基于大数据的防疫支撑平台分析

杨文超,徐小卫

(南通市疾病预防控制中心,江苏 南通 226001)

1 引言

目前全球已搭建疫情防控效果实时评估系统(全球平台),主要模块有:每日新增病例数、累计发病病例数、累计死亡病例数、累计治愈病例数、累计流行强度(1/100 万)、流行强度(1/100 万)、累计死亡率、累计治愈率、传播力及防控效果、疫情趋势研判及效果评估、国际联防联控预警等。 历年来,动物源性病原体跨种传播频繁发生(新冠肺炎、SARS、MERS、各种类禽流感等)[1],烈性传染病的跨国输入与输出以及对生物技术的缪用,均会导致新型生物威胁的产生,这就迫切需要运用大数据、人工智能、云计算、区块链等信息技术,针对每次疫情的不同进行分析监测、病毒溯源、防控救治、迅速响应,从而进行资源合理调配以满足应急的需求。 各国构建信息技术支撑的重大疫情防控救治体系、筑牢国家安全体系、打赢世界生物安全博弈战,是具有重大战略意义的。

2 构建疫情防控支撑平台的目标

随着信息化时代的到来,信息数据量也呈指数级增长,数据的内容也涉及方方面面。 防疫支撑平台就是要在海量大数据中找出最有价值的信息,通过预警预测、联动筛查等措施构建多部门、多角度、多层级、多维度联防联控,最终实现一图一区一平台多应用的布局。

通过GIS 系统生成全市多图层地图,联动不同功能图层,催生数据可视化、防疫风险报警,形成防控结核的预警体系,构建一张防疫大数据图;协同各大平台App(如南通百通等),建设防疫专区,打通信息传播渠道,构筑群众防疫城墙;对各部门各防疫系统进行数据、服务、流程等集成,设置统一的数据标准,进行全面综合智能分析,筛选有效、真实、有价值的数据,推送分析结果,协助防疫开展;综合核酸检测系统、疫情病原体检测系统、疫苗接种预约系统、疫苗接种系统、公安等部门防控系统、出入境管理系统、药物购买系统、传染病多点触发检测预警系统等N个应用系统,通过大数据手段,以“外防输入、内防扩散”为目的[2],实现全方位自动化人员健康信息核验系统、多源化防疫数据互通平台、多维度防疫预警体统、防疫应用专区管理等。 让大数据蓄力疫情防控,做到迅速响应、快速精准流调、严格管控、有效治疗,第一时间遏制住疫情扩散,稳定人心,增加社会信心,把握防控主动权。

3 平台架构

基于“互联网+”的大数据[3]防疫系统采用B/S(浏览器服务器)和C/S(客户端服务器)相结合的模式,服务器部署在卫生信息中心和相关政府部门信息中心平台上,采用H3C 超融合一体机和海康威视的服务器存储整列,采用centos8+Tomcat+maven 搭建MVC 模型环境,数据库采用Oracle。 B/S 模式有利于跨平台使用,数据处理在服务器端进行逻辑实现,便于集中管理,数据安全性也有所提高,同时多架构服务器组建云计算平台能够最大限度地利用现有硬件设备,节约成本;一线防疫工作人员基数庞大,对于系统的可移动性和稳定性都有较高的要求,采用C/S 模式,以App 的形式供基层工作人员使用,不仅提高了系统的稳定性,也能够适应复杂多变的基层环境[4]。

该平台的数据源来自各政府部门系统服务器,通过数据清洗技术,统一数据标准,将数据提取至防疫平台管理服务器(平台服务器),采用双机热备份,平台服务器对数据进行挖掘、分析、处理,以数据包的形式发送至移动应用服务器,供基层工作人员使用。 大数据防疫平台(业务协同层)使用FTTx+LAN 的介入方式与服务器进行通信,在保证传输速率的同时物理隔离外界网络侵入,业务协同层集成各业务系统数据,进行处理、分发、推送工作,后台管理员操作也在业务协同层完成。 采用面向服务的体系架构(Service-Oriented Architecture,SOA),利用VPN 技术向外界推送大疫情防控数据,形成大疫情防控图。 各App 平台设置防疫专区,使用大数据防疫平台统一接口,进行统一认证、授权。 平台架构如图1 所示。

图1 平台架构

平台由6 层逻辑架构组成,分别为安全基础层、设备层、数据层、应用支撑层、业务应用层、应用终端层、用户层,全平台建设遵循标准规范体系及安全管理组织与权责、安全管理制度与规范。 安全基础层在通信加密、身份管理、认证管理、权限管理、密码管理、审计管理、通用安全等方面提供了技术支撑;设备层包含平台运行所需的一切硬件设备,如:双绞线、同轴电缆、光纤等网络传输设备,IP 协议密码机、安全路由器、线路密码机、防火墙、信息核对一体机等网络安全设备,数据服务器、应用服务器等服务器设备[5];数据层包含平台数据库、信息资源库,并且提供数据交换平台,提供数据快速无障碍传输;应用支撑层为业务应用层服务,提供其所需的业务验证辅助功能,如人脸识别、身份识别、二维码读取等;业务应用层包含两大业务区块:外防输入区、内防扩散区,对外要进行进口冷链食品申报追溯、入境人员疫情防控、隔离点管理等,对内重点场所人员信息一体化核验、重点区域视频监控、药品购买记录、发热门诊监测等;应用终端层对应各重要部门的管理者,权限设置在指挥中心、政务办公PC 及移动设备,与硬件设备绑定,由专人或团队负责,可以溯源;用户端层供个人使用,包括市领导、指挥中心及相关部门人员、市民等,具有便捷、易操作等特征。 系统严格遵循《全国卫生信息化建设标准与规范(试行)》的应用要求进行设计架构,为了严格保护医疗卫生数据不被泄露,安全管理体系将会体现在系统信息交换和共享的各个环节,提供整个架构的安全保障[6]。 逻辑架构如图2 所示。

图2 逻辑架构

4 关键技术

4.1 可视化应用

使用JS(Java Script)脚本编程语言中的ECharts 库来实现动态图表显示及交互功能, ECharts 是EnterpriseCharts 的缩写,是一个基于HTML5 Canvas 的JavaScirpt 图标库,因为JavaScript 是一种Web 客户端轻量级的脚本语言,所以在数据展现方面更加便捷。

ECharts 作为一种图表类的库,在ZRender(二维绘图引擎)基础上创建了坐标系、图表示例、工具箱等组件,利用基础组件构建出各种展示图,例如折线图、柱状图、散点图、K 线图、地图等,具有可移植性、兼容性强等特点,可提供更加优越的交互体验[8]。

4.2 异步调度

Ajax 即Web 数据交互方式,它能够在不刷新整个页面资源的情况下,及时更新用户界面的数据,节约资源,提高效率。 使用Ajax 进行异步调度与局部刷新,调取服务器数据,分配线程,在ECharts 图表上进行局部更新,便可以实现实时更新效果。

4.3 地理信息技术

此平台采用空间地理的概念,在目前成熟的基础地理信息框架上,融合多元数据,在多层面、多维度、多角度提供地理信息指标及相关分析数据展现,满足疫情防控空间上的实时跟踪处理需求。 在应用开发软件上,设计人员选择WebGIS,它不同于传统的GIS系统,在Web 开发上有更好的契合度,提供丰富的网络接口资源。 同时能够与网络其他资源无缝集成,融合形成复杂性较高的数据分析地图。 运用WebGIS 可以绘制出进出入流量地图、疫情多点暴发预警地图等综合性防疫图,结合异步调度,形成实时防疫管控地图。

5 主要功能设计

5.1 重点场域出入境人员信息一体化功能

使用无感知、非接触、高便利的防疫一体化机,集成身份证识别、健康码、行程码核验、人像识别、红外测温等功能,融合五重检测,形成非接触式、智能存储通行数据。 此系统功能主要运用于人口较密集的商超、车站、机场及重点口岸等[7]。 通过人脸识别和身份证件号检测获取人员信息,对接公安居民信息库核验信息真伪,结合红外线体温检测、疫情防控大数据网自动完成居民个人防疫健康相关信息,进行居民健康画像,出现问题自动警报。

通过人体红外线检测技术,无接触式获取体温信息,结合系统数据库人员身份信息、人脸识别、健康码、行程码等数据,对比分析实时记录访客人员的信息及健康状况,智能生成来访记录,存储子云端服务器,便于回溯查看。 一旦发现身份及体温异常人员,系统会实时报警,发送报警电话及信息给管理人员,迅速响应,便于人员勘察处理。 报警信息实时存档记录,方便后续查看统计及分析。 服务器划分虚拟区块,存储工作人员信息、行为轨迹及健康监测,可以自动地对比每日健康信息变化,实时高效地监测工作人员的身体状况,通过物联网设备(健康手环、健康电子表等),实时获取工作人员的健康情况,打通数据壁垒,数据可实时传送给医疗机构进行健康分析,出现异常情况及时报警(严重情况直通120 急救热线)。

5.2 重点区域视频监测功能

对隔离点、商超、校园等进行实时监控,数据上传云端,随时调取使用,打通指挥中心与一线防疫的信息沟壑,及时互通信息。 存储方式采用本地缓存(定期备份),同时开辟专用虚拟传输通道,采用VPN(设定时间期限进行覆盖)和云服务器存储,设置不同级别授权查阅视频资源,开通光纤传输通道,保证数据传输稳定快速。 智能化图片识别分析技术固定周期对存储数据进行对比分析,发现异常数据及时警报。

5.3 隔离点管理功能

隔离点的作用就是隔离监护患者或者疑似患者,一方面用来确定病情,另一方面防止病毒扩散。 利用互联网信息化技术实现各隔离点的集中管控,信息同步,使隔离点人员全面健康监测和准确核酸检测数据能够流传,供指挥部专业人员及时审核和研判,科学地制定管理措施,掌握各案社区的管控情况,直观地获取隔离人员是否闭环管理信息,同时能够有效生成各类电子台账,供数据工作人员调取多部门数据查询各案信息[9]。 被隔离和管控人员也能够顺畅地与管理人员进行交流,及时反馈信息,及时得到回复,及时解决问题。

系统充分运用了集成电路、无线通信、软件系统、计算机网络等高新技术,实现了集隔离点基本信息管理、人员管理、人员定位、体温检测于一体的电子自动化功能,将整个体温检测与控制过程简单化、高效化,提高了对流行性疾病的管控能力。

系统上位机(发出指令)由政务网PC(电脑)管理端、互联网移动端(手机等)两部分组成,并且保证数据互通。 PC 管理端提供给系统管理员录入数据信息、导入、修改、删除、筛选列表查询等,将隔离点大致分为普通隔离点、居家隔离点、定点医院3 类。 移动端包含登记人员审核和人员隔离管理两大功能:(1)支持居民自行注册登记人员基本信息及医学观察方式(隔离方式、隔离地点),隔离点管理员可以通过系统对居民填写的信息进行登记审核,删除误扫人员信息,对填错人员的信息进行校正并补充隔离管理信息(隔离时间等),实时监控隔离点人员的身体健康情况;(2)隔离点管理员可以新增隔离人员、录入隔离人员信息、管理健康状况检测信息、管理核酸检测信息、查询人员诉求等,通过系统记录平时数据以及人员的心理状况,汇总形成医学观察责任表,并对特殊问题及时备注,最终达到一表观全貌的效果。

系统可以通过手机定位功能跟踪查看隔离人员的行为轨迹,实时监控隔离情况,制定活动区域,对于超出隔离范围活动的人员发出及时警告,并将异常信息发送至隔离管理人员,这样隔离点工作人员对隔离信息、行为轨迹等能够清晰观察,掌控隔离全过程[10]。 配置物联网健康监测设备,实时汇总隔离点管控人员的健康信息,监测隔离人员全天的健康情况,关联大数据平台检测结果进行智能分析并将分析报告一并提供给隔离点管理人员。

通过大数据技术及时将隔离点满员情况进行统计汇总,合理分配隔离点资源,监测隔离点的整改情况,对未能达到隔离要求的隔离点及时发出警报,限定期限进行整改,整体规划所有区域隔离点数目及布局要求,根据阳性病例分布情况动态分配隔离点所在区域及数量。

5.4 传染病多点触发监测预警智能平台

此平台以大数据、人工智能、移动物联网等现代信息技术为支撑,是以新冠肺炎监测为首要目标的传染病多点触发监测预警机制的系统,根据传染病多点监测数据,建设传染病多点触发预警监测数据仓库,通过绘制预警画像,对传染病的可能走向进行预测预警,为决策人员提供多种可能方案,更好地辅助决策人员做出更加合理的判断,制定合适的策略。 加强公共卫生机构、医疗机构及基层社区机构全面协同,遵循“预防为先、管控为主、救治为本”三大原则,一旦发现疫情苗头,能够快速响应,实现“秒级发现、分钟隔离、小时阻断”的快速应急响应机制,保障社会活动、经济发展与疫情常态化管控的动态平衡。

基于传染病的流行病学数据中心数据,通过数据清理、数据集成、数据归约与数据转换、去冗余等技术,统一融合多源多形式数据,建立标准预警监测数据库,为日常监测以及研判提供强力的工具支持。 整合公卫、医疗、地理等多方位数据,利用大数据、人工智能等技术,围绕人、地、物异常指标进行第一时间风险的分级预警,并且通过多种方式将风险信息第一时间通知各级工作组人员,建立大数据模型,结合当地管控政策快速建立符合当地特色的标准化风险触发体系、触发规则逻辑、风险级别、预警消息可完全本地化、可视化配置,最终能够实现全面、实时、准确的防控预警。

6 结语

该平台以数据为支撑,依靠高新技术手段打通数据屏障,融合各地政府及民间组织等各部门系统,通过人工智能分析,绘制疫情防控一张图。 预判疫情发生的可能性,提出疫情防控策略,快速响应疫情实时动态,管控疫情发展态势,获取疫情当前数据,划分疫情等级区域。 延伸提前预警时间,缩短疫情处置时间,节约疫情物资成本,降低人员的工作难度,减少居民的恐慌程度。