高等級(jí)病原微生物實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)協(xié)同系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

李江域　王小磊　張惟　趙四清　趙東升

摘要：為了解決高等級(jí)病原微生物實(shí)驗(yàn)室之間的管理和協(xié)同工作，國(guó)家科技部提出了研究制定高等級(jí)病原微生物實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)協(xié)同系統(tǒng)的任務(wù)。該文講述了網(wǎng)絡(luò)協(xié)同系統(tǒng)的研究目標(biāo)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)闡述了網(wǎng)絡(luò)協(xié)同系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)。系統(tǒng)架構(gòu)采用分層設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，由服務(wù)層、應(yīng)用展現(xiàn)層、應(yīng)用支持層、數(shù)據(jù)層、基礎(chǔ)設(shè)施層組成，同時(shí)還包括信息標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系和安全防護(hù)體系。該文詳細(xì)說(shuō)明論述了總體架構(gòu)的各個(gè)組成層次及其功能與作用。通過(guò)系統(tǒng)架構(gòu)和技術(shù)架構(gòu)的設(shè)計(jì)，為開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)協(xié)同系統(tǒng)提供了理論基礎(chǔ)和開(kāi)發(fā)技術(shù)路徑。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)協(xié)同；生物安全實(shí)驗(yàn)室；架構(gòu)設(shè)計(jì)；信息系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：R318.04 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）10-0023-02

Abstract： In order to solve the management and collaborative work between high-level pathogenic microbiology laboratories， the Ministry of Science and Technology has proposed the task of researching and developing a high-level laboratory network collaborating system for pathogenic microbiology laboratories. This article describes the research objectives of the network collaborative system， the design principles of the system， the functional structure of the system， and focuses on the system architecture of the network collaborative system. The system architecture is designed using a hierarchical design method and it consists of a service layer， an application presentation layer， an application support layer， a data layer， and an infrastructure layer. It also includes an information standard specification system and a security protection system. This article explains in detail the various components of the overall architecture and their functions and roles. Through the design of system architecture and technology architecture， it provides a theoretical basis and a development technology path for the development of laboratory network collaborative systems.

Key words： network collaboration； biosecurity laboratory； architecture design；information system

高等級(jí)病原微生物實(shí)驗(yàn)室對(duì)國(guó)家的生物安全戰(zhàn)略有著非常重要的支撐作用。目前，我國(guó)通過(guò)合作引進(jìn)和自行建設(shè)相結(jié)合的方式，建成運(yùn)行了一批高等級(jí)病原微生物實(shí)驗(yàn)室。由于高等級(jí)生物安全實(shí)驗(yàn)室在國(guó)內(nèi)屬于新生事物，尚未有相關(guān)的實(shí)驗(yàn)室信息系統(tǒng)。同時(shí)，有能力建設(shè)高等級(jí)病原微生物實(shí)驗(yàn)室及其信息系統(tǒng)的發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)我國(guó)實(shí)行技術(shù)封鎖，使得國(guó)內(nèi)的實(shí)驗(yàn)室無(wú)法直接購(gòu)買使用相關(guān)信息系統(tǒng)，也無(wú)法借鑒進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

為此，國(guó)家科技部在2016年度重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃中設(shè)立了高等級(jí)病原微生物實(shí)驗(yàn)室的信息系統(tǒng)研發(fā)項(xiàng)目[1]。該項(xiàng)目的主要目標(biāo)是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)協(xié)同系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)各實(shí)驗(yàn)室的信息管理協(xié)同與數(shù)據(jù)共享，為管理人員查看統(tǒng)計(jì)信息、協(xié)同工作實(shí)驗(yàn)室之間溝通協(xié)作和分享實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提供支持。

1 系統(tǒng)研究目標(biāo)

系統(tǒng)通過(guò)對(duì)生物安全實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)協(xié)同流程、模型和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)行深入研究，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)能實(shí)現(xiàn)管理部門與實(shí)驗(yàn)室、實(shí)驗(yàn)室間協(xié)同工作的網(wǎng)絡(luò)協(xié)同系統(tǒng)。

系統(tǒng)的功能主要有：

1）管理部門對(duì)實(shí)驗(yàn)室的任務(wù)下達(dá)、任務(wù)管理、任務(wù)監(jiān)控，實(shí)驗(yàn)室對(duì)任務(wù)的反饋、結(jié)果上報(bào)；

2）實(shí)驗(yàn)室間的任務(wù)協(xié)作，資源共享、視音頻會(huì)議溝通；

3）通過(guò)制定數(shù)據(jù)信息標(biāo)準(zhǔn)、接口標(biāo)準(zhǔn)，與實(shí)驗(yàn)室其他信息系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接和互聯(lián)互通；

4） 構(gòu)建良好的系統(tǒng)安全防護(hù)體系，保證信息的安全。

2 設(shè)計(jì)原則

為了使網(wǎng)絡(luò)協(xié)同系統(tǒng)既能滿足現(xiàn)階段的需求，又可根據(jù)應(yīng)用的變化方便快捷的升級(jí)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)應(yīng)采用當(dāng)前計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的主流技術(shù)，技術(shù)先進(jìn)且被行業(yè)認(rèn)可的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，還注意以下原則：

1）充分利用原有的信息系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)資源，提供可以與現(xiàn)有業(yè)務(wù)系統(tǒng)良好銜接的接口。

2）具備可擴(kuò)充性及版本兼容性，能夠比較便捷進(jìn)行功能模塊的調(diào)整，增加和刪減；具有與其他系統(tǒng)進(jìn)行集成的能力，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間的信息傳遞與共享。

3）保證各類事務(wù)大數(shù)據(jù)量處理的高效性，數(shù)據(jù)的查詢和更新等操作能夠在較短的時(shí)間內(nèi)迅速完成。

4）系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)注重用戶界面的友好性，簡(jiǎn)潔活潑，美觀實(shí)用，提示準(zhǔn)確。

3 系統(tǒng)功能

網(wǎng)絡(luò)協(xié)同系統(tǒng)功能分為任務(wù)管理功能、業(yè)務(wù)協(xié)同功能和系統(tǒng)管理維護(hù)功能。

3.1 任務(wù)管理功能

任務(wù)管理是網(wǎng)絡(luò)協(xié)同系統(tǒng)的主要功能之一，其檢測(cè)任務(wù)管理業(yè)務(wù)功能主要包括：任務(wù)建立、任務(wù)單位選擇、任務(wù)樣本采集與追蹤、任務(wù)過(guò)程監(jiān)管、任務(wù)結(jié)果提交、任務(wù)結(jié)果反饋等環(huán)節(jié)；任務(wù)輔助決策功能包括：實(shí)驗(yàn)室設(shè)備儀器統(tǒng)計(jì)、設(shè)備儀器使用負(fù)載情況和實(shí)驗(yàn)室歷史檢測(cè)任務(wù)完成情況。

3.2 業(yè)務(wù)協(xié)同功能

業(yè)務(wù)協(xié)同功能包括數(shù)據(jù)共享、團(tuán)隊(duì)文檔協(xié)同管理、組織間視音頻會(huì)議管理等功能。

3.3 系統(tǒng)管理維護(hù)功能

系統(tǒng)管理維護(hù)功能主要包括系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理功能、系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控功能、用戶授權(quán)與系統(tǒng)角色管理，確保信息系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4 總體框架設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)采用分層設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)抓取、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等功能，便于管理人員查看統(tǒng)計(jì)信息、協(xié)同工作實(shí)驗(yàn)室分享實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。根據(jù)用戶的實(shí)際需求，結(jié)合信息化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，系統(tǒng)的整體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示：

4.1.1 服務(wù)層。服務(wù)層是系統(tǒng)的統(tǒng)一門戶平臺(tái)入口，用戶通過(guò)平臺(tái)入口登錄系統(tǒng)，進(jìn)入系統(tǒng)后根據(jù)權(quán)限分配可控制不同的應(yīng)用模塊。

4.1.2 應(yīng)用展現(xiàn)層。應(yīng)用展現(xiàn)層是系統(tǒng)最重要的組成部分，根據(jù)系統(tǒng)的具體功能進(jìn)行劃塊設(shè)置，滿足用戶的所有網(wǎng)絡(luò)協(xié)同需求。目前提供5類主要功能，包括任務(wù)輔助決策、檢測(cè)任務(wù)管理、實(shí)驗(yàn)室管理、協(xié)同交流、系統(tǒng)管理。

4.1.3 應(yīng)用支持層。應(yīng)用支撐層為底層基礎(chǔ)平臺(tái)，為系統(tǒng)的應(yīng)用服務(wù)提供基礎(chǔ)服務(wù)，應(yīng)用模塊基于此層進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。應(yīng)用支撐層集成了部件化的六個(gè)核心工作平臺(tái)即應(yīng)用中間件、消息中間件、工作流引擎、智能表單引擎、統(tǒng)一身份認(rèn)證及擴(kuò)展接口。

1）應(yīng)用中間件與各類外部系統(tǒng)進(jìn)行交互，保證數(shù)據(jù)采集、傳遞、共享交互過(guò)程中的安全性。

2）消息中間件用于構(gòu)建實(shí)時(shí)的業(yè)務(wù)功能平臺(tái)，包括數(shù)據(jù)集成和轉(zhuǎn)換、業(yè)務(wù)過(guò)程協(xié)調(diào)、大范圍的信息傳遞、用戶通知和系統(tǒng)監(jiān)督管理等功能。

3）工作流引擎用于實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)任務(wù)流程管理。

4）智能表單引擎用于實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)分析、報(bào)表自動(dòng)生成等。

5）統(tǒng)一身份認(rèn)證是為了實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的權(quán)限管理及用戶身份管理。

6）擴(kuò)展接口是面向各部門程序員進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的平臺(tái)，可提供便捷的方式接受部門程序的指令，查詢系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，并將結(jié)果反饋給部門程序。

4.1.4 數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層為系統(tǒng)提供重要的數(shù)據(jù)支撐，包括兩類數(shù)據(jù)庫(kù)：各個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)與存儲(chǔ)各業(yè)務(wù)基礎(chǔ)信息的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)。另外，還包含信息以及數(shù)據(jù)交換過(guò)程中產(chǎn)生的其他中間信息等。

4.1.5 基礎(chǔ)設(shè)施層?；A(chǔ)設(shè)施層為系統(tǒng)提供軟硬件支撐，包括主機(jī)、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)、中間件等。

4.1.6 信息標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。信息標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系包括基礎(chǔ)類標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)類標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)類標(biāo)準(zhǔn)和管理類標(biāo)準(zhǔn)四個(gè)部分，用于統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)協(xié)同系統(tǒng)與其他實(shí)驗(yàn)室信息系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)格式，方便彼此互聯(lián)互通和數(shù)據(jù)交換。

4.1.7 安全保障體系。安全保障體系包括物理安全、網(wǎng)絡(luò)安全、系統(tǒng)安全、應(yīng)用安全和數(shù)據(jù)安全五個(gè)方面，用于保障系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行，防止業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的丟失、損壞和黑客的攻擊、破壞[2]。

4.2 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同系統(tǒng)的跨平臺(tái)運(yùn)行、快捷開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。經(jīng)過(guò)綜合比較，系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言選擇JAVA，開(kāi)發(fā)框架采用基于JAVA的J2EE的三層架構(gòu)體系。J2EE通過(guò)提供用戶計(jì)算環(huán)境所必需的各種服務(wù)，使得部署在J2EE平臺(tái)上的多層應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)高可用性、安全性、可擴(kuò)展性和可靠性[3]。

技術(shù)架構(gòu)具體介紹如下：

1）業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)采用JBase基礎(chǔ)平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)和擴(kuò)展。JBase是JavaScript 的擴(kuò)展庫(kù)[4]，它的語(yǔ)法比較簡(jiǎn)潔易懂，基于它更容易實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同系統(tǒng)頁(yè)面的交互功能。

2）框架采用流行SSM[5]集成框架，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和流暢性。SSM框架，是Spring + Spring MVC + MyBatis的縮寫(xiě)，它是目前比較主流的Java EE企業(yè)級(jí)框架，適用于搭建大型應(yīng)用系統(tǒng)基礎(chǔ)。

3）底層數(shù)據(jù)庫(kù)采用MySQL[6]。MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)是最受歡迎的開(kāi)源數(shù)據(jù)庫(kù)之一，有著非常好的可靠性和穩(wěn)定性，它完全可以滿足本系統(tǒng)的性能需求和擴(kuò)展需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

該文主要設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的整體框架，力爭(zhēng)能夠全面的闡述系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)、組成層次以及各層之間的關(guān)系；設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的技術(shù)框架，明確了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具和使用的軟件。系統(tǒng)整體框架和技術(shù)框架的完成，為系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和實(shí)現(xiàn)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。由于網(wǎng)絡(luò)協(xié)同系統(tǒng)還處于探索階段，系統(tǒng)的功能和架構(gòu)還可能存在不完善之處，后期的開(kāi)發(fā)工作要依據(jù)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)建設(shè)原則進(jìn)行，以便系統(tǒng)的升級(jí)完善能夠順利快速完成。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 馮登國(guó)， 孫銳， 張陽(yáng). 信息安全系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[M]. 北京： 清華大學(xué)出版社， 2008： 18-23.

[3] J2EE全面簡(jiǎn)介[EB/OL]. Http：//www.ibm.com/developerworks/cn/java/j2ee/.

[4] javascript擴(kuò)展庫(kù)JBase[EB/OL]. Http：//www.oschina.net/p/JBase.

[5] JAVA 小白啟蒙篇： 第一個(gè) SSM 框架搭建示例[EB/OL].Https：//hacpai.com/article/1470110280017.

[6] MySQL官網(wǎng)[EB/OL]. Https：//www.mysql.com/.