（化学工程专业论文）基于j2ee的实验室信息管理系统的设计与实现.pdf

摘要 实验室信息管理系统( l a b o r a t o r yi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m ，缩写为 l i m s ) 是计算机技术、管理科学与分析化学学科相互渗透、交叉结合而发展起来 的新兴科学技术；是利用计算机网络技术、数据存储技术、快速数据处理技术来 对实验室进行全方位管理的计算机软、硬件系统。 本文研究、分析和使用了c l i e n t s e r v e r 和b r o w s c r s e r w r 混合网络结构体系、 j 2 e e 平台技术等先进技术，以华东制药厂为背景，设计并实现了一个生物制药企 业可用的实验室信息管理系统。系统采用c l i e n t s e r v e r 和b r o w s e r s e r v e r 混合架构。 b s 体系侧的系统模块主要分为摇瓶实验设计模块( 包括实验方案制定变更、 实验方案查询、实验数据的录入、实验结果查询、实验结果分析、实验方案比较) 、 日常事务管理模块( 包括配方表制定、大型仪器管理、物料管理、人员信息管理、 分析方法文档管理、密码管理、帮助) ，另外c s 体系侧是整个系统初始化以及系 统维护。系统的设计和实现都是按模块分别叙述的，系统模块具有“高内聚，低 耦合”的特点。 本系统具有易维护性、兼容性、高效性、安全性和友善性等特点，该系统的 建成大大提高了此实验室的管理水平和工作效率，减少了实验室开支，提高了产 品质量，为领导决策提供了可靠的数据，增强了企业的竞争力。由于采用了w e b s e r v i c e 的设计思想，本系统可以无缝地与其他企业信息系统进行集成。 关键词：l i m s ，j 2 e e ，客户机服务器结构，浏览器服务器结构 i v a b s t r a c t l a b o r a t o r yi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m ( l i m s ) i so n ek i n do fn e w l yr i s i n g t e c h n o l o g yw i t ht h ed e v e l o p m e n to fm u t u a li n f i l t r a t i o na n dc r o s s l i n ko fc o m p u t e r t e c h n o l o g y , m a n a g e m e n ts c i e n c ea n da n a l y t i c a lc h e m i s t r y ；a n di st h es y s t e mi n v o l v i n g c o m p u t e rs o f t w a r ea n dh a r d w a r e , w h i c hr o u n d l ym a n a g e st h el a bw i t hn e t w o r k t e c h n o l o g y , d a t am e m o r ya n dr a p i dd a t ap r o c e s s i n gt e c h n o l o g y t h ea u t h o rr e s e a r c h , a n a l y s i sa n dm a k eu s eo fi n t e g r a t i v ea r c h i t e c t u r es y s t e mo f c l i e n t s e r v e ra n db r o w s e r s e r v e ra r c h i t e c t u r es y s t e m , j 2 e ep l a t f o r mt e c h n o l o g ya n d s oo nt od e s i g na n di m p l e m e n tau i n i f o r mu m sf o rb i o p h a r m a c yi n d u s t r yb a s e do l l h u a d o n gp h a r m a c y t h es y s t e ma d o p t si n t e g r a t i v e a r c h i t e c t u r es y s t e mo f c l i e n t s e r v e ra n db r o w s e r s e r v e ra r c h i t e c t u r e t h es y s t e mm o d u l eo fb r o w s e r s e r v e ri sc o m p r i s e do ft h ed e s i g no f b o t t l e - s h a k i n ge x p e r i m e n t ，i n c l u d i n gm o d i f i c a t i o no fe x p e r i m e n ta c h e m e ，e x p e r i m e n t a l q u e r y , e x p e r i m e n t a ld a t ai n p u t ，e x p e r i m e n t a l r e s u l t sq u e r y , e x p e r i m e n ta lr e s u l t s a n a l y s i s a n ds c h e m ec o m p a r i s o n ,a n dm a n a g e m e n to fd a i l y a f f a i r s ，i n c l u d i n g p r e s c r i p t i v e - t a b l e m a k i n g ，l a r g ea c a l ei n s t r u m e n t sm a n a g e m e n t ，m a t e r i a lm a n a g e m e n t ， p e r s o n a li n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t ，m a n a g e m e n to ff i l e so fa n a l y s i s ，m a n a g e m e n to f p a s s w o r da n dh e l p i na d d i t i o n t h em o d u l eo fc l i e n t s e r v e r i st h es y s t e mf o r i n i t i a l i z a t i o na n dm a i n t e n a n c e t h es y s t e mm o d u l eh a st h ev i r t u e so fs t r o n gc o h e s i o n a n dw e a kc o u p l i n g ， t h es y s t e mh a st h ea d v a n t a g e so fe a s ym a i n t a i n a b i l i t y , c o m p a t i b i l i t y , h i 曲 e f f i c i e n c y , s a f e t ya n df r i e n d l i n e s sa n ds oo n n l es u c c e s s f u ls e t t i n gu po ft h es y s t e m h a sg r e a t l yi m p r o v e dt h em a n a g e m e n tl e v e la n dw o r ke f f i c i e n c yo ft h el a b m o r e o v e r , i to p t i m i z e db o t t l e - s h a k i n gd e s i g n , r e d u c e dt h ee x p e n d i t u r eo f l a b ，i m p r o v e dq u a l i t yo f t h ep r o d u c t s ，a n ds u p p l i e dc r e d i b l ed a t af o rt h ed e c i s i o n - m a k i n go fl e a d e r s ，a n d s t r e n g t h e n e dt h ec o m p e t i t i v ep o w e r b e c a u s eo ft h ea p p l i c a t i o no fw 曲s e r v i c e i tc a l l a l s ob ei t e g r a t e dw i t ho t h e rs y s t e m sf l u e n t l y k e y w o r d s ： l i m s ，j 2 e e ，c l i e n t s e r v e ra r c h i t e c t u r e ，b r o w s e r s e r v e ra r c h i t e c t u r e v 浙江大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 微电子技术和计算机信息技术的发展，使分析化学发生了重大变革。分析化 学从经典的化学分析向着现代化仪器分析方向发展。8 0 年代前期我国实验室引 进了大批带徼处理器和计算机的先进科学仪器，使我国实验室形成了以现代仪器 分析为主的格局。经过结构重组和优化，以中国科学院、高校、各部委研究所为 基础建立起了百余所国家级测试中心和开放实验室，加之各产矿企业的测试中 心，总共拥有3 0 亿元现代化仪器设备，形成了我国先进水平的科学实验和分析 测试中心。它们在科学研究、医药卫生、商品生产中发挥了重要作用。且前分析 化学正在朝着信息化方向变革。实验室的工作对象是形态各异的样品，它的产品 是数据和各种信息。实验室的信息化资源由数据、信息和知识三部分组成。由于 科学仪器的自动化，智能水平日益提高，愈来愈多的各种物理和化学反应转换成 数学量，使实验室的信息流以几何级数增长。然而测试一种物质，需用多种科学 仪器和分析方法，如何高质快速的收集、处理、传输、存储、共享资源，成为急 需解决的重要课题，在这种背景下实验室信息管理系统( l a b o r a t o r yi n f o r m a t i o n m a n a g e m e n ts y s t e m ，缩写为l i m s ) f a 世了。在当前信息时代，对信息的拥有和 控制是事业成败的重要因素，实验室产生的信息流成为信息采集、传输、处理、 集成这一链路的源头，对于工农业生产的质量管理质量监控、优化科学实验、 推动科学理论发展起着举足轻重的作用。“ 在当今信息时代，如果实验室管理仍然停留在手工、纸袋存储数据的层次上， 必将面临被淘汰的危险。另一方面，随着实验室认可认证制度的逐步推广，特别 在我国加入w t o 后，对实验室的整体运行水平、管理水平、特别是管理工具提出 了更高要求( i s o i e c l 7 0 2 5 以及g b t 1 5 4 8 1 - - 2 0 0 0 中给出了实验室运行的基本 规范) 。l i m s 是现代高新技术与分析化学学科互相渗透、交叉结合而发展起来的 新兴科学技术。它结合了现代管理技术与先进的计算机技术，经过近3 0 年的发 展、完善，已成为评价现代实验室水平的主要标志。总之，l i m s 是一门年轻的 浙江大学硕士学位论文 i t 学科，近3 0 年来得到了很大的发展，其应用领域也越来越广，涉及到实验室 的方方面面。如今的经济全球化和计算机技术的飞速发展又为其注入了新的活 力，使其站在当今科技发展的最前沿。特别是我国加入世贸组织后，各个实验室 必将会为其走向世界而不懈努力，相信l i m s 在未来的几年内会得到更大的发展。 1 2 本文研究的目的 本文结合一个实际的项目进行研究，目的在于根据华东制药实验室的实际 情况，研究如何采用系统的观点、通过信息与过程的集成来构架科学合理的信息 管理体系，并根据项目需要设计开发一套生物制药企业内可用的实验室管理信息 系统，辅助实现实验室日常业务、设备管理，实现实验室信息流的紧密集成，更 新管理理念，减少管理成本，提高管理效率，最终提高中心实验室的管理效益。 1 3 本文的结构 第一章是概论，分为引言和本文的结构。 第二章全面介绍了实验室信息管理系统。分析了当前实验室信息管理系统的 发展、技术进展和发展趋势趋势以及通用的l i m s 工作流程。 第三章概括性的分析了本研究将使用到的关键技术：w e bs e r v i c e 技术、 c l i e n t s e r v e r 和b r o w s e r s e r v e r 混合结构技术和j 2 e e 平台技术。 第四章详细描述了实验室信息管理系统的研制过程，分为项目背景、系统总 体设计、系统硬件架构和系统软件设计，并以其中一个模块为例，说明了w e b s e r v i c e 的实现方法。 第五章对实验室信息管理系统分模块进行实现说明，详细说明了各模块的功 能和操作。 第六章是本文的结论和展望，主要回顾了本文的工作，并提出了进一步深入 研究的思路。 浙江大学硕士学位论文 第二章实验室信息管理系统 2 1 实验室信息管理系统( l i m s ) 实验室信息管理系统就是指通过计算机对实验室的各种信息进行管理的计 算机软、硬件系统，是计算机技术、管理科学与分析技术相结合的产物。它将实 验室的分析仪器通过计算机网络连起来，采用科学的管理思想和先进的数据库技 术，实现以实验室为核心的整体环境的全方位管理。它集样品管理，资源管理， 事务管理，网络管理，数据管理( 采集、传输、处理、输出、发布) ，报表管理等 诸多模块为一体，组成一套完整的实验室综合管理和产品质量监控体系，既能满 足外部的日常管理要求，又能保证实验室分析数据的严格管理和控制嘲。 2 2 实验室管理系统的研究概况 2 2 1 实验室管理信息系统的发展概况 l 以s 自产生以来也同其他的技术一样从低到高逐渐发展，而且随着计算机 硬件、软件和网络等技术的发展不断升级、更新换代。自2 0 世纪6 0 年代末产生 发展到现在，就其主要特征来说，大致可分为三个阶段： 第一个阶段的l i m s 属于初级产品，最早见于各个用户自行开发的l i m s 或 由有关的计算机软件公司为某个用户特别定制的l i m s 。也就是说由某个用户提 出自己实验室的具体要求，然后有关的计算机编程人员将这些功能用软件的方式 来实现。这类的l i m s 的缺点是非常明显的，即单个的用户不可能将自己的所有 需求考虑周全，而这种特别定制的l i m s 也无法满足用户不断变化的需求。由于 用户的这种l i m s 是专门为该用户特别定制的，将来的技术支持非常困难，更谈 不上版本升级了。在八十年代中期以后，其在国际市场上已经基本绝迹。由于国 内l i m s 发展的严重滞后，目前国内几乎所有的l i m s 厂商的产品都还仅仅是处 于这一初级阶段。 第二阶段的l i m s 是完全商品化的软件，即软件开发商考虑到各个实验室的 浙江大学硕士学位论文 不同要求。把各种实验室所需要的功能尽可能多地设计到自己的l i m s 产品中去， 使得自己l i m s 的各个用户都使用同一种l i m s 软件。这类l i m s 的优点是不需 要用户提出太多自己具体的要求，而且软件的技术支持和版本升级都非常容易， 所以有很长的使用寿命。其缺点是在安装之后需要作大量的用户化工作， 即编 写一些程序满足用户特定的需求，如映射实验室的工作流程以及联结各种分析仪 器等。而且用户的这些要求往往是需要经常改变的，也就是说需要r r 专业人员 作为l i m s 用户的系统管理员随时编写相关程序。由此就带来了两个问题：首先 是i t 专业人员的流动性很大( 国际上r r 人员的平均年流动率超过2 5 ，使得 l d “s 系统管理员的稳定性不高。因系统管理员的离职造成l i m s 无法正常运行 的情况在国内外都是屡见不鲜的。其次是r r 出身的系统管理员很难完全理解实 验室运作的详细机制，为l i m s 的用户化带来了一定的难度，尤其是在研究与开 发实验室( 其工作性质要求l i m s 的工作流程能被科研人员随时修改) 。这类l i m s 是国际市场上的主流。 第三阶段的l i m s 是克服了第二阶段的l i m s 的缺点而开发出来的完全面向 实验室工作人员的产品。即该类l i m s 在安装后不需要用户化工作，只需要按照 用户的具体要求进行简单的设置，就可将整个系统正式投用。在设置过程中，用 户不需要编写任何程序。而只需要进行鼠标的点击。任何熟悉微软操作系统的实 验室工作人员( 包括实验室管理人员) 在接受简单的培训以后就可完成诸如工作 流( w o r k f l o w ) 的设计和仪器联结等工作，并按照实验室工作要求的变化随时更改 系统的设置。这类l i m s 目前正在快速发展中。目前国际市场上的代表性产品有 英国实验室系统公司( t h e r m ol a b s y s t e m s ) 的n a u t i l u s l i m s 。“ 2 2 2 国外实验室管理系统的研究现状 西方发达国家的l i m s 市场在2 0 世纪九十年代就已经完全打开，l i m s 已经 成为一个标准词汇为大家广为接受。在美国每年要召开一次l i m s 大会，讨论 l i m s 的有关问题。而且发达国家已经为l i m s 建立了初步的工业标准“。 图2 2 1 为美国提出的l 讧s 概念模型旧 l i m s 由五个功能元件即数据采集、数据分析、报表生成、实验室管理和系 统管理组成，这些过程围绕着数据核心在不同层次上实现各自的功能。数据库外 渐江大学硕士学位论文 围由三层功能环组成，第1 层表示l i m s 的最基本功能，第1 i 层表示中层功能， 第1 i i 层表示高层功能。图2 2 1 所示l i m s 概念模型发达国家已普遍在制药、 石油、化工、环保、供水、医疗、采矿、冶金、检疫、海关、烟草、酿酒、饮料、 食品、商检、电力及教育和科研单位等行业应用l i m s 附。著名的百事可乐公司、 英美南非烟草、美孚石油、杜邦化学、通用电气等公司都采用了l d d s 系统，并 取得了可观的收益”1 。 目前国外比较著l i m s 产品有a a c i n f o t r a y a g 公司的l a b b a s e 、a c c e l e r a t e d t e c h n o l o g yl a b o r a t o r i e s 公司的n e o m a t el i m s 、d a y n a m i cd a t a b a s e 公司的 l a b m a s t e rl v i s 、l a b w a r e 公司的l a b w a r el d 讧s 和英国实验室系统公司的 s a m p l e m a n a g e rl i m s 和n a u t i l u sl i m s 等“1 。这些产品都比较成熟，功能多， 并且都通过了严格的检验。它们的数据综合储存基本上都能符合优良实验室规范 ( g l p ) 、优良自动实验室规范( g a l p ) 、优良生产质量管理规范( g m p ) 和i s 0 9 0 0 0 的标准。这些国外的成熟软件大多能够由用户设置工作流程，这样能够很快地适 应实验室业务的需要。国外研究型实验室采用了l i m s 系统后，有效地缩短了实 验周期，降低了实验开销，将科研人员从效率低下的重复性劳动中解放出来，以 便更多的把精力放在关键问题的解决上，总体上提高了对资源的利用率。l i m s 系统己经成为西方一些大型实验室中实现全质量控制( t o t a lq u a l i t ym a n a g e m e n t ) 的核心”】。 在提高效益的同时，l i m s 在企业需求的带动下不断地向前发展。目前国外 研究人员正在研究如何更好地实现l i m s 与其它企业应用系统的集成。随着先进 管理思想的不断发展，e r p ( 企业资源规划) 在企业中的应用越来越广泛，l “s 已成为企业i t 架构的重要组成部分。在这种企业r r 架构中，如何利用l m s 指 导企业其它相关部分的生产过程，如何将生产过程控制系统的信息可靠地传送给 l i m s ，以及各个系统如何在e r p 下完美地集成已成为关系企业r r 战略成败的关 键。目前许多著名的l i m s 供应商都作了很大的努力使l i 骼能与企业中以e r p 为主的各个主要r r 系统成功集成。如英国实验室系统公司( t h e r m ol a b s y s t e m s ) 的s a m p l e m a n a g e rl i m s 己经可以做到与s a pr 3 ，a s p e ni p 2 1 ，o s ip i 等系统 的无缝连接“”。 剥辎伯娶芝_一焉n匝 妖智掣扑书警扑k日餐 浙江大学硕士学位论文 2 。2 3 国内实验室管理系统的研究现状 国内的l i m s 研究工作比国际滞后近1 5 年。虽然早在7 0 年代末，就有人提 出过l i m s 思想，但由于当时计算机技术水平较低，拥有的软硬件已属淘汰之列， 加之分析测试设备较落后，所以当时的l i m s 仅限于完成简单数据处理的单机模 式。8 0 年代中后期，我国地矿、石化、制药、商检等领域先后引进近1 0 套l i m s 。 但由于我们管理模式落后，文化内涵差异过大，汉字处理能力低下以及计算机应 用不广泛等原因，使得系统的大部分功能无法应用，造成巨大浪费。可喜的是， 通过近几年的信息化建设，国内大部分实验室都配备了自己的局域网系统，各种 计算机设备的配备也都很高档。特别是经过近几年互联网的发展，网络、信息化 等观念已深入人心。随着全球经济一体化进程的加快，国家在大力提倡、帮助各 行业的信息化进程，可以说，目前国内l n “s 市场处于一种天时、地利、人和的 最佳时机。 现阶段，我国已有不少自主产权的商品化l i m s 软件应用在石化、制药、海 关、商检、冶金和医疗等部门，在生产过程的质量监控中发挥了重要作用。如北 京英普思软件有限责任公司开发的i n p r ol i m s ，北京中科科仪计算技术有限责 任公司开发的s i s cl i m s ，北京汇博精瑞科技有限责任公司开发的l a b b u i l d e r l i m s 等“”。但总的来说，国内商品化l i i s 的开发和应用还处于萌芽时期。但随 着计算机网络技术的快速发展和仪器自动化水平的迅速提高，l e v i s 将在国内的 大部分实验室得到拓宽和发展。 2 3 实验室信息管理系统的发展趋势 2 3 1 全球化趋势 近几年来，随着i t 业界的持续升温和各大公司并购狂潮的加剧，如何在全 球范围内保证相同的产品质量和服务，降低生产成本，提高竞争力，以完成“全 球化”的梦想，成为每个跨国公司c i o ( 首席信息官) 的首要任务。作为质量保 证的主要系统l i m s 站在了“全球化”大潮的前沿。各大跨国公司为此投入巨资， 以在全球范围内保证其产品质量和加速新产品开发的进程。在l i m s 的全球化应 浙江大学硕士学位论文 用方面，世界上最大的感光材料制造商，伊士曼柯达( e a s t m a nk o d a k ) 公司走 在了最前面。该公司在全球范围内全部采用同一套l i m s 。来自世界各地，使用 不周的语言，而且每个国家的法律也常常要求使用他们自己的本国语言。为此， 有的厂商推出了能同时支持多种语言的l i m s 以满足这些跨国公司的需求。如英 国实验室系统公司的n a u t i l u sl i m s 就带有一种称为国际化的功能，允许每个用 户根据自己的需求选择独特的语言界面。n a u t i l u sl i m s 目前支持2 2 种语言。 2 3 2 企业内部的系统集成 世界上最早的l i m s 用户是石油、化工、制药和冶金等大型生产企业。在这 些企业中，l i m s 只是其整个r r 架构的一部分。在这种情况下，如何将实验室的 质量检测数据迅速准确地传送到企业的其它相关部门并指导生产过程，而生产过 程控制系统如何迅速可靠地将相关样品信息传送给l i m s ，以及各个系统如何在 e r p ( 企业资源规划系统) 下完美地集成已成为这些企业使用l i m s 成功与否的 关键。 2 3 3 仪器联结与仪器控制 2 0 多年来，u m s 的仪器联结功能一直是广大用户所关注的焦点。如何直接 采集各种分析仪器的数据是l i m s 技术的关键之一。在过去，仪器联结需要由 l i m s 厂商的技术服务人员或者经验丰富的系统管理员编写复杂的程序以达到目 的( 有的比较原始的l i m s 甚至不切实际地要求用户提供仪器与计算机的通讯协 议和文件格式等) ，这使得仪器联结成为l i m s 实施过程中最昂贵和最艰难的一 环。近几年出现的技术已经完好地解决了这个问题。如在n a u t i l u sl i m s 中，由 于采用了先进的电子数据俘获( e l e c t r o n i c d a t a c a p t u r e ) 技术，联结仪器不仅不 需要编写程序，而且联结过程简单到可以和在w i n d o w s 中联结打印机相比，一 个完全不懂编程的实验室工作人员就可轻而易举地完成。 2 3 4 光谱采集与处理 很多的分析仪器不仅提供各种传统意义上的简单数据，还提供更有价值的各 浙江大学硕士学位论文 种类型的光谱。但每个厂家，每种型号的仪器所提供的光谱文件格式各不相同， 如何通过l i m s 自动采集这些光谱，是2 0 余年来行业最大的难点之一。而这一 难点直到2 0 0 1 年才得以突破。l i m s 的光谱采集与处理功能不仅极大地丰富“大 型仪器专管共享”的内涵，方便了广大科学工作者和实验室管理人员，更重要的 是完全满足美国食品与药品管理局关于电子记录的要求。 2 3 5 化学结构与多媒体支持 随着r r 业的迅猛发展，越来越多的实验室工作人员希望l i m s 能提供更多 的信息，包括化合物的化学结构和理化性质，并能够以多媒体的方式记录相关信 息等。n a u t i l u sl i m s 同样也完好地解决了这一问题。该系统不仅能够显示化合 物的结构式，还能自动给出分子式，分子量，元素百分比等内容。如果需要，还 能提供化合物的理化性质，i u p a c 名称，c a s 注册号，分子模型和相关光谱等， 同时也能用多媒体记录分子模型或各个检验项目的标准操作过程等。 2 3 6 在生物科学中的应用 众所周知，当今世界上发展最快，最具有潜力的两个行业是i t 和生物科学。 二者的结合诞生了一个崭新的学科生物信息学( b i o i n f o r m a t i c s ) 。该行业被 认为是未来r r 业界最具发展潜力的部分，将很快被认为是未来r r 业界最具发展 潜力的部分，将很快拥有数百亿美元的市场。而我们知道，生物科学最重要的部 分都是在实验室内完成的，因此，如果说l i m s 在传统行业的各大企业中是在幕 后运行的话，那么在生命科学领域中则一跃到了前台。进入生命科学领域后， l i m s 的发展将从此揭开新的篇章。面向生物科学的l i m s 必然将是未来l i m s 发展的方向。“”1 浙江大学硕士学位论文 2 4 通用的l i m s 工作流程 图2 4 。1l i m s 工作流程原理图【l 扣1 3 1 l i m s 必须有状态信息i m ”】，内容有：样品状态信息，各次测试结果，按规 范检验的结果，样品序号验证，运行一次后，状态信息会自动更新。如样品 序号状态包括：新样品序号、经过编排的序号、运行情况、实验室接受样品、 核对、打出报告、验证、释放、报废等信息。测试结果状态包括：新的、已完 成的、经过审核的、超出技术规范等状态信息。 通用l i m s 工作流程如下：1 1 6 _ 1 7 】 1 ) 申请( 请求) 样品测试 2 ) 收集样品 3 ) 注册 4 ) 样品编号报告( 表) 5 ) 分配样品，开具任务清单 6 ) 编制工作计划 7 ) 分析测试 8 ) 样品制备 9 ) 资料收集 l o ) 质量检验和审核 1 1 ) 重复测试循环 1 2 ) 重复样品循环 1 3 ) 生成报告( 包括各种功能的报告) 1 4 ) 解释分析 1 5 ) 样品存储检索 1 6 ) 实验室管理 1 7 ) 系统管理 4 浙江大学硕士学位论文 工作规范 存储 图2 4 1l i m s 工作流程原理图 浙江大学硕士学位论文 第三章实验室信息管理系统关键技术 3 1w e bs e r v i c e 3 1 1w e bs e r v i c e 技术的定义 w e bs e r v i c e 是一种编程模型，它提供在可缩放的、松耦合的和非特定平台 的环境下交换信息的能力，交换信息使用诸如h t t p 、x m l 、x s d 、s o a p 和 w s d l 之类的标准协议。w e b 服务是用标准的、规范的x m l 概念描述的，称为 w e b 服务的服务描述。这一描述囊括了与服务交互需要的全部细节，包括消息格 式( 详细描述操作) 、传输协议和位置。w e b s e r v i c e 接口隐藏了实现服务的细节， 允许独立于实现服务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。这允许并支持基于w e b 服务的应用程序成为松散祸合、面向组件和跨技术 实现。w 西服务履行一项特定的任务或一组任务。w e b 服务可以单独或同其它 w e b 服务一起用于实现复杂的聚集或商业交易。 3 1 2w e bs e r v i c e 模型 w e bs e r v i c e 体系结构基于三种角色( 服务提供者、服务注册中心和服务请求 者) 之间的交互。交互涉及发布、查找和绑定操作。这些角色和操作一起作用于 w e bs e r v i c e 构件：w e bs e r v i c e 软件模块及其描述。在典型情况下，服务提供者托 管可通过网络访问的软件模块( w e bs e r v i c e 的一个实现) 。服务提供者定义w e b s e r v i c e 的服务描述并把它发布到服务请求者或服务注册中心。服务请求者使用 查找操作来从本地或服务注册中心检索服务描述，然后使用服务描述与服务提供 者进行绑定并调用w e bs e r v i c e 实现或同它交互。服务提供者和服务请求者角色 是逻辑结构，因而服务可以表现两种特性。图3 1 1 显示了这些操作、提供这些 操作的组件及它们之间的交互。 w e bs e r v i c e 体系结构中的角色 服务提供者。从企业的角度看，这是服务的所有者。从体系结构的角度 看，这是托管访问服务的平台。 6 浙江大学硕士学位论文 图3 1 1w e bs e r v i c e 体系架构模型 服务请求者。从企业的角度看，这是要求满足特定功能的企业。从体系 结构的角度看，这是寻找并调用服务，或启动与服务的交互的应用程序。服务请 求者角色可以由浏览器来担当，由人或无用户界面的程序( 例如，另外一个w e b s e r v i c e ) 来控制它。 服务注册中心。这是可搜索的服务描述注册中心，服务提供者在此发布 他们的服务描述。在静态绑定开发或动态绑定执行期间，服务请求者查找服务并 获得服务的绑定信息( 在服务描述中) 。对于静态绑定的服务请求者，服务注册中 心是体系结构中的可选角色，因为服务提供者可以把描述直接发送给服务请求 者。同样，服务请求者可以从服务注册中心以外的其它来源德到服务描述，例如 本地文件、p t p 站点、w e b 站点、广告和服务发现( a d v e r t i s e m e n ta n dd i s c o v e r yo f s e r v i c e s ，a d s ) 或发现w e bs e r v i c e ( d i s c o v e r yo f w e b s e r v i c e s ，d i s c o ) 。 w e bs e r v i c e 体系结构中的操作 对于利用w e bs e r v i c e 的应用程序。必须发生以下三个行为：发布服务描述、 查询或查找服务描述以及根据服务描述绑定或调用服务。这些行为可以单次或反 复出现。这些操作具体为： 发布为了使服务可访问，需要发布服务描述以使服务请求者可以查找 它。发布服务描述的位置可以根据应用程序的要求而变化。 查找在查找操作中，服务请求者直接检索服务描述或在服务注册中心 中查询所要求的服务类型。对于服务请求者，可能会在两个不同的生命周期阶段 中牵涉到查找操作：在设计时为了程序开发而检索服务的接口描述，而在运行时 为了调用而检索服务的绑定和位置描述。 渤江大学硕士学位论文 绑定最后需要调用服务。在绑定操作中。服务请求者使用服务描述 中的绑定细节来定位、联系和调用服务，从而在运行时调用或启动与服务的交互。 w e bs e r v i c e 的构件 服务在这里，w e bs e r v i c e 是一个由服务描述来描述的接口，服务描 述的实现就是该服务。服务是一个软件模块，它部署在由服务提供者提供的可以 通过网络访问的平台上。服务存在就是要被服务请求者调用或者同服务请求者交 互。当服务的实现中利用到其它的w e bs e r v i c e 时，它也可以作为请求者。 服务描述服务描述包含服务的接口和实现的细节。其中包括服务的 数据类型、操作、绑定信息和网络位置。还可能包括可以方便服务请求者发现和 利用的分类及其它元数据。服各描述可以被发布给服各请求者或服务注册中心。 3 1 3w e bs e r v i c e 相关技术 基于x m l 消息传递的分布式计算 w e bs e r v i c e 体系结构的基础是x m l 消息传递，x m l 消息的传递使用s o a p 。 s o a p 是一种简单的、轻量级的基于x m l 机制，用于在网络应用程序之间 进行结构化数据交换。s o a p 包括三部分：一个定义描述消息内容的框架的信封、 一组表示应用程序定义的数据类型实例的编码觌则，以及表示远程过程调用 ( r e m o t ep r o c e d u r ec a l l sr p c ) 和响应的约定。s o a p 可以和各种网络协议( 如h t t p ， s m t p ，p t p 和h o p 或m q 上的r m i ) 相结合使用，或者用这些协议重新封装后使 用。 虽然理解这个基础很重要，但多数w 西s e r v i c e 开发者不必直接处理这个基 础结构。大多数w e bs e r v i c e 都会使用从w s d l 生成的经过优化的特定于编程语 言的绑定。当服务提供者和服务请求者都在类似的环境中执行时，这种优化可能 尤为重要。图3 1 2 展示了x m l 消息传递( 即s o a p ) 和网络协议如何组成w e b s e r v i c e 体系结构的基础。 网络节点在基于x m l 消息传递的分布式计算中扮演提供者和请求者的角 色的基本要求是构建、解析s o a p 消息的能力( 或两者) 以及在网络上通信的能 力( 接收、发送消息，或两者) 。 通常，在w 西应用程序服务器中运行的s o a p 服务器将执行这些功能。另 浙江大学硕士学位论文 外，我们也可以使用在a p i 中封装这些功能的特定于编程语言的运行库。应用程 序与s o a p 的集成可以通过使用四个基本步骤来实现： 应用程序 应用程序 图3 1 2 基于s o a p 的x m l 消息传递 1 在图3 1 2 中，服务提供者的应用程序在( 1 ) 创建一条s o a p 消息。这条 s o a p 消息是调用由服务提供者提供的w e bs e r v i c e 操作的请求。消息主体中的 x m l 文档可以是一个s o a pr p c 请求，也可以是一个服务描述中所描述的以文 档为中心的消息。服务请求者将此信息和服务提供者的网址一起提供给s o a p 基础结构( 例如一个s o a p 客户机运行时) 。s o a p 客户机运行时与一个底层网络 协议( 例如h t t p ) 交互，然后在网络上将s o a p 消息发送出去。 2 网络基础结构在( 2 ) 将消息传送到服务提供者的s o a p 运行时( 例如一个 s o a p 服务器) 。s o a p 服务器将请求消息路由到服务提供者的w e bs e r v i c e 。如 果应用程序需要，s o a p 运行时负责将x m l 消息转换为特定予编程语言的对象。 这个转换由消息中可以找到的编码模式所控制。 3 w e bs e r v i c e 负责处理请求信息并生成一个响应。该响应也是一条s o a p 消息。响应的s o a p 消息在( 3 ) 被提供给s o a p 运行时，其目的地是服务请求者。 在h r r p 上的同步请求，响应的情况中，联网协议的底层请求响应本质用于实现 消息传递的请求，响应本质。s o a p 运行时将s o a p 消息响应发送到网络上的服务 请求者。 4 响应消息在( 4 ) 由服务请求者节点上的联网基础结构接收。消息会经过整 浙江大学硕士学位论文 个s o a p 基础结构，可能会将x m l 消息转换为目标编程语言中的对象。然后，响 应消息被提供给应用程序。 本示例使用了请求响应传送基本原理，这种原理在大多数分布式计算环境 中都很常见。请求响应交换可以是同步的，也可以是异步的。其它传送基本原 理，如单向消息传递( 无响应) ，通知( 推动式响应) 以及发布，订阅，也可能用到 s o a p 。 u d d i ( u n i v e r s a ld e s c r i p t i o n 、d i s c o v e r ya n di n t e g r a t i o n ) u d d i 规范定义一个发布和发现有关w e bs e r v i c e s 的信息的标准方式。与 i n t e r a c t 上的所有其他资源一样，如果没有某种用于搜索特定w e bs e r v i c e s 的方 法，那么就几乎不可能找到该服务。w c bs e r v i c e s 目录提供一个中心位置。w e b s e r v i c e s 提供程序可在其中发布与它们的可用w e bs e r v i c e s 有关的信息。这样的 目录甚至可以就是w e bs e r v i c e s 本身，它们可以通过编程方式访问，并且在响应 来自可能的w e bs e r v i c e s 客户端的查询时提供搜索结果。可能需要出于某个特定 目的而使用w e bs e r v i c e s 目录来定位提供w c bs e r v i c e s 的单位或者需要确定某个 特定单位提供何种w e bs e r v i c e s 。 u d d i 提供了一个保存w e b 服务描述的机制。与u d d i 关联的x m l 架构 定义四种使开发人员能够使用已发布的x m lw e bs e r v i c e s 的信息。它们是：业务 信息、服务信息、绑定信息以及有关服务规范的信息。 u d d i 条目由业务信息开始。业务信息元素对关于企业的信息进行建模， 包括基本的企业信息( 例如，企业名称和联系方式信息是什么) 、分类信息( 例如， 这是何种类型的企业) 以及标识信息。业务信息包含一组服务信息元素，每个元 素对应于企业希望发布的每个w c b 服务。每个服务信息元素都包含和业务信息 元素的w e b 服务有关的技术性和描述性信息。服务信息包含一组绑定信息元素。 绑定信息描述访问信息( 例如端点地址) ，还描述服务信息如何使用各种不同的技 术规范。技术规范在这里的模型是服务规范信息。服务规范信息可以为很多不同 概念建模，如：一种服务、一个诸如h t t p s 之类的平台技术或一个类别。与服务 信息相关联的那一组绑定信息元素代表了服务信息所使用的技术的印记。 = i 聿i 江大学硕士学位论文 3 1 4w e bs e r v i c e 的应用前景 跨防火墙通讯 如果应用程序有成千上万的用户，而且分布在世界各地，那么客户端和服 务器之间的通信将是一个棘手的问题。因为客户端和服务器之间通常会有防火墙 或者代理服务器。在这种情况下，使用d c o m 和h o p 就不是那么简单，通常也 不便于把客户端程序发布到数量如此庞大的每一个用户手中。传统的做法是，选 择用浏览器作为客户端，写下一大堆a s p 页面，把应用程序的中间层暴露给最 终用户。这样做的结果是开发难度大。程序很难维护。 应用程序集成 对于企业级的应用程序来讲，经常都要把用不同语言写成的、在不同平台上 运行的各种程序集成起来，而这种集成将花费很大的开发力量。应用程序经常需 要从运行在m m 主机上的程序中获取数据：或者把数据发送到主机或u n i x 应用 程序中去。即使在同一个平台上，不同软件厂商生产的各种软件也常常需要集成 起来。通过w e bs e r v i c e ，应用程序可以用标准的方法把功能和数据“暴露”出 来；供其它应用程序使用。 b 2 b 的集成 用w e bs e r v i c e 集成应用程序，可以使公司内部的商务处理更加自动化。但 当交易跨越供应商和客户、突破公司的界限时会怎么样昵? 跨公司的商务交易集 成通常叫做b 2 b 集成。w e bs e r v i c