天津市傳染病信息系統的設計與實現

劉 軍，閆俊飛，韓 冬，黃家忠

（天津市疾病預防控制中心信息處，天津300011）

0 引言

近年來，全球各地陸續發生了較多傳染病疫情和突發公共衛生事件，如2003年的非典型性肺炎疫情、2009年的甲型H1N1流感大流行、2014年的埃博拉出血熱疫情以及2020年的新型冠狀病毒肺炎大流行等[1]。預防傳染病、控制傳染病疫情是全國衛生事業的一項重要內容[2]，傳染病信息系統的建設是國家《疾病預防控制信息系統建設指導方案(2018版)》內容的重要組成部分。天津市本著統一規劃、分級管理的原則，設計了天津市傳染病信息系統，以實現天津市范圍內傳染病報告信息的整合共享及傳染病監測、動態預警等核心業務管理。同時，制訂天津市傳染病數據采集標準，以確保監測數據快速有效地收集、分析、反饋和應用[3]，并構建天津市傳染病管理數據中心，建立傳染病數據交換系統、傳染病監測分析信息系統、傳染病疫情簡報自動撰寫系統、傳染病自動預警預測系統和傳染病輔助決策綜合展示系統5個子業務系統，實現數據同步、應用協同，從而為天津市的傳染病預防、控制、決策保駕護航，全面提升疾病預防控制的信息化水平。

1 建設現狀、需求及原則

1.1 建設現狀

在國家全民健康信息規劃的總體指導下，近年來疾病預防控制的信息化程度得到了很大提升[4]。以中國疾病預防控制信息系統為代表的監測系統已運行16余年，覆蓋疾病預防控制等20余個核心業務應用，存儲了超過1億條傳染病，出生、死亡等個案信息[5]。目前國家直報系統正經歷以人為核心整合信息資源，由垂直單系統向平臺化應用轉型，將逐步與省統籌區域全民健康信息平臺、醫療衛生機構實現信息互聯互通、業務協同。天津市傳染病信息報告通過國家疾病預防控制信息系統進行網絡直報，數據全部在國家直報信息系統數據庫中。因此，為實現疾病預防控制核心任務管理，設計天津市傳染病信息系統具有重要意義。

1.2 建設需求

天津市傳染病信息系統要滿足公共衛生、醫療衛生、衛生行政和其他相關等4類機構用戶的業務需求。系統應可以將國家疾病預防控制信息系統采集的天津市傳染病報告信息回推到本地數據中心，建立涵蓋傳染病動態監測、傳染病預警決策、疫情簡報等核心業務的功能模塊。同時，應充分考慮數據共享及利用，提升數據的一致性、唯一性和標準化存儲，并實現與國家疾病預防控制信息系統的傳染病報告信息的實時對接，以及數據字典、業務數據、統計數據、業務規則、加解密策略等內容的實時同步。

1.3 建設原則

根據天津市疾病預防控制工作的業務需要，在堅持先進性、實用性、安全性和穩定性的基礎上，天津市傳染病信息系統的建設還應遵循以下原則。

(1)統一規劃，分步實施。

充分利用現有的基礎網絡、設備和人員，從天津市疾病預防控制信息化長遠發展的需求出發，統籌規劃，統一建設規范和管理制度，明確相關疾病預防控制管理部門、相關醫療衛生服務機構的職能。

(2)突出重點，縱橫聯網。

系統強調以符合天津市公共衛生體系總體規劃為原則，逐步推廣到公共衛生相關其他業務的應用建設。同時，能和國家疾病預防控制信息系統進行有效的信息交換。

(3)標準規范，資源共享。

依據統一的功能規范、業務流程、數據定義與編碼以及數據交換標準建設天津市傳染病信息系統，逐步實現傳染病業務管理的數據庫規范化、標準化建設和未來傳染病管理和服務的擴展性建設，滿足與公共衛生管理及服務機構進行數據交換和信息共享的基本要求。

2 系統設計

2.1 整體架構

在統一網絡基礎設施的支撐下，以標準規范體系和安全保障體系為保障，部署統一的天津市傳染病信息系統數據庫，構建統一的目錄服務和數據交換體系，搭建統一的面向服務的架構(service-oriented architecture，SOA)應用支撐平臺。采用Java Web、地理信息系統(geographic information systems，GIS)、MySQL等相關技術，從整體技術體系上選用Java EE技術，采用瀏覽器/服務器/數據庫(Browser/Server/Database，B/S/D)3層應用結構進行應用系統的開發，前端采用HTML5/JavaScript技術，能夠支持Internet Explorer 8及以上和其他國內主流瀏覽器，并自動適配計算機(Windows)系統和平板計算機/智能手機的顯示器。系統開發采用模塊化設計，各功能模塊符合高內聚、低耦合的特征。應用統一的元數據技術進行設計，在系統建設和運行過程中嚴格參照元數據標準。通過國家提供的Web Service接口進行數據交換，利用MySQL的存儲功能對數據進行分類統計分析。采用成熟的GIS組件，建立空間數據庫，實現多源空間可視化展示。利用Java語言實現業務模型的算法，再進行分析預警。整個系統統一標準規范、統一安全管理，實現統一的疾病預防控制業務應用門戶。系統整體架構如圖1所示。

圖1 天津市傳染病信息系統總體架構

2.2 硬件基礎平臺建設

系統建設依托天津市醫療健康大數據中心的計算資源和存儲資源，以開放性、先進性、成熟性、高可用性、高可靠性、高可維護性等為原則，充分考慮環保、節能的要求，搭建應用服務器、交換服務器、數據庫服務器3層架構。同時，存儲資源池配置5 T數據庫資源，以便存儲系統產生的業務、日志等數據。

2.3 網絡安全體系建設

網絡安全體系按照國家信息安全等級保護三級要求進行綜合設計，制訂相關安全策略，以防因各類安全問題導致安全事故或損失。利用全市已搭建的疾病預防控制安全專網和數字認證技術對系統用戶身份進行識別與鎖定管理，系統全部注冊授權用戶基于數字證書認證登錄方式，通過“一人一證”實現系統雙因子認證，保證鏈路和用戶使用安全。建設中所涉及的相關密碼算法符合國家有關標準，并按國家要求定期更新，保證密鑰使用的安全性[6]。同時通過部署云數據庫審計、云堡壘、云漏洞掃描、云防火墻、安全管理平臺、虛擬化數據防泄漏等系統，實現對天津市傳染病信息系統的安全管理。

3 系統功能

整個系統共涵蓋5個子業務應用系統，分別是傳染病數據交換系統、傳染病監測分析信息系統、傳染病疫情簡報自動撰寫系統、傳染病自動預警預測系統和傳染病輔助決策綜合展示系統。

3.1 傳染病數據交換系統

傳染病數據交換系統實現與國家疾病預防控制信息系統中傳染病業務系統的數據對接，自動同步傳染病業務系統中報告地或現住址顯示為天津市的疫情數據。同時，對同步過來的數據進行加工整理，以滿足本市統計、簡報及預警系統中對業務數據的要求。

3.2 傳染病監測分析信息系統

傳染病監測分析信息系統對從國家疾病預防控制信息系統接入的天津市傳染病監測個案信息實現查詢、常規統計、質量綜合評價與控制、多維綜合可視化分析等功能。同時，本系統還能實現對全市疫情動態的信息化管理和多視角、多維度分析，可為疾病預防、控制決策提供支撐。本系統覆蓋了40種法定傳染病的監測管理，實現了全業務結果指標、量化指標以及質控指標的多維綜合分析，如圖2所示。

圖2 傳染病監測分析信息系統架構圖

3.3 傳染病疫情簡報自動撰寫系統

傳染病疫情簡報自動撰寫系統實現疾病預防控制部門傳染病相關常用簡報的自動生成，包括指標管理、簡報模板管理、重點疫情設置、任務設置、簡報生成管理等功能，降低了人力負擔，提高了工作效率，有效防止了錯誤的發生。同時，系統還具備簡報分析類、對比類、描述類等指標計算服務能力，提供簡報的格式、簡報欄目、簡報內容的靈活定義，能自動生成傳染病相關常用簡報(包括日報、周報、月報)，如圖3所示。

圖3 傳染病疫情簡報自動撰寫系統架構圖

3.4 傳染病自動預警預測系統

傳染病自動預警預測系統主要通過歷史參比資料的方法，運用移動百分位數法等算法，建立統計方法概念模型。本系統可配置調節參數，動態校正預警閾值的敏感度和特異度，實現傳染病監測的動態預警，可對疾病預防控制機構及衛生行政部門的疫情管理人員發出警示，以便其能及時對增加的異常疫情信息作出反應，及時調查核實。預警內容主要包括單病例預警、時間序列預警、空間聚集預警，預警閾值和展示信息可靈活管理配置，預警結果展示方式包括GIS展示和短信預警。

3.5 傳染病輔助決策綜合展示系統

傳染病輔助決策綜合展示系統對已有數據進行挖掘，通過對數據庫中的大量業務數據進行數據抽取、數據轉換、歷史數據分析來提取數據中的關鍵指標和維度，進行統計分析和計算，形成多維度統計分析庫。同時，系統建立數據分析模型，將數據模型化處理后進行模型計算，結合計算結果對模型參數進行優化調整，形成符合天津市的數據分析模型。

本系統利用成熟的大數據技術，將其與數據分析模型進行集成，可加載歷年傳染病歷史數據，完成傳染病的動態聚集分布分析、傳染病動態空間分布分析、傳染病患者流動性分析、傳染病預警預測等的數據計算和分析。同時系統基于GIS組件、圖表報表展示工具可將數據模型計算結果進行綜合展示，實現對傳染病聚集性、動態分布及流動性的實時監控、更新，為傳染病疫情防控、趨勢預測和決策支持提供了信息化手段和數據支撐。

4 關鍵技術

4.1 數據同步技術

系統的數據庫設計中，將負責處理數據同步的部分數據庫存儲劃分為臨時庫、中間庫和標準庫。數據初始化時，通過ETL(extract-transform-load)工具抽取至臨時庫，從臨時庫中經過數據清洗進入中間庫，系統對中間庫中的數據進行數據標準化和數據關聯匹配，處理完成后的數據進入標準庫。數據處理完成后，保證標準庫中的每一條數據記錄和中間庫中的數據是一一對應的。

4.2 基于可擴展標記語言(extensible markup language，XML)技術的數據交換標準設計

在業務活動中，系統必須能夠滿足頻繁的內容更新、保持信息的一致性、即時動態內容的刷新和數據安全性等方面的需要。使用XML技術在數據解析的時候遵循文檔類型定義(document type definition，DTD)，保證了文檔結構的一致性。此外，XML數據容易轉換，可以將數據從一種Schema規范轉換為另一種，并且可以有多種輸出格式，如HTML和PDF等。XML技術同時使動態文檔成為可能，通過操縱XML數據的片段，可以將信息重新包裝來滿足用戶的需求。

4.3 成熟的GIS組件

系統針對可視化地圖的業務需求，根據構件化設計思想，采用成熟的GIS產品作為地理信息組件。GIS組件支持空間數據庫技術，采用關系型數據庫來存儲空間數據，從而實現空間數據與屬性數據的一體化存儲，即地圖數據與業務數據的一體化存儲。

通過GIS組件提供的多源空間數據無縫集成技術，不僅能夠同時支持多種形式的空間數據庫和數據格式，完成由空間數據庫到各種交換格式的輸入、輸出，還能直接讀取常用的計算機輔助設計(computer aided design，CAD)數據，如DWG和DGN格式等。

5 應用效果

通過近1 a的運行，天津市傳染病信息系統取得了良好的應用效果，實現了天津市范圍內傳染病信息的整合共享及傳染病監測和動態預警等核心業務管理。系統登錄界面如圖4所示。

圖4 天津市傳染病信息系統登錄界面

5.1 整合共享，互聯互通

本系統實現了天津市傳染病報告信息的整合共享、數據同步及應用協同，實現了與國家級傳染病報告系統歷史數據的互聯互通，提升了天津市傳染病監測、分析與處置和早期發現傳染病疫情并及時進行預警與處置的信息服務能力。

5.2 自動預警，可視分析

本系統實現了傳染病相關常用簡報的自動生成，通過GIS展示和短信預警實現天津市傳染病疫情的自動預警，形成了天津市傳染病數據分析模型，全面提升了疾病預防控制的信息化水平，提高了對傳染病疫情的管理和分析效率，降低了人力負擔。

5.3 平戰結合，疫情防控

本系統可應用于平時與戰時，實現了傳染病確診病例信息的可視化分析，以及對天津市疫情動態的信息化管理和多角度、多維度分析，為疫情防控、趨勢預測和決策支撐提供了信息化手段和數據支撐。其中甲、乙、丙類傳染病監測動態空間分布如圖5所示。

圖5 甲、乙、丙類傳染病監測動態空間分布

6 結語

天津市傳染病信息系統依托天津市醫療健康大數據中心環境資源和物理資源，利用天津市疾控安全專網[7]和數字認證系統與國家疾病預防控制直報系統連接，符合全民健康信息化工程和集約化建設的要求，對天津市傳染病預防控制工作起到有力的信息支撐作用。但系統目前只能對傳染病報告信息進行分析，未將傳染病信息系統主動融入到區域人口健康信息平臺建設中進行多維度綜合分析，數據質量還有待提高；同時應進一步優化數據分析模型的精準度[8]，橫向實現醫療和疾病預防控制機構的業務協同，縱向實現信息的分級管理和業務聯動[9]。未來將逐步探索與醫療、公安、醫保等部門的信息聯動，從而更好地保障全市人民的身體健康。