“21世紀海上絲綢之路”醫學地理信息系統的設計

倪杰文，劉文寶，徐 菲，劉夏陽，陳國良

“21世紀海上絲綢之路”醫學地理信息系統的設計

倪杰文，劉文寶，徐 菲，劉夏陽，陳國良

為“21世紀海上絲綢之路”提供醫學地理信息技術支持，以地理信息系統、計算機技術、網絡通信技術為支撐，以數據庫為核心，采用網絡地理信息系統技術進行模塊化設計。本系統具有遇險船只救援及落水人員搜救、衛生防疫、藥材補給和傷病員醫療后送輔助決策的功能，能實現對“21世紀海上絲綢之路”沿線國家和地區醫學地理信息的綜合利用。

地理信息系統；醫學地理信息系統；一帶一路；21世紀海上絲綢之路

經濟全球化和區域經濟一體化是當今世界的一個大趨勢，隨著改革開放的深入，我國通過海路與各沿海國家的經貿、文化、政治交流不斷加深。在此情形下，習近平主席提出了從中國沿海港口經南海到印度洋延伸到歐洲和從中國沿海港口經南海到南太平洋為重點方向的“21世紀海上絲綢之路”戰略構想，串聯起南太平洋、東南亞、南亞、西亞、東非、北非、歐洲各沿海國家和地區。該戰略構想提出了一條共商、共建、共享、多贏的和平合作發展道路，進一步推動沿海國家的海上互聯互通，同時也加大了我國對外交流的半徑，將為我國及世界經濟的發展增添新的動力[1]。海洋地理環境復雜多變，建立各沿海國家之間安全高效的互聯互通航路需要熟悉了解相關海區的地理環境，并對地理信息加以利用。地理信息系統(geographic information system，GIS)是分析利用各種地理信息高效可靠的工具。本研究基于GIS及其相關技術，對“21世紀海上絲綢之路”醫學地理信息系統(medical geographic information system，MGIS)進行初步設計。

1 GIS與MGIS

GIS是一種用于獲取、存儲、查詢、分析和顯示地理空間數據的計算機系統，由地理空間數據、硬件、軟件、專業人員和組織環境構成[2]。GIS通過對包括空間定位數據、圖形數據、遙感圖像數據、屬性數據多種地理空間實體數據及其關系的處理、管理，分析處理一定地理區域內分布的現象和過程，解決復雜的規劃、決策和管理等問題[3]，具有圖文并茂、形象直觀、準確高效的特點。

MGIS，即GIS在醫學領域的應用，是運用GIS及其技術，研究解決如疾病種類及其分布、醫療機構及資源配置、最佳救治路線規劃等與空間及地理分布有關的宏觀醫學問題，發現其內在的空間規律性，為衛生管理人員及醫學研究者提供參考。

2 MGIS設計目標

以“21世紀海上絲綢之路”沿線國家和地區的地理環境特點為基礎，以醫學地理信息及其應用為研究對象，以GIS技術及計算機技術為支撐，設計集信息采集、存儲、編輯、處理、分析、顯示、查詢、描述及綜合應用功能于一體的“21世紀海上絲綢之路”MGIS。其設計目標包括:①“21世紀海上絲綢之路”沿線國家和地區醫學地理信息基礎數據庫的構建；②實現對沿線國家和地區醫學地理信息綜合應用；③通過系統研制為保證“21世紀海上絲綢之路”海上運輸大通道安全高效提供醫學技術支持。

3 MGIS總體設計

3.1 MGIS總體結構 本系統以Microsoft Visual Studio.NET作為開發平臺，以數據庫技術為核心采用模塊化方式進行設計[4]，包括系統管理模塊、海上搜救模塊、衛生防疫模塊、藥材補給模塊和醫療后送模塊。系統按照邏輯功能分為數據服務層、應用服務層、表現層3層[5]。系統總體結構見圖1。

圖1 “21世紀海上絲綢之路”MGIS總體結構

3.2 MGIS網絡架構 為了便于各種平臺終端的用戶接入，系統采用瀏覽器/服務器和客戶端/服務端結構相結合的形式，基于網絡GIS技術進行網絡架構。服務器端用于安裝數據庫及存儲數據、安裝系統程序和進行網絡發布。對于用戶終端，使用瀏覽器實現對服務器的訪問和對系統的綜合應用，平板電腦和智能手機移動終端則通過開發應用程序實現對iOS、Android多系統平臺的支持[6]。在網絡可及性方面，鑒于“21世紀海上絲綢之路”所涉及的地理范圍廣泛，且以海上航道為重點，用戶可以通過有線寬帶、無線寬帶、通信衛星和手機通信基站接入因特網對系統進行訪問。安全性方面，通過設置防火墻保護系統，同時用戶登錄時以用戶名加密碼和電子證書相結合的方式進行身份驗證和應用系統時的權限區分。此種架構的優點是系統可以實現跨平臺、跨網絡、跨語言等被多種用戶調用[7]，并利用服務器端強大的計算能力進行大量的數據處理[8]，且系統容易擴展升級[9]，但缺點是對于網絡帶寬要求較高。系統網絡架構見圖2。

圖2 “21世紀海上絲綢之路”MGIS網絡架構

3.3 MGIS數據庫設計 數據庫是系統運行的核心，本系統數據庫采用Microsoft SQL Server進行統一管理，分為3大部分。

3.3.1 用戶管理數據庫 采用關系數據庫模型，以加密的形式儲存用戶名、密碼及對應的電子證書和用戶基本信息，并標志分組信息以區分不同組別用戶對系統的應用權限。

3.3.2 地理信息數據庫 采用基于關系型數據庫的地理數據庫數據模型，分為空間數據部分和屬性數據部分[2]。空間數據部分，用以儲存系統運行所需要的空間數據，包括“21世紀海上絲綢之路”沿線國家和地區基礎地圖數據和傳染病及地方病空間分布、醫療機構位置、醫藥公司及倉庫位置專題地理數據。由于“21世紀海上絲綢之路”覆蓋南海至印度洋沿岸及環太平洋地區，空間數據采用基于WGS84 (world geodetic system 1984，1984世界級地理坐標系)大地基準為基礎的通用橫軸墨卡托格網系統作為坐標系以確保空間位置的準確度[10]。屬性數據部分，用以儲存空間要素的對應屬性數據，包括基礎地圖要素的屬性數據；傳染病及地方病名稱、癥狀、體征、傳染源、傳播途徑、易感人群、防治方法；醫療機構基本信息、床位數量、衛生人員數量及分類、手術能力、創傷救治能力、大型醫療設備數量；醫藥公司及倉庫基本信息、儲備能力、常備藥品器材品種數量。

3.3.3 影像文檔資料庫 為地理信息數據庫的附屬資料庫，儲存與地圖空間要素、傳染病及地方病、醫療機構、醫藥公司及倉庫相關的圖像、視頻、音頻多媒體資料和文檔資料以供系統以超鏈接的方式進行調用。

4 MGIS功能設計

4.1 MGIS基本功能設計“21世紀海上絲綢之路”MGIS應具備GIS最基本功能，包括:①電子地圖基本操作，如地圖漫游、放大、縮小、測量、標注和圖層控制功能；②數據儲存、分析、查詢、統計、輸出、傳輸和管理功能[11]。此外，系統還應具有信息傳遞、指令發布功能。

4.2 MGIS模塊功能設計

4.2.1 系統管理模塊 為取得管理權限的系統維護人員所使用的模塊。主要功能有:①系統的發布、升級、錯誤修正，以保證系統運行穩定、響應及時和功能更新；②數據采集錄入、校正、更新、修改、刪除、備份，保證數據完整、準確、可靠；③安全性維護，防止系統受到非法訪問、病毒感染和網絡攻擊。

4.2.2 海上搜救模塊 主要功能是為海上事故救援提供遇險船只及落水人員的實時位置預測以縮小搜救范圍，從而保證第一時間救援。模塊提取數據庫內相關海域及航道的海洋地理及風浪、洋流、潮汐等水文氣象信息作為數據基礎并計算建立相應預測模型。當發生船只遇險及人員落水后，搜救指揮人員在指揮端輸入事故發生的時間地點，系統根據事故海域當時的海況及水文氣象信息，通過預測模型并結合遇險船只或落水人員的定位信號，計算預測其當前可能的位置，并通過指令發布的形式通知附近船只參與搜救行動。

4.2.3 衛生防疫模塊 主要功能是提供沿線國家和地區及相關海域傳染病和地方病的發病流行現狀、趨勢及分布情況，為預防其在船員內部的暴發流行和國際間傳播提供參考。模塊調用數據庫中傳染病及地方病的歷史和現況分布數據，分析環境影響因素及其規律，并在此基礎上建立模型預測未來疾病發生的可能性及分布范圍，繪制專題地圖。在船只經過相關海域或停靠相關國家和地區的港口前，衛生防疫部門可通過對專題地圖的顯示和快速查詢，了解當地衛生狀況及傳染病、地方病的發病流行現狀及趨勢，并根據數據庫提供的癥狀、體征、傳染源、傳播途徑、易感人群、防治方法數據，提前做好船員健康教育、疫苗接種衛生防疫措施和治療藥品的儲備。

4.2.4 藥材補給模塊 主要功能是為海上航行船只的藥材補給提供輔助決策。模塊以數據庫內沿線國家和地區各港口及附近的醫藥公司及倉庫的位置、基本信息、儲備能力、常備藥品/器材品種數量數據為基礎，生成專題地圖。當在海上航行的船只缺少某種或某些藥材時，通過專題地圖快速查詢分析距當前位置一定距離范圍內能夠對船只進行有效補給的醫藥公司和倉庫及其所屬港口的信息，并結合航道、氣象、海況等信息，計算最優航線路徑。藥材補給模塊邏輯流程見圖3。

圖3 藥材補給模塊邏輯流程

4.2.5 醫療后送模塊 主要功能是為海上傷病員的醫療后送提供輔助決策。模塊根據數據庫內沿線國家和地區各港口及附近醫療機構位置、基本信息、床位數量、衛生人員數量及分類、手術能力、創傷救治能力、大型醫療設備數量的數據，繪制醫療機構分布及實力的專題地圖。當船只在海上航行過程中發生傷病員無法在船處置需要及時后送至附近港口醫療機構時，可根據船只當前位置查詢附近一定距離范圍內可提供有效救治的醫療機構信息及港口位置，結合航道、氣象、海況信息，計算傷病員后送的最優航線路徑。

5 MGIS存在的問題

5.1 最優航線路徑問題 海洋表面遼闊，但可供船只特別是往來于“21世紀海上絲綢之路”的商船和貨船航行的航線數量有限且呈網絡狀分布，因此最優航線路徑的問題可以用網絡分析的方法加以實現[12]。以港口、航線交匯點為節點，以2個節點之間的航線為鏈路，通過鏈路的時間為鏈路阻抗，從一條航線至另一條航線為轉彎，其所需時間為轉彎阻抗，則最優航線路徑為累積阻抗最小路徑，即花費時間最短的航線路徑，可采用Dijkstra算法[13]進行計算。當航線上出現風浪、迷霧不良海況條件或航線繁忙發生擁堵時，按程度相應地增加鏈路阻抗；當航線上發生臺風等暴風雨天氣或者航線管制造成該航線無法通行時，則鏈路阻抗調整為∞；當某港口發生戰爭、重大災害或政局動蕩等情況時，則視為該港口無法停靠，從節點列表中去除并重新規劃航線。

5.2 難點問題

5.2.1 數據收集問題 數據的收集是本系統設計的難點之一。數據是保證MGIS運行準確可靠的關鍵。對于本系統而言，涉及沿線國家和地區及相關海域的自然地理、經濟地理和醫學地理等方面。這些數據量大繁雜，且有些數據對于相關國家而言是對外保密不公開的。雖然我國曾于20世紀80年代全面收集我國的海洋醫學地理信息，但對其他國家和地區的相關信息收集并不全面。“21世紀海上絲綢之路”戰略構想提出的是一條需要沿線各國家和地區共同努力建設的共商、共建、共享、多贏的和平合作發展道路，因此本系統也應是多方合作共同開發、共同利用。尤其是對于數據的收集，各國家和地區可以提供不危害本國核心利益的相關數據，以保證本系統數據的完整、準確、可靠。

5.2.2 兼容性問題 如上所述，本系統應是沿線國家和地區共同開發、共同利用。此外，作為MGIS，應留有擴展接口以備將來新功能的添加或其他地區MGIS的接入。這些都要求數據格式的兼容性。而各個國家和地區數據格式差異，造成了兼容性存在問題。為解決此問題，就要求統一格式，如可采用SQL-92數據庫標準[14]和開放地理空間信息聯盟數據標準[15]進行統一。

5.2.3 指揮協調問題 “21世紀海上絲綢之路”是國家間的發展戰略，涉及各個國家和地區的多個部門，因此MGIS的開發與應用存在著各個國家和地區多部門及國際海事機構之間的指揮協調問題。可從戰略層面出發，由國家政府牽頭，進行多邊協商，成立沿線國家和地區的聯合指揮協調機構，并發布相關文件明確各個國家和地區及相關部門的職責。各國家和地區政府在此基礎上對系統開發、數據采集、實時更新、應用方面以行政指令或法律法規的形式作出相關規定。

MGIS能實現對“21世紀海上絲綢之路”沿線國家和地區醫學地理信息的綜合利用。

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[15]Wikipedia.Open geospatial consortium[EB/OL].[2016-11-09].https://en.wikipedia.org/wiki/Open＿Geospatial＿Consortium.

The design of medical geographic information system for“the 21st Century Maritime Silk Road”

NI Jiewen，LIU Wenbao，XU Fei，LIU Xiayang，CHEN Guoliang
(Department of Naval Health Service and Medical Equipment，Faculty of Naval Medicine，the Second Military Medical University，Shanghai 200433，China)

To provide technology support of medical geographic information for“the 21st Century Maritime Silk Road”.With the support of geographic information system(GIS)，computer technology，network communication technology and database as the core，the system is designed by using WebGIS technology and modular method.This system has the functions of rescue for ships and men in distress，epidemic prevention，health supplies and medical evacuation for patients.It can realize the comprehensive utilization of the medical geographic information of countries and regions along“the 21st Century Maritime Silk Road”.

Geographic information system(GIS)；Medical geographic information system (MGIS)；The Belt and Road；The 21st Century Maritime Silk Road

R821

A

2095-3097(2016)06-0366-04

10.3969/j.issn.2095-3097.2016.06.013

2016-11-01 本文編輯:張在文)

200433上海，第二軍醫大學海軍醫學系海軍衛生勤務與裝備教研室(倪杰文，劉文寶，徐 菲，劉夏陽，陳國良)

陳國良，E-mail:cgl307＠126.com