基于云計算技術的藥品冷鏈物流信息管理系統

■ 中國藥科大學高等職業技術學院 劉麗莉

1 引言

近幾年，全國發生了多起藥品醫療事故，尤其是在2010年發生的山西疫苗事件，由于疫苗在高溫下曝露作業，直接導致很多接種對象殘疾甚至死亡。冷鏈藥品的質量控制，引起了全社會以及相關監管部門普遍關注。藥品作為預防、治療和診斷人體疾病，保證人民群眾身體健康的特殊商品，很多藥品在運輸過程中都有嚴格的溫度要求，例如，疫苗類制品、注射針劑等。除此之外，冷藏藥品大多屬于多批次少批量的發貨形式，而每批次發往全國許多城市，每個城市又有多個收貨點。為了保證藥品的質量、減少運輸損耗，冷鏈物流需要冷藏裝置，在運送過程、時間掌控、運輸形態等方面要求更加嚴格，因此醫藥冷鏈是一種物流成本所占成本比例非常高的特殊物流形式。據中國醫藥商業行業協會數據顯示，我國冷藏藥品銷售額占我國醫藥流通企業藥品總銷售額的7%-8%。但是，一些發達國家的冷藏藥品約占醫藥銷售總額的25%，我國藥品冷鏈物流與此相比還有較大差距，潛在市場巨大。為此，國家食品藥品監督管理總局于2013年10月根據藥品GSP一百八十三條規定發布了冷藏、冷凍藥品的儲存與運輸管理規定，并作為藥品GSP的配套文件。

醫藥冷鏈物流是一個提供溫度敏感藥品運輸的物流行業，行業本身只關注產品的運輸和質量保障，使用信息化的監控與管理系統有利于業務的開展以及過程控制，但是讓醫藥冷鏈物流公司自己建立一個信息管理平臺，并進行日常維護，將會是公司的一個重要支出，而且，每個公司都維護一個自己的數據中心，也是對資源的很大浪費。隨著醫藥冷鏈物流信息系統存儲的數據越來越多，系統需要更大的存儲空間和數據處理能力，系統的擴展和升級也會給醫藥冷鏈企業帶來很多麻煩。以河南新鄉地區的疫苗管理為例，該地區有122個鄉鎮、24個街道辦事處，假設每個鄉鎮擁有10個接種點，每個接種點至少要有一個冷藏設備，設備每隔10s 向監控中心發送一次疫苗狀態信息，這樣一天下來，數據庫將增加千萬條以上的數據，加上上級節點的監控信息以及運輸過程中的藥品狀態信息，數據量更大。云計算從本質上看是一個提供海量數據存儲與計算能力的平臺，將該行業信息管理平臺與云計算結合在一起，使用云計算提供的計算能力、存儲能力以及管理維護能力，是一個很好的選擇。在云計算平臺上，中小規模的醫藥冷鏈物流企業可以與大型企業同臺競技，企業由過去軟硬件的購買者轉變為計算機資源的服務對象，這樣可以大大降低企業信息化成本，以更快的速度提高醫藥冷鏈物流信息化水平，而且，企業可以根據需求合理調整購買云計算資源的數量，不用被系統升級而困擾。在這個背景下，依托公共云計算平臺上構建信息系統顯得非常迫切。

2 藥品冷鏈系統實現目標

使用云計算技術，能夠給醫藥冷鏈物流信息系統帶來如下優勢：

（1）加速系統的開發和測試。在系統開發之初，系統將來的運行環境是一個需要考慮的重要問題，快速獲得系統的開發和測試環境對系統的開發效率有很大影響，云計算平臺的服務可以為系統提供 所需的開發、測試以及運行環境， 從而加快了系統的開發和測試。

（2）規模化效應。一個醫藥冷 鏈物流行業的私有云能夠同時部署 多個信息系統，規模化效應能夠降 低運營成本，云計算的虛擬化技術 將存儲、計算、網絡等資源進行整 合再分配，為多個系統提供存儲和 計算能力的同時，又保持了各個系 統的邏輯獨立，確保系統的安全 性。

（3）按需付費、便于擴展。云 計算基礎設施服務將資源以服務的 形式提供給用戶，用戶根據自己需 要購買，在醫藥冷鏈物流信息系統 運行初期，可以購買少量的資源， 隨著系統規模的擴大和應用的推 廣，只需要購買更多的云計算資 源，云計算平臺能夠自動、動態地 將系統擴展到新的資源中。

（4） 便于管理和維護。云計算 的一個重要特點就是將計算機使用 者承擔的軟硬件、網絡、系統維護 等業務活動由云計算服務商承擔。 云計算平臺采用虛擬化技術管理基 礎設施，具有數據備份策略和硬件 自動維護能力，減少了醫藥冷鏈物 流企業對系統的維護和管理支出。

3 藥品冷鏈流程分析

醫藥冷鏈物流具有明顯的地域特性，這里假設醫藥冷鏈物流單位以地市級為管理范圍，它的管理單元可以分為市級節點、縣（區）級節點、鄉（鎮）節點和接種點四級，按照行政管理權限上級管理所有下級部門，即管理下級所有冷凍設備及存儲的所有藥品，藥品從市級節點冷庫配送到直屬它的縣級節點，再從縣級節點配送至其直屬的鄉級節點，每級節點都配有冷庫和冷藏運輸工具，對于較大批量藥品或者運輸路程較遠的運輸任務使用冷 藏 車， 對 于 短 距離、小批量的藥品運輸使用便攜式冷藏箱。藥品在儲藏、運輸直到使用的整個過程中都處在醫藥冷鏈物流信息系統的管理之下，藥品的實時狀態通過網絡發送至監控中心，如圖1所示。

圖1 醫藥冷鏈物流藥品流通過程

4 藥品冷鏈系統總體架構

根據上述的目標以及流程闡述，醫藥冷鏈物流信息系統將信息采集終端的采集信息和其它業務數據保存在MongoDB數據中，系統部署在微軟云計算平臺Windows Azure Platform 上，通過互聯網供用戶使用，系統總體架構如圖2所示，主要由信息化基礎設施、云數據中心、云服務支撐平臺、應用服務和統一云服務信息門戶組成。

圖2 醫藥冷鏈物流信息系統體系架構

（1）信息化基礎設施。通過云計算的基礎設施服務提供網絡、存儲、操作系統、中間件、WIFi、移動和物聯網等配套設施。

（2）云數據中心。云數據中心在信息化基礎設施的基礎上，將系統數據存儲、組織起來，為上層應用提供支撐，使用MongoDB 作為數據庫管理系統，醫藥冷鏈運輸過程的管理需要用到的地理信息數據也由該層提供。

（3）云服務支撐平臺。系統使用微軟Azure 平臺，平臺以底層基礎設施為基礎，為應用服務提供開發、運行以及維護的環境。

（4）應用服務。應用服務是系統具體功能在云服務支撐平臺上的實現，包括信息采集服務、倉庫管理服務、運輸管理服務等。系統使用一些傳感器進行信息采集，溫度 傳感器實時采集溫度信息，用來監 控藥品存儲以及運輸過程中的溫度變化，保證藥品的質量，GPS采集藥品運輸過程的位置信息，方便運輸車輛的管理與調度，RFID能夠在不開箱的情況下讀取冷藏設備里面的溫度信息。將這三個傳感器模塊集成，構成了醫藥冷鏈物流信息系統的信息采集終端。

（5）統一云服務信息門戶。統一云服務信息門戶可以看成是云計算對外的接口，供應鏈中冷庫、冷藏車的實時監控信息通過它保存到數據庫中，物流企業內部和相關監管部門通過該門戶使用系統具體功能。

5 溫濕度控制系統設計

醫藥冷鏈物流信息系統對疫苗從生產、倉儲、運輸直到銷售的全過程的溫度、位置變化信息進行實時化的監控管理，使用云平臺中的信息采集終端來實現信息的采集，并記錄到RFID標簽內部儲存芯片中。然后利用無線通信網絡將終端采集到的數據實時傳輸到主機，并同時上傳云至平臺，如圖3所示。

圖3 基于云計算的溫濕度控制系統

云平臺對信息及時處理，并通過溫濕控系統將溫濕度數據自動傳遞到監控中心。報警裝置根據預先設置的溫濕度限值觸發報警裝置，這三個環節的共同配合保證了完整的溫濕度檢測系統的實現。信息采集終端主要由RFID模塊、GPS模塊、溫濕度感器模塊、GPRS模塊和MCU組成，終端啟動之后，溫濕度傳感器定時采集溫濕度信息，并添加到RFID標簽中，GPS模塊負責采集位置信息。

在冷鏈物流溫濕度實時監測中，主要是通過攜帶溫濕度傳感器的RFID標簽和RFID讀寫器配合完成。置于RFID標簽內部的溫濕度傳感器，與RFID芯片組合，在進行藥品信息錄入的同時可以將傳感器的監測范圍寫入芯片，RFID標簽粘貼到產品上之后，溫濕度傳感器開始采集藥品環境溫濕度。RFID標簽采集的溫濕度數據傳遞到藥品運輸載體上的RFID讀寫器中，再通過GPRS等遠程傳輸方式將溫濕度數據信息傳遞給云平臺主機監測系統，監測部門的工作人員就可以實現對冷鏈物流溫度的遠程實時監測。

冷鏈溫濕度數據實時分析和溫濕度異常預警是同時進行的。傳感器采集到的超限數據傳回云平臺主機控制系統后，云平臺主機系統應用數學軟件及時對數據分析處理，將分析結果傳遞給系統預警模塊，與預警模塊中的設定值比較大小，系統判斷是否報警。

6 物流信息系統關鍵功能設計與實現

6.1 主從模式分布式數據庫技術

云計算的目標是將大量普通計算機通過虛擬化技術組織在一起，向用戶提供計算、存儲、網絡等資源，云計算大規模集群的運行環境對數據庫技術提出了新的要求，非關系數據庫可以解決該問題。分布式數據庫的主要任務是將數據分割、分布到計算機集群上，使得數據操作和存儲量等負載均衡地分布于集群中，分割后的數據片在系統中保存多個副本，保證系統的可靠性和負載均衡，分片管理需要在數據分片與數據節點之間建立映射關系，主從模式使用NameNode節點作為分片管理節點，數據各副本以Primary節點和Secondary節點區分。Google的GFS文件系統以及其開源實現HDFS采用的就是主從模式架構，主從模式的架構如圖4所示。

圖4 主從模式分布式數據庫架構

NameNode節點負責管理數據庫所有的元數據，包括名字空間、訪問控制、數據到存儲位置的映射、物理位置分布等信息，使用數據切分和復制的方法，提高數據庫的操作效率，數據被復制存儲在多個數據節點上，其中一個是Primary節點，其它是Secondary節點。

主從模式下，用戶向系統中寫入數據的操作過程如圖5所示。用戶首先向NameNode節點詢問存放數據及其備份的所有數據節點的位置，用戶將數據發送到最近的數據節點的內存中，該節點負責把數據發送到其它的數據節點，然后用戶向Primary 節點發送寫數據請求，Primary 節點決定數據在Secondary節點上的存放位置并命令各個節點把數據寫入硬盤，最后Secondary 節點向Primary 節點匯報寫操作完成情況，Primary 節點將結果回復給用戶。數據讀取操作與寫入操作類似，首先咨詢NameNode 數據的存放地址，用戶根據存放地址與數據節點建立數據通道，在各節點中選擇距離近的節點，從中獲取數據。

圖5 主從模式寫入操作執行過程

6.2 系統功能及實現

醫藥冷鏈物流信息系統采用B/S模式，以Web應用的形式供用戶使用，系統采用Web開發中常用的三層架構。表現層是展現給用戶的界面，業務邏輯層針對具體業務的操作，對數據業務邏輯進行處理，數據訪問層的任務是直接操作數據庫，實現對數據庫的增、刪、改、查。數據庫使用MongoDB，MongoDB數據庫介于關系數據庫與非關系數據庫之間，具有豐富的功能和松散的數據結構，MongoDB支持的查詢功能強大，可以實現關系數據庫大部分查詢功能。根據對醫藥冷鏈物流信息系統的功能需求分析，系統需要完成的主要工作包括：記錄采集信息、冷庫與運輸工具管理、庫存管理和狀態監控，在項目中創建相應Controller處理業務邏輯。

（1）記錄采集信息。數據采集終端定期發送采集信息，系統接收信息并寫入集合Capture中。首先創建BsonDocument類文檔doc，將采集信息添加到doc中，然后將doc插入到集合Capture中。

（2）冷庫與運輸工具管理。系統中冷庫與運輸工具的管理情況類似，分別對Storage集合與Cart集合進行增、刪、改、查操作。數據庫操作與寫入Capture集合類似，將相應屬性添加到一個Storage實體類對象中，然后將對象插入Storage集合。

（3）庫存管理。庫存管理是管理各個倉庫內的疫苗存儲情況，包括疫苗的進庫、出庫和庫存查詢。庫存管理涉及Storage集合與Cart集合，進出庫的數據庫操作是根據StorageId與VaccineId查詢到要操作的疫苗，然后修改集合的Quantity值。

（4）狀態監控。狀態監控是整個醫藥冷鏈物流信息系統的核心，在二維地圖上顯示所有車輛的位置信息，可以直觀地觀察疫苗運輸過程。首先根據StorageId查詢集合Cart，再根據Cart集合中的DeviceId屬性查詢Capture集合，得到最新的溫度和位置信息。

7 物流信息系統應用效果

云計算是并行計算、分布式計算以及網格計算等科學概念的商業實現，用戶可以對計算和存儲資源按需取用、按量付費，建立起基于云計算的醫藥冷鏈物流信息系統減少了企業基礎設施、運營和維護成本。

除此之外，醫藥冷鏈物流信息系統是一個軟硬件結合的綜合性系統，在信息收集環節，使用信息采集終端，能夠實時監控溫度與位置變化信息，并將信息發送到監控中心，從而能夠對藥品的整個冷鏈過程進行實時監控，實現了藥品的流通信息透明化管理，保障消費者安全。一旦發生藥品質量安全事件，可借助于系統的跟蹤追溯功能，使危害降到最低。同時，通過溫控系統的實時監控，根據實際使用需求開啟，以達到節能的效果，節能效果可達到20%。