疫苗冷鏈全生命周期管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王艷瑋，王拖拖

（陜西師范大學(xué)國(guó)際商學(xué)院，陜西 西安 710062）

所謂“疫苗冷鏈”是指疫苗產(chǎn)品從生產(chǎn)到使用的一條持續(xù)的低溫鏈條以及其運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程的總稱(chēng)［1］。在我國(guó)，疫苗的研發(fā)和生產(chǎn)環(huán)節(jié)具有較高的水平，有些甚至達(dá)到或者超過(guò)國(guó)際水平，但疫苗冷鏈儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)仍得不到保證，經(jīng)常發(fā)生“斷鏈”的情況，造成大量的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的醫(yī)藥惡果［2］，這在很大程度上是由于我國(guó)疫苗冷鏈儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)缺乏有效的監(jiān)管所致。利用現(xiàn)代信息技術(shù)，建立一個(gè)覆蓋疫苗全生命周期的管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)疫苗冷鏈的全程監(jiān)控與管理，及時(shí)采取措施消除疫苗冷鏈過(guò)程中可能出現(xiàn)的各種隱患，對(duì)于保證疫苗質(zhì)量安全具有重要的意義。

隨著無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)（radio frequency identification，RFID）、通用分組無(wú)線(xiàn)服務(wù)技術(shù)（general packet radio service，GPRS）和傳感技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，建設(shè)一個(gè)覆蓋疫苗全生命周期的管理系統(tǒng)在技術(shù)上成為可能。RFID是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，具有可識(shí)別移動(dòng)物體、同時(shí)識(shí)別多個(gè)對(duì)象、遠(yuǎn)距離讀取和非接觸方式等優(yōu)點(diǎn)［3］。伴隨著RFID技術(shù)的快速發(fā)展，將RFID技術(shù)與傳感技術(shù)相結(jié)合，既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)冷鏈全程溫度、濕度等敏感信息的采集，又可以實(shí)現(xiàn)采集信息的及時(shí)傳遞。GPRS技術(shù)是一種無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，特別適用于間斷、突發(fā)性的和頻繁、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適合于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸，具有永遠(yuǎn)在線(xiàn)、實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)、傳輸速率高、快速接入、價(jià)格合理，以及基于IP協(xié)議可以訪問(wèn)整個(gè)Internet等優(yōu)勢(shì)［4－5］。

筆者融合RFID技術(shù)、傳感技術(shù)、GPRS技術(shù)和Internet技術(shù)等先進(jìn)的電子商務(wù)技術(shù)，構(gòu)建了一個(gè)能夠覆蓋疫苗全生命周期的管理信息系統(tǒng)，提供了一個(gè)從疫苗制造廠到疫苗分發(fā)使用全程的解決方案。

1 系統(tǒng)分析

1.1 疫苗冷鏈全程監(jiān)控的需求分析

在整個(gè)疫苗冷鏈中存在著多個(gè)參與者，如物流承運(yùn)企業(yè)、疫苗接種單位、生產(chǎn)企業(yè)、接種個(gè)體和疫苗安全監(jiān)管部門(mén)，不同的參與者對(duì)疫苗冷鏈信息的需求也各不相同。在每個(gè)不同的冷鏈環(huán)節(jié)可能使用多種冷藏儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)疫苗產(chǎn)品的儲(chǔ)運(yùn)，其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)或者冷藏節(jié)點(diǎn)的斷鏈都可能引發(fā)疫苗產(chǎn)品的質(zhì)量變化，為了能夠明確責(zé)任、強(qiáng)化管理，必須對(duì)疫苗冷鏈的全程實(shí)施監(jiān)控。另外，隨著疫苗接種數(shù)量的增加和疑似預(yù)防接種異常反應(yīng)報(bào)告的敏感性逐年增強(qiáng)（2009年報(bào)告近5萬(wàn)例），疫苗的安全性日益受到社會(huì)關(guān)注［6］，當(dāng)接種異常事件發(fā)生時(shí)，需要快速地找出事故發(fā)生的原因，及時(shí)地召回其他可能發(fā)生質(zhì)量變化的疫苗產(chǎn)品，從而防止惡性事件的不斷擴(kuò)大。

因此，建立疫苗冷鏈全生命周期管理信息系統(tǒng)既是冷鏈參與方安全監(jiān)管的要求，也是實(shí)現(xiàn)應(yīng)急響應(yīng)的要求。通過(guò)覆蓋疫苗全生命周期的管理信息系統(tǒng)，對(duì)疫苗冷鏈溫度、濕度和位置變化進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，形成連續(xù)的溫度記錄，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)運(yùn)輸環(huán)境是否超標(biāo)，不僅能夠提高疫苗冷鏈過(guò)程的透明度，而且能夠提升疫苗冷鏈的安全監(jiān)管水平，為安全監(jiān)管部門(mén)提供充分的監(jiān)管依據(jù)，為消費(fèi)者提供安全的質(zhì)量保障，為承運(yùn)商、生產(chǎn)企業(yè)和疫苗接種單位提供及時(shí)的控制依據(jù)［7］。一旦有傳染病暴發(fā)、流行或者出現(xiàn)接種異常反應(yīng)報(bào)告時(shí)，該系統(tǒng)可以作為應(yīng)急指揮系統(tǒng)的一部分，提供疫苗的購(gòu)銷(xiāo)記錄、庫(kù)存分布、統(tǒng)計(jì)查詢(xún)和冷鏈溫度等信息，為政府的疫苗調(diào)配提供決策依據(jù)。

1.2 疫苗冷鏈業(yè)務(wù)流程分析

疫苗冷鏈實(shí)質(zhì)上是一個(gè)由線(xiàn)連接起多個(gè)節(jié)點(diǎn)的低溫鏈條，為保證疫苗品質(zhì)及降低損耗，鏈條中的節(jié)點(diǎn)和線(xiàn)均需進(jìn)行溫度控制。典型的疫苗冷鏈節(jié)點(diǎn)包括生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)、存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)和使用節(jié)點(diǎn)，連接這些節(jié)點(diǎn)的線(xiàn)主要有疫苗冷藏運(yùn)輸線(xiàn)和疫苗冷藏中轉(zhuǎn)線(xiàn)。

從整體來(lái)看，不同的疫苗冷鏈涉及到的節(jié)點(diǎn)和線(xiàn)可能各不相同，例如:疫苗可以直接從生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)中轉(zhuǎn)進(jìn)入到使用節(jié)點(diǎn)，也可以從生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)出發(fā)經(jīng)過(guò)多次冷藏運(yùn)輸、中轉(zhuǎn)和存儲(chǔ)，然后進(jìn)入使用節(jié)點(diǎn)，因此現(xiàn)實(shí)中的冷鏈并不存在固定的業(yè)務(wù)流程。為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)疫苗冷鏈的全程監(jiān)控，規(guī)范疫苗冷鏈的標(biāo)準(zhǔn)化操作，筆者將疫苗冷鏈的業(yè)務(wù)流程抽象為:出發(fā)地冰箱（冷藏庫(kù)）—冷藏周轉(zhuǎn)箱—冷藏運(yùn)輸車(chē)輛—冷藏周轉(zhuǎn)箱—目的地冰箱（冷藏庫(kù)），即疫苗冷鏈?zhǔn)紫葟某霭l(fā)地的冰箱開(kāi)始，經(jīng)過(guò)冷藏周轉(zhuǎn)箱的中轉(zhuǎn)，然后進(jìn)入冷藏運(yùn)輸車(chē)輛，通過(guò)運(yùn)輸?shù)竭_(dá)目的地，再經(jīng)過(guò)冷藏周轉(zhuǎn)箱的中轉(zhuǎn)，移入目的地冰箱。

根據(jù)以上分析，要實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)業(yè)務(wù)流程的監(jiān)控，就必須對(duì)疫苗產(chǎn)品所經(jīng)過(guò)的冷藏庫(kù)、冷藏周轉(zhuǎn)箱、冷藏運(yùn)輸車(chē)輛進(jìn)行溫度環(huán)境檢測(cè)、實(shí)時(shí)定位和產(chǎn)品追蹤。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體框架

疫苗冷鏈全生命周期管理系統(tǒng)總體框架圖如圖1所示。

圖1 疫苗冷鏈全生命周期管理系統(tǒng)總體框架圖

系統(tǒng)主要由3大部分組成:數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用。數(shù)據(jù)采集是通過(guò)在疫苗冷鏈的不同載體設(shè)備（冷藏庫(kù)、冷藏車(chē)、冷藏周轉(zhuǎn)箱）上安裝數(shù)據(jù)采集終端，實(shí)現(xiàn)對(duì)疫苗冷鏈全程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送；數(shù)據(jù)傳輸是將采集終端的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和Internet互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)匯集到冷鏈監(jiān)控中心，并負(fù)責(zé)將來(lái)自冷鏈監(jiān)控中心的指令數(shù)據(jù)傳送至不同的終端設(shè)備；數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用是通過(guò)冷鏈監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的分析、處理、儲(chǔ)存和權(quán)限設(shè)置，以不同的方法和形式展示給不同的信息需求者，滿(mǎn)足信息需求者對(duì)冷鏈全程的監(jiān)控，進(jìn)而指導(dǎo)疫苗在整個(gè)生命周期內(nèi)的儲(chǔ)運(yùn)，確保受眾群體的用藥安全。

2.2 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

疫苗冷鏈全程信息的采集主要依靠智能采集節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。溫度傳感器、GPS接收器、RFID閱讀器、GPRS無(wú)線(xiàn)傳輸模塊以及微控制器共同組成了一個(gè)智能節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。智能節(jié)點(diǎn)按照一定的密度嵌入到各種不同的冷藏設(shè)備內(nèi)。疫苗生產(chǎn)商在產(chǎn)品的包裝箱/袋上貼有較為便宜的無(wú)源RFID標(biāo)簽，當(dāng)帶有RFID標(biāo)簽的疫苗產(chǎn)品進(jìn)入到安裝了智能節(jié)點(diǎn)的“智能冷藏設(shè)備”時(shí)，節(jié)點(diǎn)內(nèi)RFID閱讀器主動(dòng)讀取RFID標(biāo)簽中的疫苗產(chǎn)品信息，同時(shí)溫度傳感器開(kāi)始自動(dòng)采集箱內(nèi)的溫度信息，GPS接收模塊也開(kāi)始接收衛(wèi)星信號(hào)，解算出定位信息，微控制器將溫度傳感器檢測(cè)到的溫度信息、RFID閱讀器讀取的標(biāo)簽信息和GPS解算的定位信息進(jìn)行簡(jiǎn)單的打包處理，并將打包后的信息通過(guò)GPRS無(wú)線(xiàn)傳輸模塊及時(shí)地傳送至冷鏈監(jiān)控中心。監(jiān)控中心可以通過(guò)識(shí)別節(jié)點(diǎn)ID，及時(shí)掌握智能冷藏設(shè)備的動(dòng)態(tài)使用狀況。

圖2 智能采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

2.2.1 智能節(jié)點(diǎn)嵌入密度設(shè)計(jì)

在該系統(tǒng)中為了實(shí)現(xiàn)疫苗產(chǎn)品的自動(dòng)定位，準(zhǔn)確掌握不同空間位置的溫度環(huán)境，在布置智能節(jié)點(diǎn)時(shí)，首先將各種不同的冷藏設(shè)備參照RFID閱讀器的射頻范圍，劃分為不同的立體空間區(qū)域；然后在每個(gè)劃分好的立體空間區(qū)域的頂點(diǎn)上都放置智能節(jié)點(diǎn)，并給每個(gè)智能節(jié)點(diǎn)編號(hào)，將編號(hào)信息與實(shí)際的空間位置（X，Y，Z）進(jìn)行關(guān)聯(lián)，智能節(jié)點(diǎn)在傳送信息時(shí)將其編號(hào)一起傳送，因而冷鏈監(jiān)控中心就能夠及時(shí)了解疫苗產(chǎn)品的環(huán)境信息，準(zhǔn)確定位異常發(fā)生的位置，及時(shí)地采取行動(dòng)。

2.2.2 數(shù)據(jù)采集驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集驅(qū)動(dòng)包括兩種方式，一種是通過(guò)疫苗產(chǎn)品的進(jìn)入、移出動(dòng)作觸發(fā)而進(jìn)行的隨機(jī)數(shù)據(jù)采集驅(qū)動(dòng)，另一種是通過(guò)微控制器控制的定時(shí)數(shù)據(jù)采集驅(qū)動(dòng)。帶有RFID電子標(biāo)簽的疫苗產(chǎn)品進(jìn)入、移出智能冷藏設(shè)備時(shí)，智能節(jié)點(diǎn)自動(dòng)地進(jìn)行即時(shí)數(shù)據(jù)的采集，同時(shí)智能節(jié)點(diǎn)內(nèi)的微控制器開(kāi)始計(jì)時(shí)，在設(shè)定的時(shí)間之內(nèi)如果疫苗產(chǎn)品未離開(kāi)該冷藏設(shè)備，進(jìn)行再次數(shù)據(jù)采集，完成再次數(shù)據(jù)采集后，計(jì)時(shí)器自動(dòng)歸零并開(kāi)始再次計(jì)時(shí)，如果在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)疫苗離開(kāi)冷藏設(shè)備，由第一種驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，計(jì)時(shí)器自動(dòng)歸零。

2.2.3 數(shù)據(jù)格式設(shè)計(jì)

智能節(jié)點(diǎn)投入使用后需要首先在冷鏈監(jiān)控中心進(jìn)行注冊(cè)，只有注冊(cè)以后才能通過(guò)冷鏈監(jiān)控中心對(duì)智能冷藏設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)地跟蹤和管理。疫苗產(chǎn)品在冷鏈物流起點(diǎn)需要將運(yùn)輸貨物的信息通過(guò)智能冷藏節(jié)點(diǎn)傳送到監(jiān)控中心，其主要作用是將疫苗產(chǎn)品的信息與智能節(jié)點(diǎn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并提供疫苗產(chǎn)品的溫度、濕度閾值。

智能節(jié)點(diǎn)與冷鏈監(jiān)控中心在交互通信過(guò)程中，所采集到的主要數(shù)據(jù)包括智能節(jié)點(diǎn)ID、疫苗產(chǎn)品ID、環(huán)境溫度數(shù)據(jù)和GPS定位數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)的發(fā)送格式如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)發(fā)送格式

2.3 數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)的中心是Internet網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)采集終端將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)由GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送至Internet網(wǎng)絡(luò)，冷鏈監(jiān)控中心通過(guò)接入Internet獲得采集終端傳來(lái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，不同的冷鏈參與者通過(guò)接入Internet網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)冷鏈監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)疫苗冷鏈的全程監(jiān)控。數(shù)據(jù)從GPRS網(wǎng)絡(luò)到Internet網(wǎng)絡(luò)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)化。

智能節(jié)點(diǎn)中的GPRS信息傳輸模塊將采集到的疫苗信息及時(shí)地傳送至與之最近的GPRS基站，GPRS基站將信息傳遞到GPRS的服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)（SGSN），SGSN與網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)（GGSN）進(jìn)行通信，將信息傳送至GGSN，GGSN對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理后將數(shù)據(jù)傳送到Internet網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，冷鏈監(jiān)控中心通過(guò)接入Internet獲取即時(shí)的冷鏈信息［8］。相反，來(lái)自冷鏈監(jiān)控中心的指令信息，由GGSN接收然后轉(zhuǎn)發(fā)到SGSN，再傳送至不同的移動(dòng)終端，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警、溫度調(diào)整等。其中SGSN的主要作用是記錄移動(dòng)終端的當(dāng)前位置，并且實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端與GGSN之間的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。GGSN可以實(shí)現(xiàn)與多種不同的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥繕?biāo)網(wǎng)絡(luò)。

2.4 監(jiān)控中心子系統(tǒng)

冷鏈物流監(jiān)控中心作為整個(gè)系統(tǒng)的中樞神經(jīng)，負(fù)責(zé)接收來(lái)自數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)分析、處理和存儲(chǔ)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為顯示信息，形成直觀的操作界面，進(jìn)行查詢(xún)權(quán)限的設(shè)置，提供及時(shí)的預(yù)警，便于進(jìn)行監(jiān)控和管理［9］。

冷鏈物流監(jiān)控中心由7個(gè)模塊組成，如圖4所示。

圖4 冷鏈物流監(jiān)控子系統(tǒng)

2.4.1 信息采集模塊

信息采集模塊用于采集疫苗全生命周期的所有信息數(shù)據(jù)，并把采集到的數(shù)據(jù)及時(shí)準(zhǔn)確地傳輸?shù)江h(huán)境監(jiān)控與預(yù)警系統(tǒng)，保證產(chǎn)品追溯功能的實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)溫度、濕度、智能冷藏設(shè)備等信息的追蹤功能［10］，為監(jiān)控子系統(tǒng)中的其他模塊提供數(shù)據(jù)支持。

2.4.2 信息傳輸模塊

信息傳輸模塊主要是通過(guò)GPRS通信技術(shù)與Internet將采集到的信息發(fā)送至冷鏈監(jiān)控中心，同時(shí)保證冷鏈監(jiān)控中心發(fā)出的指令也能夠及時(shí)地傳遞到各個(gè)冷鏈終端。

2.4.3 分析預(yù)測(cè)模塊

分析預(yù)測(cè)模塊可以根據(jù)對(duì)疫苗冷鏈全程的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，通過(guò)各種數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，利用各種分析預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)疫苗在經(jīng)歷了特定溫度、濕度之后的保質(zhì)期，預(yù)測(cè)疫苗產(chǎn)品的生產(chǎn)數(shù)量、儲(chǔ)備數(shù)量等，并在查詢(xún)系統(tǒng)中直觀地顯示出來(lái)。

2.4.4 預(yù)警模塊

預(yù)警模塊包括溫度、濕度超標(biāo)預(yù)警，設(shè)備異常預(yù)警，疫苗收貨、發(fā)貨數(shù)量與品種預(yù)警，疫苗儲(chǔ)備數(shù)量預(yù)警等功能，各種預(yù)警模塊可以通過(guò)信息傳輸模塊向聯(lián)系人發(fā)布預(yù)警信息，及時(shí)對(duì)預(yù)警事件進(jìn)行處理。

2.4.5 基本信息管理模塊

基本信息管理模塊主要是對(duì)相關(guān)者、冷藏設(shè)備、疫苗產(chǎn)品進(jìn)行管理，給車(chē)輛、周轉(zhuǎn)箱、冷庫(kù)一個(gè)固定的ID，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)冷鏈節(jié)點(diǎn)的識(shí)別與管理，增強(qiáng)冷鏈監(jiān)管系統(tǒng)的主動(dòng)性，提高冷鏈物流的效率。

2.4.6 查詢(xún)模塊

查詢(xún)模塊主要負(fù)責(zé)查詢(xún)界面的顯示設(shè)置和權(quán)限設(shè)定，冷鏈監(jiān)控中心管理平臺(tái)可以根據(jù)用戶(hù)權(quán)限實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。中心數(shù)據(jù)系統(tǒng)的信息和簡(jiǎn)單的相關(guān)者對(duì)信息的權(quán)限關(guān)系如表1所示［11］。

表1 相關(guān)者信息查詢(xún)權(quán)限

2.4.7 GIS 地理信息模塊

GIS地理信息模塊主要是實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸車(chē)輛的定位、行車(chē)路線(xiàn)的規(guī)劃和緊急援助的調(diào)配等。智能節(jié)點(diǎn)向冷鏈監(jiān)控中心上報(bào)GPS定位信息，監(jiān)控中心根據(jù)GPS信息，查詢(xún)GIS地圖數(shù)據(jù)庫(kù)獲得車(chē)輛所在位置的地理名稱(chēng)，并顯示其電子地圖，根據(jù)地圖顯示進(jìn)行最優(yōu)線(xiàn)路選擇、緊急援助等。

3 結(jié)論

筆者介紹的疫苗全生命周期管理系統(tǒng)，針對(duì)一條完整的疫苗冷鏈，采用一種相同的數(shù)據(jù)采集和傳輸格式，將動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)信息傳送至一個(gè)冷鏈監(jiān)控中心，成功地解決了信息孤島問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了信息共享，滿(mǎn)足了不同疫苗冷鏈參與方的信息需求，達(dá)到了真正意義上的全程冷鏈監(jiān)控，對(duì)于保證疫苗產(chǎn)品的質(zhì)量安全，提高疫苗冷鏈整體績(jī)效，以及加強(qiáng)我國(guó)疫苗防疫工作都具有重大的意義。但系統(tǒng)的設(shè)計(jì)仍存在一些不足之處，如數(shù)據(jù)傳遞的實(shí)時(shí)性與通信費(fèi)用之間存在一定的矛盾，需要進(jìn)一步解決。

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