武警哨兵國產CPU 芯片集成多生理參數及環境信息智能監測系統的設計與應用研究

程乃俊，周金治，周建麗，吳 斌，韓 賓,羅 盧

隨著信息化水平的不斷提高,武警哨位的信息化程度不斷提高,極大地滿足部隊執勤哨位的安全和處置突發事件的應急速度和能力,目前國內外關于人體生理信號參數和環境信息參數的單獨監測系統已有相關的研究，使用的技術手段各不相同。然而，基于對武警部隊哨兵生理參數及環境信息測的集中智能監測卻少有報道,國產CPU芯片應用于醫療信息化監測系統，還未見相關報道。國產CPU芯片的發展打破了國外的技術壁壘，已經有成熟的產品開始商用,它所展現出來的高安全性毋庸置疑。基于部隊的特殊性和對網絡安全的高要求,筆者針對目前部隊武警哨位無哨兵生理監測和武警環境監測的現狀研制了的武警哨兵國產CPU芯片集成多生理參數及環境信息智能監測系統,實現對武警哨兵心率、血壓、血氧、呼吸、體溫等不同的生理體征數據的進行監測，給出了心電圖QRS波群的檢測方法[1]，實現了哨位周邊溫度、濕度、煙霧等環境信息的監測, 解決了哨位由于其特定職能,其內部對于環境、人流、重要病區管制、特殊醫療區域監控以及防盜等有其嚴格的要求[2], 并應用大數據和人工智能，在一個集成融合的監控中心實現對武警哨兵的生理信號參數和哨位環境信息參數進行實時監測分析 ,為執勤監控站點及上級管理站點預警。

1 系統總體設計

系統主要由監測前端、數據處理終端、數據安全傳輸三大部分組成(圖1)。監測前端由生理參數監測設備與智能網關兩部分組成。生理參數監測設備實時監測患者的生理參數和位置信息；智能網關基于國產CPU設計，既是網關也完成對環境信息的監測。生理監測設備通過短距離通信與網關進行數據傳輸，網關把數據加密打包后通過主干網絡，將數據傳輸到監控中心服務器。監測終端的信息處理系統對前端的數據進行存儲、顯示并接入到專家系統進行分析決策。

圖1 基于國產CPU 芯片的武警哨兵集成多生理參數及環境信息智能監測系統框架

2 系統構成設計

2.1 監測前端設計

2.1.1 生理信息參數的監測 根據武警某部通過問卷調查和體格檢查發現，從某部擬參加5 km越野訓練的460名官兵中篩選的高危組異常心電圖的比例高于正常對照組,運動前，高危組異常心電圖比例為33.33%;運動后高危組出現異常心電圖的比例高于對照組,分別為52.38%和7.14%,可見通過心電圖篩查軍事訓練中運動性猝死高危人員有一定的實際意義[3]。利用傳感器對武警哨兵的心率、血氧飽和度、體溫、血壓的參數進行采集，實現對哨位執勤哨兵的各種生理狀況全方位監測，將采集的數據匯總后傳輸到中央處理器進行分析，時時掌握執勤哨兵在的生理性參數并結合醫療指標設定警戒上下線，一旦出現有損執勤哨兵的身體健康的問題及時報警，為不熟悉醫療知識的基層主管提供提前預警，避免發生工作性猝死事故的發生。

2.1.2 環境信息參數的監測 根據武警某部對2016年高溫高濕環境下執行抗洪救災任務發病規律結合參照國際疾病分類標準ICD-10分析,在救災過程中前期皮膚病比例多,逐漸外科訓練傷就診比例逐漸增多,在救災末期達到最多(49.69%),內科疾病在整個任務期間比例大致持平(10%～18%)[4]。僅高溫環境均是如此，可見執勤環境的優劣對執勤任務完成的保障存在至關重要的作用，利用環境監測傳感器對哨位周邊的溫度、濕度、PM2.5含量、煙霧濃度、有毒氣體等進行采集，特別是一些重點高危哨位的周邊環境進行全方位監測，掌握執勤環境數據，制定各種突發環境處置預案，為執勤的的安全提供有力的保障。

2.1.3 短距離無線通信協議 目前，市場上多使用通過CDMA網絡上傳的英特網送至專家系統，實現遠程遠程電子雙向的互診[5]，本系統采用藍牙5.0技術，是最新發布的藍牙標準，具有功耗極低、有效距離遠、可室內定位、針對物聯網優化等優點，廣泛應用于智能家居、智能手環等產品，非常適合本系統的設計需要。

2.1.4 智能網關功能設計 智能網關主要是對生理監測設備的連接、管理，同時對監測數據進行加密轉發。由于網關與公網連接，傳輸的數據是敏感的醫療信息，因此對數據安全性要求高。采用國產CPU芯片為主控制器，從源頭保障信息安全。

2.2 監測終端功能設計 監測終端是整個系統的中樞，由信息處理系統和綜合監控系統組成，通常設置在執勤監控站點及上級管理站點監控中心。

2.2.1 信息處理綜合系統 接收各個前端發出的數據，并進行解密、分析和存儲能操作，并送入專家系統，進行決策。終端系統是對在網的各個前端數據的匯集處理，其系統安全性尤其重要，必須從軟硬件兩方面都做到自主可控。采用國產桌面級的CPU作為終端的主控芯片；軟件系統基于國產操作系統進行終端管理系統的開發，數據庫，圖形界面的軟件設計基于開源軟件進行信息系統的開發，保證軟件的自主可控。

2.2.2 綜合智能監控系統 將信息處理系統收集到的所有數據經過分析和計算，向遠程醫療服務中心進行數據的上傳、備份、分析與反饋[6],在執勤監控站點及上級管理站點監控中心的平臺上形象的顯示出來，并結合醫療數據的要求設置報警標識，為武警哨位的管理者提供處置依據和應急方案。

2.2.3 大數據人工智能分析 終端信息處理系統用于分析患者的生理指標和醫院環境信息，判別患者當前的生理狀態，如果有患者生理狀態出現異常情況，及時預警和提醒，以確保及時采取措施。參照相應的生理和環境的標準指標，對當前病員生理指標與醫院環境信息數據進行數學建模，經過算法進行分析決策，并做出相應的指示，應用大數據和人工智能方法對病員生理信號參數和環境信息參數，給出科學決策。

3 應用效果分析及進一步研究方向

3.1 哨兵生理參數的實時采集與監測分析 采集患者的如脈率、體溫、血壓、呼吸、血氧飽和度等生理參數，與標準值進行實時或歷史比對分析，提高對武警哨兵的有效看護。當緊急情況出現時，可通過武警哨兵的一鍵呼叫功能，對武警哨兵進行應急處置并進一步將從應急處置機制出發研究根據監測結果對應的應急處置方案和早期救治方案，嚴防哨位猝死事件的發生。

3.2 哨位環境信息數據的實時采集與監測分析 采集哨位范圍內特別是重點區域的如溫度、濕度、PM2.5、噪聲、空氣細菌數量等環境信息數據，與相關標準值進行比對分析，從而提高武警管理者對環境信息的有效掌控，為武警過程中的其他正?；顒拥拈_展提供基礎保障并進一步將有針對性的逐一分析所搜集的環境數據，比如說守橋哨位的噪聲污染對哨兵身體的影響等[7]，針對不同的地域和工作環境定制開發出適合不同需要的環境防護裝備。

3.3 執勤監控站點多哨位點多生理參數和環境信息的集成融合智能監控 在統一的監管平臺下，實現對武警哨兵生理參數和哨位環境信息的集成采集、集成監控、集成管理，從而進一步提高監管效率。當被監測的病員生理參數或環境信息數據發生上限定或下限定超標時，可在統一的監管屏幕上動態實時顯示，并發出超標報警信號，從而提醒執勤監控站點及上級管理站點迅速采取有效應對措施。充分應用人工智能技術實現對各類數據的智能分析并與相應預案聯動，逐步做到發現問題和解決問題的同步實現。

3.4 部隊數據信息的安全性保障及國產CPU芯片在哨位信息化監控系統中的應用研究 無線網絡的不斷發展，根據目前信息系統的現狀，隨著新的攻擊技術及方法的陸續出現，需要信息技術人員持續對現有網絡軟硬件系統持續完善改進，以確保移動網絡運行長期安全穩定[8-10]；基于可信計算技術，通過采用國產CPU處理器芯片，從計算平臺的源頭對用戶認證、操作檢查、訪問控制、網絡連接等方面設置并實施可靠安全措施，從而達到對不安全因素的有效防范和控制，加大國產CPU處理器芯片在部隊哨位信息化各種模塊的應用研究，逐步擺脫對進口CPU處理器芯片的依賴，提高抗計算機病毒的綜合能力，確保部隊的網絡安全。

[1] 王鈞銘，王選鋼.趙力穿戴式無線生理參數采集裝置的設計與實現[J].電子器件，2008，31(6):1918-1920.

[2] 王汝濤.智能醫院環境監測系統設計[J].自動化與儀器儀表,2011, 19(12):104-105.

[3] 尚冬梅,馬 燕 .軍事訓練中運動性猝死高危人員初步篩查方法探討[J].武警醫學,2017, 28(4): 329-331.

[4] 劉紅梅, 蘇 彬, 武 周, 等 .武警官兵高溫高濕環境下執行抗洪救災任務發病規律分析[J] .武警醫學,2017,28(7): 660-663.

[5] 王 驥，沈玉利.基于無線傳感器網絡生理參數采集系統的設計[J].電子測量與儀器學報,2009,23(2):94-99.

[6] 萇飛霸，尹 軍.一種便攜式多生理參數采集系統的設計[J].計算機測量與控制,2015,23(7):2574-2576.

[7] 馮愛民.武警某部守橋官兵疾病調查與分析 [J].武警醫學,2004，15(7)：789-790.

[8] 羅宇紅, 段少軍. 移動醫療醫院信息網絡安全分析措施[J].中國醫學裝備,2016,13(6):21-22.

[9] 郭 煒，楊 波. 手機終端體系化的安全策略[J].中國無線電,2014, 8(1):51-54.

[10] 尹建東，郭啟勇.基于無線網絡技術拓展現有醫院信息系統[J].中國醫學裝備,2008,23(2):52-54.