科学仪器共享管理系统的设计与实现硕士学位论文.docx

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科学仪器共享管理系统的设计与实现硕士学位论文

中国科学技术大学

工程硕士学位论文

UniversityofScienceandTechnologyofChina

Adissertationformaster’sdegree

ofengineering

书脊

科学仪器共享管理系统的设计与实现

软件学院

中国科学技术大学

中国科学技术大学学位论文原创性声明

本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。

除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。

与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。

作者签名：

___________签字日期：

_______________

中国科学技术大学学位论文授权使用声明

作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：

学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。

本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。

保密的学位论文在解密后也遵守此规定。

□公开□保密（____年）

作者签名：

___________签字日期：

_______________

摘要

科学仪器是实验室的主要技术装备，是高等学校从事教学、科研的重要物质基础，是学校办学实力和水平的重要标志之一。

随着实验室的科学仪器的数量逐渐增多，如何科学管理和使用科学仪器，充分发挥科学仪器的作用，已经成为科学仪器拥有单位所关心的一个重要课题。

本文针对科学仪器在使用管理中存在的问题，在深入分析科学仪器管理业务流程的基础上，设计并实现了一个科学仪器共享管理系统（SharedManagementSystemofScientificInstruments,SMSI系统）。

本文在描述SMSI系统的全局设计和模块构成的基础上，着重详细描述了页面导航、仪器管理、网上预约管理、查询统计、邮件相关功能管理等重要模块的需求分析、设计与实现。

系统在需求分析阶段，应用软件原型法，让所有该系统的参与者达到对软件需求的一致认识；在设计阶段，采用分层设计思想，将每个模块分成表示层、业务逻辑层以及数据访问层，为系统的维护提供了方便；系统的实现则主要基于.NET中的Web和WebService技术。

SMSI系统采用基于角色的页面管理，为系统中不同角色的用户提供相应的页面导航功能及页面访问权限控制，切实提高了页面访问的安全性。

SMSI系统有效解决了科学仪器实际使用管理中存在的一些主要问题，提高了科学仪器的共享率、使用率和管理能力。

系统使用方便、界面友好，已在中国科学技术大学生命科学实验中心上线运行并取得好评。

关键词：

科学仪器管理系统.NET

Abstract

Scientificinstrumentsaremaintechnicalequipmentsoflaboratories.Theyareimportantmaterialfoundationsofteachingandresearchingforinstitutionsofhighereducation,andareimportantsignsofschool'sstrengthandlevel.Alongwithagradualincreaseinthenumberofscientificinstruments,scientificinstrumentsownerspaycloseattentiontohowtoscientificallymanageandusescientificinstruments,andgivefullplaytotheroleofscientificinstruments.Bydeeplyanalyzingthebusinessprocessesofmanagementofscientificinstruments,thisthesisdesignedandimplementedaSharedManagementSystemofScientificInstruments（SMSIsystem）,whichsolvesproblemsinuseandmanagementofscientificinstruments

ThisthesisdescribestheoveralldesignandmodulecompositionofSMSIsystem,andthensomeimportantmodulesincludingpagenavigation,equipmentmanagement,onlinebookingmanagement,queryandstatistics,managementofE-mailrelatedfunctionsaredescribedinmoredetail.Inrequirementsanalysisphase,allparticipantsinthesystemreachedacommonunderstandingofthedemandofsoftwarebyusingsoftwareprototyping.Indesignphase,byusingtheideaofstratifieddesign,eachmodulewasdividedintothreelayers,whichweredataaccesslayer,businesslogiclayerandpresentationlayer.Itmakesthemaintenanceofsystemeasier.Theimplementationofthesystemwasbasedontechnologiesof.NET’sWebandWebService.

Byusingpagemanagementbasedonroles,SMSIsystemprovidesthecorrespondingpagenavigationandthecontrolofaccesstothepageforthedifferentrolesofusers,therebyincreasingthesecurityofaccesstothepage.

SMSIsystemhassolvedsomemainproblemsofscientificinstrumentsmanagementandimprovedthesharingrates,usagerates,andmanagementcapabilities.Thesystemiseasytouse,andhasafriendlyinterface.ThesystemisrunningontheLifeScienceLaboratoryCenterofUSTC,andhasachievedhighpraise.

KeyWords:

ScientificInstruments,ManagementSystem,.NET

第一章绪论

1.1系统开发背景及意义

科学仪器是大型、精密、贵重、稀缺的仪器设备（范世福，2009），具有丰富的使用功能，可为多种学科和领域服务。

充分发挥这类仪器设备的投资效益和使用效益，使其最大限度地为教学、科研、生产和社会服务是至关重要的。

改革开放以来，我国一直注重科学技术的发展，国家已经投入巨资用于购买和生产科学仪器。

据统计，目前我国的科学仪器的数量已超过欧盟15国的总量。

然而我国的科学仪器使用率却远低于发达国家的水平。

贵重仪器无法共享的现象在科研界很普遍，很多几十万上百万元的进口科学仪器，使用几次后就被闲置在那里。

提高科学仪器的使用率，提高大型仪器的开放程度势在必行。

综合而言，科学仪器共享管理目前可能存在以下一些主要问题（葛磊，2008）（胡少六等，2008）：

1、实验计划性不强。

由于实验的计划性不强，即使没有人做实验，仪器管理员也要处于待命状态。

这既增加了仪器管理员的负担，也浪费了仪器拥有单位的人力资源。

2、实验费用管理难以实施，部分欠款无法追缴。

仪器使用费的人工管理方式，给实验收费增加了很多人为因素，使得实验收费没有严格的标准，仪器的拥有单位很难实现对实验收费的统一管理。

3、仪器状况难以实时掌握。

仪器的拥有者很难从整体上知道，当前哪些仪器是处于故障状态，哪些仪器处于使用中状态，哪些仪器又处于空闲状态。

4、仪器使用效率较低。

仪器使用效率的提高涉及多方面因素，如仪器种类及数量的配置是否合理，仪器管理相关流程是否繁琐，等等。

同时，提高共享率也是提高仪器使用效率的一个重要途径。

5、仪器管理员的工作量难以统计。

这使得多劳多得的分配方式难以实施，势必会降低仪器管理员的工作热情。

《国家“十一五”科学技术发展规划》（科技部，2006）明确指出，要强化共享机制、建设科技基础设施与条件平台，重点任务之一就是搭建大型科学仪器设备共享平台。

《2006－2020年国家信息化发展战略》（新华网，2006）提出，要建立并完善全国教育与科研基础条件网络平台，提高教育与科学仪器网络化利用水平，推动教育与科研资源的共享。

本文作者实习期间所在单位为中国科学技术大学生命科学实验中心开发了“科学仪器共享管理系统（SharedManagementSystemofScientificInstruments,SMSI系统）”。

未采用SMSI系统前，该实验中心使用简单的计算机辅助工具方式进行仪器管理，实践中也存在着与前文中所述相同的突出问题。

SMSI系统的开发目的在于有效提高科学仪器的使用效率，增强仪器的使用管理能力，推动科学仪器能被更广泛的用户方便地共享使用，同时为仪器购置提供决策支持。

本文以SMSI系统这一具体项目为背景，描述了系统的整体设计及相关重要模块的设计和实现。

1.2国内外研究与应用状况

科学仪器管理及维护的方式目前主要有以下几种：

纯人工管理；使用简单的计算机辅助工具进行管理；利用专业的计算机软件系统进行管理。

当某实验室的科学仪器的数量愈来愈来，其对信息化的要求也将越来越高。

随着计算机应用技术的迅速发展，在欧美一些发达国家，专业的计算机软件系统在企业中的应用已经相当普遍，如MAXIMO软件系统等（侯文瑞等，2004）。

这些系统已经相当成熟，功能比较完善。

目前国内的管理方式多采用在严格的管理制度的基础上，进行人工的管理或者使用简单的计算机辅助管理；或系统是基于局域网，它的最终用户是管理人员，其他人员无法使用相关的数据，开放和共享程度较差。

基于互联网的系统中，不仅能够提高大型科学仪器的使用效率、共享率、对仪器的使用管理能力，对科学仪器的使用实行全程管理，并为仪器购置提供决策支持的系统并不多见。

目前，大多数高校在使用的仪器管理系统是北京化工大学开发的《高校教学科研仪器设备管理系统（单机版或WEB版）》。

这套系统的主要功能包括教学科研仪器设备的账务管理、教育部要求的各种上报数据的生成和管理。

该系统存在着以下的缺点和局限性。

1、系统采用基于局域网的开发模式，封闭性较强，不能很好地融入校园网环境。

2、系统最终用户仅是管理人员，其他人员无法共享使用相关数据。

3、系统在操作和管理维护上都比较困难。

如，缺乏动态管理能力，不支持仪器设备的多方面统计查询功能，等等（田伟威，2006）。

因此，该系统已远不能满足现实需求。

由于服务器连接个数和数据通信量的限制，传统的C/S结构软件（即客户机/服务器模式）比较适于用户数目不多的局域网内使用。

在实现对分布性、共享性要求较高的系统时，C/S结构的弊端被暴露出来。

而B/S结构软件（浏览器/服务器模式）是对C/S结构的一种改进（鲁力群等，2003）。

B/S结构中，软件应用的业务逻辑完全在应用服务器端实现，用户表现完全在Web服务器实现，客户端只需要浏览器即可进行业务处理，是一种全新的软件系统构造技术。

不局限于任何硬件平台和软件环境，应用程序安装在后台服务器中，可以被每一种操作系统上的通用浏览器所浏览，实现跨平台操作，成为网络应用系统的发展趋势。

1.3本人的主要工作

本人在SMSI系统中主要负责几个功能模块的需求分析、设计、实现和测试工作，以及系统中所用到的技术调研。

具体工作如下：

1、研究各科学仪器及其实验的特点，分析各科学仪器的使用流程以及管理流程，研究当前存在的问题，熟悉业务的需求。

通过画面原型方法，逐步确定用户的需求。

2、SMSI系统实现过程中用到的技术调研。

如：

ASP.NET相关技术、WebService技术、事务处理与异常捕捉、ASP.NET内嵌JavaScript脚本、AJAX技术以及富文本编辑技术。

3、对SMSI系统的WebService、页面导航、仪器管理以及网上预约管理等重要模块的需求分析、设计与实现。

4、整合各功能模块以及测试工作。

测试包括单元测试以及集成测试。

5、SMSI系统维护工作。

主要包括查询统计以及邮件功能管理等模块的需求分析、设计与实现。

1.4论文的组织结构

本文共六章，具体章节内容概括如下：

第一章描述了SMSI系统开发背景及意义，国内外研究与应用状况。

第二章介绍了SMSI系统中所使用的具体技术。

包括ASP.NET相关技术、WebService技术、事务处理与异常捕捉、ASP.NET内嵌JavaScript脚本、AJAX技术以及富文本编辑技术。

第三章概述了SMSI系统的整体情况。

包括需求描述、系统的全局设计以及系统的模块构成。

在描述系统的全局设计部分时，主要讲述了系统的网络拓扑结构、.NET三层框架设计以及安全性方面的考虑。

第四章详细描述SMSI系统部分重要模块的需求分析。

包括以下模块：

页面导航功能、仪器管理、网上预约管理、查询统计、邮件功能管理等重要模块的需求分析、设计与实现。

其中，仪器管理模块，主要描述了仪器分类管理、仪器分类属性管理、仪器的综合信息管理子模块；网上预约管理模块，主要描述了“我要预约仪器”、预约信息管理子模块；查询统计模块，主要描述了仪器在线状态、使用时间统计子模块；邮件功能管理模块主要描述了系统邮件功能设置、“我的邮件功能设置”、事件触发的邮件、系统触发的邮件子模块。

第五章详细描述SMSI系统部分重要模块的设计与实现。

包括的模块及其子模块与第四章对应。

第六章总结全文，提出论文研究中可进一步改进的地方，并对SMSI系统的发展进行了展望。

第二章相关技术介绍

本章介绍SMSI系统中所使用的具体技术。

包括ASP.NET相关技术、WebService技术、事务处理与异常捕捉、ASP.NET内嵌JavaScript脚本、AJAX技术以及富文本编辑技术。

2.1ASP.NET

.NET是微软近年来推出的新一代的Windows程序开发平台。

NET开发平台为创建稳定、可靠、安全的Windows桌面应用程序提供了更多的支持，同时也简化了在高度分布式Internet环境中的应用系统开发，使得能够更容易地创建Web应用程序。

.NET平台主要包括.NETFramwork和VS.netIDE开发工具两大部分。

SMSI系统以VisualStudio2008作为开发工具，使用.NETFramework3.5版本。

.NETFramework包含公共语言运行库（CLR）和.NETFramework类库（LuQiuqinetal.2007）。

CLR提供了各种核心服务，如内存管理、线程管理和代码安全（刘翼等，2009）。

.NETFramework类库是一个开发人员用于创建应用程序的综合的、面向对象的类型集合。

ASP.NET是Microsoft.NETFramework的一部分，是一种可以在高度分布的Internet环境中简化应用程序开发的计算环境，是统一的Web应用程序平台，它提供了为建立和部署企业级Web应用程序所必需的服务。

ASP.NET为面向任何浏览器或设备的更安全的、更强可升级性、更稳定的应用程序提供了新的编程模型和基础结构。

以下为ASP.NET程序开发的几个重要特点。

1、多语言性

.NetFramework支持C++、C#、VisualBasic、JScript（JavaScript的微软版本）以及COBOL语言。

为此可以选用其中的任何一种语言进行开发。

SMSI系统的开发使用的语言为C#。

2、服务器控件

ASP.NET有丰富的服务器控件，方便了用户程序的设计。

灵活地使用这些控件，能够实现较为复杂的功能，如：

图形报表以及表单嵌套显示功能等。

●使用图形报表显示功能可以丰富视觉效果、增强用户体验。

一般可以用来显示的图形有饼图、区域图、点图、圈图等。

在SMSI系统的查询统计模块中，考虑利用控件

Chart/>实现相应的功能。

5.4.2小节有相应实现的描述。

●页面表格中通常需要显示的数据为二维列表数据。

当需要在表格的每一行的某一列中都要显示二维列表数据时，使用Web服务器控件嵌套技术将简化这一过程的实现。

在SMSI系统的基本信息管理子模块中，考虑利用控件

GridView/>嵌套动态绑定技术实现该功能。

3、页面与代码分离技术

编码（code-behind）模型，该模型中的代码完全被转移到了一个单独的文件中。

code-behind技术的运用，更加方便了Web应用程序的设计。

4、数据库的操作技术

在数据库的操作技术上，ASP.NET使用ADO.NET实现ASP.NET与数据库的接口，它通过OLEDB或ODBC来连接数据库。

它是一个用来存储数据和信息的API，但它与ADO的类和访问数据的规则方法则完全不同，它仅使用了ADO中的OLEDB驱动程序。

ADO.NET的核心主要是DataSet，DataSet代表一套包含关系表、约束、表问关联的完全数据集合。

ADO.NET提供了平台互用性和可伸缩的数据访问。

SMSI系统采用的数据库开发工具是SqlServer2005。

5、配置

ASP.NET的配置由两个要素决定。

第一个是标准IIS（InternetSverer）设置，这和现在的ASP应用程序是一样的。

第二个是配置文件，这个XML文件包含了应用程序的元数据。

另外还有一个通用文件Machine.Config，它包含了所有Asp.NET应用程序的默认值，同时每个ASP.NET应用程序还可以有目己的Web.Config文件，用来重写这些默认值。

包含配置文件有一个优点，就是无需通过注册表来修改设置，因为每个应用程序都是自包含的。

6、部署

在ASP.NET中还有一个得到重大简化的领域——产品部署．它通常被我们称为xcopydevelopment技术。

每个Asp.NET应用程序都是自包含的，其中包括了配置文件和组件。

在Netframework中，无需再注册组件，只需将它们复制到目标位置即可。

2.2WebService技术

WebService提供一个与操作系统无关、与程序设计语言无关、与机器类型无关、与运行环境无关的平台，实现网络上应用的共享（TaylorKetal.2006）。

WebService的体系结构与Web应用的三层结构类似，区别在于顶层的面向浏览器的WebServer被面向程序（又称WebServiceClient）的Web服务所取代（GrahamHughesetal.2008）。

WebService是用标准的、规范的XML（ErnestoDamianietal.2002）概念描述一些操作的接口（利用标准化的XML消息传递机制可以通过网络访问这些操作）。

接口隐藏了实现服务的细节（QiYuetal.2008），允许独立于实现服务所基于的硬件或软件平台和编写服务所用的编程语言使用服务。

WebService履行一项特定的任务或一组任务（Jamsaetal.2003）。

WebService可以单独或同其它WebService一起用于实现复杂的聚集或商业交易。

SMSI系统开放WebService接口是为了被读卡器调用，读卡器向WebService主要传递两种信息：

用户刷卡信息和读卡器所关联的仪器的心跳信号。

.NET对WebService有强有力的支持，只需要新建一个Web服务（扩展名为asmx）的文件，并为该文件的类添加WebService、WebServiceBinding特性，以及为类的方法添加WebMethod特性，即可实现WebService接口的方法。

2.3事务处理与异常捕捉

事务是单个逻辑工作单元执行的一系列操作，而这些逻辑工作单元需要具有原子性，一致性，隔离性和持久性四个属性，统称为ACID特性（PhilipM.Lewisetal.2005）。

程序必须能够统一处理在执行期间发生的错误。

公共语言运行时提供了一个模型，以统一的方式通知程序发生的错误，这样为设计容错软件提供了极大的帮助。

所有的.NETFramework操作都通过引发异常来指示出现错误。

使用SQL-Transaction类和.NET提供的异常处理机制，我们就能够以一种可靠的方式处理数据库运行中的问题和发现系统异常。

事务处理是由以一个单一的逻辑单位完成的一系列操作，它可以由一系列的SQL语句、SELECT、INSERT、UPDATE、DELETE组成。

要定义一个事务，需要使用Begintran命令，在这一命令之后的任何语句都将被认为是事务的一部分。

命令Commit用来完成事务，并使事务对数据库所作的修改成为永久的。

Rollback命令用来取消一个事务，并还原事务对数据库所作的修改。

在SMSI系统实现事务操作的时候，考虑使用.NET提供的异常捕捉机制（Try-Catch-Finally）。

具体使用方式如下：

在Try语块中，执行事务；在Catch语块中，取消事务；在Finally语块中，关闭数据库连接。

2.4ASP.NET内嵌JavaScript脚本

JavaScript是一种新的描述语言，此一语言可以被嵌入HTML的文件之中。

通过JavaScript可以做到回应使用者的需求事件（如Form的输入）而不用任何的网络来回传输资料（DavidFlanagan.2003），所以当一位使用者输入一项资料时，它不用经过传给服务端处理，再传回来的过程，而直接可以被客户端的应用程式所处理。

你也可以想像成有一个可执行程式在你的客端上执行一样。

JavaScript和Java很类似，但到底并不一样。

Java是一种比JavaScript更复杂许多的程式语言，而JavaScript则是相当容易了解的语言。

JavaScript创作者可以不那么注重程式技巧，所以许多Java的特性在JavaScript中并不支援。

SMSI系统实现的过程中，考虑充分利用客户端事件，调用JavaScript函数进行表单操作，避免与服务器交互，以达到提高客户端响应速度，