焦瑋, 楊雪寒, 孟潔, 張倩

(河北醫(yī)科大學第三醫(yī)院, 河北 石家莊 050051)

0 引言

大型公立醫(yī)院門診信息系統(tǒng)大多都是以小型機作為系統(tǒng)平臺，采用集中方式進行部署。由于小規(guī)模非公有制醫(yī)院的信息化應(yīng)用水平有限，采用此類方式建設(shè)和部署門診信息系統(tǒng)將會導致系統(tǒng)建設(shè)費用高、系統(tǒng)可運維性不高以及系統(tǒng)可拓展性差等問題，為此本研究采用具有良好可擴展性的分布式系統(tǒng)架構(gòu)以替代集中式的系統(tǒng)架構(gòu)建設(shè)和部署門診信息系統(tǒng)[1-3]。本文以河北醫(yī)科大學附屬醫(yī)院門診信息系統(tǒng)為例，闡述了以分布式體系架構(gòu)對現(xiàn)有醫(yī)院信息系統(tǒng)進行部署的應(yīng)用實踐。所研究的醫(yī)院信息包括十個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)之間都存在復雜的邏輯關(guān)聯(lián)以解決門診、取藥、住院等繁雜的業(yè)務(wù)需求。目的是使用分布式體系架構(gòu)完成對現(xiàn)有醫(yī)院信息系統(tǒng)的重構(gòu)，使其具有滿足業(yè)務(wù)需求的高度可靠性和必要的運行效率。主要研究的是系統(tǒng)中系統(tǒng)消息路由、業(yè)務(wù)狀態(tài)以及應(yīng)用程序數(shù)據(jù)之間的交互，而不是描述系統(tǒng)的詳細實現(xiàn)。通過具體的應(yīng)用實踐對該分布式體系架構(gòu)的有效性進行必要驗證。

1 研究背景和目標

河北醫(yī)科大學附屬醫(yī)院的醫(yī)院門診信息系統(tǒng)具有10多個子系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 門診信息系統(tǒng)架構(gòu)

這些子系統(tǒng)之間存在很多數(shù)據(jù)交互。當患者在門診掛號時，門診子系統(tǒng)可以按掛號訂單處理該患者。然后將掛號訂單轉(zhuǎn)發(fā)到相關(guān)子系統(tǒng)以進行進一步的工作。例如，針對患者掛號訂單的放射檢查指令將通過門診信息系統(tǒng)的放射子系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)至放射科信息系統(tǒng)(RIS)。當患者在放射科完成X射線檢查后，RIS中將生成一個第三方系統(tǒng)的記錄返回給門診信息系統(tǒng)的放射子系統(tǒng)。許多患者掛號訂單需要在子系統(tǒng)和外部第三方系統(tǒng)之間進行狀態(tài)變更和數(shù)據(jù)交互，因此門診信息系統(tǒng)需要靈活的體系結(jié)構(gòu)來解決內(nèi)部的不同子系統(tǒng)和第三方系統(tǒng)之間頻繁的數(shù)據(jù)交互需求。

一般從三個維度對醫(yī)院門診信息系統(tǒng)的性能進行評價：高可用性、高可拓展性和高性能。本研究使用冗余服務(wù)器、負載均衡器和應(yīng)用程序集群來實現(xiàn)這三個性能指標。在傳統(tǒng)的集中式系統(tǒng)架構(gòu)中，門診信息系統(tǒng)由幾個異構(gòu)操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫組成，如OS/390、HP-UX和Windows 2000服務(wù)器等操作系統(tǒng)，以及DB2、Sybase和Microsoft SQLServer等數(shù)據(jù)庫[4-5]。在如此復雜的運行環(huán)境中顯然無法保證系統(tǒng)高度可靠性、數(shù)據(jù)一致性和良好的系統(tǒng)可擴展性。為此本研究將基于統(tǒng)一的Windows 2003和Oracle RAC對門診信息系統(tǒng)進行重構(gòu)，以確保新的門診信息系統(tǒng)的高度可用性以及不同數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的一致性。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

本研究選擇SOA作為門診信息系統(tǒng)運行的系統(tǒng)環(huán)境。使用基于Web的用戶界面構(gòu)建系統(tǒng)面向終端用戶的系統(tǒng)操作交互頁面。Web用戶界面服務(wù)器(WebUI)是為用戶瀏覽器生成系統(tǒng)交網(wǎng)頁的服務(wù)器。本研究使用Microsoft StateServer[6]來存儲來自WebUI的網(wǎng)頁會話。身份驗證Web服務(wù)器(Auth-WS)通過標準SOAP協(xié)議[7]為終端用戶提供身份驗證和授權(quán)，并且啟用單點登錄(SSO)[8]為門診信息系統(tǒng)提高足夠的安全保障。

HL7消息[9]服務(wù)器(HL7 Server)也是基于SOAP協(xié)議的Web服務(wù)。HL7 Server是通過SOAP協(xié)議上的HL7消息構(gòu)建的。門診信息系統(tǒng)的后端HIS數(shù)據(jù)庫(HIS DB)通過運行Oracle RAC環(huán)境以實現(xiàn)高可用性。為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)一致性，門診信息系統(tǒng)設(shè)置了數(shù)據(jù)交換(DataExchang)服務(wù)器。該服務(wù)器僅接收從HL7 Server發(fā)送的消息。當DataExchang服務(wù)器接收消息時，它將執(zhí)行數(shù)據(jù)同步作業(yè)，例如將患者實驗室訂單發(fā)送到HIS數(shù)據(jù)庫或?qū)⑿碌膾焯栕曰颊邤?shù)據(jù)發(fā)送到存儲服務(wù)器(DB Server)上。此數(shù)據(jù)交換處理可以確保其他系統(tǒng)中的所有數(shù)據(jù)都是最新的。門診信息系統(tǒng)的基本運行邏輯，如圖2所示。

圖2 門診信息系統(tǒng)的序列圖

由圖2可知，門診信息系統(tǒng)所涉及的服務(wù)器包括WebUI、Auth-WS、StateServer、HL7Server、DataExchange和HIS DB。這些服務(wù)器為虛擬服務(wù)器，且構(gòu)成了ServerFarms集群網(wǎng)絡(luò)[10-11]。除HIS DB之外，所有虛擬服務(wù)器均具有映射的四層交換機定義的虛擬IP。該集群網(wǎng)絡(luò)中部署了四臺物理服務(wù)器，并被配置為以負載平衡模式或故障轉(zhuǎn)移模式運行，以確保系統(tǒng)可用性。為了擴展系統(tǒng)并提高性能，為目標IP地址(如SOAP接口調(diào)用、HL7消息接口和DataExchang協(xié)議)提供了一個虛擬IP，該虛擬IP也在第4層交換機中定義。每個服務(wù)器組在醫(yī)院內(nèi)網(wǎng)和ServerFarms集群網(wǎng)絡(luò)中都有對應(yīng)的虛擬IP。由于Web服務(wù)器或HIS核心服務(wù)器以負載平衡模式運行，因此HIS可以將任何已配置的服務(wù)器動態(tài)添加到ServerFarms集群網(wǎng)絡(luò)中以處理用戶請求[12-13]。如果Web服務(wù)器的負擔不大，還可以直接從四層交換機配置中刪除一些Web服務(wù)器。因此，門診信息系統(tǒng)的維護變得更加容易和有效。硬件架構(gòu)，如圖3所示。

圖3 門診信息系統(tǒng)硬件架構(gòu)

3 應(yīng)用結(jié)果

河北醫(yī)科大學附屬醫(yī)院在開展本系統(tǒng)的應(yīng)用實踐。該醫(yī)院的門診總數(shù)約為180個，但同時開設(shè)的門診科室總數(shù)約為150個。大約有40個掛號和收費柜臺。同時，病歷部門運行著約60個工作站，藥房運行著20個工作站，實驗室注冊站點運行著10個工作站。其他科室和部門中也同時存在運行著少量工作站。因此，該醫(yī)院全天總共約有500個工作站同時訪問門診信息系統(tǒng)。

經(jīng)統(tǒng)計，醫(yī)院一天大約需要為9 000名門診病人提供服務(wù)。這意味著本研究所架構(gòu)的門診信息系統(tǒng)應(yīng)持續(xù)、可靠地為500個工作站連接提供服務(wù)并處理其訪問請求。為此本研究從以下幾個方面來評估系統(tǒng)的性能。

3.1 四層交換機TCP連接數(shù)

本研究使用多路網(wǎng)絡(luò)通信量繪圖儀來監(jiān)視四層交換機的運行狀態(tài)。對四層交換機進行一個星期的性能監(jiān)視，所得出的各個虛擬服務(wù)器的最大會話數(shù)，如表1所示。

表1 最大會話數(shù)和平均會話數(shù)

表1中 “30分鐘最大會話數(shù)”表示單個虛擬服務(wù)器在采樣時間中所處理的TCP會話總數(shù)?！?0分鐘平均會話數(shù)”表示連續(xù)五分鐘的六次會話的平均值。

可以得出在一周中四層交換機總會話次數(shù)的峰值為1 253。

3.2 WebUI統(tǒng)計

WebUI直接處理用戶瀏覽器請求，然后根據(jù)需要處理身份驗證調(diào)用，HL7 Server 提供SOAP調(diào)用和數(shù)據(jù)交換調(diào)用的功能。對于WebUI頁面的每個處理時間代表門診信息系統(tǒng)的響應(yīng)時間。

本研究通過分析Internet信息服務(wù)(IIS)的日志文件以獲得Web服務(wù)器每天的總請求數(shù)和一天中每小時的平均響應(yīng)時間的統(tǒng)計結(jié)果。門診信息系統(tǒng)由10個子系統(tǒng)組成，所有子系統(tǒng)都部署在20臺WebUI服務(wù)器中。每個WebUI服務(wù)器為10個子系統(tǒng)提供用戶界面和交互服務(wù)。這10個子系統(tǒng)是門診管理子系統(tǒng)、門診子系統(tǒng)、檢測子系統(tǒng)、病理子系統(tǒng)、傳染病報告子系統(tǒng)、病歷管理子系統(tǒng)、門診調(diào)度管理子系統(tǒng)、放射科子系統(tǒng)、門診計費子系統(tǒng)和藥房管理子系統(tǒng)。每個子系統(tǒng)都有不同的用戶請求和數(shù)據(jù)交換操作。下面就門診管理子系統(tǒng)、診所子系統(tǒng)、門診計費子系統(tǒng)和總體統(tǒng)計結(jié)果進行具體闡述。

1)當日總請求數(shù)和平均響應(yīng)時間的統(tǒng)計。以門診管理子系統(tǒng)為例，該子系統(tǒng)處理患者掛號、掛號查詢、掛號更新、查詢患者數(shù)據(jù)、患者數(shù)據(jù)更新和其他一些用于掛號和維護患者數(shù)據(jù)的輔助功能。對門診管理子系統(tǒng)的Web請求的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 門診管理子系統(tǒng)的請求IP總數(shù)

由表2可知，全天一共有172個客戶端訪問門診管理子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)全天約有2.4萬個網(wǎng)頁請求。

門診子系統(tǒng)一天內(nèi)有將近28萬個頁面請求。 在門診HIS中，它占所有請求的69%。門診子系統(tǒng)也是使用最多的子系統(tǒng)。每天大約有600個用戶客戶端訪問診所子系統(tǒng)。這意味著一天中將近70%的HIS用戶使用門診子系統(tǒng)。

對于一天中的平均響應(yīng)時間，如表3所示。

表3 WebUI的響應(yīng)時間

由表3可知，診所子系統(tǒng)的平均響應(yīng)時間為0.562 s，標準偏差為1.145 s，最大響應(yīng)時間為154 s(154 s的響應(yīng)時間也是所有子系統(tǒng)中最大的時間成本)。在長頁面執(zhí)行中應(yīng)該存在一些編程或數(shù)據(jù)訪問問題。頁面響應(yīng)時間長，可以幫助發(fā)現(xiàn)門診信息系統(tǒng)中潛在的編程問題。所有子系統(tǒng)請求的平均響應(yīng)時間為0.566 s，標準偏差為1.250 s。

2)全天中每小時的統(tǒng)計信息。為了評估請求和響應(yīng)時間，本研究統(tǒng)計了當天的每小時總請求數(shù)和平均響應(yīng)時間，如圖4所示。

圖4 門診子系統(tǒng)的平均響應(yīng)時間

在診所子系統(tǒng)中，從07:00到20:00的平均響應(yīng)時間不到1 s，如圖5所示。

圖5 診所子系統(tǒng)的總訪問請求數(shù)

早晨的高峰請求是10:00到11:00，大約有40 000個請求。從14:00到15:00是下午的高峰請求，大約有37 000個請求，如圖6、圖7所示。

圖6 門診管理子系統(tǒng)的平均響應(yīng)時間

圖7 門診管理子系統(tǒng)的總訪問請求數(shù)

顯示了門診管理子系統(tǒng)的總請求數(shù)和平均響應(yīng)時間。門診計費子系統(tǒng)的總請求數(shù)和平均響應(yīng)時間，如圖8、圖9所示。

圖8 門診計費子系統(tǒng)的平均響應(yīng)時間

圖9 門診計費子系統(tǒng)的總訪問請求數(shù)

這兩個子系統(tǒng)在07:00至20:00的平均響應(yīng)時間約為1 s，而在07:00之前和20:00之后的平均響應(yīng)時間有所不同。

4 結(jié)果討論

本研究所重構(gòu)的門診信息系統(tǒng)中運行著20臺WebUI服務(wù)器和20臺HL7消息服務(wù)器。在應(yīng)用實踐中對四層交換機和WebUI的響應(yīng)時間和會話數(shù)量進行統(tǒng)計和匯總，以驗證系統(tǒng)的性能。其中WebUI響應(yīng)時間包括服務(wù)器場中的后端操作，例如身份驗證、基于SOAP協(xié)議的HL7消息接口調(diào)用和數(shù)據(jù)交換操作。

每小時響應(yīng)時間和會話數(shù)統(tǒng)計結(jié)果表明，門診信息系統(tǒng)的響應(yīng)時間在07:00和20:00之間比較穩(wěn)定，在負載較重的門診子系統(tǒng)和計費子系統(tǒng)中也是如此。在上午10:00和下午15:00的高峰時段，整個門診信息系統(tǒng)能夠保持穩(wěn)定運行，響應(yīng)時間約為1 s。這意味著所架構(gòu)的門診信息系統(tǒng)具有較好負載響應(yīng)性能。

響應(yīng)時間在上午07:00之前和下午20:00之后出現(xiàn)變化的原因是，當子系統(tǒng)當前沒有加載至內(nèi)存中時， WebUI應(yīng)用程序需要時間來緩存數(shù)據(jù)庫中的一些常用數(shù)據(jù)。從上午00:00到上午07:00的門診管理響應(yīng)時間在0.6～1.23 s之間有很大差異，這是因為一些患者在午夜從醫(yī)院急診信息系統(tǒng)中進行門診掛號操作，這導致響應(yīng)時間較長。此外，門診信息系統(tǒng)會在連續(xù)20分鐘內(nèi)沒有訪問請求的時候基于IIS對子系統(tǒng)進行內(nèi)存回收，子系統(tǒng)的回收和啟動會產(chǎn)生響應(yīng)時間變長。

5 總結(jié)

本文通過分布式體系架構(gòu)對基于小型機集中部署的門診信息系統(tǒng)進行了重構(gòu)。在分布式體系架構(gòu)中，門診信息系統(tǒng)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)高效交換和保持多個系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)一致性。該體系架構(gòu)使用四層交換機作為服務(wù)器集群的負載平衡器，為門診信息系統(tǒng)提供了高可用性和可拓展性。在該體系架構(gòu)中，可以將已配置的服務(wù)器動態(tài)添加到ServerFarms中，為門診信息系統(tǒng)提供良好的可拓展性能。本文通過應(yīng)用實踐獲得了包含四層交換機和WebUI的會話數(shù)和響應(yīng)實踐的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。 統(tǒng)計結(jié)果表明，基于SOA和分布式體系架構(gòu)的門診信息系統(tǒng)能夠在負載較重的實際環(huán)境提供較好系統(tǒng)響應(yīng)性能。