基于智能化集成設(shè)備的醫(yī)院大數(shù)據(jù)信息化云測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

談?dòng)榔?，王換換，陽 媛，張 鑫

(1.中國人民解放軍第71集團(tuán)軍醫(yī)院，江蘇 徐州 221004；2.徐州醫(yī)科大學(xué) 醫(yī)學(xué)信息與工程學(xué)院，江蘇 徐州 221000；3.東南大學(xué) 儀器科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210018；4.中國人民解放軍陸軍第72集團(tuán)軍醫(yī)院，浙江 湖州 313000)

0 引言

信息技術(shù)的快速發(fā)展使得軟硬件系統(tǒng)的應(yīng)用規(guī)模得到了大幅擴(kuò)增，面對(duì)各類功能復(fù)雜、規(guī)模龐大的軟件系統(tǒng)，急需一種可靠且有效的軟硬件測試方法。軟件測試是軟件生命周期中一項(xiàng)關(guān)鍵且繁瑣的工作，對(duì)于保證軟件的可靠性有著極為重要的意義。在當(dāng)前單純形式化方法和程序正確性證明技術(shù)尚不能作為實(shí)用性手段的情況下，軟件測試技術(shù)在未來相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)仍將是軟件可靠性保證的最有效方法之一[1-4]。軟件測試貫穿整個(gè)軟件開發(fā)周期，在開發(fā)成本中占據(jù)很大比重[5]。因此，如何在提升軟件性能的同時(shí)降低測試成本是軟件測試面臨的主要問題[6]。

當(dāng)前已出現(xiàn)大量通用性的軟件測試平臺(tái)[7-11]，這些平臺(tái)在金融、教育、生物、計(jì)算機(jī)工程等領(lǐng)域的應(yīng)用中取得了一定效果，但由于醫(yī)院信息管理系統(tǒng)存在特殊性，具有子系統(tǒng)多、處理的數(shù)據(jù)復(fù)雜等特點(diǎn)，通用性軟件測試平臺(tái)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用中難以實(shí)現(xiàn)較優(yōu)的效果，主要存在以下幾點(diǎn)問題：首先，通用性的軟件測試平臺(tái)缺乏軟硬件協(xié)同測試功能?，F(xiàn)有的測試平臺(tái)大多偏向于單方面軟件測試或硬件測試，無法實(shí)現(xiàn)軟硬件測試聯(lián)調(diào)。其次，大多數(shù)的軟件測試平臺(tái)依賴于人工操作，部分測試平臺(tái)仍然完全需要依靠個(gè)別專家的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行評(píng)測，測試結(jié)果缺乏客觀性并且測試效率低。最后，現(xiàn)有的測試平臺(tái)無法滿足醫(yī)療行業(yè)的特殊需求，無法有效幫助醫(yī)療行業(yè)實(shí)現(xiàn)信息化建設(shè)。

考慮到目前醫(yī)療行業(yè)的特殊性，綜合了當(dāng)前軟件測試平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)，該文設(shè)計(jì)了一種基于智能化集成設(shè)備的醫(yī)院大數(shù)據(jù)信息化云測試系統(tǒng)，旨在解決軟件投入前的在線測試問題，改善當(dāng)前測試軟件普遍存在的高功耗、高成本問題，構(gòu)建兼容性強(qiáng)、運(yùn)行成本低、測試功能完善的云端軟件測試平臺(tái)。該系統(tǒng)利用多目標(biāo)優(yōu)化技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)方法，通過虛擬仿真平臺(tái)以云測試的形式對(duì)軟件運(yùn)行效率、可行性、安全性等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)測，并且能夠根據(jù)結(jié)果提出修正意見，最終從多方面給出測試結(jié)果以供醫(yī)院選擇競標(biāo)軟件。

1 系統(tǒng)開發(fā)工具

1.1 編程語言

該文所開發(fā)的醫(yī)院大數(shù)據(jù)信息化云測試系統(tǒng)主要涉及到網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)器和云測試系統(tǒng)兩方面的設(shè)計(jì)，針對(duì)這兩部分，該文分別采用Java語言及Python語言進(jìn)行編寫開發(fā)。Java語言具有面向?qū)ο?、類庫豐富、安全性高且編譯系統(tǒng)使用范圍更廣等特點(diǎn)，使用Java語言編寫的服務(wù)器可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定地傳送遠(yuǎn)程通信文件以及用戶擁有多通信通道服務(wù)目標(biāo)，因此，為了本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)這兩個(gè)目標(biāo)，選擇Java語言研發(fā)網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)器。Python語言是一種功能強(qiáng)大而完善的通用型語言，具有可移植性、可擴(kuò)展性、可開發(fā)性等特點(diǎn)，具備可定義的第三方代碼庫，能夠處理文檔生成、單元測試、線程、數(shù)據(jù)庫、CGI、密碼系統(tǒng)、Tk和其他與系統(tǒng)設(shè)計(jì)有關(guān)的操作，非常適合智能化軟件測試系統(tǒng)的開發(fā)。因此，該文選擇Python語言參與云測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。

1.2 開發(fā)平臺(tái)

醫(yī)院云測試系統(tǒng)的開發(fā)主要基于已開發(fā)的MNSS(medical network system simulator)平臺(tái)，該平臺(tái)是集教學(xué)、科研、工程為一體的科研創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)，整合了eve-ng、GNS3 GUI、Dynamips、Dynagen、QEMU、GNU Health、OpenLIS、OpenSourcePACS等眾多優(yōu)秀開源的底層軟件，實(shí)現(xiàn)了構(gòu)建、設(shè)計(jì)和測試醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)的虛擬仿真環(huán)境，能夠?qū)Ω黝惥W(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)進(jìn)行虛擬仿真。MNSS平臺(tái)可以提供簡單便捷的方法來設(shè)計(jì)和模擬任意規(guī)模的醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，能夠橋接到真實(shí)網(wǎng)絡(luò)，可以作為醫(yī)院測試與部署新系統(tǒng)、完成網(wǎng)絡(luò)改造、快速排查網(wǎng)絡(luò)故障的有效工具。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)分析

為了滿足醫(yī)院信息系統(tǒng)的軟硬件測試需求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)需實(shí)現(xiàn)以下幾點(diǎn)目標(biāo)：

1)精準(zhǔn)性：當(dāng)前多數(shù)軟件測試平臺(tái)依賴專家個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，測試結(jié)果極有可能存在主觀誤差。因此，在設(shè)計(jì)軟硬件測試系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)考慮測試結(jié)果的客觀準(zhǔn)確性，使得結(jié)果具有更高的可信度和可利用性。

2)實(shí)用性：為滿足用戶進(jìn)行軟硬件聯(lián)合測試的需求，測試平臺(tái)需要提供關(guān)于聯(lián)合測試流程的介紹和指導(dǎo)。因此，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)選擇更具普適性的設(shè)計(jì)模式，在實(shí)現(xiàn)過程中應(yīng)注意代碼文件的命名規(guī)范、代碼排版以及代碼層次，提高平臺(tái)的實(shí)用性及可擴(kuò)展性。

3)魯棒性：當(dāng)需要測試的軟硬件數(shù)量達(dá)到一定級(jí)別時(shí)，系統(tǒng)需要維持正常、有效、穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，并具備異常捕獲及處理機(jī)制。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)增強(qiáng)系統(tǒng)的應(yīng)急處理能力并提高系統(tǒng)的工作負(fù)載閾值，使系統(tǒng)能夠在不同情況下保持穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。

2.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能分析

為在充分利用現(xiàn)有資源的同時(shí)減少軟件測試工作人員的任務(wù)量，參考實(shí)際測試步驟，系統(tǒng)設(shè)計(jì)需實(shí)現(xiàn)以下功能：

1)能夠自動(dòng)顯示內(nèi)置的功能模塊，即用戶無需定義新的測試頁面。

2)能夠滿足不同用戶測試需求，實(shí)現(xiàn)面向用戶的個(gè)性化設(shè)置管理和調(diào)用功能。

3)自動(dòng)生成測試報(bào)告。

2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

該文提出的基于智能化集成設(shè)備的云測試系統(tǒng)架設(shè)在已開發(fā)的MNSS平臺(tái)中(能夠構(gòu)建服務(wù)器集群，提供計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、網(wǎng)絡(luò)資源)，該云測試系統(tǒng)為滿足不同使用者需求，內(nèi)置兩種功能模塊。一方面，本系統(tǒng)可以通過梳理相關(guān)軟硬件系統(tǒng)信息并優(yōu)化虛擬仿真模塊，構(gòu)建場景庫標(biāo)準(zhǔn)組件，搭建適應(yīng)性模塊。醫(yī)院方可以按照導(dǎo)入流程和角色操作示意圖將所在醫(yī)院相關(guān)軟件和硬件設(shè)備導(dǎo)入到平臺(tái)中進(jìn)行測試。云端根據(jù)測試流程對(duì)軟硬件進(jìn)行評(píng)估，同時(shí)給出測試報(bào)告。醫(yī)院方可以在移動(dòng)終端中查看測試結(jié)果，為下一步?jīng)Q策做準(zhǔn)備。另一方面，本系統(tǒng)可以測試出不同醫(yī)院信息系統(tǒng)之間的兼容性?？尚湃蔚谌娇梢岳肕NSS平臺(tái)，首先選擇一些典型醫(yī)院，對(duì)醫(yī)院環(huán)境建立模型，分別構(gòu)建通用型場景庫、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備場景庫、醫(yī)院系統(tǒng)場景庫和橋接場景庫，并將已構(gòu)建的場景庫保存為模板。然后將所有需要測試的場景庫輸入至MNSS虛擬仿真平臺(tái)中，并且保存得到的測試結(jié)果，再通過機(jī)器學(xué)習(xí)方法評(píng)估測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。最后，可信任第三方只有得到具備了高度準(zhǔn)確性的測試結(jié)果時(shí)，才能夠?qū)嶋H部署并上線醫(yī)院信息化軟件測試平臺(tái)。云測試系統(tǒng)的具體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2.4 硬件設(shè)計(jì)

基于智能化集成設(shè)備的云測試系統(tǒng)利用Linux操作系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)研發(fā)，采用LabVIEW開發(fā)環(huán)境控制數(shù)據(jù)和通信，并且利用I/O設(shè)備給用戶提供內(nèi)存、文件和進(jìn)程管理以及接口調(diào)用等服務(wù)。該系統(tǒng)的使用對(duì)象除了醫(yī)院方之外，還包括可信任第三方，在設(shè)計(jì)智能化集成終端時(shí)，為滿足不同使用對(duì)象的需求，而提供個(gè)性化智能終端。智能化集成終端內(nèi)置了多源信息資源數(shù)據(jù)分析、用戶評(píng)估和獨(dú)立運(yùn)營模塊，采用了嵌入式系統(tǒng)對(duì)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、挖掘和特征提取。嵌入式系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集選擇IEEE 829標(biāo)準(zhǔn)下的Bus采集機(jī)制，數(shù)據(jù)挖掘過程在采集結(jié)束之后根據(jù)采集結(jié)果進(jìn)行分析。另外，嵌入式系統(tǒng)在開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，保留了程序加載、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、交叉編譯和網(wǎng)絡(luò)通信模塊，這些模塊能夠提高測試速度，節(jié)省測試成本，實(shí)現(xiàn)高運(yùn)行效率以及高質(zhì)量測試目標(biāo)。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思想如圖2所示。

圖2 集成化終端

此外，MNSS集群安裝有原始的MNSS系統(tǒng)；云端機(jī)的硬件采用樹莓派的3B+，同時(shí)安裝開源瘦客戶機(jī)軟件Thinstaiton作為云端機(jī)，本地操作臺(tái)或者遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)都可以通過云端機(jī)訪問到MNSS集群中的各個(gè)子系統(tǒng)；本地操作臺(tái)通過KVM在MNSS集群和云端機(jī)中間進(jìn)行切換。MNSS集群的每臺(tái)設(shè)備選型如表1所示。

表1 MNSS集群單臺(tái)設(shè)備選型

2.5 軟件設(shè)計(jì)

2.5.1 云端架構(gòu)設(shè)計(jì)

該文提出的軟件測試平臺(tái)采用前后端分離模式。兩端均采用較新的語言框架進(jìn)行開發(fā)，前端采用angular.js框架進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，后端使用Spring boot框架進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)。另外，該文在測試框架時(shí)，選擇Java語言進(jìn)行智能化軟硬件檢測，利用Maven部署項(xiàng)目并且利用mybatis持久層構(gòu)建項(xiàng)目，同時(shí)選擇mysql開源軟件對(duì)醫(yī)療大數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。

2.5.2 集群管理設(shè)計(jì)

云測試表示的是以云計(jì)算技術(shù)為基礎(chǔ)而形成的一種全新的軟件測試方式，已經(jīng)成為當(dāng)前主流的測試方法。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，需要解決任務(wù)調(diào)度問題以發(fā)揮云測試的最大效用。任務(wù)調(diào)度是操作系統(tǒng)的重要組成部分，直接影響系統(tǒng)性能，十分關(guān)鍵，因此，如何進(jìn)行任務(wù)調(diào)度是當(dāng)前亟待考慮的問題。傳統(tǒng)資源調(diào)度方法需要根據(jù)不同的資源建立不同的模型來完成計(jì)算任務(wù)。而該文為了提高資源配置效率，利用遷移學(xué)習(xí)方法和自適應(yīng)模糊推理算法來解決動(dòng)態(tài)資源配置問題，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，該文提出的方法取得了良好的效果。

在預(yù)測CPU、內(nèi)存及其他資源時(shí)，利用自然語言處理技術(shù)，進(jìn)行指令代碼的特征提取，并使用PCA算法對(duì)高維屬性進(jìn)行降維，假設(shè)指令有n個(gè)特征向量X1,X2,…,Xn，通過PCA算法能夠得到Y(jié)1,Y2,…,Ym(m

(1)

(2)

遷移學(xué)習(xí)算法通過將已獲得的特征知識(shí)運(yùn)用到其他資源的模型訓(xùn)練中，是在有限數(shù)據(jù)量和通信成本內(nèi)快速建立同類預(yù)測模型的較佳方法，遷移學(xué)習(xí)的關(guān)鍵是確定遷移特征。使用高斯混合模型(GMM)來首先描述不同資源的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(比如CPU和內(nèi)存)，如果源域(CPU)和目標(biāo)域(內(nèi)存)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)非常相似，這意味著集群的數(shù)量相同，則源域和目標(biāo)域之間存在很強(qiáng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系?；谠从驍?shù)據(jù)，用公式(3)構(gòu)建源域預(yù)測模型：

(3)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)設(shè)計(jì)的基于智能化集成設(shè)備的醫(yī)院大數(shù)據(jù)信息化云測試系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)測試，測試過程如圖3所示，具體步驟如下：

圖3 系統(tǒng)測試示意圖

首先，用戶可以將智能終端收集的數(shù)據(jù)通過開源軟件構(gòu)成的云端機(jī)輸入平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)IP地址與平臺(tái)建立連接，或者通過交換網(wǎng)絡(luò)連接至MNSS集群。

然后，由MNSS平臺(tái)接收到用戶發(fā)出的具體測試需求之后，對(duì)任務(wù)進(jìn)行劃分，按照既定標(biāo)準(zhǔn)分配給各個(gè)子系統(tǒng)。子系統(tǒng)分別完成軟件或硬件對(duì)應(yīng)相關(guān)指標(biāo)測試之后，將測試結(jié)果保存至終端。

最后，對(duì)內(nèi)置了資源優(yōu)化算法的云測試平臺(tái)進(jìn)行性能測試及結(jié)果分析。圖4是經(jīng)過了231個(gè)硬件測試及106個(gè)軟件測試的結(jié)果示意圖，由于系統(tǒng)使用了集群管理的資源調(diào)優(yōu)化算法，系統(tǒng)能夠彈性增加CPU及內(nèi)存等計(jì)算資源，始終保持良好的計(jì)算性能。此外，圖4還顯示了系統(tǒng)實(shí)時(shí)資源預(yù)測結(jié)果，并與實(shí)際使用的資源相比較，預(yù)測結(jié)果與實(shí)際負(fù)載相差較少，基本能夠滿足系統(tǒng)的資源配置需求。

圖4 系統(tǒng)測試結(jié)果及界面顯示

該系統(tǒng)支持遠(yuǎn)端協(xié)作方式與云端機(jī)建立連接。與傳統(tǒng)的測試方式比較，從測試連接方式方面而言，該文開發(fā)的云測試系統(tǒng)連接方式多樣，且較為靈活。對(duì)于相同量的測試任務(wù)，本系統(tǒng)不需要花費(fèi)大量投資應(yīng)用于測試軟件之中，測試成本明顯減少。另外，測試任務(wù)提交之后，不論是通過哪種方式連接系統(tǒng)的用戶(醫(yī)院方或可信任第三方)只需要等待一段時(shí)間就能得到軟硬件測試結(jié)果報(bào)告，測試效率明顯提高。分析結(jié)果表明該系統(tǒng)穩(wěn)定良好，能夠滿足醫(yī)院軟硬件測試需求。

4 結(jié)束語

云測試是建立在云計(jì)算基礎(chǔ)之上，并通過搭載測試相關(guān)的軟硬件、系統(tǒng)、運(yùn)行環(huán)境等資源，為用戶提供的一種在線測試服務(wù)。云測試技術(shù)的出現(xiàn)拓寬了現(xiàn)有的測試平臺(tái)應(yīng)用途徑，在當(dāng)前軟硬件運(yùn)用規(guī)模日益擴(kuò)大的趨勢下，必然會(huì)成為未來主流的軟件測試方式。該文以云端測試技術(shù)為依托，設(shè)計(jì)了一種基于智能化集成設(shè)備的醫(yī)院大數(shù)據(jù)信息化云測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠有效完善醫(yī)學(xué)信息相關(guān)軟硬件的測試過程，并按照模塊化和分離化的設(shè)計(jì)思路，采用面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)，具有高度復(fù)用性和擴(kuò)展性，且易于維護(hù)、修改和測試。同時(shí)，該系統(tǒng)以降低運(yùn)行成本和實(shí)現(xiàn)測試自動(dòng)化為目標(biāo)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)以及遷移學(xué)習(xí)方法建立多種資源的預(yù)測模型，有效提高了系統(tǒng)資源配置的效率和精度。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)不但能夠保證測試結(jié)果的穩(wěn)定性和有效性，大大節(jié)省了測試成本，而且與其他針對(duì)醫(yī)療大數(shù)據(jù)的同類型架構(gòu)測試平臺(tái)相比具有較強(qiáng)的通用性。在今后的研究過程中，還將對(duì)該云測試系統(tǒng)進(jìn)行更加深入的開發(fā)，將會(huì)進(jìn)一步根據(jù)實(shí)際情況來完善技術(shù)功能和服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，確保該系統(tǒng)能夠最大限度地發(fā)揮效用，讓越來越多的使用者受益。