持久發(fā)布/訂閱消息傳送模式，緩解醫(yī)療器械的開發(fā)之痛

在決定以什么樣的最佳方式，利用軟件來使其產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)智能化時(shí)，除考慮當(dāng)前的要求之外，醫(yī)療器械設(shè)計(jì)者的目光應(yīng)當(dāng)放得更遠(yuǎn)。對人機(jī)界面（HMI）、無線網(wǎng)絡(luò)連接、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及其他功能的需求發(fā)展迅速，設(shè)計(jì)者必須創(chuàng)建靈活的系統(tǒng)，以適應(yīng)技術(shù)和組件的推陳出新，同時(shí)最大限度地減少相關(guān)開發(fā)工作量或者對初始設(shè)計(jì)的影響。

是否為醫(yī)療器械選擇了適當(dāng)?shù)南?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/傳送">傳送模式，意味著是按預(yù)算如期開發(fā)出高效、靈活的系統(tǒng)并獲得認(rèn)證，還是所開發(fā)的系統(tǒng)效率低下而又脆弱，并且開發(fā)過程伴隨著無數(shù)麻煩的天壤之別。相比于其他消息傳送模式，持久發(fā)布/訂閱（PPS）消息傳送模式具有諸多優(yōu)勢，特別是在采用了眾多完全不同的組件和技術(shù)的醫(yī)療器械中（圖1）。

圖1 這臺(tái)用于可行性論證的醫(yī)療器械模型匯合并顯示了從血壓計(jì)、肺活量計(jì)、脈搏氧飽和度儀、心電圖設(shè)備和胰島素泵獲得的數(shù)據(jù)。這些設(shè)備連接至康體佳互通性管理器，并利用PPS消息傳送來與Qt HMI通信。PPS也為一個(gè)遠(yuǎn)程管理器提供了消息傳送服務(wù)，以確保與基于云計(jì)算系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫和便攜式平板電腦之間的互聯(lián)網(wǎng)通信。

另外兩種常用的消息傳送系統(tǒng)——異步消息傳送和同步消息傳送——則對設(shè)計(jì)復(fù)雜的系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn)。眾所周知、應(yīng)用廣泛的異步消息傳送系統(tǒng)（圖2）是許多系統(tǒng)的首選解決方案，但它將錯(cuò)誤處理、端到端語義和緩沖管理等負(fù)擔(dān)，推高至應(yīng)用層。

圖2 采用異步消息傳送，一個(gè)進(jìn)程發(fā)送其消息并繼續(xù)執(zhí)行，當(dāng)且僅當(dāng)回復(fù)到達(dá)時(shí)，接收回復(fù)。

因此，架構(gòu)師在設(shè)計(jì)采用異步消息傳送模式的系統(tǒng)時(shí)，必須開發(fā)相應(yīng)的消息協(xié)議，以確保所有應(yīng)用的消息傳送行為都是正確的，還必須確保這些應(yīng)用在高負(fù)載條件下，分配充足的存儲(chǔ)空間用于消息緩沖。雖然在簡單的系統(tǒng)中，完成這些設(shè)計(jì)任務(wù)可能不太費(fèi)勁，但對于設(shè)計(jì)或升級(jí)復(fù)雜的系統(tǒng)，這些任務(wù)可能構(gòu)成令人生畏的艱巨挑戰(zhàn)。
同步消息傳送系統(tǒng)，或者說發(fā)送/接收/回復(fù)消息傳送系統(tǒng)（圖3）不如異步消息傳送系統(tǒng)那么常用。對于有許多進(jìn)程要求在其開始執(zhí)行之前響應(yīng)其消息的實(shí)時(shí)環(huán)境，同步消息傳送特別有用。

圖3 采用同步消息傳送，一個(gè)進(jìn)程阻塞直至其收到從目標(biāo)接收進(jìn)程發(fā)出的回復(fù)。

對于必須輕松地集成完全不同的應(yīng)用的復(fù)雜系統(tǒng)，同步消息傳送可能不是最優(yōu)選擇。同步消息傳送將發(fā)送方與接收方緊密地結(jié)合起來。每一臺(tái)服務(wù)器都直接與其客戶端通信，并且必須知道如何響應(yīng)所有客戶端消息，因此，對一個(gè)軟件組件做出的改變，可能要求改變其他軟件組件。

持久發(fā)布/訂閱

發(fā)布/訂閱消息傳送模式問世已久。1987年，K. P. Birman和T. A. Joseph描述了一種類似的消息傳送模式——虛擬同步。二十年前，北電網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)用于在電話交換機(jī)上執(zhí)行故障監(jiān)視的發(fā)布/訂閱消息傳送模型，如今，快速互聯(lián)網(wǎng)搜索提供了許多發(fā)布/訂閱消息傳送實(shí)現(xiàn)的例子。持久發(fā)布/訂閱在這些模式的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展，確保了重新啟動(dòng)后的數(shù)據(jù)持久性，并且可以支持必須集成許多設(shè)備和組件，采用尖端的人機(jī)界面的應(yīng)用。

PPS是一項(xiàng)基于對象的服務(wù)，其發(fā)布方和訂閱方是在一個(gè)松散結(jié)合的消息傳送架構(gòu)中。任何PPS客戶端都可以是發(fā)布方、訂閱方或兼為二者。發(fā)布方修改對象及其屬性，并將之寫入文件系統(tǒng)。當(dāng)發(fā)布方改變一個(gè)對象時(shí)，PPS服務(wù)將通知所有訂閱了該對象的客戶端?？蛻舳丝梢杂嗛喍鄠€(gè)對象，并且對象可以具備多個(gè)發(fā)布方和訂閱方。因此，多個(gè)發(fā)布方可以使用同一個(gè)對象及其屬性，來向所有訂閱了該對象的客戶端傳遞信息。

PPS客戶端必須知道感興趣的是哪些PPS對象。如果是發(fā)布方，它們需要知道在什么時(shí)候發(fā)布什么消息；如果是訂閱方，它們需要知道必須訂閱哪些對象以及對哪些對象屬性感興趣。

然而，PPS客戶端不必管理錯(cuò)誤，并且與它們有關(guān)的唯一緩沖是那些用于open()（打開）、read() （讀?。┖蛍rite()（寫入）POSIX API調(diào)用的緩沖。由于PPS訂閱方使用read()調(diào)用來檢索數(shù)據(jù)，因此，它們不需要為這些對象管理緩沖。它們僅需決定其讀取是阻塞方式，還是非阻塞方式，以及確認(rèn)它們能夠解析所讀取的數(shù)據(jù)。PPS服務(wù)將處理其余事項(xiàng)。

持久性

PPS服務(wù)可在重新啟動(dòng)后更新數(shù)據(jù)。運(yùn)行時(shí)，它將其對象存放在內(nèi)存中，但在收到指令或在關(guān)閉時(shí)，則將之保存在永久性存儲(chǔ)器中。啟動(dòng)時(shí)，它可立即或在首次訪問時(shí)，恢復(fù)其對象。當(dāng)然，永久性存儲(chǔ)器依賴于可靠的文件系統(tǒng)和存儲(chǔ)介質(zhì)。

PPS消息傳送模式也可簡化系統(tǒng)啟動(dòng)。例如，在采用常規(guī)消息傳送模式的系統(tǒng)中，如果某個(gè)客戶端在服務(wù)器之后啟動(dòng)，那么，該客戶端必須向服務(wù)器請求新的數(shù)據(jù)，以防在從服務(wù)器啟動(dòng)到客戶端啟動(dòng)的這段時(shí)間內(nèi)發(fā)生了任何改變。對于系統(tǒng)中的每一個(gè)客戶端，如果客戶端與服務(wù)器之間的連接中斷，也必須滿足這個(gè)要求。然而，利用PPS服務(wù)，發(fā)布和訂閱服務(wù)可在啟動(dòng)時(shí)恢復(fù)其對象，并在對象有所變化時(shí)更新對象。任何客戶端——不論其在任何時(shí)候啟動(dòng)或重新連接——僅需讀取這些對象，即可獲得當(dāng)前數(shù)據(jù)。

利用PPS服務(wù)，發(fā)布方與訂閱方相互之間并不認(rèn)識(shí)；它們之間的唯一聯(lián)系是對它們具有意義和目的的對象。這種模式賦予了系統(tǒng)設(shè)計(jì)者極大的靈活性。如有必要，他們可以將關(guān)于模塊連接點(diǎn)和數(shù)據(jù)流的決策，推遲到運(yùn)行時(shí)間再做出。開發(fā)人員可以在創(chuàng)建系統(tǒng)的過程中調(diào)整連接點(diǎn)，甚或?qū)⒅O(shè)置為隨著系統(tǒng)的運(yùn)行而動(dòng)態(tài)改變，因?yàn)檫@些點(diǎn)既不是硬編碼的，也沒有直接聯(lián)系。

PPS消息傳送模式也簡化了新組件的集成。由于發(fā)布方與訂閱方無需相互認(rèn)識(shí)，因此，添加組件的開發(fā)人員僅需決定該新組件應(yīng)當(dāng)發(fā)布什么數(shù)據(jù)，以及這些組件需要其他PPS客戶端發(fā)布什么數(shù)據(jù)。例如，他們可以在醫(yī)療器械聚合器中添加ECG或EEG組件，而不必微調(diào)API，并且不會(huì)加劇系統(tǒng)復(fù)雜度（圖4）。

圖4 通過PPS進(jìn)行通信的系統(tǒng)組件不需要相互認(rèn)識(shí)，因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者可以添加新的測量設(shè)備或者改變HMI，而不必修改整個(gè)系統(tǒng)。

可行性論證

作為QNX軟件系統(tǒng)公司開展的醫(yī)療器械開發(fā)計(jì)劃的一部分，我們設(shè)計(jì)并打造了一個(gè)用于可行性論證的模型，以在便攜式醫(yī)療器械提供的有限的計(jì)算資源上運(yùn)行。該應(yīng)用利用基于康體佳（Continua）標(biāo)準(zhǔn)的互通性管理器、PPS和利用跨平臺(tái)應(yīng)用和用戶界面框架Qt（發(fā)音“cute”）創(chuàng)建的尖端的HMI，將一系列典型設(shè)備組合起來。

我們之所以選擇Qt用戶界面和基于康體佳聯(lián)盟提供的康體佳使能軟件庫（CESL）的互通性管理器是因?yàn)?，這兩種技術(shù)都在醫(yī)療器械行業(yè)享有盛譽(yù)。Qt在C++開發(fā)環(huán)境中提供了一套明確定義的UI組件，并且有著在獲得了FDA及其他規(guī)定認(rèn)證的醫(yī)療器械上成功實(shí)現(xiàn)的悠久歷史。

Qt提供了打造符合嚴(yán)格的設(shè)計(jì)要求的清晰、高效的用戶界面所需的所有組件，包括布局、分層和多媒體支持。類似地，康體佳軟件庫中的通信協(xié)議不僅提供了與完全不同的醫(yī)療器械進(jìn)行通信的簡單方法，而且是一個(gè)早已在醫(yī)療器械中成功部署的標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議。

簡化的架構(gòu)

可以將PPS服務(wù)專門設(shè)計(jì)為使用二進(jìn)制對象或人可讀的對象。二進(jìn)制對象很小，但是，除最具約束性的環(huán)境之外，在所有環(huán)境中，人可讀的對象更可取。它們允許開發(fā)人員利用標(biāo)準(zhǔn)文件系統(tǒng)實(shí)用程序，從命令行進(jìn)行調(diào)試，如cat命令用于訂閱，echo命令用于發(fā)布，或者編寫一個(gè)簡單的程序，用于訂閱某個(gè)對象并打印調(diào)試信息，包括PPS對象及其屬性的列表。

PPS消息傳送為應(yīng)用提供了一個(gè)靈活的架構(gòu)。例如，要用其他庫來替代康體佳庫，或者用其他HMI技術(shù)來替代Qt，所需工作量極少。同樣地，改變HMI技術(shù)不會(huì)要求改變互通性管理器或者遠(yuǎn)程管理器，就像改變這些管理器，不會(huì)要求改變HMI。

PPS消息傳送也便于添加新的設(shè)備——利用標(biāo)準(zhǔn)康體佳協(xié)議，通過USB、藍(lán)牙甚或TCP，即可將新的設(shè)備連接至系統(tǒng)。例如，我們僅需利用康體佳協(xié)議將一個(gè)EEG連接至互通性管理器，創(chuàng)建適當(dāng)?shù)腜PS對象用于通信，并且在HMI中添加相關(guān)顯示和控制功能，即可將該EEG添加到我們的可行性論證模型中。此外，PPS消息傳送簡化了測試和功能安全驗(yàn)證，因?yàn)樘砑有碌慕M件不要求修改和重新驗(yàn)證所有其他組件之間的消息傳送。

最后，PPS消息傳送簡化了品牌重樹、本地化和用戶界面更新等。因?yàn)镠MI通過PPS對象與系統(tǒng)的其余組件進(jìn)行通信，所以設(shè)計(jì)者不必改變HMI之下的任何一行代碼。他們僅需確保新的HIMI所訂閱和發(fā)布的PPS對象與先前的HMI相同。在完全相同的基礎(chǔ)系統(tǒng)上，僅需實(shí)現(xiàn)不同的特性，或者不同的HMI設(shè)計(jì)，例如，支持不同的字母表和寫入系統(tǒng)，即可打造出各種產(chǎn)品系列。