Формальная модель интероперабельности в федеративных медицинских информационных системах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Медицинский информационно-аналитический центр РАМН

The Center for Information and Analysis of the Russian Academy of Medical Sciences

Формальная модель интероперабельности в федеративных медицинских информационных системах

Formal model of interoperability in federated medical information systems

УДК 002.641 Столбов Андрей Павлович, доктор технических наук, телефон +7(495)724-70-46, e-mail: ap100lbov@mail.ru Кузнецов Пётр Павлович, доктор медицинских наук, профессор, телефон +7(495)786-88-43, факс: +7(495) 786-88-47, e-mail: ppkuznetsov@mcramn.ru

Stolbov Andrey Pavlovich, PhD, phone +7(495)724-70-46, e-mail: ap100lbov@mail.ru Kuznetsov Petr Pavlovich, PhD, MD, professor

109004, Москва, ул. Александра Солженицына, дом 28

28, Alexandra Solzhenitsina str., 109004, Moscow, Russia

Аннотация

Рассмотрена модель транзитивной интероперабельности в федеративных информационных системах (ИС), на основе которой могут быть определены формальные критерии и требования к стандартам и процедурам взаимодействия, используемые при проектировании и эксплуатации ИС.

Ключевые слова: федеративные информационные системы, интероперабельность.

Abstract

Formal model of interoperability in federated medical information systems

A.P. Stolbov, P.P. Kuznetsov

The Center for Information and Analysis of the Russian Academy of Medical Sciences, Moscow, Russia

One of most important IT-directions is considered - the interoperability providing. The mean aspects connected with this notion are discussed. It is shown, in what the reason of occurrence of an interoperability problem, what its structure and what ways of its decision can be. The model of transitive interoperability in federated medical information systems (IS) is considered. Formal criteria and requirements to standards and procedures of interactions used at designing and operation IS can be defined.

Keywords: federated information systems, interoperability.

Обеспечение интероперабельности является одной из наиболее актуальных проблем при создании территориально-распределенных федеративных информационных систем (ИС) [1], образованных из локально автономных ИС входящих в них субъектов. Примером федеративной ИС является единая информационная система (ЕИС) здравоохранения [2, 3], принципиальными особенностями которой являются:

- отсутствие единого "вертикального" управления и административная независимость субъектов системы здравоохранения - учреждений и организаций различной ведомственной принадлежности и форм собственности - медицинских учреждений, информационно-аналитических центров, фондов обязательного медицинского страхования (ОМС), страховых компаний и др.;

- существенное различие целей, задач, функций и критериев оценки деятельности субъектов системы, в силу чего развитие решаемых прикладных задач и развитие их ИС, и баз данных объективно происходит, и будет происходить различным образом;

- независимость реализации и модернизации их ИС, их гетерогенность, и обусловленные этим проблемы информационной совместимости.

Процесс проектирования и создания федеративных ИС, по сути, заключается в разработке "платформонезависимых" стандартов и функциональных профилей, обеспечивающих взаимодействие, интероперабельность локальных ИС субъектов, как существующих, так и вновь разрабатываемых, и их объединение (связывание, стыковку) в единую информационную систему. Представляется целесообразным рассмотреть основные условия и модели интероперабельности ИС в федеративных системах, используя методы математической семантики [4, 5, 6].

Пусть J^S - множество субъектов системы. Будем говорить, что между субъектами i и j из J^S имеет место отношение i _X j интероперабельности _X, если они могут обмениваться данными X при условии их идентичной содержательной интерпретации (заметим, что обмен данными между субъектами может рассматриваться также и как обмен соответствующими сервисами).

Это определение, по сути, выражает требование, чтобы источники и потребители данных X при решении некоторой задачи были непосредственно или через субъектов-посредников из J^S, связны по данным X. Иным словами, субъекты могут быть интероперабельны непосредственно или транзитивно.

Определение 1. Субъекты i и j транзитивно интероперабельны, если

(a) i,j,kJ^S: i _X k k _X j i _X j;

(b) (i j) (kJ^S: (i _X k k _X j)) i _X j;

где - бинарное отношение непосредственной связности ("смежности") субъектов - возможности непосредственного обмена данными между ними; выражение (a) соответствует свойству транзитивности отношения _X, (b) - условию транзитивного замыкания по _X на множестве J^S.

Для определения необходимых и достаточных условий обмена данными между субъектами рассмотрим базовую коммуникационную модель транзитивной интероперабельности M, которую представим в виде графа:

i₀ i₁ i₂

Здесь дуги показывают направление передачи данных, а вершины - это следующие субъекты: i₀ - источник данных X; i₂ - потребитель данных; i₁ - посредник, передающий данные X, непосредственно взаимодействующий с i₀ и i₂, то есть i₀ i₁ и i₁ i₂.

Для описания условий интероперабельности между i₀ и i₂ в модели M определим следующие бинарные отношения связности по данным X между субъектами:

^S_X - отношение семантической идентичности (совместимости) данных, которая обеспечивается единой для субъектов системой понятий и терминов (онтологической системой), соответствующих передаваемым данным X; формальное определение бинарного отношения ^S_X между субъектами i и j представим в виде следующего выражения:

i ^S_X j Int.i(X) = Int.j(X);

здесь и далее Int.i(X) - полиморфный оператор содержательной интерпретации данных X субъектом i;

^ID_X - отношение идентификационной (ID) совместимости, при котором обеспечивается возможность установления взаимно однозначного соответствия между одними и теми же объектами (конкретными экземплярами), представляемыми данными X в ИС субъектов i и j;

^F_X - отношение синтаксической совместимости данных X, реализуемое на основе идентичности форматов и систем кодирования при передаче данных от одного субъекта другому;

^T_X - отношение технической совместимости и связности субъектов - возможности передачи данных X от одного субъекта другому по каналам связи или на перемещаемых в пространстве физических носителях;

^L_X - отношение институциальной связности, соответствующее наличию правовых оснований и организационных процедур передачи и получения данных X субъектами; состав передаваемых данных строго регламентируется нормативными документами, что обычно обусловлено требованиями конфиденциальности информации.

Отношение семантической идентичности ^S_X транзитивно и симметрично, и реализуется на основе единой для всех субъектов семантической модели данных X. Отношения ^F_X и ^T_X в общем случае не обязательно должны быть транзитивны и симметричны; достаточно, чтобы выполнялось условие попарной совместимости между смежными, непосредственно взаимодействующими субъектами. Отношение ID-совместимости ^ID_X также в общем случае не обязательно должно быть транзитивным, достаточно обеспечить попарную совместимость между смежными субъектами, при этом ^ID_X симметрично. Институциальная связность ^L_X между i₀ и i₂ должна быть транзитивной, то есть должно быть обеспечено транзитивное замыкание между i₀ и i₂ по отношению ^L_X путем принятия нормативных документов, регламентирующих информационный обмен между субъектами в необходимом объеме; симметричность ^L в общем случае не обязательна.

Иными словами, будем рассматривать пять условий связности субъектов по данным - их интероперабельности, - и представлять их как

_X = ^S_X, ^ID_X, ^F_X, ^T_X, ^L_X .

Далее для краткости записи будем опускать нижние индексы "X" в обозначениях отношений _X. Тогда условия осуществимости передачи данных X между i₀ и i₂ и их интероперабельности для модели M можно сформулировать в виде следующей теоремы:

Утверждение 1. Необходимыми и достаточными условиями транзитивной интероперабельности по данным X между i₀ и i₂, такими что (i₀ i₂), i₀ i₁ и i₁ i₂, являются:

(a) i₀ i₂ (i₀ i₁ i₁ i₂);

(b) i₀ i₁ (i₀ ^S₀₁ i₁ i₀ ^ID₀₁ i₁ i₀ ^F₀₁ i₁ i₀ ^T₀₁ i₁ i₀ ^L₀₁ i₁);

(c) i₁ i₂ (i₁ ^S₁₂ i₂ i₁ ^ID₁₂ i₂ i₁ ^F₁₂ i₂ i₁ ^T₁₂ i₂ i₁ ^L₁₂ i₂);

(d) ((i₀ ^S₀₁ i₁ i₁ ^S₁₂ i₂) i₀ ^S₀₂ i₂) Int.i₀(X) = Int.i₁(X) = Int.i₂(X);

(e) [i₀ ^L₀₁ i₁]_X [i₁ ^L₁₂ i₂]_X X;

где нижние индексы при "" используются для того, чтобы подчеркнуть возможные различия в реализации "одноименных" бинарных отношений в разных парах субъектов; X - состав данных, получаемых потребителем i₂; полиморфные операторы [i₀ ^L₀₁ i₁]_X и [i₁ ^L₁₂ i₁]_X определяют институциально установленный состав передаваемых (получаемых) данных, предусмотренный в отношении ^L.

Доказательство. Условие (a) следует из роли, которую в модели M выполняет i₁, а именно - роль посредника (шлюза) при передаче данных X между i₀ и i₂ и соответствует транзитивному замыканию по бинарному отношению связности , определенному на множестве субъектов {i₀, i₁, i₂} (определение 1). Условия (b) и (c) следуют из определения отношения связности как =^S, ^ID, ^F, ^T, ^L, то есть верны по определению. Отношения ^ID, ^F и ^T здесь выражают требование попарной совместимости между непосредственно взаимодействующими (смежными) субъектами. Транзитивность ^S₀₁ = ^S₁₂ = ^S₀₂ = ^S отношения ^S (условие d) следует из требования взаимной согласованности и симметричности интерпретации сообщений (данных) между субъектами (идентичность понятий). Условие (e) следует из определения отношения ^L и требования передачи сведений в установленном (разрешенном, допустимом) объеме. Таким образом, выражения (d) и (e) соответствуют необходимым, а выражения (a), (b) и (c) - достаточным условиям интероперабельности между i₀ и i₂. Что и требовалось доказать.

Обобщим полученные результаты для случая транзитивной интероперабельности на всем множестве субъектов J^S.

Утверждение 2. Необходимым и достаточным условием транзитивной интероперабельности i₀ и i_K из J^S является существование между ними упорядоченного подмножества I J^S попарно -связных субъектов, то есть

i₀ i_K I J^S: (i₀,i_KI i_k-1,i_k I, i_k-1 i_k , k[1, K]:

(i_k-1 ^S_k-1,k i_k i_k-1 ^ID_k-1,k i_k i_k-1 ^F_k-1,k i_k i_k-1 ^T_k-1,k i_k i_k-1 ^L_k-1,k i_k (Int.i_k(X)=Int.i_k-1(X)=Int.i₀(X)=Int.i_K(X)));

где условия попарной ^L-связности по данным X должны быть такими, что

i_k-1 ^L_k-1,k i_k ([i_k-1 ^L_k-1,k i_k]_X [i_k ^L_k,k+1 i_k+1]_X X [i_K-1 ^L_K-1,K i_K]_X X);

здесь индексы при "" используются так же, как в утверждении (1).

Доказательство. Утверждение является обобщением утверждения (1) путем применения математической индукции и следует из определения интероперабельности i₀ и i_K, как транзитивного замыкания между ними по бинарному отношению связности по данным (определение 1). Необходимость единой семантической модели данных (выражение Int.i_k(X) = ... = Int.i_K(X)) следует из транзитивности отношения ^S (условие (d) в утверждении 1). Условия попарной институциальной связности получаются по индукции из условия (e) в утверждении (1). Утверждение доказано.

Для определения области интероперабельности субъектов в федеративной ИС - множества потенциально взаимодействующих субъектов - по представленным выше критериям может использоваться известный алгоритм Уоршалла вычисления транзитивного замыкания [7].

Приведем еще одно утверждение, связанное с реализацией интероперабельности между субъектами в информационной системе.

Утверждение 3. Необходимым условием синтаксической совместимости при обмене данными между субъектами является семантическая идентичность данных X; обратное не верно:

i, jJ^S: i ^F j i ^S j.

Доказательство следует из определения отношения ^S и его транзитивности (см. определение 1), поскольку синтаксическая совместимость ^F предполагает также обязательную семантическую идентичность ^S кодируемых данных X. С другой стороны, семантически идентичные информационные объекты могут представляться синтаксически различными кодами (способами).

Условия, заданные в утверждении (2), определяют один из критериев выбора источников для получения необходимых исходных данных, а именно - условия интероперабельности источника i₀ и субъекта-потребителя i_K данных. интероперабельность информационный здравоохранение

Выводы

Анализ представленной выше модели транзитивной интероперабельности позволяет сделать следующие выводы, принципиальные для организации и планирования процессов создания и функционирования федеративных информационных систем:

1. Допустимость попарной ^F- и ^T-совместимости между транзитивно взаимодействующими субъектами для обеспечения их интероперабельности позволяет осуществлять поэтапную унификацию форматов (синтаксиса) и технических интерфейсов между локальными ИС, входящими в состав федеративной системы.

2. Транзитивность отношений ^S и ^L обеспечивает возможность осуществления поэтапного изменения и(или) унификации состава данных в потоках, начиная с верхних уровней иерархии системы сбора и обработки данных вниз, что, в свою очередь, позволяет также поэтапно "от общего к частному" осуществлять унификацию и переход на единые семантические модели данных, на основе которых обеспечивается ^S-связность.

3. Это в свою очередь, позволяет:

а) эффективно использовать информационные ресурсы, накопленные в "унаследованных" базах данных в старых, не унифицированных форматах;

б) включать в состав единой федеративной системы локальные ИС субъектов, не имеющих достаточных ресурсов для быстрого перехода на единые стандарты представления данных - за счет маппирования (конверсии) сообщений в центрах обработки данных тех субъектов, которые обеспечены необходимыми ресурсами; (в ЕИС здравоохранения около 50 тысяч субъектов; в такой системе нельзя перейти на единые стандарты одномоментно, "всем вдруг");

в) обеспечить относительную стабильность форматов обмена данными между смежными уровнями иерархии, на основе которых реализуется интероперабельность субъектов федеративной системы, в условиях их неравномерной миграции на единые стандарты передачи информации.

Описанный выше подход имеет достаточно общий характер и может применяться в различных предметных областях. Примером практической реализации представленной модели транзитивной интероперабельности является единая система сбора и обработки данных, необходимых для взаиморасчетов за медицинскую помощь между территориальными фондами ОМС, оказанную гражданам за пределами территории страхования [2].

Литература

1. March J.G., Simon H.A. Organizations. - New York: Willey and Sons, 1985.

2. Столбов А.П., Тронин Ю.Н. Информатизация системы обязательного медицинского страхования: Учебно-справочное пособие. - М.: "Издательство ЭЛИТ", 2003. - 558 с.

3. Столбов А.П., Кузнецов П.П., Какорина Е.П. Информационное обеспечение организации высокотехнологичной медицинской помощи населению / Под общ. ред. д-ра мед. наук, акад. РАМН В.И. Стародубова. - М.: МЦФЭР, 2007. - 224 с.

4. Брой М. Информатика. Основополагающее введение: В 4-х ч. Ч. 1 / Пер. с нем. - М.: Диалог-МИФИ, 1996. - 299 с.

5. Деметрович Я., Кнут Е., Радо П. Автоматизированные методы спецификации / Пер. с англ. - М.: Мир, 1989. - 115 с.

6. Лавров С.С. Программирование. Математические основы, средства, теория. - СПб.: БХВ-Петербург, 2001. - 320 с.: ил.

7. Новиков Ф.А. Дискретная математика для программистов. - СПб.: Питер, 2001. - 304 с.

Размещено на Allbest.ru