。

可知，r越大代表任務(wù)越緊迫，優(yōu)先級越高。

3.2 排程系統(tǒng)的設(shè)計

排程管理系統(tǒng)是對實驗室的試驗任務(wù)進行排程，首先由用戶下發(fā)的任務(wù)卡對試驗進行分割，將整個試驗分割成多個任務(wù)。其次，由系統(tǒng)依照試驗任務(wù)類型自動判斷該試驗所屬的實驗室，并計算同一個實驗室試驗的優(yōu)先級系數(shù)，而后自動分配試驗時間。優(yōu)先級高代表任務(wù)較為緊迫，系統(tǒng)會優(yōu)先安排試驗。對于優(yōu)先級相同的實驗系統(tǒng)則按照“先來先服務(wù)”的原則分配時間。為減少排程計劃變動對試驗任務(wù)計劃的影響，系統(tǒng)一旦為試驗任務(wù)排好時間節(jié)點，便一直執(zhí)行下去，至完成。以上只是正常預(yù)約排程，在實際操作過程中，發(fā)現(xiàn)還存在一些特殊情況，像任務(wù)加急處理、任務(wù)爽約，排程流程圖如圖2所示。

圖2 排程系統(tǒng)流程圖Fig.2 Flow chart of scheduling system

1）加急插隊處理?！凹蛹辈尻牎蓖瑯右詢?yōu)先級為插隊依據(jù)，如果有更緊急的實驗任務(wù)進行“插隊”，要先判斷隊列中正在執(zhí)行任務(wù)是否小于等于“插隊”任務(wù)的優(yōu)先級，如判斷條件為“真”，系統(tǒng)將截斷正在執(zhí)行的任務(wù)，插入加急任務(wù)，而隊列中的其他任務(wù)將依次順延。如判斷條件為“假”，系統(tǒng)自動將任務(wù)插入到當(dāng)前正在執(zhí)行的任務(wù)之后。

2）爽約處理?！八s”是指在工作預(yù)約排程后，由于某些特殊原因而未在預(yù)約的時間段內(nèi)進行相應(yīng)的實驗?！八s”分為“外因爽約”和“自身爽約”?！巴庖蛩s”是由于外來因素而的造成“爽約”；“自身爽約”是實驗員由于自身原因而造成的“爽約”。對于“外因爽約”的任務(wù)，系統(tǒng)先撤銷排程，然后將此任務(wù)“插隊”到原有優(yōu)先級別的隊列；對于“自身爽約”的任務(wù)，在撤銷排程后將其按照新任務(wù)進行重新排程。

3.3 排程系統(tǒng)主要功能

排程系統(tǒng)的功能包括實驗室管理、試驗任務(wù)管理、試驗排程看板、系統(tǒng)管理4大功能模塊。

實驗室管理為用戶提供實驗室信息（實驗室名稱、實驗室類型、業(yè)務(wù)范圍）的添加、修改、刪除功能。試驗任務(wù)管理功能模塊可同步LIMS的試驗任務(wù)信息、設(shè)置排程是否包含節(jié)假日、對試驗任務(wù)進行排程、撤銷試驗任務(wù)排程、試驗任務(wù)插隊、結(jié)束試驗任務(wù)。排程看板以甘特圖的形式為用戶展示自動排程結(jié)果，如圖3所示。

圖3 排程甘特圖Fig.3 Schedule gantt chart

用戶還可以通過手動的方式對甘特圖進行修改、添加、刪除試驗時間節(jié)點。對于超期節(jié)點，系統(tǒng)將顯示超期預(yù)警。用戶可為超期任務(wù)賦予更高權(quán)限，重新排程，也可以通過手動修改甘特圖的時間節(jié)點來調(diào)節(jié)超期。系統(tǒng)管理主要提供系統(tǒng)用戶信息和權(quán)限等配置管理功能。

4 流程設(shè)計器

流程設(shè)計器利用工作流技術(shù)，將每個流程的工作節(jié)點按照前后邏輯組織在一起，以流程驅(qū)動任務(wù)，在多個參與者之間，自動傳遞執(zhí)行任務(wù)、信息和文檔。

4.1 流程設(shè)計器的設(shè)計原理

首先利用SVG技術(shù)與JS（JavaScript）搭建繪圖前端，用戶通過瀏覽器以鼠標(biāo)拖曳的方式畫出流程的活動和路徑，設(shè)置路徑和活動屬性，將畫好的流程數(shù)據(jù)保存到JS對象中，以便JS數(shù)據(jù)對象轉(zhuǎn)換成JSON格式數(shù)據(jù)。同時將SVG流程圖的文檔對象模型元素轉(zhuǎn)成Base64編碼格式，確認無誤后將表示流程圖的JSON字符串和表示流程圖片的Base64編碼傳輸?shù)胶笈_等待解析。待后臺接收到數(shù)據(jù)后，需要將JSON數(shù)據(jù)解析成JPDL的XML文件，也就是將SVG和JPDL的坐標(biāo)相互轉(zhuǎn)換。最后由系統(tǒng)將描述流程圖的JPDL文件與.PNG圖片打包并壓縮成ZIP格式的文件。這樣一個JBPM工作流文件就生成了，用戶可以通過瀏覽器發(fā)布流程。當(dāng)需要編輯流程時，可通過瀏覽器打開JPDL的XML文件，系統(tǒng)將JPDL表示的流程信息轉(zhuǎn)換成JSON格式的字符串再發(fā)送到前端，瀏覽器接收到數(shù)據(jù)后，進行轉(zhuǎn)換解析，重新渲染出SVG圖像，通過瀏覽器用戶就可以自由操作流程節(jié)點和連線了。

4.2 流程設(shè)計器的功能

LIMS的業(yè)務(wù)流程有系統(tǒng)通知流程、合同簽訂流程、檢測試驗流程、付款流程、設(shè)備儀器檢定校準(zhǔn)流程，在流程節(jié)點發(fā)生變動時，可通過流程設(shè)計器對LIMS已有的工作流程進行編輯、發(fā)布。

圖4表示流程設(shè)計器與LIMS的關(guān)系圖，定義好的流程發(fā)布后即對LIMS生效。

圖4 流程設(shè)計器與LIMS關(guān)系圖Fig.4 Relationship between process designer and LIMS

用戶可通過流程設(shè)計器定義新流程，編輯原有流程，設(shè)置流程節(jié)點的角色，增加版本號，下載流程，發(fā)布流程、撤銷流程。當(dāng)原有流程經(jīng)用戶編輯后，生成一個新版本流程壓縮包，新版本流程只適用于新任務(wù)，而對于已發(fā)起的任務(wù)，則按照之前版本繼續(xù)運行。流程角色用來設(shè)置被選中流程節(jié)點的指派人（單人）或所指派的崗位（多人）。流程業(yè)務(wù)管理用于流程的發(fā)布和撤銷。

5 系統(tǒng)實施與效果

排程系統(tǒng)和流程設(shè)計器屬于小型系統(tǒng)，采用敏捷開發(fā)模式，通過與LIMS用戶緊密協(xié)作，面對面溝通，頻繁迭代新的軟件版本，使軟件提早被用戶適應(yīng)和接受。目前兩款軟件已經(jīng)過在某第三方檢測機構(gòu)的測試運行。經(jīng)測試，兩套應(yīng)用軟件運行流暢、響應(yīng)時間短、能夠與已有的LIMS成功對接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，完成設(shè)計的功能。

經(jīng)測試，排程系統(tǒng)可為控制試驗任務(wù)進度和資源供應(yīng)，提高實驗室利用效率，縮短試驗業(yè)務(wù)周期提供支持；流程設(shè)計器的應(yīng)用使用戶可直接在線編輯流程，發(fā)布流程，節(jié)約時間和運維成本。

6 結(jié)論

排程系統(tǒng)和流程設(shè)計器的開發(fā)完善了現(xiàn)有的LIMS，完全支持與LIMS的通信接口，保證在不影響系統(tǒng)運行的情況下實現(xiàn)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信，完成與LIMS的無縫對接。但作為相對獨立的兩個系統(tǒng)，系統(tǒng)還提供了人工干預(yù)的功能，通過手動錄入的形式將試驗信息同步到排程系統(tǒng)和流程設(shè)計器的后臺數(shù)據(jù)庫，因此，他們既能與各種B/S模式的信息系統(tǒng)進行耦合，又能獨立運行的軟件系統(tǒng)。