基于多色集合理論的兩系統間互操作方法①

楊 敏,王曉華,2,冉梅梅

1(貴州大學 計算機科學與技術學院,貴陽 550025)2(遵義醫學院附屬醫院 信息科,遵義 563003)

基于多色集合理論的兩系統間互操作方法①

楊 敏1,王曉華1,2,冉梅梅1

1(貴州大學 計算機科學與技術學院,貴陽 550025)2(遵義醫學院附屬醫院 信息科,遵義 563003)

針對兩信息系統間的互操作問題,提出了一種基于多色集合理論的系統互操作形式化研究的方法,給出了基于多色集合理論的兩系統間的互操作研究步驟.首先,介紹多色集合理論并對其圍道進行分割以體現研究對象的靜態屬性和動態性質,并給出單元素多色集合的概念及其聚合運算;其次,根據多色集合理論及其擴展,給出了兩信息系統間的互操作研究步驟:分別對互操作的兩系統進行單元素多色集合描述,然后再通過兩系統的單元素多色集合的并運算來體現整體.最后,通過醫療領域的醫療信息系統HIS與檢驗信息系統LIS間的互操作為實例驗證該形式化方法的有效性.

互操作系統;互操作;多色集合理論;單元素多色集合

隨著信息化的發展,信息系統在我們的生活中應用已經很廣泛,但是由于信息系統間標準各不相同,“信息孤島”也就越來越多,“信息孤島”導致系統之間不能很好地進行數據的交換和共享[1].如何在信息系統增多的同時又能保障系統間能夠交換和共享各自有價值的信息是一個值得研究的話題.本文針對兩個信息系統間的互操作,以多色集合理論為基礎進行研究,以有助于研究系統間的互操作.首先提出單元素多色集合的概念,其次,對多色集合理論中的圍道進行擴充以體現對象及元素的動態特性,并進而提出單元素多色集合及其運算.然后根據互操作的特性及上述理論對兩個信息系統的互操作進行多色集合研究,最后以醫療領域中的兩各系統醫療信息系統HIS與檢驗信息系統LIS間的互操作為例進行驗證.

針對系統間互操作的研究,現后前大多是圍繞互操作的方法或者互操作的框架進行研究,但是基于系統間互操作的形式化描述很少.本文將使用多色集合理論來對系統間的互操作進行形式化描述.

多色集合[2-4]是一種系統的理論和信息處理工具,在傳統集合理論的基礎上,添加了矩陣知識,模糊數學理論和數理邏輯等知識.傳統集合只能描述簡單的點線關系,對其理論進行擴展后,能夠描述的內容更加廣泛,比如它可以描述節點和邊的性質[5],或者集合整體所代表對象的屬性信息等.從已有的研究中可以知道,與傳統集合論相比,多色集合能夠描述結構復雜的對象和系統.基于多色集合理論建模的核心理念是使用一個統一的數學模型來模擬不同的對象.這些對象可以是產品,也可以是過程.由于多色集合理論在形式化研究方面具有明顯優勢,因此被廣泛地應用于離散制造企業生產物流系統[6]、機械零件加工路線[7]、機械產品概念設計[8]、箱體類零件可重構生產線[9]等諸多領域.本文結合系統間互操作性的復雜性和多系統參與性,使用多色集合理論來對系統間的互操作進行描述,得到一個基于多色集合理論的系統互操作形式化描方法.首先進行相關定義和技術簡介,然后給出基于多色集合理論的系統間互操作研究步驟,最后給出一個醫院信息系統中的互操作實例來驗證方法的有效性.

1 相關技術簡介

1.1 互操作定義

互操作是在異構實體(異構體系結構中,異構操作系統、異構網絡和異構的語言,等等)中獲取資源的能力[10].互操作是一種交互行為,至少涉及兩個信息實體,一方提供服務,另一方接受服務.

IEEE給出的互操作定義為:互操作就是兩個或 兩個以上的系統或組件能夠交換信息并且使用那些已經交換信息的能力[11].

互操作體:若兩個或兩個一閃改的系統間有互操作關系,則稱這些系統為互操作體,互操作體至少由兩個系統組成.

1.2 多色集合理論

多色集合理論的特點是使用形式統一的數學模型來模擬不同對象.其中包括多色集合及多色圖兩部分.

(1)多色集合[12,13]

多色集合的元素就是傳統集合的元素,多色集合本身及其元素都能夠被涂上不同的顏色以表示研究對象及其元素的性質.顏色集合F(ai)對應每一個元素被稱為元素ai的個人著色,其組成為:

顏色集合F(A)對應集合A整體,被稱為多色集合A的統一著色,其組成為:

Fj(A)表示集合A的第j個統一顏色,即整體A的第j個性質.

F(ai)和F(A)被稱為著色,它們包含在統一的顏色集合 F 中,即:

顏色集合F(ai)被稱為元素ai的個人著色,所有元素的個人著色可用布爾矩陣(1.1)表示.

多色集合的表達式如下:

(2)多色圖[13,14]

在利用多色集合的數學模型來模擬復雜對象和系統的過程中產生了專門類型的圖——多色圖的思想.在普通圖G=(A,C)的基礎上增加了節點A和邊C的顏色,以顏色的不同來表示節點和邊的不同性質.一般情況下,多色圖有三種成分組成:

式中,F(G)表示多色圖整體的統一著色;F(A)表示節點的著色;F(C)表示邊的著色;[A×F(a)]是確定節點著色的圍道布爾矩陣;[C×F(c)]表示確定邊著色的圍道布爾矩陣.

2 多色集合理論的擴展

在傳統的多色集合理論中,針對集合中元素的性質、參數、屬性、指標或者特征等技術概念,多色集合理論使用圍道來進行描述.圍道雖然能描述多色集合中元素及其整體的屬性等技術概念,但是圍道不能將元素及其整體的動態特征和靜態特征進行區分,以至于在一些需要強調靜態特征或者動態特征的建模過程中不能很好地進行辨別.因此提出將多色集合理論中的圍道進行分割,即將多色集合中的顏色集合F(a)及F(A)分別表示為其中分別代表元素和整體的靜態性質,分別表示元素和整體的動態性質,通過對建模對象性質的區分以展示建模對象的靜態特征和動態特征.

同時,多色集合中的靜態特征屬性和動態特征屬性之間可能存在某些聯系,為了體現兩者之間的聯系可以使用矩陣擴展為

即擴展后的多色集合表達式為:

在實際使用時,根據實際情況對多色集合中的成分予以選取.單元素多色集合:對于一個多色集合 PS =來說,若其集合A中的元素有且只有一個,則稱該多色集合PS為單元素多色集合,記為SPS.

對于單元素多色集合,因為A中有且只有一個元素a,所以元素a所體現的性質就是整個集合A所體現的性質,且元素相對于個人顏色和統一顏色的關系是對于元素和整體的冗余描述,整體性質的體現必須通過該元素進行體現,所以體現性質的體必須是該元素.綜合上述原因,單元素多色集合的表達式可以簡化為

單元素多色集合的并運算:其所有參與并運算的多色集合都是單元素多色集合,進行并運算后,其表達式中的集合A由所有參與并運算的單元素多色集合中的元素的并集組成,即若為單元素多色集合,則它們的并集PS中的集合其個人顏色集合其統一顏色集合因為在并運算的過程中可能會有某些性質是相同的,也有可能因為某些性質合并后出現其他之前單元素所沒能表現出的性質,即

為了區分單元素多色集合中元素的靜態特征和動態特征,同樣可將其顏色集合分為靜態特征屬性集合和動態特征屬性集合,即其運算也是類似的,這里就不再累述.

單元素多色集合的聚合運算,根據單元素中的兩個部分的不同,將單元素多色集合的聚合運算分為實體聚合運算和功能聚合運算,下面分別予以描述.

(1)實體聚合運算

實體聚合運算的條件:若多個單元素多色集合SPS中的元素集合A是同類對象,且性質都是相同的并且其組成是有序集,即對于所有的單元素多色集合來說,所有的其中對應的取值是具體的值或集合或者多色集合,則可定義實體聚合運算Entity Aggregation.

Entity Aggregation(EA):

有單元素多色集合:

實體聚合適用于對具有相同性質的對象進行整合建模,是已知所有對象的性質求整合后的整個對象.

(2)功能聚合運算

功能聚合運算的條件:若多個單元素多色集合SPS是對同一對象的不同方面進行描述,即對于需要進行功能聚合的單元素多色集合,其元素集合A都是相同的,即各集合的分別描述的是集合A中元素對象的不同方面的性質,則對對象的整體/綜合描述就可定義功能聚合運算Function Aggregation(FA).

Function Aggregation:

有單元素多色集合:

功能聚合適用于對同一對象的不同性質進行分析并對對象整體性質進行建模,是已知同一對象的不同性質來求該對象的整體性質.

實例:

對于一個信息系統來說,其靜態屬性和動態行為可以體現其整體性質,對于靜態屬性,可使用多色集合理論進行描述.對于其動態性質可以針對面向對象的思想中的方法進行描述,因為對于一個信息系統來說,其最底層的是方法的實現,方法隸屬于某個類,類組成系統,所以方法的建設是最基本的.在方法確定后,則系統的建設就能夠很快地建成,在此過程中,可以使用多色集合進行描述.

單個方法的描述可以使用單元素多色集合進行描述,對于方法來說,由于所有的方法都有所屬者、調用者及參數,因此一個方法可以描述為其中表示某個類中的一個方法;表示對該方法進行描述的性質,其中包括方法的所屬者belongto、方法的調用者caller及方法的參數parameter,即;則一個類中的所有方法可以使用單元素多色集合的實體聚合進行描述,為表示B與的關系,即一個類中所有的方法所表現出的性質,在中,其值表現為具體的數據或集合或多色集合的形式,即:

類的描述也是類似的,只是其中區分了靜態屬性和動態性質.在描述類時,由于類封裝了屬性和方法,因此,要想對整個系統進行建設,必須給出系統中所有的類及類中的方法和屬性的描述,可以使用擴展的單元素多色集合理論描述每一個類,其中的靜態特征由屬性來體現,使用SPS中的表示;動態屬性即方法用SPS中的進行表示.則一個類可以表示為其中,C 表示某個類,表示該類的屬性,表示該類的方法.

3 基于多色集合理論的兩信息系統的互操作研究

3.1 兩信息系統的互操作框架

互操作的兩個系統之間能夠進行信息的共享,即信息系統之間具有信息流,信息流實質上是由于系統間的互訪起的信息共享.系統間的互操作框架如圖1所示.

圖1 系統互操作框架

3.2 基于多色集合理論的兩系統間的互操作研究步驟

對于兩個醫療信息系統間的互操作,會涉及到很多靜態的資源和動態的行為,因此對于系統間互操作的多色集合理論研究給出如下的步驟:

Step1.靜態屬性分析:針對互操作的兩個系統,分析各自的靜態屬性,即確定兩個系統的靜態顏色集合FSA、FSB,其中主要涉及的是系統內與互操作相關的資源的描述,即

Step2.動態屬性分析:分析兩系統的動態屬性,即確定各自的動態屬性集FDA、FDB,即并根據 Step1 中的FSA、FSB分析FSA與FDA及FSB與FDB的關系,并使用矩陣進行描述,并最終得出兩個互操作系統的單元素多色集合模型

Step3.互操作行為分析:雖然 Step2中得出了FDA、FDB,但是對于動態集合中的完成這些行為的方法并未進行詳細描述,在該步驟中給出完成這些行為的方法的多色集合描述.

Step4.互操作體的描述:對兩個互操作系統組成的互操作體使用單元素多色集合的并運算進行描述.

3.3 兩醫療信息系統的單元素多色集合模型

使用單元素多色集合分別對進行互操作的兩信息系統進行描述,確定各自的靜態屬性與動態屬性,并據此得出兩系統各自的多色集合模型.

根據對互操作的兩系統進行分析,其與互操作相關的靜態屬性主要體現在系統所擁有的與互操作相關的資源,其中包括用戶信息、數據信息等.其動態屬性主要體現在交互時所要完成的動作,如發送信息、接受信息等.現給出兩系統的單元素多色集合模型:

表示該互操作系統中的靜態屬性與動態屬性間的關系,如發送信息可能需要某個特定的用戶和某些特定的設備等.

綜上,可以得出兩互操作系統的多色集合模型:

3.4 互操作體的多色集合模型

由于兩個互操作系統的多色集合模型已經得出,因此兩互操作系統的交互模型的多色集合模型也可以得出,根據單元素多色集合的并運算就可以得出兩個互操作系統所組成的互操作體的多色集合模型.

3.5 實例分析

下面以醫療領域的實驗室信息系統(LIS)與醫療信息系統(HIS)間的互操作為實例來驗證上述方法.

LIS與HIS間的交互過程如下:

醫務人員通過HIS發起檢驗申請,并將檢驗申請發送到LIS,LIS在收到檢驗申請和相應的標本后對標本進行檢驗,檢驗后生成檢驗報告發送給HIS.

在該過程中,LIS與HIS的互操作主要就是信息的發送和接收:HIS發送檢驗申請單,LIS接收檢驗申請單;LIS 發送檢驗報告,HIS 接收檢驗報告.在該過程中HIS是通過醫生操作醫生工作站來發起檢驗申請并進行發送到LIS,LIS是通過LIS系統在相關工作人員的操作下進行申請的接收;工作人員再通過LIS將檢驗報告發送給HIS,HIS的醫生通過醫生工作站接收來自LIS的檢驗報告.那么整個過程的多色集合模型可表述如下:

HIS的多色集合模型:

該矩陣表示的是HIS在進行發送檢驗申請時需要醫生工作站、醫生及檢驗申請才能完成;HIS在進行接收檢驗報告時需要醫生工作站、醫生及檢驗報告的參與.

同理LIS的多色集合模型:

該矩陣表示的是LIS在進行發送檢驗報告時需要LIS工作人員及檢驗申請才能完成;LIS在進行發送檢驗報告時需要LIS工作人員及檢驗報告的參與.

HIS與LIS的互操作體的多色集合描述PS就可以表述如下:

4 結語

本文通過對多色集合進行擴展并提出單元素多色集合來對建模對象進行建模,并使用多色集合理論來對系統間的互操作進行描述,給出了基于系統互操作的多色集合理論研究步驟,最后通過醫療領域的HIS與LIS間的交互為例驗證了該方法的有效性.但是本文只是給出了兩個系統間的交互,沒有針對多系統交互的復雜性進行多色集合理論研究,也沒有深層次研究多色集合理論在醫療領域的應用,下一步將進行基于多色集合理論的多系統間交互的復雜性和安全性的研究,并將對整個醫院信息系統的互操作進行多色集合理論研究和描述,并考慮將多色集合理論與醫療健康信息集成規范(IHE)[15]結合起來進行研究.

1 邱堅.“信息孤島”現象對醫學信息資源共享的影響.醫學信息,2007,20(5):720–721.

2 Pavlov VV.Polychromatic sets and graphs for CALS.Moscow,Russia:STANKIN Press,2002:10–19.

3 李宗斌,高新勤,趙麗萍.基于多色集合理論的信息建模與優化技術.北京:科學出版社,2010:3–13.

4 李懷祖,韓新民,李宗斌.先進制造中多色集合理論的研究及應用.北京:中國水利水電出版社,2005:12–23.

5 李宗斌,李天石.多色圖及其在仿真復雜對象及系統時的應用.系統仿真學報,2001,13(6):759–762.

6 李春玲.基于多色圖理論的離散制造企業生產物流系統建模與優化[碩士學位論文].沈陽:沈陽大學,2014:27–53.

7 祝天榮,徐新勝,陶西柱.基于多色集合理論的機械零件加工路線方法研究.組合機床與自動化加工技術,2013,(9):129–131.

8 杜軒,吳龍,張屹.多色集合與模糊遺傳算法的機械產品概念設計研究.組合機床與自動化加工技術,2015,(4):15–18.

9 邵煥,李愛平,于海斌,等.基于多色集合理論的箱體類零件可重構生產線多目標優化算法.計算機集成制造系統,2015,21(9):2393–2402.

10 蘇森,唐雪飛.開放系統中的互操作性.計算機應用,1997,17(6):4–7.

11 Standards Coordinating Committee of the Computer Society of the IEEE.IEEE Std 610.12-1990 IEEE Standard Glossary of Software Engineering Terminology.

12 Pavlov VV.Mathematics simulation of discrete production system.Information Technology,1995,10:15–19.[doi:10.1057/jit.1995.3]

13 李宗斌,宋臣,李天石.基于多色集合和多色圖的產品制造仿真.計算機集成制造系統,2001,7(7):67–72.

14 Pavlov VV.Polychromatic graph of mathematics simulation for technical system.Proc.of Scientific and Technical Conference (CAD-88).Plovdiv,Bulgaria.1988.8–10.

15 http://www.ihe.net/.

Interoperability Method Between Two Systems Based on the Polychromatic Sets Theory

YANG Min1,WANG Xiao-Hua1,2,RAN Mei-Mei11(College of Computer Science and Technology,Guizhou University,Guiyang 550025,China)2(Information Section,Affiliated Hospital of Zunyi Medical College,Zunyi 563003,China)

Aiming at the problem of interoperability between two information systems,a formalized method about interoperation research based on polychromatic sets theory is proposed,and the research steps of interoperability between two systems based on polychromatic sets theory are given.Firstly,the polychromatic sets theory is introduced and its contour is segmented to reflect the static and dynamic properties of the objects.The concept of single element polychromatic sets and its aggregation operation are given.Secondly,according to polychromatic set theory and its extensions,the research steps of interoperability between two information systems are given.The interoperability of the two systems are described in a single element polychromatic sets,and then the whole entity of interoperation is reflected through the union operation of two single element polychromatic sets.Finally,the validity of this formalized method is verified by the interoperability between hospital information system (HIS)and laboratory information system (LIS).

interoperability system;interoperability;polychromatic sets theory;single element polychromatic sets

楊敏,王曉華,冉梅梅.基于多色集合理論的兩系統間互操作方法.計算機系統應用,2017,26(9):128–134.http://www.c-s-a.org.cn/1003-3254/5930.html

①基金項后:貴州省科學技術基金(黔科合J字[2012]2356號)

2016-12-20;采用時間:2017-01-12