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(1.武漢大學人民醫(yī)院，武漢 430060; 2.武昌職業(yè)學院，武漢 430060)

0 引言

醫(yī)院信息化建設的不斷發(fā)展，促使醫(yī)院網(wǎng)絡規(guī)模也在不斷地擴大，隨著設備的急劇增加，醫(yī)院每個角落的設備都會產(chǎn)生大量幀捕獲單元，使得幀捕獲單元監(jiān)測變得異常困難[1]。醫(yī)院用核心程控交換機主要用來連接醫(yī)院局域網(wǎng)，它根據(jù)以太網(wǎng)幀中的目標地址指向?qū)东@單元進行轉(zhuǎn)發(fā)，是處理醫(yī)院各種單元的最主要網(wǎng)絡設備[2]。如今心肺活動的監(jiān)護在醫(yī)學中占據(jù)重要的地位，已有的監(jiān)測技術無法實時的對患者生病原因進行良好的監(jiān)測，導致了大量醫(yī)學數(shù)據(jù)單元無法被實際應用到醫(yī)學治療當中。因此醫(yī)院用核心程控交換機幀捕獲單元監(jiān)測技術成為當下亟待解決的問題[3]。一些專家和學者對此問題展開研究，已有一些有效成果。但傳統(tǒng)監(jiān)測技術存在監(jiān)測效率低、準確度差、速度慢等問題，已經(jīng)不能滿足醫(yī)院用核心程控對設備幀捕獲單元監(jiān)測的要求[4]。基于此現(xiàn)象，提出對醫(yī)院用核心程控交換機幀捕獲單元監(jiān)測技術進行研究。根據(jù)交換機性能需求，制定監(jiān)測技術總體方案，針對幀捕獲單元存在狀態(tài)突變的情況，引入可信度因子對突變單元進行預處理，通過監(jiān)測技術的實現(xiàn)，完成醫(yī)院用核心程控交換機幀捕獲單元監(jiān)測。經(jīng)實驗驗證該技術監(jiān)測準去性高、效率快，誤差小，對醫(yī)院用核心程控信息化管理具有重大的意義。

1 監(jiān)測技術總體方案

要對醫(yī)院用核心程控交換機幀捕獲單元監(jiān)測技術進行研究，需先制定監(jiān)測技術的總體方案。

根據(jù)醫(yī)院用核心程控交換機的工作需求，將交換機幀捕獲單元監(jiān)測技術分為3個主要部分進行實現(xiàn)，分別是：幀捕獲單元監(jiān)測、單元監(jiān)測調(diào)度、單元描述，具體醫(yī)院用核心程控交換機幀捕獲單元監(jiān)測技術實現(xiàn)流程如圖1所示。

圖1 交換機幀捕獲單元監(jiān)測技術實現(xiàn)流程圖

由圖1可知，幀捕獲單元監(jiān)測部分主要對輸入輸出的單元進行監(jiān)視；單元監(jiān)測調(diào)度部分則需解決兩方面問題：1)對需要調(diào)度的監(jiān)測單元進行優(yōu)先級的判定，優(yōu)先級較高的監(jiān)測單元會被優(yōu)先調(diào)度使用；2)解決單元溢出問題，若大量單元輸入，造成單元溢出現(xiàn)象，則單元監(jiān)測調(diào)度部分會對超出的監(jiān)測單元進行調(diào)度處理，避免在幀捕獲單元監(jiān)測過程中，出現(xiàn)單元溢出問題，導致監(jiān)測過程速度降低[5]，亦或是導致監(jiān)測故障。單元描述部分則是對監(jiān)測到的單元，依據(jù)交換機幀捕獲單元記錄做出異常判定，先訪問幀捕獲單元記錄，查詢監(jiān)測到的單元是否已經(jīng)存在，若單元不存在，存入交換機幀捕獲單元記錄；若單元存在，則將記錄的單元描述與監(jiān)測到的單元描述進行比對，若有不同，則對幀捕獲單元進行更改，若完全相同，則對幀捕獲單元進行刪除，保證單元的唯一性。通過幀捕獲單元監(jiān)測、單元監(jiān)測調(diào)度、單元描述三部分在完成自身功能的同時，相互配合，實現(xiàn)對醫(yī)院用核心程控交換機幀捕獲單元的監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)異常幀捕獲單元，為醫(yī)院用核心程控交換機的正常運行提供保障。具體實現(xiàn)流程描述如下：

1.1 幀捕獲單元監(jiān)測

醫(yī)院用核心程控交換機主要包括無阻交換端口和監(jiān)控端口[6]。無阻交換端口能夠?qū)崿F(xiàn)對交換幀捕獲單元的監(jiān)控，監(jiān)控端口則能夠?qū)崿F(xiàn)幀捕獲單元快速地傳送到分析記錄單元，用來監(jiān)測醫(yī)院用核心程控交換機是否能夠正常運行的情況。在該端口設置的幀捕獲單元監(jiān)測內(nèi)容主要分為兩種:1)對監(jiān)測端口輸入輸出單元的監(jiān)視;2)消息單元的監(jiān)視。監(jiān)測端口監(jiān)視有輸入端口和輸出端口兩種設置方式，當監(jiān)測的端口為輸入模式下，那么也只能捕獲輸入端口的單元，同理，輸出端口的監(jiān)測也只能捕獲輸出的單元。

1.2 單元監(jiān)測調(diào)度

當交換機監(jiān)測端口出現(xiàn)兩個以下單元類型的時候，需要使用監(jiān)測調(diào)度來監(jiān)視所有端口單元的處理情況，通常情況下，單元監(jiān)測調(diào)度順序分為兩種，一種是優(yōu)先級，另一種是無優(yōu)先級[7]。如果監(jiān)測到的幀捕獲單元具有優(yōu)先級特征的時候，需要端口按照該順序?qū)卧M行優(yōu)先處理；如果單元無優(yōu)先級特征的時候，需要端口按照單元傳送的順序依次進行調(diào)度處理。

當交換機監(jiān)測端口出現(xiàn)兩個以上單元類型的時候，單元就存在溢出的問題。通常情況下，對于單元溢出問題的解決策略主要分為兩種:1)丟棄策略;2)覆蓋策略。如果出現(xiàn)監(jiān)測端口緩存滿時，需要使用丟棄策略，將監(jiān)測到的新單元丟棄；而覆蓋策略指的是用新單元覆蓋舊數(shù)據(jù)。

1.3 單元描述

單元描述主要分為3個方面：一個是能夠詳細的展示出交換機名稱、IP地址、使用時間；二是可以對交換機進行單元的添加、更改與刪除，并對幀捕獲單元進行更新；三是根據(jù)交換機的使用時間，監(jiān)測IP地址和位置，并進行查詢.根據(jù)單元描述，使用單元監(jiān)測調(diào)度部分，區(qū)分監(jiān)測單元的實時性和事后性。幀捕獲單元的事后性是指將單元進行儲存，等交換機停止工作后，需要分析監(jiān)測的結(jié)果；單元的實時性是指將實時解析到的單元上報，多用于監(jiān)測結(jié)果對運行有效的交換機[8]。

醫(yī)院用核心程控交換機幀捕獲單元監(jiān)測技術特點如下所示：

1)采用Web開發(fā)技術、VBseript/Jseript腳本語言、ASP為對象實現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)中軟件部分的頁面顯示，該頁面的顯示能夠為監(jiān)測技術提供支持。

2)對于網(wǎng)絡流量幀捕獲單元監(jiān)測技術通過執(zhí)行進程文件與醫(yī)院用核心程控交換機建立各種幀捕獲單元上的連接，并對顯示出來的流量類型特點進行提取。監(jiān)測技術通過執(zhí)行自動交換機獲取每個線路的參數(shù)值，然后對幀捕獲單元進行規(guī)范，交換機單元線路監(jiān)測流程如圖2所示。

圖2 交換機單元線路監(jiān)測流程圖

3)通過執(zhí)行進程文件采集單元流量信息，并對線路進行監(jiān)控，從而建立幀捕獲單元數(shù)據(jù)庫。

4)利用幀捕獲單元數(shù)據(jù)庫存儲優(yōu)勢，自定義需要監(jiān)測單元的函數(shù)，并對獲取的單元進行整理，記錄到幀捕獲單元數(shù)據(jù)庫中。

針對幀捕獲單元的監(jiān)測需要對單元進行連續(xù)的采集并統(tǒng)計，獲取主要單元指標，結(jié)合網(wǎng)絡單元理論，進而分析網(wǎng)絡變化趨勢[9]。

由圖2可知，在執(zhí)行進程文件獲取參數(shù)值單元存儲進程中加入三層交換機能夠記錄監(jiān)測時所獲取的線路指標數(shù)值，主要字段為：[讀取密碼]、[編寫密碼]、[開始]、[結(jié)束]；幀捕獲單元數(shù)據(jù)庫記錄主要目的是將各種單元進行詳細的記錄，其字段為：[醫(yī)院用核心程控交換機]、[周期]、[字節(jié)輸入]、[普通包輸入]、[字節(jié)輸出]、[普通包輸出]；而端口的幀捕獲單元數(shù)據(jù)庫記錄的主要目的是將所有監(jiān)測的單元端口進行詳細的記錄，主要字段為：[醫(yī)院用核心程控交換機]、[線路]、[能否顯示]、[是否監(jiān)測]、[改寫狀態(tài)]。幀捕獲單元線路數(shù)據(jù)庫建立的目的是詳細記錄線路單元包的延時情況，根據(jù)監(jiān)測線路記錄被監(jiān)控的對象。

根據(jù)以上各部分執(zhí)行功能的完善，完成對醫(yī)院用核心程控交換機幀捕獲單元監(jiān)測技術的總體方案制定，為監(jiān)測技術的實現(xiàn)提供清晰的思路和理論依據(jù)。

2 交換機幀捕獲單元的預處理

在對醫(yī)院用核心程控交換機幀捕獲單元監(jiān)測技術進行實現(xiàn)之前，先對交換機數(shù)據(jù)進行預處理，以確保實時監(jiān)測的準確性，提高實時監(jiān)測效率。醫(yī)院用核心程控交換機運行時，不可避免的會出現(xiàn)突變單元，突變單元會對幀捕獲單元監(jiān)測結(jié)果造成影響，因此對交換機幀捕獲單元進行預處理，主要就是對突變單元的監(jiān)測進行處理，推導出突變單元監(jiān)測算法，在充分考慮突變單元的情況下，實現(xiàn)醫(yī)院用核心程控交換機幀捕獲單元的準確監(jiān)測。具體處理過程描述如下：

分析監(jiān)測技術特點及流程，針對交換機幀捕獲單元存在狀態(tài)突變的情況，引入可信度因子對實時監(jiān)測技術進行了完善，解決了可能因虛假單元導致監(jiān)測結(jié)果異變的問題。

設c為交換機幀捕獲單元；γ1(c)為交換機幀捕獲單元正常的可信度；γ2(c)為交換機幀捕獲單元異常時的可信度；S(c)為異常單元的可信度與γ2(c)的虛擬折合系數(shù)，公式為：

(1)

式(1)中，N(c)是單元c影響監(jiān)測出現(xiàn)報警的個數(shù)；M(c)是單元c影響監(jiān)測的總個數(shù)。

假設C={c1，c2，…，cm}為監(jiān)測技術中單元發(fā)生異變可能出現(xiàn)的m個單元有限集；D={d1，d2，…，dm}為監(jiān)測技術中m個可以監(jiān)測的集合；T=[tij]為交換機幀捕獲單元與監(jiān)測技術依賴的矩陣，如果tij=1，那么c為異常的單元；如果tij=0，單元正常。

根據(jù)上述求導出的突變單元監(jiān)測方程，可對交換機幀捕獲突變單元進行準確監(jiān)測，該過程可提高醫(yī)院用核心程控交換機幀捕獲單元監(jiān)測技術的準確性，是該技術的改進創(chuàng)新之處，為監(jiān)測技術的實現(xiàn)奠定良好的基礎。

3 監(jiān)測技術的實現(xiàn)

依據(jù)醫(yī)院用核心程控交換機幀捕獲單元監(jiān)測技術的總體方案，對預處理后的醫(yī)院用核心程控交換機幀捕獲單元進行監(jiān)測。具體實現(xiàn)過程描述如下：

醫(yī)院用核心程控交換機所產(chǎn)生的網(wǎng)絡單元，一般以流量的形式存在，通過SNMP協(xié)議獲得的流量形式的交換機幀捕獲單元。對基于流量形式的交換機幀捕獲單元進行監(jiān)測，監(jiān)測技術依次對字節(jié)輸入、普通包輸入、字節(jié)輸出、普通包輸出單元進行優(yōu)先級判斷，依照優(yōu)先級順序?qū)东@單元進行調(diào)度分析，對分析之后的單元進行存儲，然后建立作業(yè)，自動存儲新單元，通過asp服務器端腳本環(huán)境獲取流量單元，由此得到幀捕獲單元監(jiān)測的顯示情況。

當交換機幀捕獲單元通過上述算法進行重新加載的時候，功能中的信息描述模塊會不斷的產(chǎn)生加載地址，嚴重干擾對幀捕獲單元的監(jiān)測，因此可以利用來解決該問題。基于上述監(jiān)測內(nèi)容，實現(xiàn)了醫(yī)院用核心程控交換機幀捕獲單元的監(jiān)測。

綜上所述，先制定監(jiān)測技術的總體方案，依據(jù)方案對交換機幀捕獲突變單元進行監(jiān)測預處理，通過監(jiān)測技術的實現(xiàn)，完成醫(yī)院用核心程控交換機幀捕獲單元監(jiān)測技術的研究。

4 實驗結(jié)果與分析

為了驗證所研究的醫(yī)院用核心程控交換機幀捕獲單元監(jiān)測技術的合理性進行了實驗。

選擇5名身體健康的成年人作為研究的對象，將磁感應心肺活動產(chǎn)生的信號使用醫(yī)院用核心程控交換機進行轉(zhuǎn)換，進而收集幀捕獲單元。測試者需要端坐在激勵線圈以內(nèi)或者線圈外側(cè)，并使胸部與激勵圈貼近，選擇合適的距離，保持正常呼吸與心跳。當被測試者處于平靜呼吸的情況下，對單元進行捕獲，并參考，利用監(jiān)測技術對幀捕獲單元進行相位監(jiān)測，獲取與顯示實時相位的差異即為被測試者在平靜狀態(tài)下呼吸的波形。為了得到明顯的心跳數(shù)據(jù)，需要被測試者屏住呼吸，從而獲取心跳的波形，最后需要對數(shù)據(jù)進行存儲。給出具體實驗參數(shù)如表1所示。

表1 實驗參數(shù)設定

為了檢測醫(yī)院用核心程控交換機幀捕獲單元監(jiān)測技術的準確性，利用頻譜分析函數(shù)對被測試者的正常呼吸和心跳進行單元監(jiān)測，獲取被測試者的呼吸頻率和心跳頻率，然后利用生理記錄儀記錄5名測試者的心跳頻率和呼吸頻率，并進行計算比較，進而得到幀捕獲單元監(jiān)測的絕對誤差和相對誤差，監(jiān)測呼吸頻率誤差情況如表2所示，監(jiān)測心跳頻率誤差情況如表3所示。

表2 監(jiān)測呼吸頻率誤差情況

表3 監(jiān)測心跳頻率誤差情況

觀察表2可以看出：采用醫(yī)院用核心程控交換機幀捕獲單元監(jiān)測技術對5名測試者進行呼吸頻率監(jiān)測，其監(jiān)測值與5名測試者的呼吸頻率標準值基本吻合，只有第三名測試者呼吸頻率標準值與監(jiān)測值相差1次/分鐘，得出改進的幀捕獲單元監(jiān)測技術的絕對誤差為1次/分鐘，相對誤差為4.3%。由表中數(shù)據(jù)可說明，改進的醫(yī)院用核心程控交換機幀捕獲單元監(jiān)測技術誤差較小。

分析表3可以得出：監(jiān)測技術對5名測試者進行心跳頻率監(jiān)測的時候，其絕對誤差為2次/分鐘，相對誤差為3.29%。采用醫(yī)院用核心程控交換機幀捕獲單元監(jiān)測技術對5名測試者進行心跳頻率監(jiān)測，其監(jiān)測值與5名測試者的心跳頻率標準值相差不大。最大誤差值出現(xiàn)在第四名被測者，其心跳頻率標準值與監(jiān)測值相差5次/分鐘，最小誤差值則出現(xiàn)在第二名測試者和第五名測試者，他們的心跳頻率標準值與監(jiān)測值都只相差1次/分鐘。得出改進的幀捕獲單元監(jiān)測技術的絕對誤差平均值約為1次/分鐘，平均相對誤差約為2.3%。由表中數(shù)據(jù)可說明，改進的醫(yī)院用核心程控交換機幀捕獲單元監(jiān)測技術誤差較小。

對比以上呼吸頻率和心跳頻率的監(jiān)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測技術對呼吸頻率監(jiān)測的絕對誤差比心跳頻率監(jiān)測的絕對誤差小，相對誤差大，這是因為人體呼吸頻率比心跳頻率相對穩(wěn)定所致，不影響實驗結(jié)果的準確性。因此總結(jié)兩次實驗，實驗結(jié)果可充分說明，改進的醫(yī)院用核心程控交換機幀捕獲單元監(jiān)測技術監(jiān)測誤差小，監(jiān)測準確性高，驗證了改進技術的有效性。

醫(yī)院用核心程控交換機幀捕獲突變單元進行監(jiān)測較為耗時，因此突變單元監(jiān)測信號的大小、分布情況及出現(xiàn)數(shù)量決定了監(jiān)測技術的監(jiān)測效率。為了測試改進的醫(yī)院用核心程控交換機幀捕獲單元監(jiān)測技術的監(jiān)測效率，分別采用改進技術和傳統(tǒng)技術對醫(yī)院用核心程控交換機幀捕獲單元進行監(jiān)測，測的兩種不同技術的突變單元監(jiān)測信號分布情況，得到兩種不同技術的突變單元監(jiān)測信號分布情況對比結(jié)果如圖3所示。

圖3 兩種不同技術交換機幀捕獲突變單元監(jiān)測信號對比結(jié)果

觀察圖3可知：采用傳統(tǒng)監(jiān)測技術對交換機幀捕獲突變單元進行監(jiān)測，測得其突變單元監(jiān)測信號較強，平均突變單元監(jiān)測信號值約為100 dB，觀察其突變單元監(jiān)測信號的分布情況，隨著實驗時間的增長，監(jiān)測信號由少變多、由稀疏變秘籍、由最小值20 dB到最大值120 dB，不斷增強，因此所需監(jiān)測時間變長。采用改進技術對交換機幀捕獲突變單元進行監(jiān)測，測得其突變單元監(jiān)測信號較弱，且信號分布較為平均，其平均突變單元監(jiān)測信號值約為38 dB，最大突變單元監(jiān)測信號只有40 dB。監(jiān)測信號的多少、分布密度、數(shù)值大小隨實驗時間變化極小，因此需要的監(jiān)測時間長度較為穩(wěn)定，且監(jiān)測時間較短。對比傳統(tǒng)監(jiān)測技術和改進監(jiān)測技術的實驗結(jié)果可得，改進技術的突變單元監(jiān)測信號，無論在分布密度上，出現(xiàn)數(shù)量上還是數(shù)值變化上，都遠遠小于傳統(tǒng)監(jiān)測技術的突變單元監(jiān)測信號，充分說明改進技術對交換機幀捕獲突變單元監(jiān)測效果更好，監(jiān)測時間更短，從而得出改進技術對交換機幀捕獲單元整體監(jiān)測速度更快，效率更高，驗證了改進技術的實用性。

綜合以上實驗結(jié)果得出，醫(yī)院用核心程控交換機幀捕獲單元監(jiān)測技術具有監(jiān)測誤差小，監(jiān)測準確性高，監(jiān)測效率高等優(yōu)點，具有一定的有效性和實用性。

5 結(jié)束語

為了解決傳統(tǒng)監(jiān)測技術監(jiān)測誤差較大、監(jiān)測準確性較低、效率較低等問題，提出醫(yī)院用核心程控交換機幀捕獲單元監(jiān)測技術的研究。對監(jiān)測技術進行總體方案制定，將其分為幀捕獲單元監(jiān)測，單元監(jiān)測調(diào)度，單元描述三部分實現(xiàn)醫(yī)院用核心程控交換機幀捕獲單元的監(jiān)測。為了提高監(jiān)測技術的準確性和監(jiān)測效率，對交換機幀捕獲單元進行預處理，特別針對突變單元求導出監(jiān)測方程，通過交換機幀捕獲單元監(jiān)測的實現(xiàn)，完成醫(yī)院用核心程控交換機幀捕獲單元監(jiān)測技術的研究。實驗結(jié)果充分說明，該技術監(jiān)測準確性高，誤差小，監(jiān)測效率高，可達到實時、準確地監(jiān)測要求。該技術雖然監(jiān)測誤差小，但誤差仍存在，未來將針對監(jiān)測誤差進行改進，為醫(yī)院用核心程控交換機幀捕獲單元監(jiān)測技術的發(fā)展提供幫助。