基于HBase的心電信號(hào)存儲(chǔ)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

王利琴，高衛(wèi)香，蘭軍，翟艷東

（河北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與軟件學(xué)院，天津 300401）

0 引言

根據(jù)《中國(guó)心血管報(bào)告2016》[1]的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，心血管疾病的死亡高居我國(guó)城鄉(xiāng)居民死亡原因首位。隨著心臟病、高血壓、糖尿病等慢性疾病的死亡率不斷飆升，越來越多的人面臨健康的威脅。同時(shí)隨著通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，來自醫(yī)院的傳統(tǒng)心電檢查數(shù)據(jù)以及來自移動(dòng)終端等設(shè)備的心電數(shù)據(jù)（ECG，Electro?cardiogram）呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)、復(fù)雜程度增大，逐步構(gòu)成了心電大數(shù)據(jù)。如果能對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析挖掘，發(fā)現(xiàn)潛在的心臟疾病，并在發(fā)作前提供預(yù)警，則將大大降低病人的致死率及醫(yī)療成本，同時(shí)為醫(yī)護(hù)人員的臨床實(shí)踐提供參考。因此構(gòu)建心電數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)心電數(shù)據(jù)的共享，為心臟疾病的診斷提供支撐具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

Hadoop作為分布式的存儲(chǔ)平臺(tái)，已有不少文獻(xiàn)將其應(yīng)用到了心電信號(hào)的存儲(chǔ)領(lǐng)域。文獻(xiàn)[2]提出了一種基于HBase的心電信號(hào)存儲(chǔ)架構(gòu)，并利用MapReduce編程框架實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)處理的方案，該方案在存儲(chǔ)系統(tǒng)滿足數(shù)據(jù)輸入和輸出響應(yīng)需求的同時(shí)很容易地將計(jì)算并行化，從而解決了當(dāng)前各類由于傳感器和其他監(jiān)測(cè)終端產(chǎn)生的結(jié)果數(shù)據(jù)越來越多，存儲(chǔ)計(jì)算需求越來越高的需求。文獻(xiàn)[3]基于Hadoop和HBase技術(shù)構(gòu)建心電數(shù)據(jù)庫(kù),并對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)時(shí)間、訪問時(shí)間做了測(cè)試，實(shí)驗(yàn)表明基于Hadoop和HBase構(gòu)建的心電信號(hào)存儲(chǔ)系統(tǒng)具有較高的可靠性，可以滿足心電數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)要求。但文獻(xiàn)中只分析了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)時(shí)間、查詢時(shí)間，并沒有給出具體的存儲(chǔ)系統(tǒng)架構(gòu)。本文將從分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度，詳細(xì)給出存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)流程以及HBase表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及主鍵設(shè)計(jì)。

1 相關(guān)技術(shù)

1.1 Hadoop

Hadoop[4]由Hadoop分布式文件系統(tǒng)（Hadoop Dis?tributed File System,HDFS）和MapReduce編程框架組成，是一個(gè)提供分布式存儲(chǔ)和計(jì)算能力的主從架構(gòu)平臺(tái)。HDFS與傳統(tǒng)的分布式系統(tǒng)不同，傳統(tǒng)的分布式系統(tǒng)需要在客戶端和服務(wù)器之間重復(fù)傳輸數(shù)據(jù)，這對(duì)計(jì)算密集型的工作很適用，但對(duì)大數(shù)據(jù)處理，由于數(shù)據(jù)變得太大，對(duì)其進(jìn)行移動(dòng)已變得不可實(shí)現(xiàn)。Hadoop實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)計(jì)算而非移動(dòng)數(shù)據(jù)，主節(jié)點(diǎn)（NameNode）只發(fā)送要執(zhí)行的MapReduce程序到從節(jié)點(diǎn)（DataNode）上，而且這些程序通常很?。ㄍǔＪ乔ё止?jié)），集群的帶寬完全可以滿足。同時(shí)，集群中的數(shù)據(jù)被分解并分布在集群中的所有數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)上，并且計(jì)算盡可能多地在同一臺(tái)機(jī)器上的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行。

1.2 MapReduce

MapReduce[5]是一種編程模型，廣泛應(yīng)用于大數(shù)據(jù)的并行處理。MapReduce由Map函數(shù)和Reduce函數(shù)具體執(zhí)行，Map函數(shù)對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行切分，并輸出鍵值對(duì)形式的中間結(jié)果，Reduce函數(shù)合并具有相同鍵的多個(gè)不同的值，形成一個(gè)鍵值對(duì)的集合。它只專注于計(jì)算，而不必關(guān)心數(shù)據(jù)，使得基于MapReduce的編程更易實(shí)現(xiàn)。此外，由于大多數(shù)計(jì)算都是在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)副本的從節(jié)點(diǎn)上完成的，這使得在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較小，從而提高了整體計(jì)算效率。

1.3 HBase

HBase[6]是運(yùn)行在HDFS之上的分布式列存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，它基于Google BigTable并支持MapReduce編程模型，提供了方便的、隨機(jī)訪問數(shù)據(jù)的方法。作為一種NoSQL數(shù)據(jù)庫(kù)，HBase對(duì)表、行和列的定義與傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)不同，它的數(shù)據(jù)模型主要包含如下幾個(gè)部分：

表：Hbase用表存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

行：行由一個(gè)可排序的行鍵（rowkey）唯一標(biāo)識(shí)。

列族：列族需事先定義，每行的數(shù)據(jù)按照列族分組存儲(chǔ)。

列修飾符：列修飾符也就是列，列族里的數(shù)據(jù)通過列定位。每行有相同的列簇，但是在行之間，相同的列簇不需要有相同的列。

單元：行鍵、列族和列修飾符一起確定一個(gè)單元。

HBase在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和操作方面比傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)具有巨大的優(yōu)勢(shì)。因此，采用HBase設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模型，使其能夠滿足高并發(fā)性、海量存儲(chǔ)和高擴(kuò)展性等需求[7]。

2 基于大數(shù)據(jù)分布式平臺(tái)的心電信號(hào)存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 基于Hadoop的存儲(chǔ)平臺(tái)設(shè)計(jì)

基于Hadoop平臺(tái)的分布式特性，本文構(gòu)建的心電大數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)平臺(tái)如圖1所示，由Hadoop、Zookeep?er和HBase構(gòu)建。在這個(gè)平臺(tái)中，Hadoop提供基本的分布式存儲(chǔ)和處理功能，Zookeeper協(xié)調(diào)應(yīng)用程序并管理相關(guān)配置，HBase存儲(chǔ)ECG信號(hào)數(shù)據(jù)。

圖1 心電大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)流程

心電大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)不僅存儲(chǔ)由各類傳感器和醫(yī)療設(shè)備采集的實(shí)時(shí)心電數(shù)據(jù)，而且也要存儲(chǔ)已有的數(shù)據(jù)，用于數(shù)據(jù)和疾病預(yù)測(cè)的相關(guān)分析等場(chǎng)合。因此，對(duì)大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)來說，要分離線存儲(chǔ)和在線存儲(chǔ)兩個(gè)過程，如圖2所示。

圖2 心電大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)流程

2.3 表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到HBase在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)，不同的列族存儲(chǔ)在不同的文件中。同時(shí)當(dāng)某個(gè)列族在flush的時(shí)候，與它鄰近的列族也會(huì)因關(guān)聯(lián)效應(yīng)被觸發(fā)flush，最終導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生更多的I/O。因此，本文在設(shè)計(jì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)表時(shí)，只設(shè)計(jì)一個(gè)列族，以心電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)表為例，只包含一個(gè)列族ECG，包含如下列：

文件名：心電數(shù)據(jù)作為時(shí)間序列數(shù)據(jù)，為更好的對(duì)其實(shí)施管理，需將其按照固定時(shí)間進(jìn)行截取，存為一個(gè)文件。

文件存儲(chǔ)路徑：數(shù)據(jù)實(shí)際在HDFS上的存儲(chǔ)位置。

信號(hào)特征：在分析心電圖時(shí)，需要用到ECG數(shù)據(jù)的特征參數(shù)，如QRS持續(xù)時(shí)間、R波振幅、ST段振幅、ST段斜率、ST段位移、PR間期、QT間期以及由特征提取算法提取到的其他特征值。通過分析這些特征參數(shù)，應(yīng)用程序可以找到各種參數(shù)與疾病之間的相關(guān)關(guān)系。

疾病類別：在心電數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)之前，基于提取到的信號(hào)特征采用某種分類方法將其大致進(jìn)行分類。

用戶屬性：心電數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的患者相關(guān)的一些數(shù)據(jù)，如患者的病史、生活方式、性別、年齡、服藥歷史等屬性，這些屬性往往也與疾病存在著相關(guān)關(guān)系。

2.4 行主鍵設(shè)計(jì)

HBase只提供了行級(jí)索引，因此為實(shí)現(xiàn)多條件查詢，需要設(shè)計(jì)合適的行主鍵。本文選擇用戶id和疾病id聯(lián)合作為行主鍵。同時(shí)為避免region的熱點(diǎn)問題，充分利用集群分布式的特性，將用戶id倒序。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境及數(shù)據(jù)集

測(cè)試硬件環(huán)境為在1臺(tái)服務(wù)器構(gòu)建分布式Hadoop集群，集群包含1個(gè)主節(jié)點(diǎn)，4個(gè)從節(jié)點(diǎn)，用到的各軟件版本分別為 Hadoop2.6.2、Zookeeper3.4.6、HBase1.2.6，操作系統(tǒng)均為64位CentOS 6.5。服務(wù)器的硬件配置如下：

處理器：英特爾·至強(qiáng)·E5-2600V4處理器；

磁盤：600GB；

內(nèi)存：32GB；

本文采用的心電數(shù)據(jù)庫(kù)如表1所示，共包含來自三個(gè)數(shù)據(jù)集的263個(gè)心電信號(hào)文件，共約10.2G的數(shù)據(jù)。其中European ST-T數(shù)據(jù)集包含90個(gè)30分鐘的心電記錄文件，Long-Term AF包含84個(gè)21小時(shí)的心電記錄文件，Long-Term ST包含89個(gè)24小時(shí)的心電記錄文件。

3.2 數(shù)據(jù)寫入性能

因ECG數(shù)據(jù)是從5KB到100MB的不等的文件，為考察心電存儲(chǔ)平臺(tái)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入性能，需事先對(duì)ECG文件進(jìn)行預(yù)處理，根據(jù)采樣頻率按照每分鐘的時(shí)長(zhǎng)將原始文件切分成同樣的長(zhǎng)度，各數(shù)據(jù)集含有的記錄條數(shù)如表1所示，共236700條記錄。將數(shù)據(jù)分別寫入到本文構(gòu)建的存儲(chǔ)平臺(tái)和MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中，每秒記錄一次寫入的記錄條數(shù)，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行10次，取平均值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：HBase數(shù)據(jù)的寫入性能總體優(yōu)于MySQL寫入性能。HBase隨著寫入記錄數(shù)的增加，數(shù)據(jù)寫入性能總體平穩(wěn)，最快寫入速度19813條/秒。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集

圖3 HBase與MySQL數(shù)據(jù)寫入性能比較

圖4 HBase與MySQL數(shù)據(jù)查詢性能比較

3.3 數(shù)據(jù)查詢性能

按照行鍵的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)三種查詢測(cè)試用例，包含只按照用戶id查詢、只按照疾病id查詢和用戶id和疾病id組合查詢,每個(gè)用例一共執(zhí)行10次后取均值，結(jié)果如圖4所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，HBase的查詢性能總體優(yōu)于MySQL，最快查詢速度15805條/秒,數(shù)據(jù)檢索結(jié)果返回時(shí)效達(dá)到毫秒級(jí)，能夠滿足業(yè)務(wù)應(yīng)用中對(duì)心電信號(hào)存儲(chǔ)和檢索時(shí)效的要求。

4 結(jié)語

針對(duì)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)心電數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及檢索效率低的問題，通過對(duì)HBase中相關(guān)表的結(jié)構(gòu)及行鍵設(shè)計(jì)，建立了基于HBase的分布式存儲(chǔ)與處理系統(tǒng)，使實(shí)時(shí)采集和監(jiān)控心電數(shù)據(jù)成為可能。系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)是基于MapReduce的并行數(shù)據(jù)導(dǎo)入。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方案相對(duì)于MySQL具有較高的存儲(chǔ)效率和查詢速度，能夠滿足業(yè)務(wù)中的時(shí)效性要求。

[1]http://news.medlive.cn/heart/info-progress/show-129366_129.html

[2]Nguyen AV,Wynden R,Sun Y:HBase,MapReduce,and Integrated Data Visualization for Processing Clinical Signal Data.In AAAI Spring Symposium:Computational Physiology:2011.

[3]熊艷,陳宇,蔣文濤等.基于Hadoop的心電數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)研究[J].生物醫(yī)學(xué)工程研究,2016,35（3）:175-177.

[4]Shvachko K,Kuang H,Radia S,Chansler R:The Hadoop Distributed File System.In Mass Storage Systems and Technologies（MSST）,2010 IEEE 26th Symposium on:2010,IEEE;2010:1-10.

[5]K.C.Wee and M.S.M.Zahid.Auto-tuned Hadoop MapReduce for ECG Analysis.2015 IEEE Student Conference on Research and Development（SCOReD）,Kuala Lumpur,2015：329-334.

[6]張智,龔宇.分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)HBase關(guān)鍵技術(shù)研究[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，2014（11）:33-37.

[7]R.C.Taylor.An overview of the Hadoop/MapReduce/HBase Framework and Its Current Applications in Bioinformatics.J.BMC Bioinformatics,2010.