巖石力學實驗室信息管理系統的研發與應用

朱萬成， 徐曉冬， 侯 晨，b， 鄧君平， 高 楠， 劉 明

（東北大學a.資源與土木工程學院巖石破裂與失穩研究所；b.資源與土木工程學院實驗教學中心，沈陽 110819）

0 引 言

實驗室信息管理系統（Laboratory Information Management System，LIMS）是以數據庫為核心的信息化技術與實驗室管理需求相結合的信息化管理工具。高校專業實驗室具有人才培養和科學研究的雙重功能，是科研人員和研究生從事科研活動、進行科研實驗的主要場所，是人才培養過程中理論知識實踐驗證以及學生實踐動手能力培養的重要平臺［1-2］，也是科研人員從事科學研究和技術創新的實踐基地［3］。目前，部分高校實驗室在日常運行管理中，對于人員、設備、耗材、財務等信息的管理工作依舊停留在傳統的人工數據表格模式，信息數字化程度差，數據孤島問題顯著，不利于實驗室的管理效率提升。如在個人成果等信息管理方面，學校各部門都在進行教工個人信息及成果的收集，但未能實現信息的共享，教職員工經常需要花費大量時間整理個人成果等資料，以應對各管理部門收集資料的需求。在實驗設備管理方面，實驗記錄依舊是電腦文件獨立存儲，數據備份依賴硬盤拷貝，使得數據共享困難，不便于實驗數據的查詢、篩選、統計及整理；同樣由于粗放式的管理，學生不能實時了解設備是可用狀態，無疑會降低設備的利用率。在材料采購及裝置加工方面，目前材料采購及設備加工管理松散，重復采購、重復加工以及購買后使用情況不明等問題顯著，這必然會帶來經費浪費的問題。

隨著“雙一流”學科建設的深入推進，實驗室建設規模的不斷擴大，人工管理模式的弊端也逐漸顯露出來［4］。因此，充分發揮專業實驗室的技術支撐作用，建設一流的專業實驗室是推進“雙一流”建設的客觀要求［5］。近年來，隨著專業實驗室硬件設備的不斷更新，研究生隊伍的持續擴大，實驗室信息管理問題越來越復雜化，國家科技部等政府主管部門也對數據留存和數據匯交提出了規范的要求。為了實驗數據的合理規范化留存，僅僅利用Word、Excel等辦公軟件已不能滿足實驗室高效運行管理需求。隨著“雙一流”學科建設的推進實施，各專業實驗室得到大量的資源投入，實驗條件日趨完善，但一流的實驗室不僅需要一流的硬件設施，還需要一流的科學實驗室信息管理。尤其是實驗室大型設備逐步增加，相應實驗耗材和配件也越來越多，傳統的辦公軟件面對越來越復雜的實驗室管理已經難以為繼。另外，由于高校缺乏專業的實驗室管理系統，實驗室管理人員水平的高低直接影響管理水平，導致同一學校的不同實驗室信息管理參差不齊。因此，開發高校專業實驗室信息管理系統勢在必行［6-8］。

當前市場上廣泛使用的高校LIMS 主要是針對高校實驗室通用問題而開發，但由于專業實驗室門類多、差異性大，而且發展更新快［9-11］，通用的LIMS 無法滿足專業實驗室高水平建設的要求。因此，亟須建立一套屬于自己的基于信息化的、能滿足本專業特性的實驗室管理系統。

本文從采礦工程系巖石力學實驗室信息管理的難點問題出發，針對人員、設備、材料、委托加工、經費報銷等信息管理需求，開發了面向巖石力學類等專業實驗室的信息管理系統，為實驗室各項資源和辦公流程的規范、高效化管理提供了決策支持，該系統對其他各類專業LIMS開發可提供參考。

1 LIMS架構與功能設計

實驗室管理人員、教師以及研究生和本科生是巖石力學專業LIMS 的使用者。綜合考慮實驗室在人員、科研項目、科研成果、設備、材料、測試加工委托、發票等信息管理方面的需求，巖石破裂與失穩研究所自主研發了模塊化的巖石力學LIMS，并在此基礎上，結合數據分析，挖掘實驗室信息管理中存在的規律，為實驗室相關數據的收集、歸檔和使用，以及管理層決策提供可靠的技術支撐。

1.1 系統設計原則

專業LIMS設計應考慮的原則：系統的經濟適用性、易用性，系統的安全可靠性、可擴展性、可維護性，設計理念的先進性以及交互界面的美觀性。系統的經濟適用性體現系統在滿足實驗室管理不同業務要求的同時，應考慮系統設計、用戶使用和未來系統擴展的成本，而易用性則體現在系統要便于用戶使用、簡單易操作。系統的安全可靠性主要體現在系統、用戶及程序、網絡服務、數據傳輸以及服務器性能等安全。系統可擴展性、可維護性主要體現在接口設計和程序實現上的規范性。設計理念的先進性即選用先進、成熟的研發技術及硬件設備，便于實現數據的云端化管理。交互界面的美觀性體現在界面的設計要有整體的規劃、充實的內容、合理的布局以及和諧的色彩搭配，給用戶一種簡潔、清晰、愉悅的感覺，有利于提高工作效率。

1.2 系統架構設計

（1）系統架構選擇。系統架構設計是整個巖石力學實驗室管理信息系統能夠充分發揮作用的關鍵。在充分分析實驗室的日常業務需求后，規劃系統主要功能模塊，建立相關業務模型，制定數據存儲及傳輸方式，最終提出一種B／S 為主、C／S 為輔的架構模式，其中B／S架構主要借助于云資源，實現實驗室各種信息的云端化管理，C／S架構主要用于與實驗設備對接，實現實驗數據的后臺實時、自動化云端保存，提高數據的儲存效率。該系統分為微機網頁版和手機APP版，兩者可以協同工作。如圖1 所示，系統架構按照數據層、邏輯層、表現層3 個層次進行搭建［12-13］。

圖1 實驗室管理系統B／S架構

（2）軟硬件環境。本系統采用阿里云和高性能私有云服務器作為運行服務器，阿里云的RDS數據庫作為數據存儲服務器，連接Synology 備份系統和巖石力學試驗機進行實驗原始數據的實時備份。系統開發基于Java 語言、JavaScript（簡稱“JS”）語言，前端采用HTML ＋jQuery ＋CSS ＋Layui 技術，后端采用Spring Boot ＋Mybatis-Plus ＋MySQL技術，基于Ajax 技術實現前后端交互，通過HTTP協議實現數據傳輸。

1.3 系統模塊與功能

（1）人員信息管理模塊。采礦工程專業巖石破裂與失穩研究所現有師生上百人參與巖石力學實驗室的科研工作，針對教師項目、成果、科研經費、指導學生等信息研發了人員信息管理模塊，具體分為學生信息、教師信息、個人成果信息、指導學生信息四部分。其中學生信息管理主要是維護學生基本信息、研究方向和研學成果等信息，實現了系統主頁面學生名單信息的維護。教師信息管理主要是維護教師基本信息，可實現系統主頁面師資介紹信息的維護。個人成果信息管理主要是維護教師及學生在論文、專利、獲獎、榮譽、科研項目等方面的成果信息，實現了成果的錄入、編輯、認領、導出等功能，可實現一鍵導出信息填表。指導學生信息管理主要是協助導師、副導師管理其指導的研究生，給學生指派學習任務，掌握學生的動態和研學情況。

（2）設備管理模塊。實驗室擁有擺錘加載中應變率SHPB試驗裝置、真三軸水力壓裂試驗機、巖石流變-沖擊試驗機等試驗設備。如圖2 所示，設備信息管理模塊主要包括設備基本信息錄入和維護、設備預約及審批、實驗登記、設備歸還、實驗數據備份等內容。該模塊不僅實現實驗室設備及使用基本信息維護，而且按照科技部對于數據匯交的要求實現了實驗原始數據備份、記錄保存。

圖2 設備管理模塊流程

（3）材料管理模塊。實驗室用到的專業材料種類繁多，型號多樣：綠砂巖、長寧頁巖、黑云母花崗巖、頁巖在內的標準巖樣，還有焊接應變片、有尼龍扎帶、焊接應變花、環氧樹脂、704 硅橡膠等基礎材料。材料管理模塊實現對實驗室材料相關信息的管理，具體分為包含材料采購申請、采購審批、到貨驗收、材料入庫等功能的材料采購模塊和包含材料信息錄入和維護、領用申請、領用審批、材料歸還申請、歸還驗收審批等功能的材料領用模塊。該模塊實現了實驗室材料采購申請、副導師審批、實驗師驗收入庫、材料基本信息維護、材料領用、材料歸還的全流程閉環管控。具體流程如圖3 所示。

圖3 材料管理模塊流程

（4）實驗裝置加工管理模塊。實驗裝置加工產生的費用也是實驗室支出的重要部分，實驗裝置加工管理模塊實現對測試加工相關信息的管理，主要包含試件、配件加工申請和加工審批功能。該模塊實現了試件、配件基本參數信息、加工圖紙、加工委托合同、加工預算等基礎信息的維護和管理，同時也實現了加工申請、審批、驗收入庫的全流程管控（見圖4）。

圖4 測試加工管理模塊流程

（5）報銷憑證管理模塊。經費管理是實驗室管理中最為重要一環，為實現經費監管，研發了報銷憑證管理模塊，實現了報銷憑證的留存和分類管理，為進行財務報銷監管和統計各工程項目的支出核算提供數據依據。報銷憑證管理模塊包含發票拍照錄入、發票審核、打印報銷憑證和報銷列表檢索功能，實現了報銷基本信息維護、發票的上傳備份、報銷明細與材料采購明細、測試加工明細的關聯對應、發票及報銷信息的審核、報銷憑證打印的全流程管控（見圖5）。

圖5 報銷憑證管理模塊流程

2 系統應用效果展示

2.1 設備預約使用

本系統為用戶提供設備預約及設備使用情況可視化展示等功能，為設備的有序使用提供技術支撐。圖6 為巖石力學專業實驗室的設備預約和使用情況。圖6（a）是實驗室內主要設備月度使用天數排行，可以看出，巖石流變-沖擊試驗機的使用頻率達到70%，而超臨界二氧化碳致裂與滲透率測試一體化試驗機使用頻率較低，這是因為前者不僅使用次數多，而且測試巖石流變每次時間還很長，造成該實驗機使用頻率很高，而后者是由于某一關鍵模塊測試指標沒有達到要求，廠家升級該模塊需要等待。同樣，也可以查閱某一設備的預約情況［見圖6（b）］，紅色為當月預約未使用設備，黃色為預約并使用該設備，綠色為下月預約情況，也可以通過報表實現信息化管理。綜上所述，通過設備管理模塊，可以很方便地查閱設備情況使用情況，并及時了解設備狀況，提高實驗室設備的信息化管理水平。

圖6 設備預約使用情況

2.2 材料采購審批與報銷

材料的采購與報銷是實驗室日常運作的重要組成部分，對其進行數字化管理是提升實驗室管理水平的重要保障。需要指出的是，在本系統中，材料采購審批與報銷是兩個流程。首先購買材料需要材料采購申請、提交驗收以及入庫的采購審批，上述流程完成后，方可進入后續的報銷流程。

圖7 為實驗室近期材料采購的審批情況，由圖7可見，材料的購置時間、購買人、材料名稱、數量等基本信息；同樣可以看出，材料采購狀態及其對應的審批負責人，為材料采購的規范化管理提供便利。

圖7 材料采購審批情況表

采購審批流程完成后，方可進入報銷流程。報銷人在材料報銷類別中選擇待報銷的材料明細，系統將自動跳轉報銷該材料需要填寫的數據信息，包括預約號、經費來源項目編號、項目名稱和報銷金額等信息，并要求報銷人上傳發票文件進行審核備份。實驗室財務人員審批通過后，最終會生成包含各環節負責人審批情況的報銷憑證，報銷人員持此憑證找經費負責人簽字審批，至此，報銷流程結束。通過材料采購與報銷功能，打通了實驗室各類材料從采購審批、購置、審核到報賬的全流程信息化管理，極大的規范并提高了實驗室材料采購與領用的管理水平。

2.3 財務信息查詢

在發票管理模塊中，可實現財務查詢，僅需要輸入某一項目編號，便查閱到的與之相關的所有報銷明細，包括報銷時間、報銷人，報銷金額，項目編號，以及相應的費用明細及說明。點擊查看詳情還可以查看該項目與學校財務系統掛鉤的預約號、發票信息、審核流程等內容。項目負責人對項目經費的各個環節均有據可查，對于提高實驗室的經費管理水平有很大的幫助。

3 結 語

本文從巖石力學類專業實驗室信息管理難點問題出發，分析了實驗室信息管理的功能需求，規劃出系統的功能模塊，并利用B／S為主、C／S為輔的信息管理系統（LIMS）架構，開發了專業LIMS。實現了人員、設備、材料到經費管理全流程的網絡化管理，實現了實驗室的信息共享，規范了實驗室的管理制度和業務流程，極大提高了對實驗室各項工作的管理能力和效率，也可為其他專業實驗室管理的正規化和信息化建設提供了重要參考。