人机互动智能化实验设备报修系统设计与实现

2021-03-24叶志婵李玉峰李楠

中国教育技术装备 2021年12期

◆叶志婵李玉峰李楠

0 引言

“互联网+教育”开启了高校实验室建设新的发展征程，高校实验室信息化管理水平得到大幅度提升[1-3]。伴随课程实验教学改革的深入，高校实验室仪器设备数量和复杂性与日俱增，同时衍生出一些新的问题，如管理手段落后、管理效率低下，特别是实验室设备在其全生命周期内缺乏便捷、安全、高效的信息化管理等[4-8]。各大高校现行的仪器报修系统有很多，但绝大部分服务于过保期设备的硬件报修，面向实验室具体维护运作的报修系统很少。如实验室的软件维护、系统维护、硬件无损故障、保修期内设备的厂家维修等记录，实验室巡视等按照规定均需登记在案，这部分工作实际挤占了设备维护工作的大量时间。为此，使用新的信息化科技手段和实现方法，设计出科学合理、具备实操性的仪器设备管理与维修系统，成为当前实验室管理的当务之急[9]。

中国互联网络信息中心（CNNIC）发布于2020年4月的第45次《中国互联网络发展状况统计报告》显示：截至2020年3月，我国网民规模为9.04亿，手机网民规模为8.97亿，手机即时通信用户规模达8.90亿，占手机网民的99.2%[10]。《2019微信数据报告》显示：微信的月活跃用户高达11.51亿，小程序的日活跃用户达3亿[11]。由此，基于小程序开发满足高校实验室管理需求的人机互动式智能管理系统，不仅有较高的实用价值，也可与校级仪器管理系统优势互补。

1 系统开发的背景与必要性

以华南农业大学为例，基础实验中心是校级实验教学平台，承担全校公共基础类50门课程的实验教学任务，年均授课超过100万人次[12]；计算机教学部实验用房32间，负责近2 000台计算机管理与维护，每年承接600个班、近两万名学生、50万人时数的计算机教学和开放任务[12]。教学管理实践中主要存在如下问题。

1）计算机报修流程仍停留在纸质登记阶段，导致维修反馈滞后、不及时。

2）实验课程年均25门以上，软件需求复杂、兼容性要求高，计算机长期处于高频率运转状态，导致设备故障率居高不下。

3）现有计算机采购更新缓慢，导致过保修期设备占全部设备数量的40%；且80%的故障发生在课堂教学中，对故障处理的即时性要求高。

4）存在管理工作职能复杂与实验室管理人员不足的现实矛盾。中心管理工作包括计算机教学与准备、实验室管理和开放、实验室建设、仪器管理与维护等，但人员配备不足，导致故障报修后维修效率低、滞后，影响教学效果。

信息化经济时代，IT信息技术、AI人工智能已成为信息经济跨越式发展的实现手段和科技基石。具体到高校实验室，信息技术已渗透至管理方式、服务方式、教学方式中，显著促进了人才培养水平、教学质量与管理效率的提高[13-15]，信息化手段成为实现科学、高效管理的有效方式。

小程序作为应用程序，有着人机互动、易获取、受众多、应用广泛和交互便捷的特点，用户扫一扫即可打开应用，实现应用触手可及的梦想体验。小程序的设计优势包括：无须下载安装，体量轻（最大占2 M内存），运行速度快；云开发提供云函数、云数据库、云存储、云调用四大基础能力支持，无须自建服务器即可使用云端能力[16]；小程序自有丰富的云函数可以实现各种功能需求，开发者也可以撰写功能云函数实现业务需求。因此，基于小程序+云开发，华南农业大学基础实验与实践训练中心开发符合当前需求的人机互动智能化实验设备报修系统（以下简称“系统”），符合“互联网+”应用程序的科技发展趋势。

2 系统设计

2.1 系统总体框架

系统开发使用微信开发者工具，即前端运用微信“wxml+wxss+js+json”小程序基本架构，后端应用云开发。系统用户通过智能终端打开微信小程序，网络基站、AP接收到请求后，发送相关命令，经由网关、路由到达云开发平台，平台解析收到的指令，进而通过云调用、云函数在云数据库或云存储中实施相关操作后，把结果发送给用户。主要过程如图1、图2所示。

图1 实验设备报修系统通信结构图

图2 实验设备报修系统云数据流

2.2 系统功能设计

系统功能设置为两大模块：报修模块、业务模块（分为报修人业务模块和管理员业务模块）。简要操作流程：报修申请人在报修模块发起报修申请之后，点击业务模块查询报修状态；实验室管理员接到报修业务短信，登录小程序，在线接单，诊断设备故障，实施维修处理，填写维修单，后台上传表单到云数据库；数据库实时更新表单的维修进度，并根据表单的维修状态实时更新“实时监听”模块的数据，报修人在移动终端通过设备报修小程序可查询已更新的维修状况；管理员在“数据”模块导出实验室维修记录本的同时，系统会自动进行故障数据分析，在“实时监听”模块可查阅实时报单状况和实验室设备实时状态。针对实验室的实际工作，系统专门设计“实验室一键巡查”功能，实验室管理员可随时对实验室设备进行故障排查，形成线上线下设备管理闭环。详细的功能设计及业务步骤如下。

1）系统具体功能设计。系统根据用户角色设计不同的功能模块。系统的角色分为报修人和实验室管理员，其中，报修人包括学生、教师、实验室管理员等。报修模块设计有两个模块功能：在线报修、业务查询（报修单维修状况查询）。实验室管理员业务模块设计有五个模块功能：在线接单、在修清单查询、已修清单查询、数据、实时监听。系统功能设计如图3所示。

图3 实验设备报修系统设计图

2）系统业务流程。

①报修流程。报修人登录报修小程序，在线填写、提交报修单，提交成功后，云平台数据库生成“报修记录”，同时推送“报修通知”至实验室管理员手机及业务模块，并反馈报修状态至报修人的业务模块，报修人即可在业务模块查询维修进度。

②维修流程。实验室管理员接到报修短信，登录小程序，查看在线接单模块，点击接单后，进行故障设备检测，根据不同的故障原因进行相应的维修处理，在线填写维修单并提交至云数据库，数据库生成维修进度流。程序根据维修状态布尔变量“finish”判断维修是否结束，是则修改维修记录状态为“true”，维修结束；否则订单进入在修单队列，等待下一次维修，重复维修处理、提交维修单流程。系统业务流程如图4所示。

图4 实验设备报修系统流程图

③故障数据分析流程。“数据”页面输入需要分析的实验室、时间范围，系统自动对该实验室给定时间范围内的维修结束数据流汇总分析。系统以硬件维修实际台数占比作为评定实验室设备运行状态的依据，对实验室设备运行状态评级；同时，对故障类型进行归类、统计、分析，最终形成故障分析报告。

④实时监听流程。系统分析云数据库报修记录集合，自动关联报修记录的维修状态至模块的“实时报单”“设备状态”，动态显示新到单、在修单的数据，并实时更新设备的状态图例。“实验室一键巡查”功能应用于线下实验室巡查，实现设备的迅速巡视、生成巡视记录，巡视结果异常则自动报修。

3 系统功能实现

3.1 用户权限

基于用户角色不同，系统予以分配的角色系统权限不同。一般小程序的用户权限是根据用户登录时自我选择的角色给予判定，容易衍生系统的安全隐患。系统基于云函数免鉴权使用小程序开放接口的能力，由系统直接获取小程序用户唯一身份标识符_openid作为系统的用户ID，从而避免角色僭越的不安全因素。用户登录小程序时，系统即时获取用户的_openid作为传递参数搜索云数据库实验室管理员集合，查找成功则判定为管理员角色，否则判定为报修人角色。若报修人为实验室管理员时，即视为查找成功，系统匹配为管理员角色。实验室管理员角色由超级管理员添加其_openid身份标识至后台云数据库管理员数据集合，指定其管理权限，从而实现系统安全可控可防的设计目的。

3.2 报修端

3.2.1 在线报修模块在线报修单设计为七个字段，即实验室名称、设备名称、设备码、故障现象描述、故障图片、报修人姓名和报修人电子签名（选填）。其中，实验室名称使用三级联动pick选择组件，联动数据通过调用云函数在云数据库实验室集合中搜索获取，获取到的JSON数据记录经过处理后渲染到前端WXML页面的pick组件中；故障现象描述辅以图片说明，以帮助管理员提高故障诊断的准确率和诊断效率；故障图片使用API函数wx.chooseImage()获取，由API函数wx.cloud.uploadFile()上传至云存储；在实际管理中，设备已有出厂码、固定资产编号、实验室管理员自设编号等编码，对此，系统设备码设计为既可键盘输入也可扫码输入的方式。考虑到报修人员对设备了解情况及填写习惯，设备码、故障图片、电子签名设为可选填写字段，其他为必填字段。操作流程：报修人在线填写、提交报修单后，云数据库报修记录集合自动生成报修记录，同时，管理员集合自动更新权限实验室管理员的报修提醒消息条目（+1），并调用腾讯短信平台API接口qcloudsms_js发送通知至管理员，如图5、图6所示。

图5 报修界面

图6 通知短信

3.2.2 报修业务查询模块模块功能包括报修单进度查询（维修结束标志字段finish为false）、已修清单查询（本用户）。操作流程：以报修人的_openid为索引，以字段finish的值（false,true）为筛选条件，通过云调用云函数检索报修记录数据集合，以userread字段（bool类型，阅览反馈提醒标识字段）、submitday字段（报修时间）为升序对记录排序，返回检索结果，并渲染至报修业务模块。用户即可读取报修单的维修进度和已完成单据的维修状况。

3.3 管理端

3.3.1 在线接单模块按照“谁管理谁维修”的原则，实验室管理员只接收自身拥有管理权限实验室的报修订单。系统每隔五分钟自动读取一次云数据库管理员数据集合的“news”消息提醒字段，检查“news”数值有无变动，如有，则同步刷新在线接单列表与业务提醒条目。通过点击报修申请单左侧下箭头，实验室管理员可查看报修详情，系统同时自动推送管理员已接单的消息至报修用户，并设置管理员已读字段“managerread”值为“true”及维修进度字段“progress”为“已接单”，如图7所示。

图7 接单界面

3.3.2 维修处理及反馈模块实验室管理员可在“在线接单列表”或“在修清单列表”长按“需要维修的记录”进入维修处理模块，维修处理模块即自动显示本条维修记录的实验室名称、设备名称、设备码，根据维修情况填写维修单，如图8所示。维修结果提交后，系统自动返回并刷新在修清单列表。模块的“故障类别”字段使用pick组件，字段值由云函数读取云数据库故障类别集合获取。订单的维修状态则由系统根据维修单的“处理状态”字段的字段值来判定。

图8 维修处理界面

3.3.3 维修状况查询模块模块分为在修清单查询、已修清单查询两类，在“维修中”页面显示在修清单列表，“维修结束”页面显示已修清单列表，二者均可查询到订单的全部维修状况。查询结果的显示方式有两种：实验室单列、权限实验室全列。管理员可根据业务需求选择相应的显示方式。

3.3.4 数据模块模块设计包含两个功能：维修数据导出、故障分析报告。模块设计为三个查询字段：实验室名称、日期、指定学期。字段日期与指定学期互斥。点击“导出维修登记本”按钮一键生成Excel维修记录本，实现维修记录无纸化登记，系统同时自动显示数据故障分析报告内容。

故障分析报告包括三方面内容：设备运行状态、故障类型占比、故障数据报告。其中，设备运行状态即根据实验室设备情况设置报修台数阈值，以阈值的数值范围界定运行状态的等级，分别为优秀、良好、合格、不合格；故障类型占比即故障类型设为软件故障、硬件损坏（在保期）、硬件损坏（过保期）、鼠标/键盘、其他等五个字段值，根据故障类型数据画出饼图，实时汇总得出设备的故障情况；故障数据报告可获取指定日期内的报修情况、维修情况，报修最频繁的设备名称，实验室设备故障率，实验室的系统维护情况等，如图9所示。故障分析报告可为以后的设备采购提供数据量化决策支持。

图9 故障分析报告

3.3.5 实时监听模块模块包括三个功能：实时报单、实时状态、实验室巡查。其中，实时报单即以直方图的形式显示权限实验室的实时报修、在修情况；实时状态即通过报修数据与设备的动态关系，实时显示设备的运行状况，橙色表示新报修，红色表示维修中，蓝色表示设备正常；实验室巡查即管理员实现定时巡查实验室，排查设备的运行情况，确保实验教学顺利开展。实验室巡查功能包括一键巡查、异常情况登记功能，“一键正常”按钮向系统提交巡查事件结果为“正常”；发现设备异常，则使用“异常登记”功能，添加登记异常设备名称、异常情况，提交记录至云数据库的巡查数据集合，系统同时自动提交“报修记录”至云数据库，如图10所示。

图10 实时监听

4 结束语

目前，华南农业大学基础实验与实践训练中心实验设备报修系统已经上线试运行，面向全校师生开放。系统运行正常，广大师生反馈使用效果好，性能较完备。实验室管理员使用设备报修小程序开展实验设备维修工作，简便、快捷、高效，缩短了故障设备的维修时间，实现维修记录登记的无纸化，有效提高了实验室设备的无故障运转率和实验室管理员的工作效率，进而提升了实验室的综合管理效率。概括而言，系统具备以下五方面的应用优势。