基于邊—云協同技術的智能疫苗冷鏈系統架構研究

王靖宇 （湖南信息學院 計算機科學與工程學院，湖南 長沙 410151）

0 引言

疫苗是當前幫助我國早期預防和有效控制人類傳染病的重要技術手段和有效武器，疫苗安全關系公眾健康、衛生事業發展和社會穩定。國家高度重視疫苗管理，要求用“四個最嚴”加強疫苗監管。自我國制定免疫計劃策略以來，在預防各種重大疾病、保護人民群眾的健康等方面都起到了很大的促進作用。但是近年來問題疫苗事件時有發生，2018年長春長生公司問題疫苗案件。疫苗接種安全成為黨和政府以及人民群眾高度關注的公共衛生安全問題。疫苗的存儲條件要求非常高，達不到存儲要求，容易引發疫苗體中蛋白質的大量變性、病原菌和有害微生物的大量滅活、多糖的大量降解，因此保證疫苗流通環節存儲條件滿足要求是疫苗工作的重要環節。

2019年6月29日《中華人民共和國疫苗管理法》出臺，第四章第三十六條指出，“疾病預防控制機構自行配送疫苗應當具備疫苗冷鏈儲存、運輸條件”。第十章第八十五條、八十六條明確了組織機構及相關責任人的法律責任，國家一系列法律管理規定都給疫苗冷鏈運輸市場的蓬勃發展帶來了機遇和挑戰。

根據目前國內外研究現狀，目前在疫苗冷鏈方面有以下幾個特征：

（1）缺乏相關的專業人才。如果想要真正的讓疫苗冷鏈物流運行良好，不僅需要掌握整個疫苗冷鏈物流方面的人才，而且還需要這些人才能夠掌握整個疫苗產品的專業技術及基礎知識。同時也需要他們熟悉各種國家的法律法規對于疫苗的專門監管及其要求。這幾個原因疊加在一起，也就造成了我國在疫苗冷鏈方面的人才缺口較大。需要一個更加便捷、操作更簡單的系統來降低對于疫苗管理人員的要求，使普通人也可以從事疫苗冷鏈的相關工作。

（2）目前國內的疫苗冷鏈物流具有“數量少、次數多、地區廣”的三大特點，這無疑也為目前疫苗的這種冷鏈倉儲物流行業發展模式提出了新的行業技術和要求，在運輸的過程中要根據運輸疫苗種類的不同以及實時溫度，來智能控制車內溫度，使疫苗在運輸中一直處于適宜的存儲環境。現有冷鏈系統都是人為事先設定保存環境參數，由于不同疫苗，要求保存環境參數差異較大，人為設定容易出錯，雖然也有一些系統試圖用智能方法，通過查詢網上數據庫獲取疫苗保存參數信息，由于疫苗很多用于受災地區的使用，受災地區多存在通信不方便，容易“斷網”現象，運輸過程中可能出現斷網的情況導致數據無法實時上傳，此情況會對疫苗存儲信息有很大的影響。

（3）如果僅僅在疫苗運輸冷鏈車內部保存部分信息，保存信息不全，更新滯后，造成對很多品種疫苗無法識別。因此需要實現本地數據庫與云數據庫聯動，將常用熱門疫苗信息保存在本地數據庫，將海量疫苗信息保存在云數據庫中，通過聯動機制，實現本地數據庫內容的更新，從而實時提供疫苗信息并且支持后期管理人員進行查詢。

相比傳統的疫苗冷鏈系統，本文采用物聯網邊—云協同技術，研究了一種新型智能疫苗運輸系統，這種智能系統具有以下幾個方面創新點：

（1）采用RFID技術，智能獲取疫苗信息，并根據疫苗保管要求，智能調節疫苗冷鏈車保存環境參數，避免人為調節造成調節不及時和不確定性，從而大大降低了對疫苗冷鏈車運輸人員素質要求，減輕了運輸人員的工作量。

（2）采用增加存儲功能的邊緣網關的設計理念，增強系統實時性和可靠性，避免斷網或網絡延時過大造成疫苗保存條件無法實時更新，從而造成疫苗變質的風險。

（3）利用云平臺實現更精確的疫苗保存條件分析，從而更精確的疫苗保存環境參數。

（4）遠程控制，本系統支持利用手機和Web瀏覽器遠程接入系統，查看疫苗冷鏈車上運輸的疫苗信息，冷鏈車環境參數，以及對冷鏈車環境參數遠程手動調節。

1 基于邊—云協同的智能疫苗冷鏈系統架構

疫苗冷鏈系統是通過對疫苗種類和冷藏車里面的溫度、光照強度等信息的收集，在查詢數據庫中查找到該疫苗保存環境參數要求，根據參數要求，控制空調和燈光的開關調節溫度和光照強度。傳統冷鏈系統受網絡影響大，在網絡不佳甚至斷網的情況下無法進行數據更新，并且運輸車內的空間環境依賴于人工調節，自動化程度低，疫苗安全問題很難保障。本次創新加入了邊緣網關模塊，在一定程度上脫離了云端的控制，可以自動的通過對車廂內環境的判斷做出相應措施來保證車廂內的疫苗環境，邊緣網關會將收集的數據存儲到本地的數據庫，利用存儲中的“2~8”原則，邊緣網關主要存儲20%的常用疫苗信息，可以滿足80%的應用場景需求，邊緣網關內的本地存儲系統在定時的通過網關內的通信子系統與云端數據庫同步更新數據，保證本地存儲疫苗信息的時效性。組網圖如圖1所示。

圖1 系統組網圖

疫苗冷鏈系統包括三個子系統：分別是智能節點（運輸車）子系統，實現疫苗信息和冷鏈車環境參數采集與調節命令的執行；邊緣網關子系統實現數據轉換與數據通信功能，并具有邊緣計算能力，提供本地服務器與本地數據庫；云監控管理子系統實現基于云平臺的用戶管理、業務管理，并支持用戶遠程查看與控制。系統總體架構如圖2所示。

圖2 系統架構圖

系統基本工作原理：

（1）當攜帶電子標簽的疫苗通過讀卡器時，雙方進行數據交換后，得到疫苗信息，立即通過ZigBee通信傳輸模塊將疫苗信息傳輸至網關；

（2）網關將相關信息送到本地服務器，服務器查詢數據庫模塊中的疫苗儲存條件，如果本地保存有該疫苗保存參數信息，則本地網關根據疫苗保存條件控制空調開關對車里面的溫度進行控制；

（3）如果在本地數據庫中查找不到該疫苗保存條件，上報云平臺查詢該疫苗保存條件；

（4）云平臺接收到本地網關請求，在云數據庫中查詢該疫苗信息，并將該疫苗保存條件信息下發到本地數據庫，本地數據庫更新數據庫內容，并根據新疫苗保存參數，對冷鏈車內環境參數進行調節。

系統運行總體業務流程如圖3所示。

圖3 系統業務流程圖

2 總結

本系統具有以下技術創新：

（1）突破傳統嵌入式系統上位機—下位機架構，采用新型的物聯網端—邊—云架構系統，智能節點采集傳感器數據并將數據送到邊緣網關，邊緣網關不但具有傳統網關的數據轉換和數據通信功能，同時增加計算和存儲能力；

（2）智能節點采用RFID智能感知疫苗保存條件和多種傳感器采集冷鏈車環境參數，并根據邊緣網關下發的指令，動態調節冷鏈車環境參數；

（3）具有計算和存儲能力的邊緣網關，即使在無法向云端傳輸數據的情況下依然利用本地數據庫獲取疫苗保存信息，實時智能調節冷藏車內環境參數，保證疫苗可靠存儲；

（4）云—邊協同，云數據庫收集海量的疫苗信息，并通過云平臺分析不同場景最佳保存參數條件，并根據冷鏈車參數、邊緣網關存儲能力，將常用和熱門疫苗保存參數推送給邊緣網關數據庫，通過邊緣網關的通信接口獲取冷鏈車內環境參數，以便做大數據分析，從而更精確匹配疫苗保存環境要求。