基于Django 的校園疫情防控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

徐秀芳，夏 旻，徐 森，裴森森，陶奕陽

（1.鹽城工學(xué)院信息工程學(xué)院；2.鹽城工學(xué)院 校長辦公室，江蘇 鹽城 224051）

0 引言

2020 年春節(jié)前夕，一場突如其來的新冠肺炎疫情洶涌而至［1-2］。疫情時期，根據(jù)國家教育主管部門要求，學(xué)校嚴(yán)格執(zhí)行“日報告”“零報告”制度［3］，精準(zhǔn)掌握師生員工健康狀況，在加強學(xué)生思想疏導(dǎo)和學(xué)習(xí)生活指導(dǎo)的同時，積極開展線上授課和線上學(xué)習(xí)等在線教學(xué)活動，做好疫情防控期間高校在線教學(xué)組織與管理工作［4］。

根據(jù)疫情上報需要，很多單位和部門研究開發(fā)健康申報系統(tǒng)或微信小程序［5］。余靚等［6］建立數(shù)據(jù)監(jiān)測與管理系統(tǒng)平臺，保障武漢14 家方艙醫(yī)院平穩(wěn)高效運行；肖永平［7］設(shè)計具有報送提醒、填寫、審核、監(jiān)測管理和統(tǒng)計分析功能的疫情監(jiān)測與上報管理系統(tǒng)；鐘機靈［8］設(shè)計具有健康打卡、異常報告、返校申請等功能的應(yīng)急管理服務(wù)平臺；李潤川等［9］設(shè)計基于云計算的智能健康監(jiān)測系統(tǒng)；周振發(fā)等［10］依托省地理信息公共服務(wù)平臺，建立省級疫情防控輔助決策系統(tǒng)等。

以上方法未在校園應(yīng)用場景方面進行深入細(xì)致研究，如師生返校條件審核、進校數(shù)據(jù)存儲、學(xué)生進入學(xué)習(xí)和生活場所的數(shù)據(jù)管理、疫情常態(tài)化后進出校門管理等。本文系統(tǒng)在滿足日常健康申報的基礎(chǔ)上，通過用戶掃描校園不同地點的二維碼，實現(xiàn)反向追蹤查詢，為疫情防控提供依據(jù)。同時，根據(jù)風(fēng)險地區(qū)等級實時分析疫情相關(guān)數(shù)據(jù)，形成數(shù)據(jù)報表或可視化圖表，提供決策支持。

1 需求分析

1.1 系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)

疫情防控初期，由于學(xué)校師生員工數(shù)量眾多且來自全國各地，校方在進行健康信息收集（電子表格形式統(tǒng)計）時，經(jīng)常出現(xiàn)信息填寫錯誤、報送不夠及時、工作效率低下、數(shù)據(jù)更新滯后等問題。高校校園場景急需一套具有健康信息報送、校園軌跡跟蹤和健康數(shù)據(jù)分析等功能的智能應(yīng)用系統(tǒng)，為疫情防控提供實時監(jiān)控和決策依據(jù)。

通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)研及校園場景應(yīng)用需求分析，確定系統(tǒng)主要目標(biāo)為：①實現(xiàn)師生員工健康信息每日報送［11］；②記錄用戶校園活動軌跡［12］；③根據(jù)學(xué)校分級管理體系為管理員設(shè)置不同權(quán)限，分工明確、高效管理；④根據(jù)健康數(shù)據(jù)和活動軌跡，挖掘與疫情相關(guān)的有價值信息，提供決策支持［13］。

1.2 性能需求

（1）并發(fā)性。確保2 萬人同時段訪問下系統(tǒng)穩(wěn)定和及時響應(yīng)。

（2）數(shù)據(jù)更新。系統(tǒng)存儲用戶健康報送信息，并對權(quán)限管理員提供數(shù)據(jù)查詢、修改等操作，實時更新。

（3）安全性。采取多維度、高強度數(shù)據(jù)加密等多重安全措施，防止用戶敏感數(shù)據(jù)泄露。

（4）界面友好。用戶體驗良好，適配PC 端與移動端，可視化圖表輔助用戶挖掘數(shù)據(jù)。

（5）兼容性。系統(tǒng)界面適應(yīng)市場主流移動設(shè)備與不同PC 端，兼容iOS、Android 等不同手機系統(tǒng)。

1.3 業(yè)務(wù)需求

（1）師生信息需求。能夠存儲全校師生員工的個人信息與健康信息，包括姓名、證件號、地址、電話、部門及當(dāng)前位置、接觸狀況等，并以簡潔清晰的不同表單形式填寫。

（2）用戶權(quán)限需求。根據(jù)學(xué)校管理架構(gòu)，分為教師、職工、本科生、研究生四類用戶，各部門管理員設(shè)計不同權(quán)限。以學(xué)生管理為例，支持班級輔導(dǎo)員、學(xué)院學(xué)生科、學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)、校學(xué)生處、校領(lǐng)導(dǎo)等多種角色，各司其職。

（3）健康報送需求。健康報送表單完善、全面，系統(tǒng)根據(jù)不同用戶自動匹配表單。為提升填寫效率和交互體驗，用戶通過選項按鈕、自動填充默認(rèn)信息、下拉列表等，以向?qū)崾就瓿蓴?shù)據(jù)填寫。

（4）健康碼需求。參考支付寶的“健康碼”［14］，系統(tǒng)根據(jù)用戶填報的數(shù)據(jù)進行風(fēng)險評估，從地理位置、接觸狀況、身體狀況等多個維度進行風(fēng)險評估，分為“高、中、低”3 種風(fēng)險等級，以紅、黃、綠三色碼呈現(xiàn)“個人健康碼”。同時提供二維碼和條形碼兩種形式的健康碼，方便不同設(shè)備讀取，并提供接入掃碼槍功能。特別是在疫情相對穩(wěn)定時，鹽城工學(xué)院作為江蘇省第一批開學(xué)的高校，系統(tǒng)為學(xué)校順利開學(xué)提供了極大支持。

（5）軌跡追蹤需求。根據(jù)校園常用地點列表，自動生成地點ID、地點二維碼、批處理數(shù)據(jù)文檔資源，再由動態(tài)二維碼生成器［15］和Photoshop 技術(shù)處理，自動批量生成美觀的地點二維碼海報，張貼在校園對應(yīng)位置，經(jīng)過或使用該地點的人員通過手機掃描二維碼即可完成地點登記，為用戶行蹤分析提供依據(jù)。

（6）歷史數(shù)據(jù)需求。系統(tǒng)在提供實時數(shù)據(jù)可視化功能的同時，也提供歷史數(shù)據(jù)下載。授權(quán)用戶通過PC 端頁面進行歷史日期選取，查看并下載歷史健康數(shù)據(jù)，便于備份和利用電子表格作進一步分析。

2 總體設(shè)計

2.1 項目環(huán)境

為提高開發(fā)效率和便于功能擴展，使用Python 語言及Django 框架開發(fā)；為保證WEB 前端的全平臺兼容性，采用Bootstrap4（一種前端開發(fā)框架）及Vant（移動端Vue 組件庫）框架技術(shù)，Visual Studio Code 進行跨平臺開發(fā)［16-18］。生產(chǎn)環(huán)境部署在阿里云，使用Aliyun Linux 及Docker（一種應(yīng)用容器引擎）容器化，并將系統(tǒng)與Uwsgi（一種Web 服務(wù)器）一同構(gòu)建鏡像，使用的Nginx（一種Web 服務(wù)器）服務(wù)器、MariaDB、Redis（一種內(nèi)存數(shù)據(jù)庫）數(shù)據(jù)庫均為官方容器鏡像。需要分別在Windows、Android 和iOS 的系統(tǒng)環(huán)境下進行測試，以保證全平臺的可用性與兼容性。

2.2 疫情防控解決方案

疫情防控解決方案［19-21］主要包括以下功能：健康報送、個人健康碼、地點碼、跟蹤分析和數(shù)據(jù)可視化等。其中，健康報送與地點碼掃描是整個方案的基礎(chǔ)，后續(xù)個人健康碼、軌跡分析、接觸人員跟蹤、人流預(yù)估等功能以此數(shù)據(jù)分析得到。

校園疫情防控系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。系統(tǒng)架構(gòu)從下向上分為云平臺、運行環(huán)境、數(shù)據(jù)庫、業(yè)務(wù)層、展示層、用戶界面和訪問層。業(yè)務(wù)層以下提供數(shù)據(jù)存儲和開發(fā)環(huán)境，業(yè)務(wù)層實現(xiàn)用戶管理、角色管理、權(quán)限管理、班級管理、學(xué)院管理、記錄審計等功能；展示層提供瀏覽器訪問頁面時的模板引擎渲染數(shù)據(jù)和AJAX（Asynchronous JavaScript and XML，異步的JavaScript 和XML）請求；前端界面采用最新的UI 技術(shù)，保證功能性、美觀性和良好體驗；最上面為訪問層，系統(tǒng)采用HTTPS（Hypertext Transfer Protocol Secure，超文本傳輸安全協(xié)議）協(xié)議、HSTS（HTTP Strict Transport Se?curity，HTTP 嚴(yán)格傳輸安全協(xié)議）強制安全策略，通過不同移動端和PC 端為用戶訪問提供數(shù)據(jù)安全和實時響應(yīng)。

Fig.1 Campus epidemic prevention and control system architecture圖1 校園疫情防控系統(tǒng)架構(gòu)

2.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

疫情防控解決方案采用MariaDB 數(shù)據(jù)庫，共有28 個表，且各表之間相互關(guān)聯(lián)，部分E-R（實體-聯(lián)系）圖如圖2所示。

（1）用戶表。存儲用戶基本信息和權(quán)限，包括用戶id、用戶名、密碼、最后一次登錄時間、姓名、學(xué)號（工號）、人員類別、學(xué)院（部門）、班級，權(quán)限等級、風(fēng)險等級、風(fēng)險更新時間、風(fēng)險原因等。

（2）班級表。存儲班級信息，可指定班級輔導(dǎo)員，包括班級id、班級名稱、學(xué)院id、輔導(dǎo)員id 等。

（3）學(xué)院（部門）表。存儲系統(tǒng)內(nèi)的學(xué)院或部門信息，包括id 和學(xué)院（部門）名稱。

健康報送是系統(tǒng)的主體部分，主要由個人基礎(chǔ)信息和每日健康數(shù)據(jù)兩個表組成。

（4）基本信息表。記錄用戶基礎(chǔ)信息，包括基本數(shù)據(jù)id、創(chuàng)建時間、用戶id、籍貫、籍貫地址、校區(qū)、宿舍、性別、電話等信息。用戶初次進行健康報送時填寫，之后禁止用戶自行修改。

（5）更新信息表。用于記錄用戶每日健康信息，包括更新數(shù)據(jù)id、創(chuàng)建時間、用戶id、所在地、接觸疫情嚴(yán)重地區(qū)人員時間、家庭/小區(qū)/村有疑似或感染時間、到訪或途徑高風(fēng)險地區(qū)時間、離開高風(fēng)險地區(qū)時間、健康狀況、非正常健康狀況時間、是否咳嗽、是否發(fā)燒、是否呼吸困難、其他疑似癥狀、接觸境外人員時間、家庭成員入境國家等。用戶每日進行健康登記時，都會創(chuàng)建一條更新信息，權(quán)限管理員可以日歷形式進行健康審閱。

Fig.2 System E-R diagram（part）圖2 系統(tǒng)E-R 圖（部分）

（6）地點表。記錄校園內(nèi)教室、實驗室、體育館、校門進/出口等地點信息，包括地點id、校區(qū)、地點名稱、位置等信息。

（7）二維碼掃描記錄表。記錄入校掃描記錄，包括學(xué)生入校記錄和日?；顒拥攸c碼掃描記錄，便于人員位置跟蹤和分析。

（8）輔導(dǎo)員表。用于查看、審核、統(tǒng)計班級學(xué)生健康情況，包括輔導(dǎo)員id、姓名、學(xué)院id、班級id 等。

3 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計

3.1 前端界面設(shè)計

系統(tǒng)前端采用Bootstrap4 及Vant 框架技術(shù)。Bootstrap4用于開發(fā)跨平臺頁面，可以在不同尺寸的設(shè)備上提供一致的體驗，有效縮短開發(fā)周期。Vant 框架用于設(shè)計移動端專屬頁面，提供更加接近原生應(yīng)用的體驗。移動端界面采用向?qū)皆O(shè)計，移動端界面設(shè)計如圖3 所示。

Fig.3 Interface design of mobile terminal圖3 移動端界面設(shè)計

3.2 健康報送模塊設(shè)計

健康報送子模塊的表單項根據(jù)《江蘇省教育廳疫情上報模塊、學(xué)校疫情日報表、入蘇返蘇人員健康狀況統(tǒng)計表》這3 張表進行綜合分析后設(shè)計而成，且根據(jù)不同人員類別分別設(shè)計不同表單。為避免相同信息重復(fù)填報，在初次成功報送后，若用戶的健康狀況、地理位置等未發(fā)生變化，可選擇“與昨日一致”，3～5s 即可完成健康報送［21］。

（1）信息報表子模塊。根據(jù)使用者的權(quán)限，生成權(quán)限范圍內(nèi)人員每日健康狀況，由xlsx.js 生成excel 表格，便于數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析。

（2）信息審計子模塊。用于審計個人基礎(chǔ)信息與健康信息填寫是否正確。系統(tǒng)根據(jù)人員的不同健康狀況使用js-year-calendar.js 日歷，以不同色彩顯示，管理員發(fā)現(xiàn)異常后可進一步核查，確認(rèn)是否需要向上一級匯報或修改誤操作狀態(tài)。

（3）核心功能代碼。該模塊部分核心代碼如下：

3.3 個人健康碼模塊設(shè)計

（1）風(fēng)險評估子模塊。根據(jù)健康報送中的數(shù)據(jù)，進行異常數(shù)據(jù)分析，如途經(jīng)風(fēng)險地區(qū)、家庭/小區(qū)/村有確診或疑似病例”、咳嗽發(fā)燒、家庭成員身體異常等11 個異常檢查點，對應(yīng)不同風(fēng)險等級，以“紅黃綠三色碼”顯示個人健康碼。

（2）健康碼子模塊。健康碼子模塊以黑白條形碼與彩色二維碼兩種方式呈現(xiàn)。采用qrcode.js 技術(shù)生成，并根據(jù)用戶id 和當(dāng)前時間加密，通過encodeURIComponent 技術(shù)操作后加域名的方式實現(xiàn)，便于手機掃碼讀取。健康碼每分鐘自動刷新，防止截屏保存，提高掃碼的安全性、準(zhǔn)確性。

（3）掃碼槍子模塊。為滿足學(xué)生開學(xué)入校登記的掃碼需求，系統(tǒng)提供準(zhǔn)確、高速的掃碼槍功能。管理員掃描“鹽工健康碼”，形成學(xué)生入校記錄并顯示其風(fēng)險狀態(tài)，非低風(fēng)險者系統(tǒng)會進行彈窗警告和語音播報功能。

3.4 地點碼模塊設(shè)計

（1）地點碼模塊。根據(jù)不同校區(qū)、不同樓宇和地點，利用Photoshop 技術(shù)，批處理后快速生成地點二維碼。每張二維碼海報包含該地點的全稱、簡稱、地點專屬二維碼，可選附加NFC 芯片，實現(xiàn)一碰即完成登記，并附有防疫宣傳標(biāo)語及防疫工作組聯(lián)系電話，兼顧功能性和美觀性。

（2）掃碼記錄審計子模塊。該子模塊可以按日期查看某個指定地點的全部掃碼記錄。在常態(tài)化疫情控控時期，學(xué)生可以通過校門口的進、出二維碼進出校門，便于校方掌握學(xué)生動態(tài)。

3.5 跟蹤分析模塊設(shè)計

跟蹤分析模塊也是系統(tǒng)的主要設(shè)計目標(biāo)，數(shù)據(jù)來源于地點碼的掃碼記錄和健康數(shù)據(jù)。

在對指定人員進行跟蹤分析時，根據(jù)其在某一地點的掃碼記錄，獲取其掃碼前后某一時間段在該地點掃碼的其他人員信息，即可找出可能與此人接觸的其他人員，便于后續(xù)篩查。

3.5.1 跟蹤分析步驟

（1）輸入分析數(shù)據(jù)。前端頁面仿照百度的搜索邏輯，并提供了自動補全功能，僅需輸入被分析人員證件號、姓名、學(xué)號、工號等關(guān)鍵字，系統(tǒng)便可自動找出最相關(guān)的人員，選中人員后可以對其進行跟蹤分析。

（2）掃碼記錄分析。分析內(nèi)容包括個人信息、個人掃碼記錄及某時段在同一地點的相關(guān)人員。相關(guān)人員由系統(tǒng)自動查找與分析得出，分析數(shù)據(jù)由用戶的掃碼記錄與學(xué)院、班級、宿舍、籍貫、所在地等個人信息相結(jié)合。通過數(shù)據(jù)庫查找，篩選出用戶掃碼前1 小時與后5 小時計6 小時內(nèi)的掃碼記錄，將掃碼人添加至可能接觸人員字典，并賦初始權(quán)值5，若用戶被多次判定為可能接觸人員，則每次權(quán)值加5。

（3）數(shù)據(jù)信息關(guān)聯(lián)。完成掃碼記錄分析后，根據(jù)獲得的可能接觸人員字典，分析每個可能接觸人員與被分析人員在學(xué)院、班級、宿舍、籍貫、所在地等信息上的關(guān)聯(lián)度。關(guān)聯(lián)度越大，權(quán)值越高，最終按權(quán)值降序顯示相關(guān)人員列表，有利于后續(xù)進一步排查和主動防疫。

3.5.2 核心功能代碼（部分）

3.6 可視化模塊設(shè)計

3.6.1 數(shù)據(jù)可視化

數(shù)據(jù)可視化模塊則是引入爬蟲技術(shù)［22］與ECharts4.0庫，爬蟲獲取“全球新冠病毒最新實時疫情地圖_丁香園”［23］國內(nèi)各地現(xiàn)存感染人數(shù)，以ECharts4.0 中的“地圖”圖表展示，并疊加學(xué)校人員當(dāng)前位置信息，便于查看人員地理位置與疫情局勢。數(shù)據(jù)可視化頁面如圖4 所示。

此模塊還包括每日報送情況、人員健康狀況等校園數(shù)據(jù)，以不同圖表顯示，每種圖表均可針對人員類別及人員部門進行篩選，有助于工作人員實時掌握師生的健康動態(tài)。

3.6.2 人流量預(yù)估

人流量預(yù)估圖是系統(tǒng)根據(jù)指定地點的歷史校園卡刷卡、掃碼記錄，完成數(shù)據(jù)清洗后，使用時間序列算法進行預(yù)測得出，有助于師生選擇合適的時間段，錯峰用餐、洗澡。人流預(yù)估數(shù)據(jù)可視化頁面如圖5 所示。

4 系統(tǒng)測試

軟件測試是軟件生命周期中的重要組成部分，主要檢測軟件的可靠性。主要包括功能測試、UI 測試、兼容性測試、安全性和訪問控制測試以及性能測試等，而單元測試和集成測試由開發(fā)人員執(zhí)行。

Fig.4 Visualization page of health data圖4 健康數(shù)據(jù)可視化頁面

Fig.5 Visualization page of passenger flow estimation data圖5 人流預(yù)估數(shù)據(jù)可視化頁面

4.1 功能測試

測試模塊：用戶登錄、健康報送、個人健康碼、地點碼、人流預(yù)估、軌跡分析、接觸人群追蹤、數(shù)據(jù)可視化等功能。

測試過程：各功能模塊均以不同用戶身份進行測試并應(yīng)用，如用戶提交數(shù)據(jù)的合法性驗證、軟件功能與交互界面的正確性判定、響應(yīng)時間的用戶體驗度及系統(tǒng)和數(shù)據(jù)安全性檢驗等。

測試結(jié)論：從健康報送、軌跡分析、接觸人群追蹤、數(shù)據(jù)可視化等單元測試到整個系統(tǒng)的集成測試，均正確運行。從基礎(chǔ)信息到每日健康報送，從地點碼掃描到風(fēng)險數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)校園疫情防控智能化。

4.2 性能測試

系統(tǒng)運行過程中，分別對內(nèi)存使用、平均負(fù)載和網(wǎng)絡(luò)流入流出速率等性能進行監(jiān)測與分析。

24 小時系統(tǒng)平均負(fù)載如圖6 所示，網(wǎng)絡(luò)流入流出速率如圖7 所示。

Fig.6 Average load of the system（24 hours）圖6 系統(tǒng)平均負(fù)載（24 小時）

由圖6 和圖7 可知，平均負(fù)載和數(shù)據(jù)查詢在0 點時會有一個高峰，在7 點半左右會有一個小高峰，這是由于系統(tǒng)每日限定登記時間為0 點到10 點所致。

以8 月28 日為例，根據(jù)系統(tǒng)檢測，在0 點時每秒查詢率達(dá)到高峰550QPS，此時系統(tǒng)仍能正常處理請求。這是由于系統(tǒng)中的靜態(tài)資源交由CDN 處理，網(wǎng)絡(luò)流入流出速率保持在5Mbps 以下。系統(tǒng)內(nèi)存占用在0 點處有一個小的下降，是由于大量訪問觸發(fā)了Uwsgi Web 服務(wù)器的自動重啟機制，由于同時存在多個Uwsgi 服務(wù)進程，重啟不會導(dǎo)致服務(wù)中斷，且可以有效防止內(nèi)存泄漏，在提高性能的同時保證安全性。

Fig.7 Network inflow and outflow rate圖7 網(wǎng)絡(luò)流入流出速率

5 結(jié)語

面對突發(fā)的新冠肺炎疫情，確保師生健康和學(xué)校安全穩(wěn)定成為首要工作。根據(jù)學(xué)校師生特點及分層管理，設(shè)計不同用戶及管理權(quán)限，采用Django 框架和Python 語言開發(fā)一套用戶體驗好、安全性高、數(shù)據(jù)可追蹤的健康信息報送系統(tǒng)。與傳統(tǒng)電子表格收集數(shù)據(jù)相比，數(shù)據(jù)報送的及時性和準(zhǔn)確性得到大幅提升，工作效率提高3 倍以上。自2020年3 月1 日以來，全校2 萬多名師生員工每天通過學(xué)校官微中的“健康報送”入口，上報個人健康信息，為領(lǐng)導(dǎo)決策和疫情防控提供數(shù)據(jù)支持。