基于邊—云協(xié)同技術(shù)的智能疫苗冷鏈系統(tǒng)架構(gòu)研究

王靖宇 （湖南信息學(xué)院 計算機科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410151）

0 引言

疫苗是當(dāng)前幫助我國早期預(yù)防和有效控制人類傳染病的重要技術(shù)手段和有效武器，疫苗安全關(guān)系公眾健康、衛(wèi)生事業(yè)發(fā)展和社會穩(wěn)定。國家高度重視疫苗管理，要求用“四個最嚴(yán)”加強疫苗監(jiān)管。自我國制定免疫計劃策略以來，在預(yù)防各種重大疾病、保護人民群眾的健康等方面都起到了很大的促進作用。但是近年來問題疫苗事件時有發(fā)生，2018年長春長生公司問題疫苗案件。疫苗接種安全成為黨和政府以及人民群眾高度關(guān)注的公共衛(wèi)生安全問題。疫苗的存儲條件要求非常高，達(dá)不到存儲要求，容易引發(fā)疫苗體中蛋白質(zhì)的大量變性、病原菌和有害微生物的大量滅活、多糖的大量降解，因此保證疫苗流通環(huán)節(jié)存儲條件滿足要求是疫苗工作的重要環(huán)節(jié)。

2019年6月29日《中華人民共和國疫苗管理法》出臺，第四章第三十六條指出，“疾病預(yù)防控制機構(gòu)自行配送疫苗應(yīng)當(dāng)具備疫苗冷鏈儲存、運輸條件”。第十章第八十五條、八十六條明確了組織機構(gòu)及相關(guān)責(zé)任人的法律責(zé)任，國家一系列法律管理規(guī)定都給疫苗冷鏈運輸市場的蓬勃發(fā)展帶來了機遇和挑戰(zhàn)。

根據(jù)目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，目前在疫苗冷鏈方面有以下幾個特征：

（1）缺乏相關(guān)的專業(yè)人才。如果想要真正的讓疫苗冷鏈物流運行良好，不僅需要掌握整個疫苗冷鏈物流方面的人才，而且還需要這些人才能夠掌握整個疫苗產(chǎn)品的專業(yè)技術(shù)及基礎(chǔ)知識。同時也需要他們熟悉各種國家的法律法規(guī)對于疫苗的專門監(jiān)管及其要求。這幾個原因疊加在一起，也就造成了我國在疫苗冷鏈方面的人才缺口較大。需要一個更加便捷、操作更簡單的系統(tǒng)來降低對于疫苗管理人員的要求，使普通人也可以從事疫苗冷鏈的相關(guān)工作。

（2）目前國內(nèi)的疫苗冷鏈物流具有“數(shù)量少、次數(shù)多、地區(qū)廣”的三大特點，這無疑也為目前疫苗的這種冷鏈倉儲物流行業(yè)發(fā)展模式提出了新的行業(yè)技術(shù)和要求，在運輸?shù)倪^程中要根據(jù)運輸疫苗種類的不同以及實時溫度，來智能控制車內(nèi)溫度，使疫苗在運輸中一直處于適宜的存儲環(huán)境?，F(xiàn)有冷鏈系統(tǒng)都是人為事先設(shè)定保存環(huán)境參數(shù)，由于不同疫苗，要求保存環(huán)境參數(shù)差異較大，人為設(shè)定容易出錯，雖然也有一些系統(tǒng)試圖用智能方法，通過查詢網(wǎng)上數(shù)據(jù)庫獲取疫苗保存參數(shù)信息，由于疫苗很多用于受災(zāi)地區(qū)的使用，受災(zāi)地區(qū)多存在通信不方便，容易“斷網(wǎng)”現(xiàn)象，運輸過程中可能出現(xiàn)斷網(wǎng)的情況導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法實時上傳，此情況會對疫苗存儲信息有很大的影響。

（3）如果僅僅在疫苗運輸冷鏈車內(nèi)部保存部分信息，保存信息不全，更新滯后，造成對很多品種疫苗無法識別。因此需要實現(xiàn)本地數(shù)據(jù)庫與云數(shù)據(jù)庫聯(lián)動，將常用熱門疫苗信息保存在本地數(shù)據(jù)庫，將海量疫苗信息保存在云數(shù)據(jù)庫中，通過聯(lián)動機制，實現(xiàn)本地數(shù)據(jù)庫內(nèi)容的更新，從而實時提供疫苗信息并且支持后期管理人員進行查詢。

相比傳統(tǒng)的疫苗冷鏈系統(tǒng)，本文采用物聯(lián)網(wǎng)邊—云協(xié)同技術(shù)，研究了一種新型智能疫苗運輸系統(tǒng)，這種智能系統(tǒng)具有以下幾個方面創(chuàng)新點：

（1）采用RFID技術(shù)，智能獲取疫苗信息，并根據(jù)疫苗保管要求，智能調(diào)節(jié)疫苗冷鏈車保存環(huán)境參數(shù)，避免人為調(diào)節(jié)造成調(diào)節(jié)不及時和不確定性，從而大大降低了對疫苗冷鏈車運輸人員素質(zhì)要求，減輕了運輸人員的工作量。

（2）采用增加存儲功能的邊緣網(wǎng)關(guān)的設(shè)計理念，增強系統(tǒng)實時性和可靠性，避免斷網(wǎng)或網(wǎng)絡(luò)延時過大造成疫苗保存條件無法實時更新，從而造成疫苗變質(zhì)的風(fēng)險。

（3）利用云平臺實現(xiàn)更精確的疫苗保存條件分析，從而更精確的疫苗保存環(huán)境參數(shù)。

（4）遠(yuǎn)程控制，本系統(tǒng)支持利用手機和Web瀏覽器遠(yuǎn)程接入系統(tǒng)，查看疫苗冷鏈車上運輸?shù)囊呙缧畔?，冷鏈車環(huán)境參數(shù)，以及對冷鏈車環(huán)境參數(shù)遠(yuǎn)程手動調(diào)節(jié)。

1 基于邊—云協(xié)同的智能疫苗冷鏈系統(tǒng)架構(gòu)

疫苗冷鏈系統(tǒng)是通過對疫苗種類和冷藏車?yán)锩娴臏囟?、光照強度等信息的收集，在查詢?shù)據(jù)庫中查找到該疫苗保存環(huán)境參數(shù)要求，根據(jù)參數(shù)要求，控制空調(diào)和燈光的開關(guān)調(diào)節(jié)溫度和光照強度。傳統(tǒng)冷鏈系統(tǒng)受網(wǎng)絡(luò)影響大，在網(wǎng)絡(luò)不佳甚至斷網(wǎng)的情況下無法進行數(shù)據(jù)更新，并且運輸車內(nèi)的空間環(huán)境依賴于人工調(diào)節(jié)，自動化程度低，疫苗安全問題很難保障。本次創(chuàng)新加入了邊緣網(wǎng)關(guān)模塊，在一定程度上脫離了云端的控制，可以自動的通過對車廂內(nèi)環(huán)境的判斷做出相應(yīng)措施來保證車廂內(nèi)的疫苗環(huán)境，邊緣網(wǎng)關(guān)會將收集的數(shù)據(jù)存儲到本地的數(shù)據(jù)庫，利用存儲中的“2~8”原則，邊緣網(wǎng)關(guān)主要存儲20%的常用疫苗信息，可以滿足80%的應(yīng)用場景需求，邊緣網(wǎng)關(guān)內(nèi)的本地存儲系統(tǒng)在定時的通過網(wǎng)關(guān)內(nèi)的通信子系統(tǒng)與云端數(shù)據(jù)庫同步更新數(shù)據(jù)，保證本地存儲疫苗信息的時效性。組網(wǎng)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組網(wǎng)圖

疫苗冷鏈系統(tǒng)包括三個子系統(tǒng)：分別是智能節(jié)點（運輸車）子系統(tǒng)，實現(xiàn)疫苗信息和冷鏈車環(huán)境參數(shù)采集與調(diào)節(jié)命令的執(zhí)行；邊緣網(wǎng)關(guān)子系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)通信功能，并具有邊緣計算能力，提供本地服務(wù)器與本地數(shù)據(jù)庫；云監(jiān)控管理子系統(tǒng)實現(xiàn)基于云平臺的用戶管理、業(yè)務(wù)管理，并支持用戶遠(yuǎn)程查看與控制。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

系統(tǒng)基本工作原理：

（1）當(dāng)攜帶電子標(biāo)簽的疫苗通過讀卡器時，雙方進行數(shù)據(jù)交換后，得到疫苗信息，立即通過ZigBee通信傳輸模塊將疫苗信息傳輸至網(wǎng)關(guān)；

（2）網(wǎng)關(guān)將相關(guān)信息送到本地服務(wù)器，服務(wù)器查詢數(shù)據(jù)庫模塊中的疫苗儲存條件，如果本地保存有該疫苗保存參數(shù)信息，則本地網(wǎng)關(guān)根據(jù)疫苗保存條件控制空調(diào)開關(guān)對車?yán)锩娴臏囟冗M行控制；

（3）如果在本地數(shù)據(jù)庫中查找不到該疫苗保存條件，上報云平臺查詢該疫苗保存條件；

（4）云平臺接收到本地網(wǎng)關(guān)請求，在云數(shù)據(jù)庫中查詢該疫苗信息，并將該疫苗保存條件信息下發(fā)到本地數(shù)據(jù)庫，本地數(shù)據(jù)庫更新數(shù)據(jù)庫內(nèi)容，并根據(jù)新疫苗保存參數(shù)，對冷鏈車內(nèi)環(huán)境參數(shù)進行調(diào)節(jié)。

系統(tǒng)運行總體業(yè)務(wù)流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程圖

2 總結(jié)

本系統(tǒng)具有以下技術(shù)創(chuàng)新：

（1）突破傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)上位機—下位機架構(gòu)，采用新型的物聯(lián)網(wǎng)端—邊—云架構(gòu)系統(tǒng)，智能節(jié)點采集傳感器數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)送到邊緣網(wǎng)關(guān)，邊緣網(wǎng)關(guān)不但具有傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)通信功能，同時增加計算和存儲能力；

（2）智能節(jié)點采用RFID智能感知疫苗保存條件和多種傳感器采集冷鏈車環(huán)境參數(shù)，并根據(jù)邊緣網(wǎng)關(guān)下發(fā)的指令，動態(tài)調(diào)節(jié)冷鏈車環(huán)境參數(shù)；

（3）具有計算和存儲能力的邊緣網(wǎng)關(guān)，即使在無法向云端傳輸數(shù)據(jù)的情況下依然利用本地數(shù)據(jù)庫獲取疫苗保存信息，實時智能調(diào)節(jié)冷藏車內(nèi)環(huán)境參數(shù)，保證疫苗可靠存儲；

（4）云—邊協(xié)同，云數(shù)據(jù)庫收集海量的疫苗信息，并通過云平臺分析不同場景最佳保存參數(shù)條件，并根據(jù)冷鏈車參數(shù)、邊緣網(wǎng)關(guān)存儲能力，將常用和熱門疫苗保存參數(shù)推送給邊緣網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)庫，通過邊緣網(wǎng)關(guān)的通信接口獲取冷鏈車內(nèi)環(huán)境參數(shù)，以便做大數(shù)據(jù)分析，從而更精確匹配疫苗保存環(huán)境要求。