基于突變決策控制的移動協(xié)同衛(wèi)生應(yīng)急系統(tǒng)

摘 要：為了實現(xiàn)發(fā)生突發(fā)公共衛(wèi)生事件時快速地啟動應(yīng)急預(yù)案，達到有效地組織指揮調(diào)度和最小化事件的影響，移動協(xié)同的衛(wèi)生應(yīng)急系統(tǒng)運用現(xiàn)代信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)合形成基于移動終端和指揮中心的協(xié)同決策處理。系統(tǒng)在運行過程中使用突變論的基本原理對可能導(dǎo)致系統(tǒng)進入應(yīng)急模式的控制變量進行監(jiān)控，一旦爆發(fā)突發(fā)公共衛(wèi)生事件，則利用相識度在數(shù)據(jù)倉庫中進行案例檢索，協(xié)助指揮中心做出高效的決策。系統(tǒng)仿真實驗證明，監(jiān)控臨界值啟動進入預(yù)警，能夠有效提高決策響應(yīng)速度。

關(guān)鍵詞：突發(fā)公共衛(wèi)生事件 應(yīng)急決策 移動協(xié)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(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)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(lián)系緊密和節(jié)奏快的現(xiàn)代生活。這種社會活動形式的變化往往導(dǎo)致一些突發(fā)公共衛(wèi)生事件的爆發(fā)和迅速擴展[1]。突發(fā)公共衛(wèi)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(xiàn)，應(yīng)急系統(tǒng)需要立即作出反應(yīng)，組織專家分析，實現(xiàn)救治隊伍的組織及藥品、設(shè)備、材料等各種醫(yī)療資源的調(diào)度，對事件的危害程度和發(fā)展趨勢進行精確的判定，科學(xué)地制定應(yīng)對措施，合理部署醫(yī)療衛(wèi)生資源實施防控和救治工作[2]，借助現(xiàn)代信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)手段的輔助，高效、快速的完成突發(fā)事件的指揮處置。

對突發(fā)事件最小代價、最合理的處理方式，不僅需要專業(yè)的技術(shù)隊伍，還需要完善的組織管理和應(yīng)急機制。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)的發(fā)展，移動智能終端、物聯(lián)網(wǎng)和云計算等應(yīng)用為實現(xiàn)處置過程中實時的信息交流提供了重要的載體。移動協(xié)同通信計算技術(shù)為實現(xiàn)應(yīng)急事件處置過程中的信息實時交流和協(xié)同工作提供了有力的技術(shù)支撐[3，4]。事件處理過程中把突發(fā)公共衛(wèi)生事件爆發(fā)地區(qū)自然狀況、衛(wèi)生調(diào)查結(jié)果（爆發(fā)時間、擴大范圍等）采集的樣本點、以及應(yīng)急處置決策方案的先例實施及其專家的人工決策有效結(jié)合并快速反饋應(yīng)急系統(tǒng)。指揮中心參與指揮的專家、領(lǐng)導(dǎo)及工作人員與事件各個現(xiàn)場和衛(wèi)生救援實施機構(gòu)實時交流，協(xié)同會商，快速部署并且實施應(yīng)急處置方案。因此可見，現(xiàn)代移動協(xié)同信息技術(shù)，對于高效、快速的完成應(yīng)對突發(fā)公共衛(wèi)生事件的指揮處置提供輔助手段。

1 移動協(xié)同公共衛(wèi)生應(yīng)急系統(tǒng)模型

1.1 移動協(xié)同公共衛(wèi)生應(yīng)急系統(tǒng)特點和

組成

在發(fā)生重大突發(fā)公共衛(wèi)生事件時，應(yīng)急指揮系統(tǒng)存在信息采集困難和無法實時交互等問題，由于無法實現(xiàn)醫(yī)療資源信息數(shù)據(jù)的實時交換，難以實時掌握事故現(xiàn)場及醫(yī)院相關(guān)部門的救治情況，導(dǎo)致相應(yīng)決策救治方案難以有效開展[5]。根據(jù)突發(fā)事件特點及應(yīng)急系統(tǒng)快速反應(yīng)的要求，設(shè)計了基于突變決策控制的移動協(xié)同公共衛(wèi)生應(yīng)急系統(tǒng)[6]。該系統(tǒng)主要考慮解決如下

問題：

采用移動協(xié)同的數(shù)據(jù)信息技術(shù)，將虛擬現(xiàn)實、遠程會議、移動協(xié)同、圖像壓縮結(jié)合在網(wǎng)絡(luò)平臺的支撐下，建立實時交互的公共衛(wèi)生應(yīng)急系統(tǒng)。

該平臺采用無線多種接入技術(shù)，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(xiàn)場信息，實時參與交流，為問題的解決提供了現(xiàn)場支持，加快了問題解決速度。

在應(yīng)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(xié)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(zhí)行機構(gòu)組合在一起，分工協(xié)作、聯(lián)合行動，采用最有效的方式完成應(yīng)急處置。應(yīng)急系統(tǒng)集成突發(fā)事件現(xiàn)場相關(guān)各種基礎(chǔ)信息，建立綜合數(shù)據(jù)庫以及模擬現(xiàn)場環(huán)境，集成現(xiàn)場采集的具有位置信息的資料，及關(guān)于現(xiàn)場環(huán)境的多種遙感信息，實時掌握最新的現(xiàn)場事件發(fā)展態(tài)勢。指揮中心專家及工作人員利用平臺快速了解相關(guān)地區(qū)的情況，抽取歷史案例，結(jié)合自己的專業(yè)背景知識，在平臺開展多種可能條件下的應(yīng)急反應(yīng)模擬，參考歷史案例以及法律法規(guī)制定不同的應(yīng)急預(yù)案。

系統(tǒng)在虛擬環(huán)境平臺和無線移動通信技術(shù)的支撐下，建立協(xié)同交互工作模型，如圖1所示，實現(xiàn)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(fù)雜系統(tǒng)，其系統(tǒng)存在脆性，結(jié)合衛(wèi)生病學(xué)防疫理論和群體移動性等特點導(dǎo)致爆發(fā)的衛(wèi)生事件在各種內(nèi)、外因素作用下本身性能嚴重惡化，以至于產(chǎn)生突變形成公共衛(wèi)生緊急事件[7，8]。

突變理論主要研究動態(tài)系統(tǒng)在連續(xù)發(fā)展變化過程中出現(xiàn)的不連續(xù)突然變化現(xiàn)象及其與連續(xù)變化因素之間的關(guān)系，通過研究臨界點之間的相互轉(zhuǎn)化來分析系統(tǒng)的過程特征。在正常情況下，控制變量的值對應(yīng)了系統(tǒng)狀態(tài)變量的值，系統(tǒng)處于穩(wěn)定運行狀態(tài)[9]；而非正常情況下，當(dāng)控制變量的取值對應(yīng)多個可能狀態(tài)時，系統(tǒng)處于相對不穩(wěn)定的狀態(tài)，因為控制變量稍微發(fā)生變化，或系統(tǒng)的輕微擾動，導(dǎo)致系統(tǒng)從穩(wěn)定狀態(tài)躍遷到動蕩狀態(tài)。

根據(jù)一個系統(tǒng)的勢函數(shù)把它的臨界點分類，研究各類臨界點附近非連續(xù)變化狀態(tài)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(shù)決定的，平衡曲面為滿足勢能函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)（或兩個一階偏導(dǎo)數(shù)）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(yīng)的平衡曲面來描述。

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

，為第j個模型的參數(shù)權(quán)重，滿足約束 （1）

根據(jù)復(fù)雜系統(tǒng)理論可知，k個模型觀測值為離散型隨機變量。考慮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(jié)合復(fù)雜系統(tǒng)理論，得到移動協(xié)同衛(wèi)生應(yīng)急系統(tǒng)的狀態(tài)分布函數(shù)為

（4）

根據(jù)突變模型理論，當(dāng)控制變量不大于四個時，共有七種初等突變模型。移動協(xié)同衛(wèi)生應(yīng)急系統(tǒng)根據(jù)緊急衛(wèi)生事件的源頭，規(guī)模以及地理信息等情況，查詢相關(guān)歷史數(shù)據(jù)案例，確定該緊急衛(wèi)生事件的類型分布，根據(jù)公式（4）的系統(tǒng)狀態(tài)分布函數(shù)，確定突變勢函數(shù)Δδ，定義平衡曲面M=∫Δδdx，而系統(tǒng)的奇點集S=∫∫Δδdx。根據(jù)上述的奇點集和平衡曲面理論，可以量化應(yīng)急系統(tǒng)的控制變量，比如，衛(wèi)生疫情人數(shù)分級的人數(shù)范圍，衛(wèi)生緊急事件爆發(fā)的時間限制等等。

突變模型理論應(yīng)用在移動協(xié)同衛(wèi)生應(yīng)急系統(tǒng)，將突發(fā)緊急衛(wèi)生事件加以分類，以系統(tǒng)的理論對控制和影響緊急事件的參量模型化和量化。

突發(fā)公共衛(wèi)生事件一旦發(fā)生，就會對社會產(chǎn)生很大的危害，由于其發(fā)生的突然性，應(yīng)對起來難免倉促、不全面。可考慮對各種突發(fā)公共衛(wèi)生事件進行分類，將國內(nèi)外各類突發(fā)公共衛(wèi)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(guān)參數(shù)，對每一種突發(fā)公共衛(wèi)生事件做出應(yīng)急預(yù)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(yīng)急系統(tǒng)提供理論決策支持。

2 突變決策算法

突發(fā)事件一旦出現(xiàn)，有關(guān)部門立即組成應(yīng)急指揮部，啟動應(yīng)急指揮系統(tǒng)，結(jié)合現(xiàn)場的信息數(shù)據(jù)，協(xié)同做出統(tǒng)一決策，及時采取相應(yīng)的處置措施[11]。系統(tǒng)決策支持模塊中數(shù)據(jù)倉庫保存了大量過往可借鑒的國內(nèi)外案例信息，提供可查詢案例參數(shù)[12]。決策支持系統(tǒng)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(jù)突變理論監(jiān)控事件臨界信息，協(xié)同系統(tǒng)指揮中心和現(xiàn)場專家等人工決策共同制定最終決策。

決策支持系統(tǒng)數(shù)據(jù)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(guān)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(nèi)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(fā)公共衛(wèi)生事件案例與數(shù)據(jù)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(shù)量越多，相似度越大。將突發(fā)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(shè)T為數(shù)據(jù)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(jù)突變理論，P表示事件的控制變量，個數(shù)是n，n≤m。，P為突發(fā)事件F的描述。

定義3：設(shè)向量U，維數(shù)m，。，，表示P中的；表示P中的；向量為突發(fā)事件F的向量描述。

定理1：突發(fā)事件和案例之間的相似度可以根據(jù)突發(fā)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(shù)學(xué)知識可知，兩向量相識度可以根據(jù)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(fā)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(fā)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(yīng)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(xiàn)及仿真效果

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

（1）各系統(tǒng)正常運行，監(jiān)控系統(tǒng)開啟，監(jiān)控某個區(qū)域的某種疾病的爆發(fā)率。以流行性感冒為例，可以觀測其在某個時間區(qū)間的案例數(shù)目。

（2）當(dāng)該區(qū)域的爆發(fā)率達到突變理論的閥值，比如，門診數(shù)目，發(fā)熱門診數(shù)和住院門診數(shù)等相關(guān)控制變量超過閥值，預(yù)警系統(tǒng)開始運行，記錄為突發(fā)衛(wèi)生事件，獲得相關(guān)病患信息并限制行動觀察。同時立即向應(yīng)急管理部門報告。

（3）應(yīng)急管理部門接報后，應(yīng)立即派出相關(guān)專業(yè)人員趕赴現(xiàn)場調(diào)查、采樣、快速檢測。

（4）應(yīng)急指揮中心專家及領(lǐng)導(dǎo)要對突發(fā)公共衛(wèi)生事件進行決策。根據(jù)決策系統(tǒng)的相似度算法輔助決策信息，采取相應(yīng)措施。包括估計突發(fā)公共衛(wèi)生事件的類型和性質(zhì)、影響面及嚴重程度、目前已采取的措施和控制效果、發(fā)展趨勢、是否需要啟動應(yīng)急預(yù)案等。根據(jù)需要啟動應(yīng)急預(yù)案，對突發(fā)事件進行快速處置。

（5）根據(jù)實時情況，協(xié)同終端各種信息，保證應(yīng)急系統(tǒng)正常運行，控制該衛(wèi)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(yīng)急系統(tǒng)進入正常監(jiān)測階段。

圖2（a）為一個時間段內(nèi)某地區(qū)的流感爆發(fā)率。達到閥值引起突變引發(fā)應(yīng)急系統(tǒng)的預(yù)警。

圖2（b）為預(yù)警指標響應(yīng)時間和控制時間。從圖示指標可以看出，該應(yīng)急系統(tǒng)能夠有效監(jiān)測并輔助決策控制突發(fā)公共衛(wèi)生事件。

4 結(jié)語

突發(fā)公共衛(wèi)生事件需要快速啟動應(yīng)急預(yù)案，有效的組織指揮調(diào)度，包括突發(fā)事件的現(xiàn)場處置，人員、物資的緊急調(diào)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(tǒng)作為突發(fā)公共衛(wèi)生事件的應(yīng)急指揮和監(jiān)控系統(tǒng)，通過如下方式來做到迅速響應(yīng)和快速決策。

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

（2）使用突變理論實時監(jiān)測，任何一個公共衛(wèi)生事件需要有效的監(jiān)控和預(yù)防，突變論引入能夠有效屏蔽非決定性參數(shù)，抽取控制變量，對突發(fā)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(yīng)急指揮系統(tǒng)的決策能力和決策速度。

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