岩石力学实验室信息管理系统的研发与应用

朱万成， 徐晓冬， 侯 晨，b， 邓君平， 高 楠， 刘 明

（东北大学a.资源与土木工程学院岩石破裂与失稳研究所；b.资源与土木工程学院实验教学中心，沈阳 110819）

0 引 言

实验室信息管理系统（Laboratory Information Management System，LIMS）是以数据库为核心的信息化技术与实验室管理需求相结合的信息化管理工具。高校专业实验室具有人才培养和科学研究的双重功能，是科研人员和研究生从事科研活动、进行科研实验的主要场所，是人才培养过程中理论知识实践验证以及学生实践动手能力培养的重要平台［1-2］，也是科研人员从事科学研究和技术创新的实践基地［3］。目前，部分高校实验室在日常运行管理中，对于人员、设备、耗材、财务等信息的管理工作依旧停留在传统的人工数据表格模式，信息数字化程度差，数据孤岛问题显著，不利于实验室的管理效率提升。如在个人成果等信息管理方面，学校各部门都在进行教工个人信息及成果的收集，但未能实现信息的共享，教职员工经常需要花费大量时间整理个人成果等资料，以应对各管理部门收集资料的需求。在实验设备管理方面，实验记录依旧是电脑文件独立存储，数据备份依赖硬盘拷贝，使得数据共享困难，不便于实验数据的查询、筛选、统计及整理；同样由于粗放式的管理，学生不能实时了解设备是可用状态，无疑会降低设备的利用率。在材料采购及装置加工方面，目前材料采购及设备加工管理松散，重复采购、重复加工以及购买后使用情况不明等问题显著，这必然会带来经费浪费的问题。

随着“双一流”学科建设的深入推进，实验室建设规模的不断扩大，人工管理模式的弊端也逐渐显露出来［4］。因此，充分发挥专业实验室的技术支撑作用，建设一流的专业实验室是推进“双一流”建设的客观要求［5］。近年来，随着专业实验室硬件设备的不断更新，研究生队伍的持续扩大，实验室信息管理问题越来越复杂化，国家科技部等政府主管部门也对数据留存和数据汇交提出了规范的要求。为了实验数据的合理规范化留存，仅仅利用Word、Excel等办公软件已不能满足实验室高效运行管理需求。随着“双一流”学科建设的推进实施，各专业实验室得到大量的资源投入，实验条件日趋完善，但一流的实验室不仅需要一流的硬件设施，还需要一流的科学实验室信息管理。尤其是实验室大型设备逐步增加，相应实验耗材和配件也越来越多，传统的办公软件面对越来越复杂的实验室管理已经难以为继。另外，由于高校缺乏专业的实验室管理系统，实验室管理人员水平的高低直接影响管理水平，导致同一学校的不同实验室信息管理参差不齐。因此，开发高校专业实验室信息管理系统势在必行［6-8］。

当前市场上广泛使用的高校LIMS 主要是针对高校实验室通用问题而开发，但由于专业实验室门类多、差异性大，而且发展更新快［9-11］，通用的LIMS 无法满足专业实验室高水平建设的要求。因此，亟须建立一套属于自己的基于信息化的、能满足本专业特性的实验室管理系统。

本文从采矿工程系岩石力学实验室信息管理的难点问题出发，针对人员、设备、材料、委托加工、经费报销等信息管理需求，开发了面向岩石力学类等专业实验室的信息管理系统，为实验室各项资源和办公流程的规范、高效化管理提供了决策支持，该系统对其他各类专业LIMS开发可提供参考。

1 LIMS架构与功能设计

实验室管理人员、教师以及研究生和本科生是岩石力学专业LIMS 的使用者。综合考虑实验室在人员、科研项目、科研成果、设备、材料、测试加工委托、发票等信息管理方面的需求，岩石破裂与失稳研究所自主研发了模块化的岩石力学LIMS，并在此基础上，结合数据分析，挖掘实验室信息管理中存在的规律，为实验室相关数据的收集、归档和使用，以及管理层决策提供可靠的技术支撑。

1.1 系统设计原则

专业LIMS设计应考虑的原则：系统的经济适用性、易用性，系统的安全可靠性、可扩展性、可维护性，设计理念的先进性以及交互界面的美观性。系统的经济适用性体现系统在满足实验室管理不同业务要求的同时，应考虑系统设计、用户使用和未来系统扩展的成本，而易用性则体现在系统要便于用户使用、简单易操作。系统的安全可靠性主要体现在系统、用户及程序、网络服务、数据传输以及服务器性能等安全。系统可扩展性、可维护性主要体现在接口设计和程序实现上的规范性。设计理念的先进性即选用先进、成熟的研发技术及硬件设备，便于实现数据的云端化管理。交互界面的美观性体现在界面的设计要有整体的规划、充实的内容、合理的布局以及和谐的色彩搭配，给用户一种简洁、清晰、愉悦的感觉，有利于提高工作效率。

1.2 系统架构设计

（1）系统架构选择。系统架构设计是整个岩石力学实验室管理信息系统能够充分发挥作用的关键。在充分分析实验室的日常业务需求后，规划系统主要功能模块，建立相关业务模型，制定数据存储及传输方式，最终提出一种B／S 为主、C／S 为辅的架构模式，其中B／S架构主要借助于云资源，实现实验室各种信息的云端化管理，C／S架构主要用于与实验设备对接，实现实验数据的后台实时、自动化云端保存，提高数据的储存效率。该系统分为微机网页版和手机APP版，两者可以协同工作。如图1 所示，系统架构按照数据层、逻辑层、表现层3 个层次进行搭建［12-13］。

图1 实验室管理系统B／S架构

（2）软硬件环境。本系统采用阿里云和高性能私有云服务器作为运行服务器，阿里云的RDS数据库作为数据存储服务器，连接Synology 备份系统和岩石力学试验机进行实验原始数据的实时备份。系统开发基于Java 语言、JavaScript（简称“JS”）语言，前端采用HTML ＋jQuery ＋CSS ＋Layui 技术，后端采用Spring Boot ＋Mybatis-Plus ＋MySQL技术，基于Ajax 技术实现前后端交互，通过HTTP协议实现数据传输。

1.3 系统模块与功能

（1）人员信息管理模块。采矿工程专业岩石破裂与失稳研究所现有师生上百人参与岩石力学实验室的科研工作，针对教师项目、成果、科研经费、指导学生等信息研发了人员信息管理模块，具体分为学生信息、教师信息、个人成果信息、指导学生信息四部分。其中学生信息管理主要是维护学生基本信息、研究方向和研学成果等信息，实现了系统主页面学生名单信息的维护。教师信息管理主要是维护教师基本信息，可实现系统主页面师资介绍信息的维护。个人成果信息管理主要是维护教师及学生在论文、专利、获奖、荣誉、科研项目等方面的成果信息，实现了成果的录入、编辑、认领、导出等功能，可实现一键导出信息填表。指导学生信息管理主要是协助导师、副导师管理其指导的研究生，给学生指派学习任务，掌握学生的动态和研学情况。

（2）设备管理模块。实验室拥有摆锤加载中应变率SHPB试验装置、真三轴水力压裂试验机、岩石流变-冲击试验机等试验设备。如图2 所示，设备信息管理模块主要包括设备基本信息录入和维护、设备预约及审批、实验登记、设备归还、实验数据备份等内容。该模块不仅实现实验室设备及使用基本信息维护，而且按照科技部对于数据汇交的要求实现了实验原始数据备份、记录保存。

图2 设备管理模块流程

（3）材料管理模块。实验室用到的专业材料种类繁多，型号多样：绿砂岩、长宁页岩、黑云母花岗岩、页岩在内的标准岩样，还有焊接应变片、有尼龙扎带、焊接应变花、环氧树脂、704 硅橡胶等基础材料。材料管理模块实现对实验室材料相关信息的管理，具体分为包含材料采购申请、采购审批、到货验收、材料入库等功能的材料采购模块和包含材料信息录入和维护、领用申请、领用审批、材料归还申请、归还验收审批等功能的材料领用模块。该模块实现了实验室材料采购申请、副导师审批、实验师验收入库、材料基本信息维护、材料领用、材料归还的全流程闭环管控。具体流程如图3 所示。

图3 材料管理模块流程

（4）实验装置加工管理模块。实验装置加工产生的费用也是实验室支出的重要部分，实验装置加工管理模块实现对测试加工相关信息的管理，主要包含试件、配件加工申请和加工审批功能。该模块实现了试件、配件基本参数信息、加工图纸、加工委托合同、加工预算等基础信息的维护和管理，同时也实现了加工申请、审批、验收入库的全流程管控（见图4）。

图4 测试加工管理模块流程

（5）报销凭证管理模块。经费管理是实验室管理中最为重要一环，为实现经费监管，研发了报销凭证管理模块，实现了报销凭证的留存和分类管理，为进行财务报销监管和统计各工程项目的支出核算提供数据依据。报销凭证管理模块包含发票拍照录入、发票审核、打印报销凭证和报销列表检索功能，实现了报销基本信息维护、发票的上传备份、报销明细与材料采购明细、测试加工明细的关联对应、发票及报销信息的审核、报销凭证打印的全流程管控（见图5）。

图5 报销凭证管理模块流程

2 系统应用效果展示

2.1 设备预约使用

本系统为用户提供设备预约及设备使用情况可视化展示等功能，为设备的有序使用提供技术支撑。图6 为岩石力学专业实验室的设备预约和使用情况。图6（a）是实验室内主要设备月度使用天数排行，可以看出，岩石流变-冲击试验机的使用频率达到70%，而超临界二氧化碳致裂与渗透率测试一体化试验机使用频率较低，这是因为前者不仅使用次数多，而且测试岩石流变每次时间还很长，造成该实验机使用频率很高，而后者是由于某一关键模块测试指标没有达到要求，厂家升级该模块需要等待。同样，也可以查阅某一设备的预约情况［见图6（b）］，红色为当月预约未使用设备，黄色为预约并使用该设备，绿色为下月预约情况，也可以通过报表实现信息化管理。综上所述，通过设备管理模块，可以很方便地查阅设备情况使用情况，并及时了解设备状况，提高实验室设备的信息化管理水平。

图6 设备预约使用情况

2.2 材料采购审批与报销

材料的采购与报销是实验室日常运作的重要组成部分，对其进行数字化管理是提升实验室管理水平的重要保障。需要指出的是，在本系统中，材料采购审批与报销是两个流程。首先购买材料需要材料采购申请、提交验收以及入库的采购审批，上述流程完成后，方可进入后续的报销流程。

图7 为实验室近期材料采购的审批情况，由图7可见，材料的购置时间、购买人、材料名称、数量等基本信息；同样可以看出，材料采购状态及其对应的审批负责人，为材料采购的规范化管理提供便利。

图7 材料采购审批情况表

采购审批流程完成后，方可进入报销流程。报销人在材料报销类别中选择待报销的材料明细，系统将自动跳转报销该材料需要填写的数据信息，包括预约号、经费来源项目编号、项目名称和报销金额等信息，并要求报销人上传发票文件进行审核备份。实验室财务人员审批通过后，最终会生成包含各环节负责人审批情况的报销凭证，报销人员持此凭证找经费负责人签字审批，至此，报销流程结束。通过材料采购与报销功能，打通了实验室各类材料从采购审批、购置、审核到报账的全流程信息化管理，极大的规范并提高了实验室材料采购与领用的管理水平。

2.3 财务信息查询

在发票管理模块中，可实现财务查询，仅需要输入某一项目编号，便查阅到的与之相关的所有报销明细，包括报销时间、报销人，报销金额，项目编号，以及相应的费用明细及说明。点击查看详情还可以查看该项目与学校财务系统挂钩的预约号、发票信息、审核流程等内容。项目负责人对项目经费的各个环节均有据可查，对于提高实验室的经费管理水平有很大的帮助。

3 结 语

本文从岩石力学类专业实验室信息管理难点问题出发，分析了实验室信息管理的功能需求，规划出系统的功能模块，并利用B／S为主、C／S为辅的信息管理系统（LIMS）架构，开发了专业LIMS。实现了人员、设备、材料到经费管理全流程的网络化管理，实现了实验室的信息共享，规范了实验室的管理制度和业务流程，极大提高了对实验室各项工作的管理能力和效率，也可为其他专业实验室管理的正规化和信息化建设提供了重要参考。