摘 要：本文主要研究利用校园空置计算资源进行虚拟医学教研活动，用于缓解日益增加的医学教学研究资源紧张的矛盾和提高整合现有校园数据中心的各类计算资源。虚拟医学教研活动依托自行开发的医学生物实验运算平台和采用云计算技术、MPI技术和磁盘快照技术，搭建的能够支撑高性能计算生物学实验PC集群。
关键词：医学生物实验运算平台 虚拟医学教研 云计算
在21世纪的医学院校中，存在的两个突出的特点。第一，医学教学资源的日益紧张，教学资源不能满足越来越多的医学学生的使用，资源的压缩，使学生在医学学习中的直观感受不明确，很大一方面制约了学生的学习效果。第二，在信息化浪潮的背景下，医学的教学和研究也越来越多的使用新的技术，把信息化、资源共享、数据分析逐渐的融入到了传统的教研活动中。在这么一个背景条件下，虚拟医学教研也成为很多医学院校的探讨和实践方向。在本文中的虚拟医学教研的探讨主要集中在以下几个方面：1.虚拟医学生物实验运算平台的搭建，实验设计、模拟动手、虚拟数据、共享数据、在线解答、在线测试。2.如何搭建能够支撑并行计算和开展数据挖掘的生物学实验计算平台架构模式。3.解决高校闲置的计算能力与医学实验欠缺计算平台的矛盾，利用云计算技术有效整合校园网内的各类计算资源，提升现有资源使用效率。
一、方案流程
二、方案介绍
虚拟医学教研活动不论是教学还是研究，都依托于自行开发的医学生物实验运算平台。整个平台主要分为三个部分：
第一部分，是虚拟实验平台，实现医学实验数据自主管理。在虚拟医学实验平台上，用户被分为使用者和管理者。使用者主要是用于科研和教学活动的教师，以及在虚拟实验平台上进行虚拟实验和数据管理的各阶层学生，根据学生的不同性质给予不同的使用权限。管理者一般是进行本单位学生实验管理的老师。不同用户登陆，进行身份识别以后，会看见不同的界面。在使用者界面中，主要可以通過虚拟实验平台完成实验设计、模拟实际实验进行虚拟实验活动、产生的实验数据根据数据量的大小，可以先进行数据存储，也可以直接连接计算平台，进行数据计算。使用者还可以根据自身权限的大小，共享已经在平台存在的共享资源和数据。还可以和在线的用户进行互动。管理者用户主要是对已经存在的虚拟实验数据进行管理，建立数据分析模型，保证结论数据的安全。例如：使用者用户登陆，在虚拟实验平台上对正常或是突变QDPR蛋白质三维建模，对分子在水溶液的运动进行模拟，比较两种蛋白结合底物及催化底物有什么不同，然后对生成的数据运用建成的集群计算平台进行大量比较数据的运算和分析，从而更深刻的理解基因突变对蛋白功能的影响和验证集群计算机平台的运算能力。
第二部分，是计算平台和管理平台数据对接。国内医学院校都投入大量的资金和精力开展各类校内应用的数字化、网络化建设，已建立了具有一定规模的服务器群和大容量存储的数据中心，并且配备大量的高性能PC用于日常以计算机作为教学工具的计算机实验室。由于整体规划和学校管理等原因，各高校的大量服务器应用效率低下，长期处于低水平运行状态；而计算机实验室中的大量高性能PC除了日常教学之外，大部分时间闲置，存在大量的计算能力的浪费现象。在此基础上，虚拟实验教学的研究的一大任务就是重新利用这些闲置的计算机以及现有的云计算技术，搭建可以分析大量生物实验数据的大型计算平台。因此要先设计一个简单的计算平台界面，使用者进入界面，可以申请进行数据计算，计算平台接口触发计算机集群，对使用者的实验数据进行高性能计算。采用云计算技术、MPI技术和磁盘快照技术，搭建能够支撑高性能计算生物学实验的PC集群。云计算是提供可用的、便捷的、按需的网络访问，进入可配置的计算资源共享池（资源包括网络，服务器，存储，应用软件，服务），这些资源能够被快速提供，只需投入很少的管理工作。MPI程序是基于消息传递的并行程序。在此只需要设计好并行算法，使用相应的MPI库就可以实现基于消息传递的并行计算。磁盘快照技术把共享的硬盘供每个客户端独享占有，这样每个客户端都可以任意读写硬盘，添加删除文件，甚至格式化系统硬盘，下次重新启动时候自动恢复到原来的状态。支持磁盘的直接更新和数据合并：EMS既支持更新的时候将改动数据直接写入磁盘，也可以在更新后，在管理端直接选择已更新的回写文件进行数据合并。多样化的更新方式，有效提升用户效率。
第三部分，数据共享和数据安全。数据库的设计主要在于安全和权限的设计。共享数据根据数据的不同和使用者的不同，应该获取的数据也不同。数据安全在数据使用中也处于重要地位。可以通过桌面虚拟镜像数据加密功能，解决云端数据集中存储带来的管理员优先访问权与虚拟机逃逸带来的隐患，防止桌面云使用者的私有数据泄密。云终端身份认证制度，避免云终端身份冒认使用风险，提升远程使用云终端的安全性。以云终端为识别依据的安全域划分，取缔传统PC终端依赖物理端口划分虚拟安全域的机制，符合云终端跨区域使用的特性，加强云终端之间数据传输安全管控。数据动态边界自动加密功能实现云中部门间数据可控交互，防止云终端数据通过邮件、网页或即时通讯工具等造成的泄密。
三、结语
研究建立医学生物实验运算平台，实现虚拟医学教研活动，传统教学和现代网络信息技术的结合；自主管理系统与计算平台的数据对接，且实现数据主权者的自由数据管理权限。对计算生物学实验中的大数据量运算的特点进行分析，考虑其对计算能力的需求，提供可供运算的计算机集群。以上这些，都是对现有医学院校教研活动的有意高效的补充，使医学院校的教学和科研工作更上一层台阶。
※基金项目：课题来源：河北省高等学校科学技术研究项目（课题编号：QN2014214）.