基于突變決策控制的移動協同衛生應急系統

摘 要：為了實現發生突發公共衛生事件時快速地啟動應急預案，達到有效地組織指揮調度和最小化事件的影響，移動協同的衛生應急系統運用現代信息技術和網絡結合形成基于移動終端和指揮中心的協同決策處理。系統在運行過程中使用突變論的基本原理對可能導致系統進入應急模式的控制變量進行監控，一旦爆發突發公共衛生事件，則利用相識度在數據倉庫中進行案例檢索，協助指揮中心做出高效的決策。系統仿真實驗證明，監控臨界值啟動進入預警，能夠有效提高決策響應速度。

關鍵詞：突發公共衛生事件 應急決策 移動協同 突變論 相識度

中圖分類號：TP277文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）01（a）-00-03

隨著現代科學技術的迅猛發展和社會文明的進步，人們越來越趨近于密度大、移動快速、聯系緊密和節奏快的現代生活。這種社會活動形式的變化往往導致一些突發公共衛生事件的爆發和迅速擴展[1]。突發公共衛生事件，通常會造成人員的傷亡，社會財富的損失，事件一旦出現，應急系統需要立即作出反應，組織專家分析，實現救治隊伍的組織及藥品、設備、材料等各種醫療資源的調度，對事件的危害程度和發展趨勢進行精確的判定，科學地制定應對措施，合理部署醫療衛生資源實施防控和救治工作[2]，借助現代信息技術和網絡手段的輔助，高效、快速的完成突發事件的指揮處置。

對突發事件最小代價、最合理的處理方式，不僅需要專業的技術隊伍，還需要完善的組織管理和應急機制。隨著移動互聯網絡、通信技術的發展，移動智能終端、物聯網和云計算等應用為實現處置過程中實時的信息交流提供了重要的載體。移動協同通信計算技術為實現應急事件處置過程中的信息實時交流和協同工作提供了有力的技術支撐[3，4]。事件處理過程中把突發公共衛生事件爆發地區自然狀況、衛生調查結果（爆發時間、擴大范圍等）采集的樣本點、以及應急處置決策方案的先例實施及其專家的人工決策有效結合并快速反饋應急系統。指揮中心參與指揮的專家、領導及工作人員與事件各個現場和衛生救援實施機構實時交流，協同會商，快速部署并且實施應急處置方案。因此可見，現代移動協同信息技術，對于高效、快速的完成應對突發公共衛生事件的指揮處置提供輔助手段。

1 移動協同公共衛生應急系統模型

1.1 移動協同公共衛生應急系統特點和

組成

在發生重大突發公共衛生事件時，應急指揮系統存在信息采集困難和無法實時交互等問題，由于無法實現醫療資源信息數據的實時交換，難以實時掌握事故現場及醫院相關部門的救治情況，導致相應決策救治方案難以有效開展[5]。根據突發事件特點及應急系統快速反應的要求，設計了基于突變決策控制的移動協同公共衛生應急系統[6]。該系統主要考慮解決如下

問題：

采用移動協同的數據信息技術，將虛擬現實、遠程會議、移動協同、圖像壓縮結合在網絡平臺的支撐下，建立實時交互的公共衛生應急系統。

該平臺采用無線多種接入技術，增強了移動智能終端的交互能力，移動客戶端因其隨時隨地交互的特性可以實時提供現場信息，實時參與交流，為問題的解決提供了現場支持，加快了問題解決速度。

在應急處置中，一般有一個政府指揮中心、多個部門指揮中心和更多的遠程協同終端等多個主體參與。多個不同類型、層次的指揮中心和執行機構組合在一起，分工協作、聯合行動，采用最有效的方式完成應急處置。應急系統集成突發事件現場相關各種基礎信息，建立綜合數據庫以及模擬現場環境，集成現場采集的具有位置信息的資料，及關于現場環境的多種遙感信息，實時掌握最新的現場事件發展態勢。指揮中心專家及工作人員利用平臺快速了解相關地區的情況，抽取歷史案例，結合自己的專業背景知識，在平臺開展多種可能條件下的應急反應模擬，參考歷史案例以及法律法規制定不同的應急預案。

系統在虛擬環境平臺和無線移動通信技術的支撐下，建立協同交互工作模型，如圖1所示，實現多種交互模式。

1.2 基于突變理論提供輔助決策

人類社會生活的運行過程作為一個復雜系統，其系統存在脆性，結合衛生病學防疫理論和群體移動性等特點導致爆發的衛生事件在各種內、外因素作用下本身性能嚴重惡化，以至于產生突變形成公共衛生緊急事件[7，8]。

突變理論主要研究動態系統在連續發展變化過程中出現的不連續突然變化現象及其與連續變化因素之間的關系，通過研究臨界點之間的相互轉化來分析系統的過程特征。在正常情況下，控制變量的值對應了系統狀態變量的值，系統處于穩定運行狀態[9]；而非正常情況下，當控制變量的取值對應多個可能狀態時，系統處于相對不穩定的狀態，因為控制變量稍微發生變化，或系統的輕微擾動，導致系統從穩定狀態躍遷到動蕩狀態。

根據一個系統的勢函數把它的臨界點分類，研究各類臨界點附近非連續變化狀態之特征，從而歸納出七個初等突變模型[10]。每一種突變都是由一個勢能函數決定的，平衡曲面為滿足勢能函數的一階導數（或兩個一階偏導數）為零的所有點的集合。某種類型的突變過程的全貌可通過其相應的平衡曲面來描述。

設，t=1，2，…k為公共衛生應急系統的總視圖上子系統的輸出觀測序列，對，i=1，2，…l用j個不同模型獲得預測值，j=1，2，…l，將j個模型對的組合預測值記為如下形式：

，為第j個模型的參數權重，滿足約束 （1）

根據復雜系統理論可知，k個模型觀測值為離散型隨機變量?？紤]每個子模型的影響力，引入控制變量ω1，模型的分布如下：

為第i個模型的觀測概率（2）

滿足（3）

結合復雜系統理論，得到移動協同衛生應急系統的狀態分布函數為

（4）

根據突變模型理論，當控制變量不大于四個時，共有七種初等突變模型。移動協同衛生應急系統根據緊急衛生事件的源頭，規模以及地理信息等情況，查詢相關歷史數據案例，確定該緊急衛生事件的類型分布，根據公式（4）的系統狀態分布函數，確定突變勢函數Δδ，定義平衡曲面M=∫Δδdx，而系統的奇點集S=∫∫Δδdx。根據上述的奇點集和平衡曲面理論，可以量化應急系統的控制變量，比如，衛生疫情人數分級的人數范圍，衛生緊急事件爆發的時間限制等等。

突變模型理論應用在移動協同衛生應急系統，將突發緊急衛生事件加以分類，以系統的理論對控制和影響緊急事件的參量模型化和量化。

突發公共衛生事件一旦發生，就會對社會產生很大的危害，由于其發生的突然性，應對起來難免倉促、不全面?？煽紤]對各種突發公共衛生事件進行分類，將國內外各類突發公共衛生事件的具體處置措施與方法進行編輯、分類與整理，提取模型與指標的相關參數，對每一種突發公共衛生事件做出應急預案。對事件進行采樣、探索、修正、建模、評估等過程的仿真分析研究，從而確定模型，為應急系統提供理論決策支持。

2 突變決策算法

突發事件一旦出現，有關部門立即組成應急指揮部，啟動應急指揮系統，結合現場的信息數據，協同做出統一決策，及時采取相應的處置措施[11]。系統決策支持模塊中數據倉庫保存了大量過往可借鑒的國內外案例信息，提供可查詢案例參數[12]。決策支持系統在提供決策時，檢索相似案例用相似度匹配算法進行相似度匹配，根據突變理論監控事件臨界信息，協同系統指揮中心和現場專家等人工決策共同制定最終決策。

決策支持系統數據倉庫存儲案例使用二維方式，便于快速檢索，其中一維是案例向量信息，即保留案例信息的關鍵字、核心信息，并對它們進行編碼（表示成向量的形式），以較簡潔的方式存放；另一維信息是案例內容，保留案例較完整和較豐富的信息，尤其保留決策信息，保證其提供參考的完整有效性。

定義案例相似度為突發公共衛生事件案例與數據倉庫中某一案例的癥狀特征相同的程度，兩者擁有相同的特征數量越多，相似度越大。將突發事件案例與案例庫中案例進行比較，選取最大相識度的一個或一組案例，作為決策參考。

定義1：設T為數據倉庫案例癥狀集合，m為集合的秩。，

定義2：F為某一事件，根據突變理論，P表示事件的控制變量，個數是n，n≤m。，P為突發事件F的描述。

定義3：設向量U，維數m，。，，表示P中的；表示P中的；向量為突發事件F的向量描述。

定理1：突發事件和案例之間的相似度可以根據突發事件的向量描述和案例的向量描述之間的相識度確定。

相識度（acquaintance degree）

證明：由幾何數學知識可知，兩向量相識度可以根據兩向量夾角余弦確定。兩個向量之間的夾角余弦值反映了兩個向量的差異程度，因此可以將和的夾角余弦值視為兩向量的相似性程度的標尺，確定為突發事件向量與案例向量之間的夾角余弦值。

將所有的案例與突發事件進行相似度計算，可以得出若干相似度值，取其中最大的一個相似度值，并得到與之對應的一個或一組案例，即為最大相似度案例。算法步驟如下：

Algorithm：get the acquaintance degree

1 Set the，，1，set the， 1

2 read the，get the P according mutationism theory，get the ，，

3 calculate the acquaintance degree of，，then compare it.If match return 4 else return 5

4 match，write the ，

5 else，go to 3.

6 if compare all the case in the data warehouse.

End

3 模型實現及仿真效果

為了測試基于突變決策控制的移動協同衛生應急系統性能和各個子系統的運行，采用了仿真的方式對整個系統平臺進行評估。系統的運行步驟是：

（1）各系統正常運行，監控系統開啟，監控某個區域的某種疾病的爆發率。以流行性感冒為例，可以觀測其在某個時間區間的案例數目。

（2）當該區域的爆發率達到突變理論的閥值，比如，門診數目，發熱門診數和住院門診數等相關控制變量超過閥值，預警系統開始運行，記錄為突發衛生事件，獲得相關病患信息并限制行動觀察。同時立即向應急管理部門報告。

（3）應急管理部門接報后，應立即派出相關專業人員趕赴現場調查、采樣、快速檢測。

（4）應急指揮中心專家及領導要對突發公共衛生事件進行決策。根據決策系統的相似度算法輔助決策信息，采取相應措施。包括估計突發公共衛生事件的類型和性質、影響面及嚴重程度、目前已采取的措施和控制效果、發展趨勢、是否需要啟動應急預案等。根據需要啟動應急預案，對突發事件進行快速處置。

（5）根據實時情況，協同終端各種信息，保證應急系統正常運行，控制該衛生緊急事件，直到突變指標進入正常值范圍，宣布疫情得到控制，應急系統進入正常監測階段。

圖2（a）為一個時間段內某地區的流感爆發率。達到閥值引起突變引發應急系統的預警。

圖2（b）為預警指標響應時間和控制時間。從圖示指標可以看出，該應急系統能夠有效監測并輔助決策控制突發公共衛生事件。

4 結語

突發公共衛生事件需要快速啟動應急預案，有效的組織指揮調度，包括突發事件的現場處置，人員、物資的緊急調集，必要時的人員疏散或隔離，群體防護措施的實施及公共場所的管理等。本系統作為突發公共衛生事件的應急指揮和監控系統，通過如下方式來做到迅速響應和快速決策。

（1）移動協同的處理信息，使得現場信息和指揮信息能夠同步實時交互。提高了系統的響應和決策能力。

（2）使用突變理論實時監測，任何一個公共衛生事件需要有效的監控和預防，突變論引入能夠有效屏蔽非決定性參數，抽取控制變量，對突發事件做出警告和定性。

（3）使用相識度理論，提供輔助決策，輔助決策的引入有助于全面控制該事件，提高應急指揮系統的決策能力和決策速度。

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