高等级病原微生物实验室网络协同系统架构设计

李江域　王小磊　张惟　赵四清　赵东升

摘要：为了解决高等级病原微生物实验室之间的管理和协同工作，国家科技部提出了研究制定高等级病原微生物实验室网络协同系统的任务。该文讲述了网络协同系统的研究目标，系统的设计原则，系统的功能结构，重点阐述了网络协同系统的系统架构。系统架构采用分层设计的方法进行设计，由服务层、应用展现层、应用支持层、数据层、基础设施层组成，同时还包括信息标准规范体系和安全防护体系。该文详细说明论述了总体架构的各个组成层次及其功能与作用。通过系统架构和技术架构的设计，为开发实验室网络协同系统提供了理论基础和开发技术路径。

关键词：网络协同；生物安全实验室；架构设计；信息系统

中图分类号：R318.04 文献标识码：A 文章编号：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

高等級病原微生物实验室对国家的生物安全战略有着非常重要的支撑作用。目前，我国通过合作引进和自行建设相结合的方式，建成运行了一批高等级病原微生物实验室。由于高等级生物安全实验室在国内属于新生事物，尚未有相关的实验室信息系统。同时，有能力建设高等级病原微生物实验室及其信息系统的发达国家对我国实行技术封锁，使得国内的实验室无法直接购买使用相关信息系统，也无法借鉴进行开发。

为此，国家科技部在2016年度重点研发计划中设立了高等级病原微生物实验室的信息系统研发项目[1]。该项目的主要目标是进行实验室网络协同系统的开发，实现各实验室的信息管理协同与数据共享，为管理人员查看统计信息、协同工作实验室之间沟通协作和分享实验数据提供支持。

1 系统研究目标

系统通过对生物安全实验室网络协同流程、模型和数据标准等进行深入研究，设计开发能实现管理部门与实验室、实验室间协同工作的网络协同系统。

系统的功能主要有：

1）管理部门对实验室的任务下达、任务管理、任务监控，实验室对任务的反馈、结果上报；

2）实验室间的任务协作，资源共享、视音频会议沟通；

3）通过制定数据信息标准、接口标准，与实验室其他信息系统进行对接和互联互通；

4） 构建良好的系统安全防护体系，保证信息的安全。

2 设计原则

为了使网络协同系统既能满足现阶段的需求，又可根据应用的变化方便快捷的升级，系统的设计开发应采用当前计算机应用系统开发的主流技术，技术先进且被行业认可的优质产品，还注意以下原则：

1）充分利用原有的信息系统和数据库资源，提供可以与现有业务系统良好衔接的接口。

2）具备可扩充性及版本兼容性，能够比较便捷进行功能模块的调整，增加和删减；具有与其他系统进行集成的能力，实现系统之间的信息传递与共享。

3）保证各类事务大数据量处理的高效性，数据的查询和更新等操作能够在较短的时间内迅速完成。

4）系统设计时注重用户界面的友好性，简潔活泼，美观实用，提示准确。

3 系统功能

网络协同系统功能分为任务管理功能、业务协同功能和系统管理维护功能。

3.1 任务管理功能

任务管理是网络协同系统的主要功能之一，其检测任务管理业务功能主要包括：任务建立、任务单位选择、任务样本采集与追踪、任务过程监管、任务结果提交、任务结果反馈等环节；任务辅助决策功能包括：实验室设备仪器统计、设备仪器使用负载情况和实验室历史检测任务完成情况。

3.2 业务协同功能

业务协同功能包括数据共享、团队文档协同管理、组织间视音频会议管理等功能。

3.3 系统管理维护功能

系统管理维护功能主要包括系统数据管理功能、系统运行监控功能、用户授权与系统角色管理，确保信息系统的稳定运行。

4 总体框架设计

4.1 系统架构

系统采用分层设计，以实现数据抓取、数据统计等功能，便于管理人员查看统计信息、协同工作实验室分享实验数据。根据用户的实际需求，结合信息化系统的设计原则，系统的整体架构设计如图1所示：

4.1.1 服务层。服务层是系统的统一门户平台入口，用户通过平台入口登录系统，进入系统后根据权限分配可控制不同的应用模块。

4.1.2 应用展现层。应用展现层是系统最重要的组成部分，根据系统的具体功能进行划块设置，满足用户的所有网络协同需求。目前提供5类主要功能，包括任务辅助决策、检测任务管理、实验室管理、协同交流、系统管理。

4.1.3 应用支持层。应用支撑层为底层基础平台，为系统的应用服务提供基础服务，应用模块基于此层进行二次开发。应用支撑层集成了部件化的六个核心工作平台即应用中间件、消息中间件、工作流引擎、智能表单引擎、统一身份认证及扩展接口。

1）应用中间件与各类外部系统进行交互，保证数据采集、传递、共享交互过程中的安全性。

2）消息中间件用于构建实时的业务功能平台，包括数据集成和转换、业务过程协调、大范围的信息传递、用户通知和系统监督管理等功能。

3）工作流引擎用于实现对系统任务流程管理。

4）智能表单引擎用于实现业务数据挖掘、数据分析、报表自动生成等。

5）统一身份认证是为了实现统一的权限管理及用户身份管理。

6）扩展接口是面向各部门程序员进行二次开发的平台，可提供便捷的方式接受部门程序的指令，查询系统数据库，并将结果反馈给部门程序。

4.1.4 数据层。数据层为系统提供重要的数据支撑，包括两类数据库：各个业务系统数据库与存储各业务基础信息的系统数据库。另外，还包含信息以及数据交换过程中产生的其他中间信息等。

4.1.5 基础设施层。基础设施层为系统提供软硬件支撑，包括主机、操作系统、数据库、中间件等。

4.1.6 信息标准规范体系。信息标准规范体系包括基础类标准、数据类标准、技术类标准和管理类标准四个部分，用于统一网络协同系统与其他实验室信息系统之间的数据格式，方便彼此互联互通和数据交换。

4.1.7 安全保障体系。安全保障体系包括物理安全、网络安全、系统安全、应用安全和数据安全五个方面，用于保障系统的平稳运行，防止业务数据的丢失、损坏和黑客的攻击、破坏[2]。

4.2 系统技术架构

为了实现网络协同系统的跨平台运行、快捷开发，系统的技术架构设计如图2所示。经过综合比较，系统采用B/S结构进行实现，开发语言选择JAVA，开发框架采用基于JAVA的J2EE的三层架构体系。J2EE通过提供用户计算环境所必需的各种服务，使得部署在J2EE平台上的多层应用可以实现高可用性、安全性、可扩展性和可靠性[3]。

技术架构具体介绍如下：

1）业务应用系统采用JBase基础平台进行开发和扩展。JBase是JavaScript 的扩展库[4]，它的语法比较简洁易懂，基于它更容易实现网络协同系统页面的交互功能。

2）框架采用流行SSM[5]集成框架，保证系统的稳定性和流畅性。SSM框架，是Spring + Spring MVC + MyBatis的缩写，它是目前比较主流的Java EE企业级框架，适用于搭建大型应用系统基础。

3）底层数据库采用MySQL[6]。MySQL数据库是最受欢迎的开源数据库之一，有着非常好的可靠性和稳定性，它完全可以满足本系统的性能需求和扩展需求。

5 结束语

该文主要设计了系统的整体框架，力争能够全面的阐述系统的框架结构、组成层次以及各层之间的关系；设计了系统的技术框架，明确了系统开发工具和使用的软件。系统整体框架和技术框架的完成，为系统的开发和实现打下了坚实的基础。由于网络协同系统还处于探索阶段，系统的功能和架构还可能存在不完善之处，后期的开发工作要依据系统的开发建设原则进行，以便系统的升级完善能够顺利快速完成。

参考文献：

[1] 2016年国家重点研发计划“生物安全”专项申报指南[EB/OL]. Http：//www.most.gov.cn/tztg/201603/W0201603086 22999846210.doc.

[2] 冯登国， 孙锐， 张阳. 信息安全系统结构[M]. 北京： 清华大学出版社， 2008： 18-23.

[3] J2EE全面简介[EB/OL]. Http：//www.ibm.com/developerworks/cn/java/j2ee/.

[4] javascript扩展库JBase[EB/OL]. Http：//www.oschina.net/p/JBase.

[5] JAVA 小白启蒙篇： 第一个 SSM 框架搭建示例[EB/OL].Https：//hacpai.com/article/1470110280017.

[6] MySQL官网[EB/OL]. Https：//www.mysql.com/.