醫院用核心程控交換機幀捕獲單元監測技術

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(1.武漢大學人民醫院，武漢 430060; 2.武昌職業學院，武漢 430060)

0 引言

醫院信息化建設的不斷發展，促使醫院網絡規模也在不斷地擴大，隨著設備的急劇增加，醫院每個角落的設備都會產生大量幀捕獲單元，使得幀捕獲單元監測變得異常困難[1]。醫院用核心程控交換機主要用來連接醫院局域網，它根據以太網幀中的目標地址指向對幀捕獲單元進行轉發，是處理醫院各種單元的最主要網絡設備[2]。如今心肺活動的監護在醫學中占據重要的地位，已有的監測技術無法實時的對患者生病原因進行良好的監測，導致了大量醫學數據單元無法被實際應用到醫學治療當中。因此醫院用核心程控交換機幀捕獲單元監測技術成為當下亟待解決的問題[3]。一些專家和學者對此問題展開研究，已有一些有效成果。但傳統監測技術存在監測效率低、準確度差、速度慢等問題，已經不能滿足醫院用核心程控對設備幀捕獲單元監測的要求[4]。基于此現象，提出對醫院用核心程控交換機幀捕獲單元監測技術進行研究。根據交換機性能需求，制定監測技術總體方案，針對幀捕獲單元存在狀態突變的情況，引入可信度因子對突變單元進行預處理，通過監測技術的實現，完成醫院用核心程控交換機幀捕獲單元監測。經實驗驗證該技術監測準去性高、效率快，誤差小，對醫院用核心程控信息化管理具有重大的意義。

1 監測技術總體方案

要對醫院用核心程控交換機幀捕獲單元監測技術進行研究，需先制定監測技術的總體方案。

根據醫院用核心程控交換機的工作需求，將交換機幀捕獲單元監測技術分為3個主要部分進行實現，分別是：幀捕獲單元監測、單元監測調度、單元描述，具體醫院用核心程控交換機幀捕獲單元監測技術實現流程如圖1所示。

圖1 交換機幀捕獲單元監測技術實現流程圖

由圖1可知，幀捕獲單元監測部分主要對輸入輸出的單元進行監視；單元監測調度部分則需解決兩方面問題：1)對需要調度的監測單元進行優先級的判定，優先級較高的監測單元會被優先調度使用；2)解決單元溢出問題，若大量單元輸入，造成單元溢出現象，則單元監測調度部分會對超出的監測單元進行調度處理，避免在幀捕獲單元監測過程中，出現單元溢出問題，導致監測過程速度降低[5]，亦或是導致監測故障。單元描述部分則是對監測到的單元，依據交換機幀捕獲單元記錄做出異常判定，先訪問幀捕獲單元記錄，查詢監測到的單元是否已經存在，若單元不存在，存入交換機幀捕獲單元記錄；若單元存在，則將記錄的單元描述與監測到的單元描述進行比對，若有不同，則對幀捕獲單元進行更改，若完全相同，則對幀捕獲單元進行刪除，保證單元的唯一性。通過幀捕獲單元監測、單元監測調度、單元描述三部分在完成自身功能的同時，相互配合，實現對醫院用核心程控交換機幀捕獲單元的監測，及時發現異常幀捕獲單元，為醫院用核心程控交換機的正常運行提供保障。具體實現流程描述如下：

1.1 幀捕獲單元監測

醫院用核心程控交換機主要包括無阻交換端口和監控端口[6]。無阻交換端口能夠實現對交換幀捕獲單元的監控，監控端口則能夠實現幀捕獲單元快速地傳送到分析記錄單元，用來監測醫院用核心程控交換機是否能夠正常運行的情況。在該端口設置的幀捕獲單元監測內容主要分為兩種:1)對監測端口輸入輸出單元的監視;2)消息單元的監視。監測端口監視有輸入端口和輸出端口兩種設置方式，當監測的端口為輸入模式下，那么也只能捕獲輸入端口的單元，同理，輸出端口的監測也只能捕獲輸出的單元。

1.2 單元監測調度

當交換機監測端口出現兩個以下單元類型的時候，需要使用監測調度來監視所有端口單元的處理情況，通常情況下，單元監測調度順序分為兩種，一種是優先級，另一種是無優先級[7]。如果監測到的幀捕獲單元具有優先級特征的時候，需要端口按照該順序對單元進行優先處理；如果單元無優先級特征的時候，需要端口按照單元傳送的順序依次進行調度處理。

當交換機監測端口出現兩個以上單元類型的時候，單元就存在溢出的問題。通常情況下，對于單元溢出問題的解決策略主要分為兩種:1)丟棄策略;2)覆蓋策略。如果出現監測端口緩存滿時，需要使用丟棄策略，將監測到的新單元丟棄；而覆蓋策略指的是用新單元覆蓋舊數據。

1.3 單元描述

單元描述主要分為3個方面：一個是能夠詳細的展示出交換機名稱、IP地址、使用時間；二是可以對交換機進行單元的添加、更改與刪除，并對幀捕獲單元進行更新；三是根據交換機的使用時間，監測IP地址和位置，并進行查詢.根據單元描述，使用單元監測調度部分，區分監測單元的實時性和事后性。幀捕獲單元的事后性是指將單元進行儲存，等交換機停止工作后，需要分析監測的結果；單元的實時性是指將實時解析到的單元上報，多用于監測結果對運行有效的交換機[8]。

醫院用核心程控交換機幀捕獲單元監測技術特點如下所示：

1)采用Web開發技術、VBseript/Jseript腳本語言、ASP為對象實現監測系統中軟件部分的頁面顯示，該頁面的顯示能夠為監測技術提供支持。

2)對于網絡流量幀捕獲單元監測技術通過執行進程文件與醫院用核心程控交換機建立各種幀捕獲單元上的連接，并對顯示出來的流量類型特點進行提取。監測技術通過執行自動交換機獲取每個線路的參數值，然后對幀捕獲單元進行規范，交換機單元線路監測流程如圖2所示。

圖2 交換機單元線路監測流程圖

3)通過執行進程文件采集單元流量信息，并對線路進行監控，從而建立幀捕獲單元數據庫。

4)利用幀捕獲單元數據庫存儲優勢，自定義需要監測單元的函數，并對獲取的單元進行整理，記錄到幀捕獲單元數據庫中。

針對幀捕獲單元的監測需要對單元進行連續的采集并統計，獲取主要單元指標，結合網絡單元理論，進而分析網絡變化趨勢[9]。

由圖2可知，在執行進程文件獲取參數值單元存儲進程中加入三層交換機能夠記錄監測時所獲取的線路指標數值，主要字段為：[讀取密碼]、[編寫密碼]、[開始]、[結束]；幀捕獲單元數據庫記錄主要目的是將各種單元進行詳細的記錄，其字段為：[醫院用核心程控交換機]、[周期]、[字節輸入]、[普通包輸入]、[字節輸出]、[普通包輸出]；而端口的幀捕獲單元數據庫記錄的主要目的是將所有監測的單元端口進行詳細的記錄，主要字段為：[醫院用核心程控交換機]、[線路]、[能否顯示]、[是否監測]、[改寫狀態]。幀捕獲單元線路數據庫建立的目的是詳細記錄線路單元包的延時情況，根據監測線路記錄被監控的對象。

根據以上各部分執行功能的完善，完成對醫院用核心程控交換機幀捕獲單元監測技術的總體方案制定，為監測技術的實現提供清晰的思路和理論依據。

2 交換機幀捕獲單元的預處理

在對醫院用核心程控交換機幀捕獲單元監測技術進行實現之前，先對交換機數據進行預處理，以確保實時監測的準確性，提高實時監測效率。醫院用核心程控交換機運行時，不可避免的會出現突變單元，突變單元會對幀捕獲單元監測結果造成影響，因此對交換機幀捕獲單元進行預處理，主要就是對突變單元的監測進行處理，推導出突變單元監測算法，在充分考慮突變單元的情況下，實現醫院用核心程控交換機幀捕獲單元的準確監測。具體處理過程描述如下：

分析監測技術特點及流程，針對交換機幀捕獲單元存在狀態突變的情況，引入可信度因子對實時監測技術進行了完善，解決了可能因虛假單元導致監測結果異變的問題。

設c為交換機幀捕獲單元；γ1(c)為交換機幀捕獲單元正常的可信度；γ2(c)為交換機幀捕獲單元異常時的可信度；S(c)為異常單元的可信度與γ2(c)的虛擬折合系數，公式為：

(1)

式(1)中，N(c)是單元c影響監測出現報警的個數；M(c)是單元c影響監測的總個數。

假設C={c1，c2，…，cm}為監測技術中單元發生異變可能出現的m個單元有限集；D={d1，d2，…，dm}為監測技術中m個可以監測的集合；T=[tij]為交換機幀捕獲單元與監測技術依賴的矩陣，如果tij=1，那么c為異常的單元；如果tij=0，單元正常。

根據上述求導出的突變單元監測方程，可對交換機幀捕獲突變單元進行準確監測，該過程可提高醫院用核心程控交換機幀捕獲單元監測技術的準確性，是該技術的改進創新之處，為監測技術的實現奠定良好的基礎。

3 監測技術的實現

依據醫院用核心程控交換機幀捕獲單元監測技術的總體方案，對預處理后的醫院用核心程控交換機幀捕獲單元進行監測。具體實現過程描述如下：

醫院用核心程控交換機所產生的網絡單元，一般以流量的形式存在，通過SNMP協議獲得的流量形式的交換機幀捕獲單元。對基于流量形式的交換機幀捕獲單元進行監測，監測技術依次對字節輸入、普通包輸入、字節輸出、普通包輸出單元進行優先級判斷，依照優先級順序對幀捕獲單元進行調度分析，對分析之后的單元進行存儲，然后建立作業，自動存儲新單元，通過asp服務器端腳本環境獲取流量單元，由此得到幀捕獲單元監測的顯示情況。

當交換機幀捕獲單元通過上述算法進行重新加載的時候，功能中的信息描述模塊會不斷的產生加載地址，嚴重干擾對幀捕獲單元的監測，因此可以利用來解決該問題。基于上述監測內容，實現了醫院用核心程控交換機幀捕獲單元的監測。

綜上所述，先制定監測技術的總體方案，依據方案對交換機幀捕獲突變單元進行監測預處理，通過監測技術的實現，完成醫院用核心程控交換機幀捕獲單元監測技術的研究。

4 實驗結果與分析

為了驗證所研究的醫院用核心程控交換機幀捕獲單元監測技術的合理性進行了實驗。

選擇5名身體健康的成年人作為研究的對象，將磁感應心肺活動產生的信號使用醫院用核心程控交換機進行轉換，進而收集幀捕獲單元。測試者需要端坐在激勵線圈以內或者線圈外側，并使胸部與激勵圈貼近，選擇合適的距離，保持正常呼吸與心跳。當被測試者處于平靜呼吸的情況下，對單元進行捕獲，并參考，利用監測技術對幀捕獲單元進行相位監測，獲取與顯示實時相位的差異即為被測試者在平靜狀態下呼吸的波形。為了得到明顯的心跳數據，需要被測試者屏住呼吸，從而獲取心跳的波形，最后需要對數據進行存儲。給出具體實驗參數如表1所示。

表1 實驗參數設定

為了檢測醫院用核心程控交換機幀捕獲單元監測技術的準確性，利用頻譜分析函數對被測試者的正常呼吸和心跳進行單元監測，獲取被測試者的呼吸頻率和心跳頻率，然后利用生理記錄儀記錄5名測試者的心跳頻率和呼吸頻率，并進行計算比較，進而得到幀捕獲單元監測的絕對誤差和相對誤差，監測呼吸頻率誤差情況如表2所示，監測心跳頻率誤差情況如表3所示。

表2 監測呼吸頻率誤差情況

表3 監測心跳頻率誤差情況

觀察表2可以看出：采用醫院用核心程控交換機幀捕獲單元監測技術對5名測試者進行呼吸頻率監測，其監測值與5名測試者的呼吸頻率標準值基本吻合，只有第三名測試者呼吸頻率標準值與監測值相差1次/分鐘，得出改進的幀捕獲單元監測技術的絕對誤差為1次/分鐘，相對誤差為4.3%。由表中數據可說明，改進的醫院用核心程控交換機幀捕獲單元監測技術誤差較小。

分析表3可以得出：監測技術對5名測試者進行心跳頻率監測的時候，其絕對誤差為2次/分鐘，相對誤差為3.29%。采用醫院用核心程控交換機幀捕獲單元監測技術對5名測試者進行心跳頻率監測，其監測值與5名測試者的心跳頻率標準值相差不大。最大誤差值出現在第四名被測者，其心跳頻率標準值與監測值相差5次/分鐘，最小誤差值則出現在第二名測試者和第五名測試者，他們的心跳頻率標準值與監測值都只相差1次/分鐘。得出改進的幀捕獲單元監測技術的絕對誤差平均值約為1次/分鐘，平均相對誤差約為2.3%。由表中數據可說明，改進的醫院用核心程控交換機幀捕獲單元監測技術誤差較小。

對比以上呼吸頻率和心跳頻率的監測結果發現，監測技術對呼吸頻率監測的絕對誤差比心跳頻率監測的絕對誤差小，相對誤差大，這是因為人體呼吸頻率比心跳頻率相對穩定所致，不影響實驗結果的準確性。因此總結兩次實驗，實驗結果可充分說明，改進的醫院用核心程控交換機幀捕獲單元監測技術監測誤差小，監測準確性高，驗證了改進技術的有效性。

醫院用核心程控交換機幀捕獲突變單元進行監測較為耗時，因此突變單元監測信號的大小、分布情況及出現數量決定了監測技術的監測效率。為了測試改進的醫院用核心程控交換機幀捕獲單元監測技術的監測效率，分別采用改進技術和傳統技術對醫院用核心程控交換機幀捕獲單元進行監測，測的兩種不同技術的突變單元監測信號分布情況，得到兩種不同技術的突變單元監測信號分布情況對比結果如圖3所示。

圖3 兩種不同技術交換機幀捕獲突變單元監測信號對比結果

觀察圖3可知：采用傳統監測技術對交換機幀捕獲突變單元進行監測，測得其突變單元監測信號較強，平均突變單元監測信號值約為100 dB，觀察其突變單元監測信號的分布情況，隨著實驗時間的增長，監測信號由少變多、由稀疏變秘籍、由最小值20 dB到最大值120 dB，不斷增強，因此所需監測時間變長。采用改進技術對交換機幀捕獲突變單元進行監測，測得其突變單元監測信號較弱，且信號分布較為平均，其平均突變單元監測信號值約為38 dB，最大突變單元監測信號只有40 dB。監測信號的多少、分布密度、數值大小隨實驗時間變化極小，因此需要的監測時間長度較為穩定，且監測時間較短。對比傳統監測技術和改進監測技術的實驗結果可得，改進技術的突變單元監測信號，無論在分布密度上，出現數量上還是數值變化上，都遠遠小于傳統監測技術的突變單元監測信號，充分說明改進技術對交換機幀捕獲突變單元監測效果更好，監測時間更短，從而得出改進技術對交換機幀捕獲單元整體監測速度更快，效率更高，驗證了改進技術的實用性。

綜合以上實驗結果得出，醫院用核心程控交換機幀捕獲單元監測技術具有監測誤差小，監測準確性高，監測效率高等優點，具有一定的有效性和實用性。

5 結束語

為了解決傳統監測技術監測誤差較大、監測準確性較低、效率較低等問題，提出醫院用核心程控交換機幀捕獲單元監測技術的研究。對監測技術進行總體方案制定，將其分為幀捕獲單元監測，單元監測調度，單元描述三部分實現醫院用核心程控交換機幀捕獲單元的監測。為了提高監測技術的準確性和監測效率，對交換機幀捕獲單元進行預處理，特別針對突變單元求導出監測方程，通過交換機幀捕獲單元監測的實現，完成醫院用核心程控交換機幀捕獲單元監測技術的研究。實驗結果充分說明，該技術監測準確性高，誤差小，監測效率高，可達到實時、準確地監測要求。該技術雖然監測誤差小，但誤差仍存在，未來將針對監測誤差進行改進，為醫院用核心程控交換機幀捕獲單元監測技術的發展提供幫助。