基于云計算技術的藥品冷鏈物流信息管理系統(tǒng)

■ 中國藥科大學高等職業(yè)技術學院 劉麗莉

1 引言

近幾年，全國發(fā)生了多起藥品醫(yī)療事故，尤其是在2010年發(fā)生的山西疫苗事件，由于疫苗在高溫下曝露作業(yè)，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(jiān)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(fā)貨形式，而每批次發(fā)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(tài)等方面要求更加嚴格，因此醫(yī)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(jù)中國醫(yī)藥商業(yè)行業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)顯示，我國冷藏藥品銷售額占我國醫(yī)藥流通企業(yè)藥品總銷售額的7%-8%。但是，一些發(fā)達國家的冷藏藥品約占醫(yī)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(jiān)督管理總局于2013年10月根據(jù)藥品GSP一百八十三條規(guī)定發(fā)布了冷藏、冷凍藥品的儲存與運輸管理規(guī)定，并作為藥品GSP的配套文件。

醫(yī)藥冷鏈物流是一個提供溫度敏感藥品運輸?shù)奈锪餍袠I(yè)，行業(yè)本身只關注產(chǎn)品的運輸和質量保障，使用信息化的監(jiān)控與管理系統(tǒng)有利于業(yè)務的開展以及過程控制，但是讓醫(yī)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(shù)據(jù)中心，也是對資源的很大浪費。隨著醫(yī)藥冷鏈物流信息系統(tǒng)存儲的數(shù)據(jù)越來越多，系統(tǒng)需要更大的存儲空間和數(shù)據(jù)處理能力，系統(tǒng)的擴展和升級也會給醫(yī)藥冷鏈企業(yè)帶來很多麻煩。以河南新鄉(xiāng)地區(qū)的疫苗管理為例，該地區(qū)有122個鄉(xiāng)鎮(zhèn)、24個街道辦事處，假設每個鄉(xiāng)鎮(zhèn)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(jiān)控中心發(fā)送一次疫苗狀態(tài)信息，這樣一天下來，數(shù)據(jù)庫將增加千萬條以上的數(shù)據(jù)，加上上級節(jié)點的監(jiān)控信息以及運輸過程中的藥品狀態(tài)信息，數(shù)據(jù)量更大。云計算從本質上看是一個提供海量數(shù)據(jù)存儲與計算能力的平臺，將該行業(yè)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(guī)模的醫(yī)藥冷鏈物流企業(yè)可以與大型企業(yè)同臺競技，企業(yè)由過去軟硬件的購買者轉變?yōu)橛嬎銠C資源的服務對象，這樣可以大大降低企業(yè)信息化成本，以更快的速度提高醫(yī)藥冷鏈物流信息化水平，而且，企業(yè)可以根據(jù)需求合理調整購買云計算資源的數(shù)量，不用被系統(tǒng)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(tǒng)顯得非常迫切。

2 藥品冷鏈系統(tǒng)實現(xiàn)目標

使用云計算技術，能夠給醫(yī)藥冷鏈物流信息系統(tǒng)帶來如下優(yōu)勢：

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

（2）規(guī)?；?。一個醫(yī)藥冷 鏈物流行業(yè)的私有云能夠同時部署 多個信息系統(tǒng)，規(guī)?；軌蚪?低運營成本，云計算的虛擬化技術 將存儲、計算、網(wǎng)絡等資源進行整 合再分配，為多個系統(tǒng)提供存儲和 計算能力的同時，又保持了各個系 統(tǒng)的邏輯獨立，確保系統(tǒng)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(jù)自己需 要購買，在醫(yī)藥冷鏈物流信息系統(tǒng) 運行初期，可以購買少量的資源， 隨著系統(tǒng)規(guī)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(tài)地 將系統(tǒng)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(wǎng)絡、系統(tǒng)維護 等業(yè)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(shù)據(jù)備份策略和硬件 自動維護能力，減少了醫(yī)藥冷鏈物 流企業(yè)對系統(tǒng)的維護和管理支出。

3 藥品冷鏈流程分析

醫(yī)藥冷鏈物流具有明顯的地域特性，這里假設醫(yī)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(jié)點、縣（區(qū)）級節(jié)點、鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）節(jié)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(jié)點冷庫配送到直屬它的縣級節(jié)點，再從縣級節(jié)點配送至其直屬的鄉(xiāng)級節(jié)點，每級節(jié)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(yī)藥冷鏈物流信息系統(tǒng)的管理之下，藥品的實時狀態(tài)通過網(wǎng)絡發(fā)送至監(jiān)控中心，如圖1所示。

圖1 醫(yī)藥冷鏈物流藥品流通過程

4 藥品冷鏈系統(tǒng)總體架構

根據(jù)上述的目標以及流程闡述，醫(yī)藥冷鏈物流信息系統(tǒng)將信息采集終端的采集信息和其它業(yè)務數(shù)據(jù)保存在MongoDB數(shù)據(jù)中，系統(tǒng)部署在微軟云計算平臺Windows Azure Platform 上，通過互聯(lián)網(wǎng)供用戶使用，系統(tǒng)總體架構如圖2所示，主要由信息化基礎設施、云數(shù)據(jù)中心、云服務支撐平臺、應用服務和統(tǒng)一云服務信息門戶組成。

圖2 醫(yī)藥冷鏈物流信息系統(tǒng)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(wǎng)絡、存儲、操作系統(tǒng)、中間件、WIFi、移動和物聯(lián)網(wǎng)等配套設施。

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

（3）云服務支撐平臺。系統(tǒng)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(fā)、運行以及維護的環(huán)境。

（4）應用服務。應用服務是系統(tǒng)具體功能在云服務支撐平臺上的實現(xiàn)，包括信息采集服務、倉庫管理服務、運輸管理服務等。系統(tǒng)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(jiān) 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(yī)藥冷鏈物流信息系統(tǒng)的信息采集終端。

（5）統(tǒng)一云服務信息門戶。統(tǒng)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(jiān)控信息通過它保存到數(shù)據(jù)庫中，物流企業(yè)內部和相關監(jiān)管部門通過該門戶使用系統(tǒng)具體功能。

5 溫濕度控制系統(tǒng)設計

醫(yī)藥冷鏈物流信息系統(tǒng)對疫苗從生產(chǎn)、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(jiān)控管理，使用云平臺中的信息采集終端來實現(xiàn)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(wǎng)絡將終端采集到的數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)街鳈C，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(tǒng)

云平臺對信息及時處理，并通過溫濕控系統(tǒng)將溫濕度數(shù)據(jù)自動傳遞到監(jiān)控中心。報警裝置根據(jù)預先設置的溫濕度限值觸發(fā)報警裝置，這三個環(huán)節(jié)的共同配合保證了完整的溫濕度檢測系統(tǒng)的實現(xiàn)。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(jiān)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(jiān)測范圍寫入芯片，RFID標簽粘貼到產(chǎn)品上之后，溫濕度傳感器開始采集藥品環(huán)境溫濕度。RFID標簽采集的溫濕度數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)信息傳遞給云平臺主機監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測部門的工作人員就可以實現(xiàn)對冷鏈物流溫度的遠程實時監(jiān)測。

冷鏈溫濕度數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳回云平臺主機控制系統(tǒng)后，云平臺主機系統(tǒng)應用數(shù)學軟件及時對數(shù)據(jù)分析處理，將分析結果傳遞給系統(tǒng)預警模塊，與預警模塊中的設定值比較大小，系統(tǒng)判斷是否報警。

6 物流信息系統(tǒng)關鍵功能設計與實現(xiàn)

6.1 主從模式分布式數(shù)據(jù)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(wǎng)絡等資源，云計算大規(guī)模集群的運行環(huán)境對數(shù)據(jù)庫技術提出了新的要求，非關系數(shù)據(jù)庫可以解決該問題。分布式數(shù)據(jù)庫的主要任務是將數(shù)據(jù)分割、分布到計算機集群上，使得數(shù)據(jù)操作和存儲量等負載均衡地分布于集群中，分割后的數(shù)據(jù)片在系統(tǒng)中保存多個副本，保證系統(tǒng)的可靠性和負載均衡，分片管理需要在數(shù)據(jù)分片與數(shù)據(jù)節(jié)點之間建立映射關系，主從模式使用NameNode節(jié)點作為分片管理節(jié)點，數(shù)據(jù)各副本以Primary節(jié)點和Secondary節(jié)點區(qū)分。Google的GFS文件系統(tǒng)以及其開源實現(xiàn)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(shù)據(jù)庫架構

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

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

圖5 主從模式寫入操作執(zhí)行過程

6.2 系統(tǒng)功能及實現(xiàn)

醫(yī)藥冷鏈物流信息系統(tǒng)采用B/S模式，以Web應用的形式供用戶使用，系統(tǒng)采用Web開發(fā)中常用的三層架構。表現(xiàn)層是展現(xiàn)給用戶的界面，業(yè)務邏輯層針對具體業(yè)務的操作，對數(shù)據(jù)業(yè)務邏輯進行處理，數(shù)據(jù)訪問層的任務是直接操作數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的增、刪、改、查。數(shù)據(jù)庫使用MongoDB，MongoDB數(shù)據(jù)庫介于關系數(shù)據(jù)庫與非關系數(shù)據(jù)庫之間，具有豐富的功能和松散的數(shù)據(jù)結構，MongoDB支持的查詢功能強大，可以實現(xiàn)關系數(shù)據(jù)庫大部分查詢功能。根據(jù)對醫(yī)藥冷鏈物流信息系統(tǒng)的功能需求分析，系統(tǒng)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(tài)監(jiān)控，在項目中創(chuàng)建相應Controller處理業(yè)務邏輯。

（1）記錄采集信息。數(shù)據(jù)采集終端定期發(fā)送采集信息，系統(tǒng)接收信息并寫入集合Capture中。首先創(chuàng)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(tǒng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫操作是根據(jù)StorageId與VaccineId查詢到要操作的疫苗，然后修改集合的Quantity值。

（4）狀態(tài)監(jiān)控。狀態(tài)監(jiān)控是整個醫(yī)藥冷鏈物流信息系統(tǒng)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(jù)StorageId查詢集合Cart，再根據(jù)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(tǒng)應用效果

云計算是并行計算、分布式計算以及網(wǎng)格計算等科學概念的商業(yè)實現(xiàn)，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(yī)藥冷鏈物流信息系統(tǒng)減少了企業(yè)基礎設施、運營和維護成本。

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