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薛万国:数据智能时代,医院IT基础架构的两大需求

来源:HIT专家网      作者:李崇铭

“当前,医院业务系统规模持续扩大、数据分析利用需求明显、人工智能应用创新发展,导致既有基础设施的性能、扩展性、分散管理等问题日益突出。”

在2024CHINC“医院数字化转型:从数据到智能的‘蝶变’”分论坛上,解放军总医院医学大数据中心原主任薛万国深入剖析了医院走进数据智能时代的两大需求,即IT基础设施的横向扩展和集约化管理。

解放军总医院医学大数据中心原主任薛万国

需求一:医院IT基础设施的横向扩展

薛万国认为,通过横向扩展提升医院信息系统性能是高性价比的途径,并剖析了若干典型的业务场景需求。

HIS系统的横向扩展。传统HIS系统的用户多、负载重,但系统横向扩展较为困难,主要原因在于数据库层:负责事务处理的后端数据库服务器高度依赖数据库系统,传统关系数据库较难横向扩展,数据库服务器往往成为整个系统的性能瓶颈,无法突破单个物理服务器的性能。

常见的数据库层横向扩展方案各有利弊:一是集群,增加节点数量,配合数据库系统集群功能提高性能,其缺点在于并不是所有的数据库都支持RAC系统,且节点数量不能够持续性增加,节点过多时带来的性能提升比较有限。二是对应用系统架构进行特殊处理,如将数据库“分库”或“分表”,缺点是不能实现随机的横向扩展。三是引入微服务和云原生架构,把一体化的系统变成多个微服务。每个微服务有自己的数据库,并通过服务协同实现数据互访,其难点在于HIS数据库内部关联密切,服务的颗粒度以及如何划分以保持相对独立。

PACS及存储系统的横向扩展。PACS系统的资源需求需要兼顾计算性能需求和存储容量扩展需求。PACS接入的影像设备越来越多,检查数据量越来越大,存储I/O成为瓶颈。传统PACS基础架构需要不断扩容或更新存储阵列,且在存储设备更新时的数据迁移难度大,往往面临“又要买,又要迁”的局面。

因此,对PACS系统架构的期望是能够横向扩展容量,无需在应用层面进行数据迁移。薛万国介绍,横向扩展影像归档和访问性能,分布式存储成为优选项。可以分别部署若干采集服务器和调阅服务器,各自负责一组设备以充分发挥性能;部署分布式NAS(网络附加存储),通过增加节点数量提高存储性能,同时解决扩展时的数据迁移问题。

医院大数据开发利用平台,其特点在于以批处理、数据读取为主,事务处理特性要求不高,对性能要求高。在医院大数据开发流程中,业务数据的汇聚和整合加工环节可采用传统技术+关系数据库架构,而数据分析环节以部署数据湖为主,对性能要求较高,可采用分布式技术+混合数据库架构,满足不同的数据开发需求。

医疗大数据检索平台,要求能够实现自由条件检索和复杂条件瞬间响应,可采取“分布式并行集群+按列组织或按列索引”的方式,提高检索和响应速度。建议在选型时选择列数据库系统、Elasticsearch、Hbase等。

人工智能深度学习集群,如医学影像AI模型、自然语言处理模型等训练,需要足够的算力支持。可采用多节点分布式并行的深度学习高性能集群架构,每个计算节点包含多块GPU卡,节点间由高速网络(40Gb以太网)互联,构成一个集群节点;并部署分布式共享文件系统,逻辑上构成一个共享的高性能文件系统。

组学数据处理。组学数据的特点是样本间基本没有关联,且样本容量大,如三代测序全基因组数据每个样本高达90GB。多样本组学数据处理适合并行处理,能够有效提高计算效率,大幅缩短任务耗时。搭建高性能组学数据处理集群,可部署分布式HPC(高性能计算),多个节点通过高速网络(如IB高速网络)互联,共享一台高速存储阵列。

薛万国表示,在AI时代,医院IT基础架构、系统架构要应时而变,为医护人员提供广泛的智能化支持。例如,在架构上将事务处理服务器和复杂的智能化处理服务器相分离,把频繁访问的患者数据复制到智能化处理服务器,减少对业务系统的性能压力。

需求二:医院IT基础设施集约化管理

集约化管理是数据智能时代医院IT基础设施的另一大需求。物理计算和存储资源池化,便于统筹共享使用,提高资源利用率;资源集中统一管理,便于简化分配、回收、调度等管理;通过冗余配置,有助于加强基础设施整体可靠性。

当前,医院IT基础设施多采用以专用和虚拟化相结合的混合架构:全院级核心信息系统、大数据集群、PACS等部分资源专用,直接基于物理机部署,重负载应用不能或不敢部署到虚拟机,GPU等专用资源不纳入虚拟化管理;部门级信息系统、OA等非关键应用资源虚拟化。

“云化是未来医院IT基础设施架构的趋势,既可以借助云原生架构实现资源的横向扩展,又能依托云管理系统实现对资源的统一管理和动态分配。”薛万国表示,通过云管理系统统一管理超融合物理资源池,支持动态分配,资源利用更充分,可靠性更高。部分重负载应用借助云原生架构实现SaaS,满足横向扩展需求;部分轻负载应用采用传统架构依托IaaS。

综上所述,数据智能时代,医院信息化应用越来越复杂,对计算性能和存储容量的横向扩展要求愈发突出。一方面,医院IT基础设施应积极采用可横向扩展的新技术;另一方面,应用系统架构也需要通过适当的设计和重构以适应横向扩展的需求。云技术在提供横向扩展能力的同时,提供了统一的集约化资源管理手段,是医院未来IT架构的发展趋势。

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