武警哨兵國產(chǎn)CPU 芯片集成多生理參數(shù)及環(huán)境信息智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

程乃俊，周金治，周建麗，吳 斌，韓 賓,羅 盧

隨著信息化水平的不斷提高,武警哨位的信息化程度不斷提高,極大地滿足部隊(duì)執(zhí)勤哨位的安全和處置突發(fā)事件的應(yīng)急速度和能力,目前國內(nèi)外關(guān)于人體生理信號(hào)參數(shù)和環(huán)境信息參數(shù)的單獨(dú)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已有相關(guān)的研究，使用的技術(shù)手段各不相同。然而，基于對(duì)武警部隊(duì)哨兵生理參數(shù)及環(huán)境信息測(cè)的集中智能監(jiān)測(cè)卻少有報(bào)道,國產(chǎn)CPU芯片應(yīng)用于醫(yī)療信息化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，還未見相關(guān)報(bào)道。國產(chǎn)CPU芯片的發(fā)展打破了國外的技術(shù)壁壘，已經(jīng)有成熟的產(chǎn)品開始商用,它所展現(xiàn)出來的高安全性毋庸置疑。基于部隊(duì)的特殊性和對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全的高要求,筆者針對(duì)目前部隊(duì)武警哨位無哨兵生理監(jiān)測(cè)和武警環(huán)境監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀研制了的武警哨兵國產(chǎn)CPU芯片集成多生理參數(shù)及環(huán)境信息智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)武警哨兵心率、血壓、血氧、呼吸、體溫等不同的生理體征數(shù)據(jù)的進(jìn)行監(jiān)測(cè)，給出了心電圖QRS波群的檢測(cè)方法[1]，實(shí)現(xiàn)了哨位周邊溫度、濕度、煙霧等環(huán)境信息的監(jiān)測(cè), 解決了哨位由于其特定職能,其內(nèi)部對(duì)于環(huán)境、人流、重要病區(qū)管制、特殊醫(yī)療區(qū)域監(jiān)控以及防盜等有其嚴(yán)格的要求[2], 并應(yīng)用大數(shù)據(jù)和人工智能，在一個(gè)集成融合的監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)對(duì)武警哨兵的生理信號(hào)參數(shù)和哨位環(huán)境信息參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析 ,為執(zhí)勤監(jiān)控站點(diǎn)及上級(jí)管理站點(diǎn)預(yù)警。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由監(jiān)測(cè)前端、數(shù)據(jù)處理終端、數(shù)據(jù)安全傳輸三大部分組成(圖1)。監(jiān)測(cè)前端由生理參數(shù)監(jiān)測(cè)設(shè)備與智能網(wǎng)關(guān)兩部分組成。生理參數(shù)監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)患者的生理參數(shù)和位置信息；智能網(wǎng)關(guān)基于國產(chǎn)CPU設(shè)計(jì)，既是網(wǎng)關(guān)也完成對(duì)環(huán)境信息的監(jiān)測(cè)。生理監(jiān)測(cè)設(shè)備通過短距離通信與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)關(guān)把數(shù)據(jù)加密打包后通過主干網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心服務(wù)器。監(jiān)測(cè)終端的信息處理系統(tǒng)對(duì)前端的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示并接入到專家系統(tǒng)進(jìn)行分析決策。

圖1 基于國產(chǎn)CPU 芯片的武警哨兵集成多生理參數(shù)及環(huán)境信息智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架

2 系統(tǒng)構(gòu)成設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測(cè)前端設(shè)計(jì)

2.1.1 生理信息參數(shù)的監(jiān)測(cè) 根據(jù)武警某部通過問卷調(diào)查和體格檢查發(fā)現(xiàn)，從某部擬參加5 km越野訓(xùn)練的460名官兵中篩選的高危組異常心電圖的比例高于正常對(duì)照組,運(yùn)動(dòng)前，高危組異常心電圖比例為33.33%;運(yùn)動(dòng)后高危組出現(xiàn)異常心電圖的比例高于對(duì)照組,分別為52.38%和7.14%,可見通過心電圖篩查軍事訓(xùn)練中運(yùn)動(dòng)性猝死高危人員有一定的實(shí)際意義[3]。利用傳感器對(duì)武警哨兵的心率、血氧飽和度、體溫、血壓的參數(shù)進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)哨位執(zhí)勤哨兵的各種生理狀況全方位監(jiān)測(cè)，將采集的數(shù)據(jù)匯總后傳輸?shù)街醒胩幚砥鬟M(jìn)行分析，時(shí)時(shí)掌握?qǐng)?zhí)勤哨兵在的生理性參數(shù)并結(jié)合醫(yī)療指標(biāo)設(shè)定警戒上下線，一旦出現(xiàn)有損執(zhí)勤哨兵的身體健康的問題及時(shí)報(bào)警，為不熟悉醫(yī)療知識(shí)的基層主管提供提前預(yù)警，避免發(fā)生工作性猝死事故的發(fā)生。

2.1.2 環(huán)境信息參數(shù)的監(jiān)測(cè) 根據(jù)武警某部對(duì)2016年高溫高濕環(huán)境下執(zhí)行抗洪救災(zāi)任務(wù)發(fā)病規(guī)律結(jié)合參照國際疾病分類標(biāo)準(zhǔn)ICD-10分析,在救災(zāi)過程中前期皮膚病比例多,逐漸外科訓(xùn)練傷就診比例逐漸增多,在救災(zāi)末期達(dá)到最多(49.69%),內(nèi)科疾病在整個(gè)任務(wù)期間比例大致持平(10%～18%)[4]。僅高溫環(huán)境均是如此，可見執(zhí)勤環(huán)境的優(yōu)劣對(duì)執(zhí)勤任務(wù)完成的保障存在至關(guān)重要的作用，利用環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器對(duì)哨位周邊的溫度、濕度、PM2.5含量、煙霧濃度、有毒氣體等進(jìn)行采集，特別是一些重點(diǎn)高危哨位的周邊環(huán)境進(jìn)行全方位監(jiān)測(cè)，掌握?qǐng)?zhí)勤環(huán)境數(shù)據(jù)，制定各種突發(fā)環(huán)境處置預(yù)案，為執(zhí)勤的的安全提供有力的保障。

2.1.3 短距離無線通信協(xié)議 目前，市場(chǎng)上多使用通過CDMA網(wǎng)絡(luò)上傳的英特網(wǎng)送至專家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遠(yuǎn)程電子雙向的互診[5]，本系統(tǒng)采用藍(lán)牙5.0技術(shù)，是最新發(fā)布的藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)，具有功耗極低、有效距離遠(yuǎn)、可室內(nèi)定位、針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于智能家居、智能手環(huán)等產(chǎn)品，非常適合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要。

2.1.4 智能網(wǎng)關(guān)功能設(shè)計(jì) 智能網(wǎng)關(guān)主要是對(duì)生理監(jiān)測(cè)設(shè)備的連接、管理，同時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密轉(zhuǎn)發(fā)。由于網(wǎng)關(guān)與公網(wǎng)連接，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是敏感的醫(yī)療信息，因此對(duì)數(shù)據(jù)安全性要求高。采用國產(chǎn)CPU芯片為主控制器，從源頭保障信息安全。

2.2 監(jiān)測(cè)終端功能設(shè)計(jì) 監(jiān)測(cè)終端是整個(gè)系統(tǒng)的中樞，由信息處理系統(tǒng)和綜合監(jiān)控系統(tǒng)組成，通常設(shè)置在執(zhí)勤監(jiān)控站點(diǎn)及上級(jí)管理站點(diǎn)監(jiān)控中心。

2.2.1 信息處理綜合系統(tǒng) 接收各個(gè)前端發(fā)出的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行解密、分析和存儲(chǔ)能操作，并送入專家系統(tǒng)，進(jìn)行決策。終端系統(tǒng)是對(duì)在網(wǎng)的各個(gè)前端數(shù)據(jù)的匯集處理，其系統(tǒng)安全性尤其重要，必須從軟硬件兩方面都做到自主可控。采用國產(chǎn)桌面級(jí)的CPU作為終端的主控芯片；軟件系統(tǒng)基于國產(chǎn)操作系統(tǒng)進(jìn)行終端管理系統(tǒng)的開發(fā)，數(shù)據(jù)庫，圖形界面的軟件設(shè)計(jì)基于開源軟件進(jìn)行信息系統(tǒng)的開發(fā)，保證軟件的自主可控。

2.2.2 綜合智能監(jiān)控系統(tǒng) 將信息處理系統(tǒng)收集到的所有數(shù)據(jù)經(jīng)過分析和計(jì)算，向遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)的上傳、備份、分析與反饋[6],在執(zhí)勤監(jiān)控站點(diǎn)及上級(jí)管理站點(diǎn)監(jiān)控中心的平臺(tái)上形象的顯示出來，并結(jié)合醫(yī)療數(shù)據(jù)的要求設(shè)置報(bào)警標(biāo)識(shí)，為武警哨位的管理者提供處置依據(jù)和應(yīng)急方案。

2.2.3 大數(shù)據(jù)人工智能分析 終端信息處理系統(tǒng)用于分析患者的生理指標(biāo)和醫(yī)院環(huán)境信息，判別患者當(dāng)前的生理狀態(tài)，如果有患者生理狀態(tài)出現(xiàn)異常情況，及時(shí)預(yù)警和提醒，以確保及時(shí)采取措施。參照相應(yīng)的生理和環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)，對(duì)當(dāng)前病員生理指標(biāo)與醫(yī)院環(huán)境信息數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，經(jīng)過算法進(jìn)行分析決策，并做出相應(yīng)的指示，應(yīng)用大數(shù)據(jù)和人工智能方法對(duì)病員生理信號(hào)參數(shù)和環(huán)境信息參數(shù)，給出科學(xué)決策。

3 應(yīng)用效果分析及進(jìn)一步研究方向

3.1 哨兵生理參數(shù)的實(shí)時(shí)采集與監(jiān)測(cè)分析 采集患者的如脈率、體溫、血壓、呼吸、血氧飽和度等生理參數(shù)，與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行實(shí)時(shí)或歷史比對(duì)分析，提高對(duì)武警哨兵的有效看護(hù)。當(dāng)緊急情況出現(xiàn)時(shí)，可通過武警哨兵的一鍵呼叫功能，對(duì)武警哨兵進(jìn)行應(yīng)急處置并進(jìn)一步將從應(yīng)急處置機(jī)制出發(fā)研究根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)應(yīng)的應(yīng)急處置方案和早期救治方案，嚴(yán)防哨位猝死事件的發(fā)生。

3.2 哨位環(huán)境信息數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與監(jiān)測(cè)分析 采集哨位范圍內(nèi)特別是重點(diǎn)區(qū)域的如溫度、濕度、PM2.5、噪聲、空氣細(xì)菌數(shù)量等環(huán)境信息數(shù)據(jù)，與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比對(duì)分析，從而提高武警管理者對(duì)環(huán)境信息的有效掌控，為武警過程中的其他正?；顒?dòng)的開展提供基礎(chǔ)保障并進(jìn)一步將有針對(duì)性的逐一分析所搜集的環(huán)境數(shù)據(jù)，比如說守橋哨位的噪聲污染對(duì)哨兵身體的影響等[7]，針對(duì)不同的地域和工作環(huán)境定制開發(fā)出適合不同需要的環(huán)境防護(hù)裝備。

3.3 執(zhí)勤監(jiān)控站點(diǎn)多哨位點(diǎn)多生理參數(shù)和環(huán)境信息的集成融合智能監(jiān)控 在統(tǒng)一的監(jiān)管平臺(tái)下，實(shí)現(xiàn)對(duì)武警哨兵生理參數(shù)和哨位環(huán)境信息的集成采集、集成監(jiān)控、集成管理，從而進(jìn)一步提高監(jiān)管效率。當(dāng)被監(jiān)測(cè)的病員生理參數(shù)或環(huán)境信息數(shù)據(jù)發(fā)生上限定或下限定超標(biāo)時(shí)，可在統(tǒng)一的監(jiān)管屏幕上動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示，并發(fā)出超標(biāo)報(bào)警信號(hào)，從而提醒執(zhí)勤監(jiān)控站點(diǎn)及上級(jí)管理站點(diǎn)迅速采取有效應(yīng)對(duì)措施。充分應(yīng)用人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)各類數(shù)據(jù)的智能分析并與相應(yīng)預(yù)案聯(lián)動(dòng)，逐步做到發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的同步實(shí)現(xiàn)。

3.4 部隊(duì)數(shù)據(jù)信息的安全性保障及國產(chǎn)CPU芯片在哨位信息化監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究 無線網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，根據(jù)目前信息系統(tǒng)的現(xiàn)狀，隨著新的攻擊技術(shù)及方法的陸續(xù)出現(xiàn)，需要信息技術(shù)人員持續(xù)對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)軟硬件系統(tǒng)持續(xù)完善改進(jìn)，以確保移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行長期安全穩(wěn)定[8-10]；基于可信計(jì)算技術(shù)，通過采用國產(chǎn)CPU處理器芯片，從計(jì)算平臺(tái)的源頭對(duì)用戶認(rèn)證、操作檢查、訪問控制、網(wǎng)絡(luò)連接等方面設(shè)置并實(shí)施可靠安全措施，從而達(dá)到對(duì)不安全因素的有效防范和控制，加大國產(chǎn)CPU處理器芯片在部隊(duì)哨位信息化各種模塊的應(yīng)用研究，逐步擺脫對(duì)進(jìn)口CPU處理器芯片的依賴，提高抗計(jì)算機(jī)病毒的綜合能力，確保部隊(duì)的網(wǎng)絡(luò)安全。

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