（计算机应用技术专业论文）基于nhibernate的实验室信息管理系统的设计与实现.pdf

基于n h i b e r n e t 的实验室信息管理系统的设计与实现 提要 基于n h i b e r n a t e 的实验室信息管理系统的设计与实现 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。 本论文以常熟理工学院实验室的信息管理工作作为研究对象，设计实现了一套服 务于实验室管理者，并方便学生与实验室的交互，有利于提高实验室工作效率与管理 水平的行之有效的信息管理系统。主要从以下方面开展研究工作： 1 对该学院实验室的管理现状进行的调查和研究分析，找出实验室管理工作中需 要解决的主要问题； 2 针对实验室管理工作中存在的问题，提出系统的解决方法和适用于该学院实验 室的信息管理模式，优化实验室管理的业务逻辑； 3 对实验室管理工作，包括设备管理、实验任务规划、实验任务管理、数据查询 和人员管理等业务模块的有机集成进行研究； 4 制定出系统设计与实施的方案，设计开发出基于n h i b e r n a t e 的实验室信息管理 系统，实现包括开放实验管理、实验室日常管理及实验室人员管理等多个方面的统一 的信息化管理，解决目前实验室管理软件缺乏应有的伸缩性和互通性问题。 系统已经在学校投入试运行，通过试行证明本系统实现实验室管理的高效性、方 便性、准确性和安全性，为改善工作质量、提高工作效率发挥很好的作用。还可扩展 服务范围，有利于实现资源共享，使学校实验室管理工作上一个新台阶。系统构建可 以基于不同的平台，实现的系统易扩展，灵活度高，可移植性强。系统对软硬件要求 不高，具有一定的实用价值和推广价值。 关键词：l i m s ，o r m ，n h i b e r n a t e ，映射模式，数据库 作者：罗金光 指导老师：马小虎 a b s t r a c t d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fl 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 mb a s e d o nn h i b e r n a t e 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 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 kt 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 a k i n gt h el 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 tc h a n g s h ui n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y w o r ka st h eo b j e c to fs m d gt h i sp a p e rd e s i g n sa ne f f e c t i v ei n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t s y s t e m ，w h i c hm a k e si te a s i e rf o rt h el a bm a n a g e r sm a n a g e m e n t ，t h es t u d e n t s i n t e r a c t i o n w i t ht h el a b t h u si m p r o v et h ew o r k i n ge f f i c i e n c ya n d m a n a g e m e n to ft h el a b o r a t o r y t h e r e s e a r c hi sc o n d u c t e dw i t ht h ef o l l o w i n gp r o c e d u r e ： 1 a ni n v e s t i g a t i o na n da n a l y s i so ft h ec u r r e n ts t a t u so fl a bm a n a g e m e n ti sc o n d u c t e d ， a n dt h em a j o rp r o b l e m st ob es o l v e di nt h el a bm a n a g e m e n ta r ef i g u r e do u t 2 as y s t e m a t i cs o l u t i o nt ot h ep r o b l e m s ，ai n f o r m a t i o nm a n a g e m e n tm o d es u i t a b l ef o r t h el a bi nt h es c h o o la n dab u s i n e s sl o g i cf o rt h eo p t i m i z a t i o no ft h el a bm a n a g e m e n ta r e p r o p o s e d 3 as t u d yo ft h ei n t e g r a t i o no ft h em o d u l e si nt h el a bm a n a g e m e n ti sc o n d u c t e d t h e m o d u l e si n c l u d e ：t h em a n a g e m e n to ft h ee q u i p m e r i t ，p l a n n i n go ft h ee x p e r i m e n t s ，d a t a r e t r i e v a la n dm a n a g e m e n to ft h es t u f fe t c 4 t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h es y s t e mi sp r o p o s e d ，a n dt h el a bi n f o r m a t i o n m a n a g e m e n ts y s t e mb a s e d0 1 1n h i b e r n a t ei sd e s i g n e d ，t h u se n a b l i n gt h ei n f o r m a t i o n i z e d m a n a g e m e n ta n du n i f i c a t i o no ft h eo p e nl a bm a n a g e m e n t ，t h ed a i l ym a n a g e m e n to f t h el a b a n dt h em a n a g e m e n to ft h el a bs t u f f , a n ds u p p l e m e n tt h ec u r r e n ts o f t w a r ew h i c hl a c k so f f l e x i b i l i t ya n di n t e r o p e r a b i l i t y t h es y s t e mh a sa l r e a d yb e e np u ti n t ot r i a lr u n n i n gi n c h a n g s h ui n s t i t u t eo f t e c h n o l o g ya n di tp r o v e st h es y s t e mc a ne n s u r et h ee f f i c i e n c y , c o n v e n i e n c e ，p r e c i s i o na n d s e c u r i t yo ft h e l a bm a n a g e m e n ta n di m p r o v e m e n to fq u a l i t ya n de f f i c i e n c yo ft h e m a n a g e m e n t b e s i d e s ，t h es y s t e me x t e n d st h es c o p eo fs e r v i c e ，e n a b l e s t h er e s o u r c e s h a r i n g t h ec o n s t r u c t i o no ft h es y s t e mc o u l db eb a s e do nd i f f e r e n tp l a t f o r m s ，s oi t i s f l e x i b l ea n de a s yt ob ee x t e n d e da n dr e p l a n t e dw i t har e l a t i v e l yl o w e rr e q u i r e m e n tt o h a r d w a r e k e y w o r d s ：l i m s ，o b j e c tr e l a t i o n a lm a p p i n g ，n h i b e r n a t e ，m a p p i n gs c h e m a ，d a t a b a s e w r i t t e nb y ：l u oj i n g u a n g s u p e r v i s e db y ：m ax i a o h u 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名：! 龇一一一日 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。 论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研姓躲靼l 一日 导师签名：日期： 基于n h i b e m a t e 的实验室信息管理系统的设计与实现第一章绪论 第一章绪论 从2 0 世纪7 0 年代末出现了第一代实验室信息管理系统以来，伴随着高校校园网 的建设和i n t e r n e t 技术的引进，基于校园网和i n t e r n e t 的实验室信息管理系统的开发 正在蓬勃发展。本文就是在这种形势下，展开对常熟理工学院实验室信息管理的研究， 从而设计和开发出基于n h i b e r n a t e 的适用于该学院的实验室信息管理系统( l 聊s ) 。 1 1 引言 在现代实验室中，高度自动化的仪器设备和快速完善的分析方法的大量出现，使 实验室的功能不断加强，数据量和信息量迅速增大，这些都对现代实验室的管理和正 常运作提出了极高的要求。同时，作为一种信息资源，实验室的各种数据应该有规范 的贮存和再加工能力，这就对现有实验室的管理提出了更高的要求。传统上基于人工 管理的实验室管理模式受到了极大的挑战，而基于网络平台的实验室信息管理系统 ( l i m s ) 自然成了首选的方案。 我国l i m s 系统的建立及应用始于9 0 年代中期，目前己取得了一定经验，并且 初步体会到了l i m s 正常运作后对实验室管理的促进作用h 1 。例如可以提供便捷的查 询过程，使实验室的质量控制落实到每一种样品；可以协调一个样品的多种测量环节； 也可以为实验室的论证工作奠定良好的基础等。但是，l i m s 作为种新的综合性应 用技术，迄今为止国内实验室对它的认识还是很不够的。 随着实验室认证的逐步推广，w t o 的加入，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的要求。在当今这样一个信息时代，如果一个实验室 的管理停留在手工管理和纸袋储存数据的层次上，这是不可想象的，也必将面临被淘 汰的危险。因此可见，l m s 一实验室信息管理系统的引入无疑会把实验室的管理水 平提升到信息时代的最高水平。 1 2 课题的背景 计算机技术的进步，促使现代工业技术在快速发展，随着科研和生产技术的不断 发展，企业的检验技术也从手工分析发展到仪器分析，检验项目大量增加，对数据的 l 第一章绪论基于n h i b e r n a t e 的实验室信息管理系统的设计与实现 准确性和报出时间的要求越来越严格，数据处理量急速增加，原来的人工管理模式在 这种形式下已显得不太适应，使用计算机完成数据的收集、分析和处理的管理手段应 运而生。巴陵分公司信息中心所管辖的实验室，每天都会产生大量的信息。这些信息 主要是一些测量、分析的数据，还有许多维持实验室运行的管理型数据。这些数据的 复杂和海量使得每一个实验室为维护这些数据和管理、查询数据需要花费大量的人力 和物力，并且效率十分的低下，经常出错，更谈不上数据的快速科学分析。另外，大 规模的实验室在管理上也同样存在着头绪繁多，管理混乱的现象。这一切都是因为缺 乏一种有效、快捷、使用方便的管理工具所致。课题研究过程始终贯穿了以下指导原 则：先进性、实用性和可靠性，以先进性紧跟国际先进水平；以实用性迎合微机水平 较低的实验室管理手段；以可靠性适合国内实验室工作人员和基础设施现状。 高校实验室是教学、科研的重要组成部分，是培养具有实践能力和创新意识人才 的摇篮，是实现素质教育的基地。因此，实验室的建设与管理、实验设备配置与使用 的科学化、实验内容的设置、实验室的教学管理人员水平等都影响着学校的教学、科 研水平，而且关系到学校发展前途。各个高等学校都加强了实验室建设，学校实验室 资产规模不断扩大，重点实验室的数量也迅速增加，学校对实验室的管理工作也不断 加强。随着高校的招生规模逐年扩大和常熟理工学院“专升本”的完成，学院在扩大 办学规模的同时也加大了实验室的建设，以满足不断增长的实践教学环节的需要。目 前该院实验室方面的具体情况是：实验中心( 室) 分布比较分散，学校共有：文科综 合实验教学中心，新型功能材料实验中心，基础生物学实验中心，化学实验中心，物 理实验中心，纺织机械工程中心；仪器设备繁多；实验室承担的教学、科研任务比较 繁重；各二级学院各自为政，各实验中心( 室) 信息虽然建立了部分电子文档，但基 本还是手工处理，每个实验室都在尝试走自动化的道路，但每个实验中心( 室) 使用 的平台不一致。另一方面，学院的校园网建设也已初具的规模，校园网覆盖整个校区， 通过校园网可以实现信息互通，校园一卡通的建设也初步成型。 1 3 实验室信息管理系统的研究概况 实验室信息管理系统( l 肌s ) 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【2 】。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 2 基于n h i b e m a t e 的实验室信息管理系统的设计与实现 第一章绪论 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。 l i m 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【3 】： 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r i i 专业人员的流动性很大( 国际上 i t 人员的平均年流动率超过2 5 ，使得l i m 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 i 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 3 第一章绪论基于n h i b e r n a t e 的实验室信息管理系统的设计与实现 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 e t o l a b s y s t e m s ) 的n a u t i l u s l i m s 。 1 3 1 国内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1 _ 1 为美国提出的l i m s 概念模型m ： 图1 1l i m s 的概念模型 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，第层表示中层功能，第层表示 高层功能。图卜1 所示l i m s 概念模型发达国家己普遍在制药、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 e 7 1 。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 i m s 系统，并取得了可观的收益。 目前国外比较著l i m s 产品有a a ci n f o t r a ya 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 r 4 基于n h i b e m a t e 的实验室信息管理系统的设计与实现第一章绪论 l i m s ，l a b w a r e 公司的l a b w a r el i m 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。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 ) 的核心婵j 。 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 i m s 己成为企业 n 架构的重要组成部分。在这种企业1 1 r 架构中，如何利用l i 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 i 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 m s 能与企业中以e r p 为主的各个主要1 1 r 系统 成功集成。如英国实验室系统公司( t h e r e t 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【6 】。 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，拥有的软硬件己属淘汰之列，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 i m s 市场处于一种天时、地利、人和的最佳时机。 现阶段，我国己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、 第一章绪论 基于n h i b e r n a t e 的实验室信息管理系统的设计与实现 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 m 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 i m s 将在国内的大部分实验室得到拓宽和发展。 1 3 2 实验室信息管理系统的发展趋势 近年来，p c 的普及和1 1 r 技术的爆炸性发展，对l i m s 技术起了巨大的推动作用， 下面就l i m s 技术的最新进展以及未来的发展趋势做一简单说明： 1 全球化趋势 近几年来，随着i ，r 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，使用不同的语言，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 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) 下完美地集成己成为这些企业使用l i m s 成功与否的关键。 3 仪器联结与仪器控制 2 0 多年来，l i m s 的仪器联结功能一直是广一大用户所关注的焦点。如何直接采 6 基于n h i b e r n a t e 的实验室信息管理系统的设计与实现 第一章绪论 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 cd a t ac 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。 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。 5 化学结构与多媒体支持 随着1 1 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 l t 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。 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r r 和生物科学。二 者的结合诞生了一个崭新的学科一生物信息学( b i o i n f o r m a t i c s ) 。该行业被认为是未 来兀 业界最具发展潜力的部分，将很快被认为是未来 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 7 第一章绪论基于n l - i i b e r n a t e 的实验室信息管理系统的设计与实现 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 4 课题的意义 当前，人类社会正处于一个伟大的转折时期，社会信息化的程度已被看作是一个 国家现代化水平和综合国力的重要标志。在实验室中使用l i m s 技术，是企业检验实 验室的必然发展趋势，将会给实验室管理和工作质量控制产生较大的效益，是遵循国 际标准质量管理方式的实验室必备的管理系统集成产品。希望l i m s 技术能够引起我 国的实验室管理人员的重视，跟上现代工业技术的发展步伐。 本课题的提出与完成，可以将学生实验预习、预约和对实验室的日常综合管理有 机的结合起来，从而增强学生的学习主动性，激发学生的学习兴趣，规范实验室的日 常管理，减轻管理人员的劳动强度并提高工作效率，促进实验室对外交流与信息共享， 使实验室更好地满足素质教育的需要，为将来全面应用新理念下的实验室管理系统打 下良好的基础。课题对如何在管理基础较差、设备繁多、教学实验任务繁重的高等院 校开发实验室管理系统进行了探索，加之课题所具有的学科前沿性和综合性( 涉及管 理学、系统工程、计算机技术、网络技术和数据库技术等多个学科领域) ，本课题有 着较为重要的理论价值与应用价值。 1 5 论文组织结构 本文由以下几部分组成： 第一章绪论，介绍了课题的背景及实验室信息管理系统的研究概况。 第二章o r m 技术及n h i b e r n a t e 研究，重点阐述了o r 映射机制和基于n e t 平 台的n h i b e r n a t e 技术。 第三章系统的总体架构与功能结构设计，根据系统需求，详细介绍了该系统的总 体架构框架、各子系统功能设计和数据库的设计。 第四章基于n h i b e r n a t e 的实验室信息管理系统实现，详细分析和研究了如何利 用持久化技术开发系统，设计并实现实验室信息管理系统，封装n h i b e r n a t e 为数据 持久层并对其性能作了优化，并给出了系统的实现过程和部分运行界面。 第五章总结与展望，总结了全文的研究内容，并展望今后的研究工作。 8 基于n h i b e r n a t e 的实验室信息管理系统的设计与实现第二章o r m 技术及n h i b e m a t e 研究 第二章o r m 技术及n h i b e r n a t e 研究 一个信息管理系统的设计和实现，涉及到很多相关方面的技术，本章就信息管理 系统在分析、设计和实现过程中有关的技术进行探讨。 2 1o r m 技术介绍 2 1 1o r m 技术 对象关系映射是随着面向对象的软件开发方法发展而产生的。面向对象的开发方 法是当今企业级应用开发环境中的主流开发方法，关系数据库是企业级应用环境中永 久存放数据的主流数据存储系统。对象和关系数据是业务实体的两种表现形式，业务 实体在内存中表现为对象，在数据库中表现为关系数据。内存中的对象之间存在关联 和继承关系，而在数据库中，关系数据无法直接表达多对多关联和继承关系。因此， 对象关系映射系统一般以中间件的形式存在，主要实现程序对象到关系数据库数据的 映射。 o r m 的方法论基于三个核心原则： 简单，以最基本的形式建模数据； 传达性，数据库结构被任何人都能理解的语言文档化； 精确性，基于数据模型创建正确标准化了的结构。 对象关系映射3 1 1 实质就是将关系数据( 库) 中的业务数据用对象的形式表示出来， 并通过面向对象( o b j e c t - o r i e n t e d ) 的方式将这些对象组织起来，实现系统业务逻辑 的过程。在o r m 过程中最重要的概念是映射( m a p p i n g ) ，通过这种映射可以使业务 对象与数据库分离。从面向对象来说，数据库不应该和业务逻辑绑定到一起，o r m 则起到这样的分离作用，使数据库层透明，开发人员真正的面向对象。 在使用关系型数据库实现业务数据存储的过程中，常常有一些业务逻辑需要直接 用写s q l 语句实现，但这样开发的结果是：遍地布满s q l 语句。这些高耦合的s q l 语句给系统的改造和升级带来很多无法预计的障碍。为了提高项目的灵活性，特别是 快速开发，o r m 是一个不错的选择。举个简单的例子：在使用o r m 的系统中，当 9 第二章o r m 技术及n h i b e r n a t e 研究基于n h i b e r n a t e 的实验室信息管理系统的设计与实现 数据库模型改变时，不再需要理会逻辑代码和s q l 语句中涉及到该模型的所有改动， 只需要将该模型映射的对象稍作改动，甚至不做改动就可以满足要求。 o r m 框架涉及的技术主要有【蚓： 1 透明的持久对象层( t r a n s p a r e n tp e r s i s t e n tl a y e r ) 采用o r m 方法要求在软件设计中首先要分析问题域，找出所有问题域中相关事 物，从中抽象出对象；然后从抽象出的对象中找出所有的持久对象( ( p o p e r s i s t e n t o b j e c t ) ，所谓持久对象就是由数据库管理系统负责管理的，可以永久保留，将来可 被提取的对象，将这些持久对象以“一类一表格”的原则映射到数据库中，通过数据 库管理系统建立表格；然后定义持久对象，所有持久对象均采用“双构造函数”的方 法在程序中进行构造，其中，一个构造函数参数为所有初始化该持久对象的值，封装 数据模块中“存”操作，另一个构造函数的参数为唯一标识该持久对象的值，封装数 据模块中“取”操作。其它数据库操作由持久对象相应方法封装，所有与数据库层发 生交互的动作，均放在专门的数据模块中，由中间层持久对象相应方法封装，做到数 据与界面的分离。最后就是定义其它非持久对象，具体软件功能由相应对象协同实现。 2 客户端应用对象空间与数据库服务器端元组空间的映射 0 0 方法涉及到对象空间的概念，所谓对象空间( o b j e c ts p a c e ) 是指所有基于一 定模式的对象的集合，理想的对象空间是相互独立而没有关联的，每个应用程序可以 包括所属对象空间所有对象且相互独立。但在c s 或b s 模式中，真正的对象空间位 于服务器中，如果仍然要求每个应用客户程序独占对象空间就会造成在一个应用程序 访问服务器时与其它应用程序只能互斥进行。通常的解决办法是每个客户端应用程序 所占有的对象空间作为服务器对象空间的副本，而整个客户端应用对象空间的集合即 构成整个或部分的服务器对象空间。 3 引用完整性 在0 0 模型中对象可以仅仅看作是类的简单实例，但在规范化的数据库模式中问 题就远没有那么简单。这是因为对象间存在着复杂的关系，这些关系包括关联，聚集 和组成。利用0 0 模型可以简单建立的这些关系，在关系数据库中就需要耗费大量的 时间和精力来维护，并带来了极大的复杂性。例如，在对象模型中简单的多对多关系 在关系数据库中就可能需要复杂的外键管理策略。在j a v a 行时系统中，只要至少有 一个对象引用，j a v a 对象就会存在，这就是我们熟悉的j a v a 垃圾收集。然而，持久 1 0 基于n h i b e r n a t e 的实验室信息管理系统的设计与实现第二章o r m 技术及n h i b e r n a t e 研究 性对象通常是显式的删除。关系数据库长期以来有自己的机制，避免外键引用不存在 的主键。将这2 种观点组合起来就是o r m 需要解决的问题，通过显式支持关系引用 完整性限制，并在需要的时候执行正确的语句顺序，或者通过支持级联删除选项，可 以解决这个问题。 4 唯一性鉴别 0 0 模型中的对象都必须有自己的唯一的对象标识符以区别于其他对象。以j a v a 对象为例，在某个j a v a 虚拟机中的j a v a 对象是通过在某确定时刻该对象的引用来区 别于其他对象。两个对象可以拥有相同的状态，但他们必须具有不同的对象标识符。 同样的，关系数据库中的行之间必须可以相互区分，而这种区分是通过每个数据库表 中的行必须具有的唯一不重复且不为空的主键来进行的。我们面临的问题是如何在关 系数据库中表示对象的唯一性，即如何在数据库表的主键与对象标识符之间建立映 射。 在实际应用程序中，一般不要用任何与业务相关的对象属性作为数据库中的主 键，因为这样只会带来麻烦。主键值应该是一个对象独一无二、不可变更的身份标识， 而那些业务相关的身份标志都是可能变更的，只是目前的业务或许不允许它变更而 己。比如，如果一个居民登记系统用身份证号码作为主键，当身份证号码从1 5 位升 级到1 8 位时，将会带来很大的麻烦。所以，当要实现对象关系映射时，应该使用代 理主键，即没有业务含义的主键。代理主键更加容易处理，并且可以产生更好的性能， 以及不受业务规则变化的影响。 主键的生成是我们面临的另一个问题，用于主键生成的策略通常有如下两种： ( 1 ) 在程序语言中生成一个唯一的d 在这种方法中，代理主键的生成完全是在数据库外部进行的。可以使用这样一个 算法：它保证每当一个键生成时，这个键都是唯一的。这样的算法通常都基于一个随 机数、系统时间和服务器的p 地址的一种组合。在程序语言中生成一个唯一d 由于 与数据库无关所以是快速和可移植的。但是，它有一些缺点： ( a ) 它生成很长的键，无论该表将保存多少行； ( b ) 键是字符串，不是数，因而可能会使数据库中的索引变得复杂； ( c ) 键不是顺序的。这种方法忽略了数据库的能力，并硬要在程序语言能力弱 的地方使用它，是复杂、低效率的方法。 第二章o r m 技术及n h i b e r n a t e 研究基于n h i b e r n a t e 的实验室信息管理系统的设计与实现 ( 2 ) 使用一个生成主键的存储过程或其他数据库特有手段生成唯一d 在这种方法中，代理主键的生成通过自增列或其他数据库特有方法来解决。由于 主键的创建是一个根本的数据库问题，所以每个数据库都提供了一种在多个用户创建 行时最大限度地减少争用的快速方法。这种方法充分利用了数据库的能力，从而消除 了程序语言中生成唯一d 所固有的缺点，是简单、高效、低消耗的方法。它的缺点 是：由于利用了数据库特有手段而不具有好的可移植性。但是可以通过在软件应用中 精心的设计来提供在不同数据库间的移植性。 2 1 2o r m 优缺点 1 使用o r m 带来以下几点好处： ( 1 ) 提高系统性能，通过c a c h e 的实现，能够对性能进行调优，实现了o r m 区隔了实际数据存储层和业务逻辑层之间的关系，能够对每一层进行单独跟踪，增加 了性能优化的可能。 ( 2 ) 使业务层能够以面向对象的方式操纵数据，可以直接处理业务对象。这样， 业务层中的代码编写不用操心s q l 语句以及底层存储方式，极大地简化了代码，提 高了开发效率，对于日后的维护以及扩展都带来极大的便利。 ( 3 ) 隔离数据源，可以很方便地转换数据库由于o r m 将业务层与数据库层分 开，程序员不用关心实际存储的方式，如果我们需要把后台数据库由s q l s e r v e r 数据 库换为o r a c l e 数据库，按照传统方式需要做大规模的修改，而使用o r m 则只需 要修改相应的配置文件而不需要修改程序。 2 使用o r m 需要注意一下问题： ( 1 ) 屏蔽了底层使得我们无法针对具体数据源做优化。关系数据库有着三十年 的发展经验，其对数据源的优化远不是o r m 能够相比的，因此，o r m 简化了数据 库访问的同时，使得我们不能像优化s q l 一样来优化o r m ，这样在性能方面会受到 影响，尤其是在应用规模逐渐膨胀的情况下。 ( 2 ) 缓存策略存在缺陷。条件查询的时候，如果查询关键字已经存在于缓存， 那么不需要再查询数据库。但是，如果有任何一条记录发生变化，那么缓存中所有和 该表相关的查询关键字都会失效。 1 2 基于n t t