基于云计算技术的药品冷链物流信息管理系统

■ 中国药科大学高等职业技术学院 刘丽莉

1 引言

近几年，全国发生了多起药品医疗事故，尤其是在2010年发生的山西疫苗事件，由于疫苗在高温下曝露作业，直接导致很多接种对象残疾甚至死亡。冷链药品的质量控制，引起了全社会以及相关监管部门普遍关注。药品作为预防、治疗和诊断人体疾病，保证人民群众身体健康的特殊商品，很多药品在运输过程中都有严格的温度要求，例如，疫苗类制品、注射针剂等。除此之外，冷藏药品大多属于多批次少批量的发货形式，而每批次发往全国许多城市，每个城市又有多个收货点。为了保证药品的质量、减少运输损耗，冷链物流需要冷藏装置，在运送过程、时间掌控、运输形态等方面要求更加严格，因此医药冷链是一种物流成本所占成本比例非常高的特殊物流形式。据中国医药商业行业协会数据显示，我国冷藏药品销售额占我国医药流通企业药品总销售额的7%-8%。但是，一些发达国家的冷藏药品约占医药销售总额的25%，我国药品冷链物流与此相比还有较大差距，潜在市场巨大。为此，国家食品药品监督管理总局于2013年10月根据药品GSP一百八十三条规定发布了冷藏、冷冻药品的储存与运输管理规定，并作为药品GSP的配套文件。

医药冷链物流是一个提供温度敏感药品运输的物流行业，行业本身只关注产品的运输和质量保障，使用信息化的监控与管理系统有利于业务的开展以及过程控制，但是让医药冷链物流公司自己建立一个信息管理平台，并进行日常维护，将会是公司的一个重要支出，而且，每个公司都维护一个自己的数据中心，也是对资源的很大浪费。随着医药冷链物流信息系统存储的数据越来越多，系统需要更大的存储空间和数据处理能力，系统的扩展和升级也会给医药冷链企业带来很多麻烦。以河南新乡地区的疫苗管理为例，该地区有122个乡镇、24个街道办事处，假设每个乡镇拥有10个接种点，每个接种点至少要有一个冷藏设备，设备每隔10s 向监控中心发送一次疫苗状态信息，这样一天下来，数据库将增加千万条以上的数据，加上上级节点的监控信息以及运输过程中的药品状态信息，数据量更大。云计算从本质上看是一个提供海量数据存储与计算能力的平台，将该行业信息管理平台与云计算结合在一起，使用云计算提供的计算能力、存储能力以及管理维护能力，是一个很好的选择。在云计算平台上，中小规模的医药冷链物流企业可以与大型企业同台竞技，企业由过去软硬件的购买者转变为计算机资源的服务对象，这样可以大大降低企业信息化成本，以更快的速度提高医药冷链物流信息化水平，而且，企业可以根据需求合理调整购买云计算资源的数量，不用被系统升级而困扰。在这个背景下，依托公共云计算平台上构建信息系统显得非常迫切。

2 药品冷链系统实现目标

使用云计算技术，能够给医药冷链物流信息系统带来如下优势：

（1）加速系统的开发和测试。在系统开发之初，系统将来的运行环境是一个需要考虑的重要问题，快速获得系统的开发和测试环境对系统的开发效率有很大影响，云计算平台的服务可以为系统提供 所需的开发、测试以及运行环境， 从而加快了系统的开发和测试。

（2）规模化效应。一个医药冷 链物流行业的私有云能够同时部署 多个信息系统，规模化效应能够降 低运营成本，云计算的虚拟化技术 将存储、计算、网络等资源进行整 合再分配，为多个系统提供存储和 计算能力的同时，又保持了各个系 统的逻辑独立，确保系统的安全 性。

（3）按需付费、便于扩展。云 计算基础设施服务将资源以服务的 形式提供给用户，用户根据自己需 要购买，在医药冷链物流信息系统 运行初期，可以购买少量的资源， 随着系统规模的扩大和应用的推 广，只需要购买更多的云计算资 源，云计算平台能够自动、动态地 将系统扩展到新的资源中。

（4） 便于管理和维护。云计算 的一个重要特点就是将计算机使用 者承担的软硬件、网络、系统维护 等业务活动由云计算服务商承担。 云计算平台采用虚拟化技术管理基 础设施，具有数据备份策略和硬件 自动维护能力，减少了医药冷链物 流企业对系统的维护和管理支出。

3 药品冷链流程分析

医药冷链物流具有明显的地域特性，这里假设医药冷链物流单位以地市级为管理范围，它的管理单元可以分为市级节点、县（区）级节点、乡（镇）节点和接种点四级，按照行政管理权限上级管理所有下级部门，即管理下级所有冷冻设备及存储的所有药品，药品从市级节点冷库配送到直属它的县级节点，再从县级节点配送至其直属的乡级节点，每级节点都配有冷库和冷藏运输工具，对于较大批量药品或者运输路程较远的运输任务使用冷 藏 车， 对 于 短 距离、小批量的药品运输使用便携式冷藏箱。药品在储藏、运输直到使用的整个过程中都处在医药冷链物流信息系统的管理之下，药品的实时状态通过网络发送至监控中心，如图1所示。

图1 医药冷链物流药品流通过程

4 药品冷链系统总体架构

根据上述的目标以及流程阐述，医药冷链物流信息系统将信息采集终端的采集信息和其它业务数据保存在MongoDB数据中，系统部署在微软云计算平台Windows Azure Platform 上，通过互联网供用户使用，系统总体架构如图2所示，主要由信息化基础设施、云数据中心、云服务支撑平台、应用服务和统一云服务信息门户组成。

图2 医药冷链物流信息系统体系架构

（1）信息化基础设施。通过云计算的基础设施服务提供网络、存储、操作系统、中间件、WIFi、移动和物联网等配套设施。

（2）云数据中心。云数据中心在信息化基础设施的基础上，将系统数据存储、组织起来，为上层应用提供支撑，使用MongoDB 作为数据库管理系统，医药冷链运输过程的管理需要用到的地理信息数据也由该层提供。

（3）云服务支撑平台。系统使用微软Azure 平台，平台以底层基础设施为基础，为应用服务提供开发、运行以及维护的环境。

（4）应用服务。应用服务是系统具体功能在云服务支撑平台上的实现，包括信息采集服务、仓库管理服务、运输管理服务等。系统使用一些传感器进行信息采集，温度 传感器实时采集温度信息，用来监 控药品存储以及运输过程中的温度变化，保证药品的质量，GPS采集药品运输过程的位置信息，方便运输车辆的管理与调度，RFID能够在不开箱的情况下读取冷藏设备里面的温度信息。将这三个传感器模块集成，构成了医药冷链物流信息系统的信息采集终端。

（5）统一云服务信息门户。统一云服务信息门户可以看成是云计算对外的接口，供应链中冷库、冷藏车的实时监控信息通过它保存到数据库中，物流企业内部和相关监管部门通过该门户使用系统具体功能。

5 温湿度控制系统设计

医药冷链物流信息系统对疫苗从生产、仓储、运输直到销售的全过程的温度、位置变化信息进行实时化的监控管理，使用云平台中的信息采集终端来实现信息的采集，并记录到RFID标签内部储存芯片中。然后利用无线通信网络将终端采集到的数据实时传输到主机，并同时上传云至平台，如图3所示。

图3 基于云计算的温湿度控制系统

云平台对信息及时处理，并通过温湿控系统将温湿度数据自动传递到监控中心。报警装置根据预先设置的温湿度限值触发报警装置，这三个环节的共同配合保证了完整的温湿度检测系统的实现。信息采集终端主要由RFID模块、GPS模块、温湿度感器模块、GPRS模块和MCU组成，终端启动之后，温湿度传感器定时采集温湿度信息，并添加到RFID标签中，GPS模块负责采集位置信息。

在冷链物流温湿度实时监测中，主要是通过携带温湿度传感器的RFID标签和RFID读写器配合完成。置于RFID标签内部的温湿度传感器，与RFID芯片组合，在进行药品信息录入的同时可以将传感器的监测范围写入芯片，RFID标签粘贴到产品上之后，温湿度传感器开始采集药品环境温湿度。RFID标签采集的温湿度数据传递到药品运输载体上的RFID读写器中，再通过GPRS等远程传输方式将温湿度数据信息传递给云平台主机监测系统，监测部门的工作人员就可以实现对冷链物流温度的远程实时监测。

冷链温湿度数据实时分析和温湿度异常预警是同时进行的。传感器采集到的超限数据传回云平台主机控制系统后，云平台主机系统应用数学软件及时对数据分析处理，将分析结果传递给系统预警模块，与预警模块中的设定值比较大小，系统判断是否报警。

6 物流信息系统关键功能设计与实现

6.1 主从模式分布式数据库技术

云计算的目标是将大量普通计算机通过虚拟化技术组织在一起，向用户提供计算、存储、网络等资源，云计算大规模集群的运行环境对数据库技术提出了新的要求，非关系数据库可以解决该问题。分布式数据库的主要任务是将数据分割、分布到计算机集群上，使得数据操作和存储量等负载均衡地分布于集群中，分割后的数据片在系统中保存多个副本，保证系统的可靠性和负载均衡，分片管理需要在数据分片与数据节点之间建立映射关系，主从模式使用NameNode节点作为分片管理节点，数据各副本以Primary节点和Secondary节点区分。Google的GFS文件系统以及其开源实现HDFS采用的就是主从模式架构，主从模式的架构如图4所示。

图4 主从模式分布式数据库架构

NameNode节点负责管理数据库所有的元数据，包括名字空间、访问控制、数据到存储位置的映射、物理位置分布等信息，使用数据切分和复制的方法，提高数据库的操作效率，数据被复制存储在多个数据节点上，其中一个是Primary节点，其它是Secondary节点。

主从模式下，用户向系统中写入数据的操作过程如图5所示。用户首先向NameNode节点询问存放数据及其备份的所有数据节点的位置，用户将数据发送到最近的数据节点的内存中，该节点负责把数据发送到其它的数据节点，然后用户向Primary 节点发送写数据请求，Primary 节点决定数据在Secondary节点上的存放位置并命令各个节点把数据写入硬盘，最后Secondary 节点向Primary 节点汇报写操作完成情况，Primary 节点将结果回复给用户。数据读取操作与写入操作类似，首先咨询NameNode 数据的存放地址，用户根据存放地址与数据节点建立数据通道，在各节点中选择距离近的节点，从中获取数据。

图5 主从模式写入操作执行过程

6.2 系统功能及实现

医药冷链物流信息系统采用B/S模式，以Web应用的形式供用户使用，系统采用Web开发中常用的三层架构。表现层是展现给用户的界面，业务逻辑层针对具体业务的操作，对数据业务逻辑进行处理，数据访问层的任务是直接操作数据库，实现对数据库的增、删、改、查。数据库使用MongoDB，MongoDB数据库介于关系数据库与非关系数据库之间，具有丰富的功能和松散的数据结构，MongoDB支持的查询功能强大，可以实现关系数据库大部分查询功能。根据对医药冷链物流信息系统的功能需求分析，系统需要完成的主要工作包括：记录采集信息、冷库与运输工具管理、库存管理和状态监控，在项目中创建相应Controller处理业务逻辑。

（1）记录采集信息。数据采集终端定期发送采集信息，系统接收信息并写入集合Capture中。首先创建BsonDocument类文档doc，将采集信息添加到doc中，然后将doc插入到集合Capture中。

（2）冷库与运输工具管理。系统中冷库与运输工具的管理情况类似，分别对Storage集合与Cart集合进行增、删、改、查操作。数据库操作与写入Capture集合类似，将相应属性添加到一个Storage实体类对象中，然后将对象插入Storage集合。

（3）库存管理。库存管理是管理各个仓库内的疫苗存储情况，包括疫苗的进库、出库和库存查询。库存管理涉及Storage集合与Cart集合，进出库的数据库操作是根据StorageId与VaccineId查询到要操作的疫苗，然后修改集合的Quantity值。

（4）状态监控。状态监控是整个医药冷链物流信息系统的核心，在二维地图上显示所有车辆的位置信息，可以直观地观察疫苗运输过程。首先根据StorageId查询集合Cart，再根据Cart集合中的DeviceId属性查询Capture集合，得到最新的温度和位置信息。

7 物流信息系统应用效果

云计算是并行计算、分布式计算以及网格计算等科学概念的商业实现，用户可以对计算和存储资源按需取用、按量付费，建立起基于云计算的医药冷链物流信息系统减少了企业基础设施、运营和维护成本。

除此之外，医药冷链物流信息系统是一个软硬件结合的综合性系统，在信息收集环节，使用信息采集终端，能够实时监控温度与位置变化信息，并将信息发送到监控中心，从而能够对药品的整个冷链过程进行实时监控，实现了药品的流通信息透明化管理，保障消费者安全。一旦发生药品质量安全事件，可借助于系统的跟踪追溯功能，使危害降到最低。同时，通过温控系统的实时监控，根据实际使用需求开启，以达到节能的效果，节能效果可达到20%。