全球傳染病疫情網絡監測預警系統的設計與實施

巴劍波，連凌，欒潔，徐雄利，盧姍姍

全球傳染病疫情的監測預警是公共衛生領域的研究熱點[1]。及時監測全球當下正在發生的傳染病疫情、早期發現和識別傳染病流行，有利于我國科學采取公共衛生措施阻止傳染病傳入我國、降低其對我國全球戰略利益的影響[2]。目前，我國尚缺乏海外生物安全哨點監測預警體系，基于互聯網信息技術的全球傳染病疫情監測預警技術就成為首選的監測預警手段。“全球傳染病疫情網絡數據監測系統”是我們自主建設、自動運維、實時更新的監測預警系統，具有自動數據收集、分析和多平臺展現的特點，以世界各國正在流行的傳染病數據為重點，提供當下傳染病發生的地域分布、流行強度和流行態勢，為我國入境人員傳染病篩查、出境人員免疫接種、國際旅行人群(尤其是軍事力量走向世界執行聯合國維和、亞丁灣護航、環球航行、海上聯合訓練與演習等)衛生防護提供參考。

本文主要介紹“全球傳染病疫情網絡數據監測系統”的設計和實施方案，以供類似系統開發參考。

1 系統構成

“全球傳染病疫情網絡數據監測系統”從系統架構上分為數據庫、數據采集和數據展現3個部分。其中數據展現又分為一個后臺服務模塊和兩個客戶端模塊，見圖1。考慮到本系統中數據采集的頻度較低，數據展現的訪問量短期內也不會有爆炸性增長，所以數據庫模塊采用通用的關系型數據庫進行實現。將來如果數據展現的需求提升，數據庫成為瓶頸，可以考慮對數據庫模塊進行升級，比如采用讀寫分離或者緩存數據庫等。這些技術已經有成熟的實現方案。

圖1 全球傳染病疫情網絡數據監測系統構成與模塊

1.1 數據采集模塊 主要負責收集疫情數據和疫情新聞，并對數據進行查重、賦權、概數計算、歸類比對等初步處理和整理，分別按照疾病名稱、國家和地區、數據獲取時間等維度保存到系統本地數據庫中，為系統數據調取、圖表呈現、地圖顯示等提供服務。

1.2 后臺服務模塊 主要負責按照客戶端請求從系統本地數據庫中抽取數據，并將數據分類匯總后提供給客戶端。后臺服務模塊采用Web API架構，支持RESTFUL設計風格和開發方式，這種服務的簡便性讓用戶能夠與之直接交互，使用它們的Web瀏覽器向后臺服務模塊提供的URL發送Get、Post等請求，獲取返回的內容。

瀏覽器客戶端和手機客戶端UU兩個模塊分別適用于不同的工作環境，但它們的功能基本一致，就是從后臺服務模塊獲取數據，將數據進行可視化的展現。瀏覽器客戶端采用JavaScript和CSS3，手機客戶端則采用Android原生模式。

這樣的模塊劃分，有利于使模塊間接口清晰。模塊間的耦合度越低，邏輯結構越容易理解，功能修改越容易實現。

2 數據采集

2.1 數據采集來源 “全球傳染病疫情網絡數據監測系統”首要目的是提供全球傳染病流行地域分布、流行強度和流行態勢特征，解決當下有沒有傳染病爆發流行、爆發流行威脅程度和流行趨勢預判的問題，其疫情數據的時效性、連續性、敏感性要求較高，而對傳染病發病準確例數、轉歸預后、病死率等則要求較低。因此，系統數據來源就極為重要。數據來源渠道主要有二：其一是來源于專業從事網絡傳染病數據傳報的非官方網絡平臺(包括各類非政府組織和機構的自媒體、公告板、論壇等)，其數據更新頻繁、及時，時效性強，較少受到來自政府和權威機構的制約。該來源渠道為本系統的主要渠道；其二是來源于官方渠道的網絡平臺，包括世界衛生組織(WHO)、美國疾控中心(CDC)、歐盟疾控中心(ECDC)、美國醫療健康中心(NHC)及各個國家和地區政府網站，其數據權威性高，但通常疫情數據更新滯后，會受到政府和權威機構的掣肘，也存在數據不全情況。該來源渠道只限定在WHO宣布疫情為全球突發公共衛生事件時，各官方網站才每日或實時更新疫情數據，如埃博拉疫情、新型冠狀病毒肺炎疫情等。

2.2 數據采集抓取 數據采集模塊以后臺服務模式運行在服務器上，定時從互聯網預設網站抓取數據，數據抓取頻度可以在控制臺人工調整并立即生效。基于傳染病疫情流行數據的實時性要求，系統預設的采集頻度通常以小時為單位。在系統初次部署時，采取以分鐘為單位的數據抓取，以完成系統基礎歷史數據采集。當系統進入日常運行狀態時，應當將采集頻度降低。數據采集抓取的方式和頻度需要合理設置，過高的數據采集頻度可能影響源數據網站的正常運行。

為了提高數據抓取的準確性，筆者對數據源的網站結構和頁面結構進行了逐一分析，為每一個網站分別設置用于數據過濾的正確表達式和其他相關的過濾規則。

正因如此，眾多的英語老師始終在跨文化教學中培養學生的交際能力、思維能力，通過外語的學習來掌握外國文化，了解外國文化，對其有更深層次的認識。然而，相當一部分學生的閱讀與寫作能力較強，但是聽力與口語能力堪憂，使得其對于英語的整體掌握程度不能達到要求，也不能很好的掌握外國文化。正是在此基礎上，本文結合外語教學的現實情況，著重探討提出一些現實中發生的問題，并且在研究中尋找切實可行的對策。

另外，疫情數據是動態變化的，經常會發生數據的修訂。因此，數據采集模塊被設計為能夠自動判斷數據是否已經發生修訂，如果發現數據變化，及時更新本地數據庫中的數據。

2.3 數據分析整理和漢化 系統數據采集模塊對抓取到的數據進行查重、比對、計算和分析，并按照疾病名稱、國家和地區、采集時間等維度進行整理。

模塊中內含翻譯子模塊，對于收集到的英文信息自動進行翻譯漢化。對于疾病名稱、國家/地區名稱，筆者設計了中英對照字典庫。初始時，字典庫為空，對采集到的英文信息通過調用百度翻譯API接口進行機器翻譯。同時將翻譯保存到本地的字典庫，下次翻譯時就不再需要調用百度翻譯API接口。管理員可以對字典庫中的條目進行修改，以避免機器漢化翻譯中的錯誤和差錯。一旦條目被修改，會立即觸發對已經完成翻譯的疾病名稱、國家/地區名稱的修改。這樣就保證了系統中數據的正確性。

系統中設置的傳染病疫情新聞版塊也通過百度翻譯API進行漢化，方便用戶閱讀，作為監測預警信息的有效補充。由于新聞內容為整段文字的翻譯，而非如疾病名稱那樣的單詞或詞組，因此新聞版塊的翻譯結果不保存到字典庫，管理員無須對新聞內容進行修正。

實際流程中，翻譯子模塊采用獨立的線程進行工作，對數據中未翻譯的信息進行翻譯，并將新獲得的單詞或詞組類型的翻譯結果保存到字典中。見圖2。

圖2 翻譯模塊相關的UML序列圖

3 數據展現

數據展現是直接面向使用者的模塊，決定了用戶對系統的直觀感受。因此需要考慮可用性、安全性和美觀性[3]。

3.1 可用性 數據展現是系統數據采集、數據分析的最終目的，直接決定了系統的可用性。為了方便用戶使用，系統設計時采用了前后端分離的模式，后端使用Web API提供數據服務，前端通過瀏覽器的JavaScript語言以AJAX方式從Web API接口讀取數據，實現數據列表、可視化繪圖、電子地圖應用等展現效果；而手機上開發的原生模式的APP也通過調用Web API獲取數據進行數據列表顯示。前后端分離的好處是一個后端服務可以同時提供PC機和手機兩種不同的客戶端，便于系統功能的拓展和日常的維護。AJAX網頁開發技術的應用通過在后臺與服務器進行少量數據交換實現異步更新，而不用重新加載整個網頁，具備頁面操作流暢的特點，有利于提高系統的可用性。

3.2 安全性 B/S架構首先要面對的就是如何對用戶進行驗證，防止非法的訪問。系統前端用戶登錄時，將用戶名和密碼傳給后端與數據庫中保留的賬戶信息進行匹配。如果匹配成功，就產生一個令牌。后端服務在返回令牌給前端的同時，將令牌與用戶賬戶、權限等信息的映射關系保存在內存中的令牌哈希表里。前端程序(包括PC端和手機端)的數據訪問均包含這個令牌，系統后端在收到數據請求時進行令牌驗證和權限驗證，否則將通知前端程序強制退出到登錄界面；后端令牌哈希表的信息中包含一個時間戳，系統后端每次收到用戶訪問，都會更新此時間戳，如果用戶長時間沒有訪問動作，時間戳將過期，則系統后端服務就會刪除此令牌，這個機制有效保證了用戶使用本系統的權限不被誤用或濫用。

3.3 美觀性 在系統前端開發中，客戶端采用了CSS3渲染，使界面具有較好的視覺效果。在數據展現方面，充分利用各種成熟的組件，如DataTables、HighCharts、百度地圖、高德地圖等，提升系統可視化水平。

系統采用DataTables工具用于實現自帶分頁、排序等功能的數據表格，選擇DataTables是因為它具有美觀易用的特性，更重要的是它提供了更強大的擴展能力。例如，本課題組編寫了漢字拼音轉換代碼掛接在其fn.dataTableExt.oSort接口中實現漢字拼音的排序，見圖3。

圖3 漢字拼音排序實現的代碼

系統通過修改ColumnDefs的render屬性實現了點擊疾病名稱自動跳轉到相關的百度百科詞條的功能。見圖4。

圖4 字段中超鏈接實現的代碼

系統利用HighCharts工具豐富的功能接口實現圖表繪制，可以將疫情數據以直方圖、折線圖、餅圖、雷達圖等多種圖表繪制出來，以實現可視化應用，并大大減輕了整個開發過程的工作強度，見圖5～6。

圖5 HighCharts工具實現的病例分布柱狀圖

圖6 HighCharts工具實現的病例趨勢曲線

系統充分利用百度地圖、高德地圖、amCharts等國內外最知名的電子地圖，通過將數據在地圖上展現的方式，可以實現各種形式的基于地圖的數據分析，給用戶以一目了然的直觀感受。在系統建立的新冠疫情專題板塊，利用高德地圖在客戶端加載完成的特點，建立了疫情流行與分布散點圖，直觀展現疫情數據的同時降低了服務器負載，收到較好的應用效果，見圖7。

圖7 用高德地圖實現的新型冠狀病毒肺炎疫情分布地圖

4 總結

以上是筆者在本次全球傳染病監測預警系統的開發中的主要設計思想，以及采用的實現方案。從設計思想來說，核心目標是通過切分明晰的模塊邊界，減少模塊的耦合度；通過合理安排線程間的調度，提高整個系統的效率。從實現方案的角度，盡可能采用了功能強大、使用廣泛并且有很好技術支持的插件，從而縮短開發周期。基本的原則是在用戶的使用體驗和開發的便利性兩個方面尋求平衡點，即兼顧使用效果和生產成本。