Пользовательский и программный интерфейс для распределенной системы статистической обработки биомедицинских данных

Предметом исследования является организация распределенных систем для решения актуальных задач статистического анализа биомедицинских данных, требующих расчетов на высокопроизводительных вычислительных системах (ВВС).
В ходе работы были исследованы проблемы, возникающие у медиков при работе с существующими инструментами статистической обработки, разработаны унифицированные модели a) работы пользователя с локальными и удаленными вычислителями и б) программного интерфейса для управления обработкой на удаленных ВВС.
Предложенное решение позволяет медикам с навыками пользователя ПК самостоятельно производить статистическую обработку экспериментальных данных на ВВС.

Цель работы: спроектировать и реализовать компоненты распределенной системы статистической обработки данных Statium для управления локальными и удаленными вычислениями:
а) клиентское приложение с графическим интерфейсом пользователя (GUI) (далее: подсистема GUI),
б) серверное приложение, предоставляющее клиентам API для управления вычислениями на ВВС (далее: менеджер запросов).

Для достижения цели были сформулированы следующие задачи:
а) Выделить критерии удобства использования GUI для медиков и провести анализ существующих интерфейсов.
б) Проанализировать существующие решения для удаленных вычислений.
в) Сформулировать требования к компонентам.
г) Выполнить проектирование:
1) подсистемы GUI,
2) менеджера запросов.
д) Реализовать компоненты системы:
1) подсистему GUI,
2) менеджер запросов.

Для обобщения результатов биомедицинских исследований с возможностью прогнозирования состояния людей и животных, не участвующих в экспериментах, полученные данные анализируются с помощью методов математической статистики. Существующие статистические пакеты требуют от пользователя свободного владения аппаратом мат. статистики, их интерфейс является неэргономичным для медиков. Существующие решения для работы с ВВС, которые необходимы для вычислительно сложных задач и при обработке больших объемов данных, рассчитаны на пользователей, имеющих собственные ВВС и владеющих навыками программирования, что неприемлемо для медиков. Требуется разработка эргономичного инструмента для медиков с поддержкой анализа данных на удаленных ВВС.

На основе анализа существующих решений и потребностей целевой аудитории совместно с потенциальными пользователями (исследователями из НГМУ, НГУ и ИЦиГ СО РАН) были выделены следующие критерии удобства использования GUI для медиков:

- использование медицинской терминологии и наличие пояснений к методам математической статистики,
- наличие доступной интерпретации результатов вычислений,
- простота интерфейса,
- наличие подробного руководства пользователя.

Проектирование пользовательского интерфейса совершалось в соответствии с выделенными критериями. Также было сформулировано и удовлетворено требование о возможности запускать задачи и получать результаты расчетов сходным образом как в рамках локальных вычислений на машине пользователя, так и при удаленных вычислениях на ВВС с целью сокрытия сложностей коммуникаций с ВВС. Для тестирования разработанного интерфейса был применен метод фокус-групп, которые были сформированы из потенциальных пользователей (студенты МедФ НГУ и преподаватели НГМУ).

В ходе анализа возможных подходов к организации удаленных вычислений было показано, что представление программного интерфейса сервера управления вычислениями в виде системы управления ресурсами в рамках задачи позволяет получить более структурированный интерфейс по сравнению с множеством отдельных операций, ввиду чего была выбрана парадигма REST. Для тестирования функциональности была разработана серия юнит-тестов.

В рамках работы

- был выполнен анализ существующих инструментов статистической обработки данных и сформулированы требования к графическому интерфейсу пользователя и к организации удаленных вычислений для системы статистической обработки данных Statium; в частности, по сравнению с другими системами, к текущей разработке применяются критерии удобства использования графического интерфейса для медиков и требование об унифицированном управлении через графический интерфейс как локальными вычислениями на машине пользователя, так и на удаленных ВВС;
- были разработаны модели: организации удаленных вычислений; унифицированного программного интерфейса для управления обработкой на удаленных ВВС; унифицированного интерфейса работы пользователя с локальными и удаленными вычислителями, представляющего собой эргономичный графический интерфейс, предоставляющий интерпретацию результатов на естественном языке;
- были реализованы программные компоненты: подсистема графического интерфейса пользователя и менеджер запросов, предоставляющий программный интерфейс сервера управления удаленными вычислениями клиентским приложениям;
- было проведено тестирование разработанного графического интерфейса с участием целевой аудитории в лице студентов МедФ НГУ и преподавателей НГМУ;
- было проведено внедрение разработанного графического интерфейса и локальной вычислительной части Statium в НГМУ при обучении студентов основам математической статистики, а также в работу Отдела статистической обработки данных.

Предложенное решение позволяет медикам без посторонней помощи производить обработку экспериментальных данных на ВВС, в том числе под собственными учетными записями пользователя на ВВС.

1. Глушаков, А.И. Применение статистических программ и методов в медико-биологических научных исследованиях // Казанский мед. ж. Том 90. – 2009. – №4 – с. 550-555.
2. Грижбовский, А.М. Использование статистики в российской биомедицинской литературе // Экология человека. – 2008. – №12 – c. 55-64.
3. Назаренко, Н.А. Оценка пользовательского интерфейса проектируемых специализированных систем / Н.А. Назаренко, М.Н. Никулин // Труды XII Всероссийского совещания по проблемам управления ВСПУ-2014. – М.: ИПУ РАН, 2014. – стр. 6402-6407.
4. Радченко Г.И. Распределенные вычислительные системы: Учебное пособие – Челябинск: Фотохудожник, 2012. – 184 с.
5. Fielding, R. T. Architectural styles and the design of network-based software architectures. PhD Dissertation. – Irvine, US: Dept. of Information and Computer Science, University of California, 2000. – pp. 76-107.

The subject of research is an arrangement of distributed systems to solve actual biomedical data statistical analysis problems that require high performance computing. The main problems of using existing statistical processing instruments by medics were analysed during the work. The following uniform models were designed: a) the model of user interaction with local and remote computers, b) the model of program interface to operate data processing on remote HPC systems. The designed solution allows medics having basic PC user skills to perform statistical processing of experimental data on their own.