基于協(xié)同過濾算法的寵物線上問診平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

熊 煒，閔娟娟

（九江學(xué)院計(jì)算機(jī)與大數(shù)據(jù)科學(xué)學(xué)院，九江 332005）

0 引言

隨著人們生活質(zhì)量的提高，越來越多的寵物走進(jìn)了普羅大眾的家中。在西方國(guó)家，寵物通常被視為家庭成員與重要朋友，作為家庭的一員，寵物的健康也被人們高度關(guān)注。學(xué)者Baker 提出區(qū)域之間寵物的醫(yī)療資源是大相徑庭的，為解決寵物遠(yuǎn)程就診問題，近年來已萌生了寵物在線平臺(tái)的概念，力圖突破時(shí)空的限制，提供專屬的醫(yī)療服務(wù)［1?4］。美國(guó)ATA 協(xié)會(huì)通過多項(xiàng)研究表明，伴隨著COVID?19 的出現(xiàn)，遠(yuǎn)程問診得到了更多人的重視，在遠(yuǎn)程問診技術(shù)的發(fā)展之路上，有必要將寵物先引入遠(yuǎn)程問診作為研究［5］。

在我國(guó)，調(diào)查顯示寵物醫(yī)療已經(jīng)占整體寵物服務(wù)業(yè)的29.2%［6］，然而在如此巨大的市場(chǎng)需求下，卻隱藏著諸多問題：寵物醫(yī)療行業(yè)人才缺失、寵物醫(yī)療診所稀缺、寵物治療費(fèi)用昂貴，等等［7］。在如此困境之下，改革是必然的。2018 年4 月份，國(guó)務(wù)院正式發(fā)布了《關(guān)于促進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+醫(yī)療健康”的發(fā)展意見》，互聯(lián)網(wǎng)+醫(yī)療成為我國(guó)醫(yī)療行業(yè)里的主流發(fā)展方向［8］，其本質(zhì)是線上問診的合理應(yīng)用與推進(jìn)線上、線下相結(jié)合的問診流程。對(duì)于寵物醫(yī)療行業(yè)而言，這種改變無疑能促進(jìn)醫(yī)療資源分配的合理性，是一場(chǎng)傳統(tǒng)服務(wù)業(yè)與當(dāng)下互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合的一次技術(shù)革命。

綜上所述，使傳統(tǒng)寵物醫(yī)療行業(yè)搭上互聯(lián)網(wǎng)的便車，開發(fā)寵物問診平臺(tái)有利于對(duì)當(dāng)下寵物醫(yī)療資源進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃，吸引更多合格的、優(yōu)質(zhì)的寵物醫(yī)院與醫(yī)師加入，通過靈活的線上問診方式充分利用醫(yī)療資源，改善分配不均的現(xiàn)狀。同時(shí)，可以利用智能推薦算法，結(jié)合用戶的操作進(jìn)行平均加權(quán)，給予用戶智能化的推薦與人性化的流程，從而根據(jù)用戶的抉擇不斷對(duì)平臺(tái)進(jìn)行正向調(diào)節(jié)［9］。

1 平臺(tái)功能概述

在查閱現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療發(fā)展文獻(xiàn)、對(duì)相關(guān)群眾做出擇醫(yī)傾向調(diào)查、與現(xiàn)有寵物線上問診類平臺(tái)進(jìn)行功能分析與實(shí)際使用后，發(fā)現(xiàn)從聯(lián)系醫(yī)生到醫(yī)生審查病情，往往實(shí)時(shí)問診耗時(shí)更長(zhǎng)，因此明確了“有問題及時(shí)診、線上線下強(qiáng)結(jié)合” 的基本方針［10］。經(jīng)過分析得出，平臺(tái)的主要功能有：智能推送醫(yī)生、線上問診、查看附近的醫(yī)院、查看平臺(tái)優(yōu)質(zhì)醫(yī)生、平臺(tái)藥物購買、訂單管理、疾病百科等。

寵物線上平臺(tái)功能如圖1所示。

圖1 寵物線上問診平臺(tái)功能

下面對(duì)用戶登錄后的核心功能做詳細(xì)介紹：

（1）智能推送醫(yī)生。用戶登錄后，平臺(tái)會(huì)根據(jù)用戶的偏好以及用戶的歷史操作智能推送符合用戶預(yù)期需求的優(yōu)質(zhì)醫(yī)生。

（2）線上問診。當(dāng)用戶在平臺(tái)添加好自己的寵物后，可以根據(jù)寵物現(xiàn)有情況對(duì)醫(yī)生專家發(fā)起圖文問診或預(yù)約線上即時(shí)問診。圖文問診中，用戶可以發(fā)送圖片以及文字對(duì)寵物病癥做出描述，適用于非急性病癥；線上即時(shí)問診針對(duì)急性病，可以與醫(yī)生進(jìn)行即時(shí)的溝通，通過圖片、文字和語音的方式對(duì)病癥做出更詳細(xì)的描述。這兩種方式的混合使用，實(shí)現(xiàn)了“有問題及時(shí)診”這一思想，使得醫(yī)生的問診效率能在必要時(shí)達(dá)到高點(diǎn)。

（3）查看附近醫(yī)院。用戶可以根據(jù)寵物的醫(yī)療服務(wù)需求，通過地圖范圍定位對(duì)線下的寵物醫(yī)院進(jìn)行篩選，在醫(yī)院板塊中可以看到醫(yī)院的基本介紹以及醫(yī)院內(nèi)的醫(yī)生，用戶可以在線上了解醫(yī)生后，就近選擇醫(yī)院前往問診，從而推動(dòng)了線上與線下的“強(qiáng)結(jié)合”。

（4）平臺(tái)藥物購買。用戶登錄后，可以根據(jù)醫(yī)生的建議在平臺(tái)的商店選擇藥品加入購物車或者直接購買。

2 平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 用例設(shè)計(jì)

在需求分析的階段，通過對(duì)目前市場(chǎng)的調(diào)研以及相關(guān)專業(yè)資料的查詢，得出一個(gè)合理的模型，用例圖是一個(gè)合理而直觀的方式。接下來將從管理員、用戶、醫(yī)生三個(gè)角度來探究平臺(tái)不同使用者的相應(yīng)功能：

（1）管理員角色是平臺(tái)的主要管理者，負(fù)責(zé)統(tǒng)籌管理醫(yī)院醫(yī)生、用戶訂單與上傳疾病資訊等。其存在能夠使得平臺(tái)數(shù)據(jù)更加可靠，確保平臺(tái)的正常運(yùn)作。

（2）用戶角色是平臺(tái)核心的主要需求者，用戶登錄平臺(tái)后，可以添加寵物、按條件查看寵物醫(yī)院、根據(jù)寵物情況對(duì)合適的醫(yī)生發(fā)起問診請(qǐng)求、評(píng)價(jià)醫(yī)生、根據(jù)醫(yī)生的建議或是自身的需求在平臺(tái)內(nèi)購買相應(yīng)藥品或?qū)⑺幤芳尤胭徫镘?、?duì)訂單進(jìn)行查看與修改、對(duì)個(gè)人信息做出修改。

（3）醫(yī)生角色是平臺(tái)問診功能的主要提供者，醫(yī)生登錄后，可以對(duì)醫(yī)生信息進(jìn)行修改，對(duì)接診時(shí)間做出修改，并對(duì)用戶發(fā)起的提問做出專業(yè)回復(fù)。

寵物線上問診平臺(tái)用例圖如圖2所示。

圖2 寵物線上問診平臺(tái)用例

2.2 概要設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)需要開發(fā)人員對(duì)系統(tǒng)的開發(fā)背景有整體性的了解，在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫時(shí)，要從全面去考慮問題，不應(yīng)該只考慮數(shù)據(jù)庫在單個(gè)頁面上的作用，更需要從業(yè)務(wù)流程以及優(yōu)化的方面對(duì)表之間的合理性做整體的考量［11］。通過探究平臺(tái)系統(tǒng)內(nèi)實(shí)體與實(shí)體的聯(lián)系，畫出實(shí)體?聯(lián)系圖，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)實(shí)體-聯(lián)系

2.3 平臺(tái)的基本業(yè)務(wù)流程

流程圖作為一個(gè)有效的說明工具，能夠輔助管理者做出決定，幫助確定可供選擇的行動(dòng)方案，并直觀地?cái)⑹鲆粋€(gè)業(yè)務(wù)的整體運(yùn)作步驟。

用戶的基本業(yè)務(wù)流程圖如圖4所示。

圖4 用戶的基本業(yè)務(wù)流程

3 平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

3.1 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

本平臺(tái)分為微信小程序端與后臺(tái)管理端，在小程序端開發(fā)中，采用Hubuilder 與微信開發(fā)者工具作為開發(fā)工具，在開發(fā)語言上選擇以Vue為內(nèi)核的uni?app框架，結(jié)合SCSS、JavaScript與uView 2.0 作為頁面樣式支撐。uni?app 作為新生的編程框架，其優(yōu)勢(shì)在于一次編寫，能在多端使用，并且得益于插件庫中豐富的開源組件，使得在開發(fā)效率上也有了極大的提升。

在后臺(tái)方面選擇了當(dāng)下最常用的Spring?Boot+Mybatis?plus 作為基礎(chǔ)框架，極大提升了開發(fā)效率，并采取抽象工廠的設(shè)計(jì)模式，使得系統(tǒng)將具體的類進(jìn)行抽離，在編寫時(shí)只需要通過相應(yīng)的抽象接口進(jìn)行使用。數(shù)據(jù)庫方面，使用MySQL 與Redis，將暫時(shí)性的緩存信息存入Re?dis，減輕反復(fù)查詢的負(fù)擔(dān)，重要核心的數(shù)據(jù)存入MySQL，以確保數(shù)據(jù)的持續(xù)儲(chǔ)存。在安全性方面，使用JWT 生成用戶的唯一token，存入Redis中，并使用Spring Security對(duì)安全訪問進(jìn)行控制，這兩項(xiàng)技術(shù)成熟實(shí)用，能夠減輕開發(fā)者在安全代碼上的重復(fù)工作。前后端分離的交互如圖5所示。

圖5 前后端分離交互

3.2 平臺(tái)功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵算法與技術(shù)

在用戶使用平臺(tái)的過程中，其中最重要的核心模塊有三：一是智能推薦，二是與平臺(tái)醫(yī)生的即時(shí)問診技術(shù)，三是使用Spring Security、JWT與Redis三位一體的權(quán)限認(rèn)證。

3.2.1 智能推薦

本平臺(tái)采取的是推薦算法中的基于領(lǐng)域的算法。根據(jù)平臺(tái)的性質(zhì)與實(shí)際調(diào)查，選擇了基于物品的協(xié)調(diào)過濾算法（Item CF）。相較于基于用戶的協(xié)調(diào)過濾算法（User CF），Item CF 更加關(guān)注用戶的歷史性操作數(shù)據(jù)，更能從歷史操作中挖掘出用戶的潛在興趣，給予用戶更豐富的醫(yī)生供其選擇［12］。在試驗(yàn)下，Item CF 也具備良好的召回率、精確度，并同時(shí)保證了對(duì)數(shù)據(jù)的高覆蓋度［13］。其算法的本質(zhì)是為用戶建設(shè)偏好文檔，假設(shè)選擇醫(yī)生A 的用戶大多數(shù)也會(huì)選擇醫(yī)生B，那么我們認(rèn)為醫(yī)生A 與醫(yī)生B 相似，相似度高的醫(yī)生更符合用戶偏好，將會(huì)優(yōu)先推送給用戶。這個(gè)推薦往往是穩(wěn)定的，因?yàn)樵卺t(yī)生數(shù)量小于用戶數(shù)量的平臺(tái)上，避免了頻繁更新醫(yī)生的相似度。其中用戶關(guān)于醫(yī)生的操作記錄將被轉(zhuǎn)化為用戶對(duì)醫(yī)生偏好程度的影響因子，系統(tǒng)中的用戶操作對(duì)應(yīng)的影響因子如表1所示。

表1 用戶操作影響因子表

假設(shè)有四名用戶A、B、C、D 對(duì)四名寵物醫(yī)生a，b，c，d進(jìn)行了操作，如表2所示。

表2 用戶操作表

那么根據(jù)表1中的對(duì)應(yīng)操作與影響因子相互轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)換，如表3所示。

表3 用戶操作對(duì)應(yīng)影響因子表

此時(shí)可以通過余弦公式:

便可以計(jì)算出相應(yīng)的醫(yī)生之間的相似度，但是在表2中可以發(fā)現(xiàn)，用戶A習(xí)慣于對(duì)每個(gè)醫(yī)生進(jìn)行反復(fù)的查看與問診。這是因?yàn)槟愁愑脩魧?duì)醫(yī)生頻繁訪問與形成習(xí)慣性的問診后，便會(huì)造成影響因子數(shù)據(jù)的不規(guī)范性，此時(shí)使用余弦公式計(jì)算出的結(jié)果便不那么準(zhǔn)確了，此時(shí)就需要算法考慮自動(dòng)修正這部分?jǐn)?shù)據(jù)。這里改用皮爾遜相關(guān)系數(shù)公式，原理是將用戶的操作因子抽象成為醫(yī)生的向量，再將兩個(gè)用戶操作對(duì)應(yīng)的醫(yī)生向量減去它們對(duì)應(yīng)的平均值，再通過余弦公式來進(jìn)行計(jì)算［14］。

養(yǎng)生旅游業(yè)發(fā)展起步晚，沒有形成統(tǒng)一規(guī)劃的格局，吸引力較低。養(yǎng)生旅游作為一種體驗(yàn)式旅游項(xiàng)目，游客停留時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)旅游設(shè)施要求高，而旅游道的線路長(zhǎng)，彎道大，車道窄，容易使游客感到疲倦與不適。目前，在普洱旅游道內(nèi)主要以養(yǎng)生為主題的酒店稀少，可接待人數(shù)少，難以滿足游客需求。此外，農(nóng)家樂成了主要的接待機(jī)構(gòu)，缺乏規(guī)范，設(shè)施簡(jiǎn)陋，衛(wèi)生條件等不符合養(yǎng)生食療理念。

皮爾遜相關(guān)系數(shù)公式為:

其中：系數(shù)P即反應(yīng)操作向量Ri,p與Ri,p之間的關(guān)系，當(dāng)其間取值在［?1,1］之間，這個(gè)相關(guān)性可以是弱的也可以是強(qiáng)的［15］。皮爾遜相關(guān)系數(shù)越大，我們認(rèn)為醫(yī)生向量相似度越強(qiáng)。當(dāng)兩個(gè)向量為正相關(guān)時(shí)，在通常情況下取約定系數(shù)范圍對(duì)應(yīng)強(qiáng)度，如表4所示。

表4 系數(shù)強(qiáng)度表

本例中借助Python 進(jìn)行系數(shù)計(jì)算，其核心代碼如下：

通過對(duì)用戶操作矩陣的計(jì)算，我們可以得到醫(yī)生相關(guān)系數(shù)，如圖6所示。

圖6 醫(yī)生相關(guān)系數(shù)

所以在本例中，當(dāng)出現(xiàn)新注冊(cè)的用戶E 僅查看過醫(yī)生b后，我們可以根據(jù)相似度，以醫(yī)生c、醫(yī)生a、醫(yī)生d的順序?qū)ζ溥M(jìn)行智能推薦。隨著用戶日常操作所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)日益豐富，傳統(tǒng)協(xié)同過濾算法的表現(xiàn)也日趨良好［16］。至此，通過統(tǒng)計(jì)用戶歷史操作并進(jìn)行計(jì)算便可以預(yù)測(cè)用戶對(duì)醫(yī)生的偏好，從而達(dá)到智能推薦的效果。

3.2.2 即時(shí)問診

平臺(tái)采用的即時(shí)通訊技術(shù)源于集成環(huán)信SDK，一套通訊組件內(nèi)部含有多個(gè)子系統(tǒng)，開發(fā)難度大，開發(fā)周期長(zhǎng)，整體的成本高昂［17］。所以對(duì)于個(gè)人開發(fā)者，有著良好可擴(kuò)展性、可靠性與穩(wěn)定性的第三方SDK 顯然是首選。此時(shí)，便可以獲得一套涵蓋文字、emoji 表情、語音、圖片的完善聊天頁面。然而，僅僅是一個(gè)聊天界面顯然是不夠的，我們必須要考慮兩個(gè)問題，首先是用戶與醫(yī)生在未讀的情況下，是否有未讀消息的提示，其次是如何使得這單問診在規(guī)定時(shí)間內(nèi)自動(dòng)結(jié)束。

為解決未讀消息的提示，系統(tǒng)將對(duì)兩種情況分別進(jìn)行討論，第一種是當(dāng)前角色在發(fā)送消息時(shí)，需要更新的是Redis 中對(duì)應(yīng)角色的未讀消息。第二種是關(guān)于已讀消息，此處并不能使用慣性思維，即進(jìn)入聊天界面便所有消息已讀，因?yàn)楫?dāng)前角色在發(fā)送消息，對(duì)方角色也同樣可能在發(fā)送消息，會(huì)造成Redis 中的未讀消息數(shù)量超出實(shí)際的情況。故只能在退出時(shí)，清空對(duì)方在Redis中發(fā)送的未讀消息數(shù)量。

為了使問診訂單在超出規(guī)定時(shí)間后自動(dòng)結(jié)束，平臺(tái)在用戶開始即時(shí)問診訂單后，使用expire方法設(shè)置倒計(jì)時(shí)，將用戶與醫(yī)生的消息回復(fù)數(shù)量全部初始化為0，將其存入Redis中。注意此處訂單與消息數(shù)量不可以設(shè)置為同一個(gè)Key，否則訂單自動(dòng)結(jié)束后未讀消息將會(huì)一并自毀。

即時(shí)通訊效果圖如圖7所示。

圖7 即時(shí)通訊效果

3.2.3 權(quán)限認(rèn)證

身份認(rèn)證是系統(tǒng)中的核心功能，確認(rèn)合法性，確保核心資源的安全與穩(wěn)定是本平臺(tái)的重要考核指標(biāo)［18］。平臺(tái)實(shí)際采用的身份認(rèn)證系統(tǒng)使用了SpringBoot+Spring Security，相較于使用Spring+Spring Security 通過控制反轉(zhuǎn)，注入依賴與面向切面編程的方式，引入SpringBoot 簡(jiǎn)化了對(duì)于文檔的編寫，將代碼量進(jìn)行了大幅度的縮減［19?20］。本平臺(tái)驗(yàn)證當(dāng)前角色的操作是否符合權(quán)限需求，都以在接收請(qǐng)求時(shí)，請(qǐng)求頭中攜帶的token 是否能夠在系統(tǒng)中解析出相應(yīng)的權(quán)限字段作為判定標(biāo)準(zhǔn)。

Spring Security 的本質(zhì)是由一串過濾器組成的過濾鏈，如圖8所示。

圖8 過濾鏈

在過濾鏈中，過濾器UsernamePasswordAu?thenticationFilter 承擔(dān)處理用戶在登錄頁面填寫的用戶名密碼后的請(qǐng)求登錄操作的功能職責(zé)。然而在平臺(tái)的登錄流程中，自帶的過濾器無法按照預(yù)期，即登錄成功后在內(nèi)部響應(yīng)JWT生成的token，所以需要自定義的Controller 接口接收由前端傳入的賬號(hào)與密碼，再通過UserDetail?Service 對(duì)信息進(jìn)行校驗(yàn)。若用戶輸入的賬號(hào)與密碼成功匹配，將通過ProviderManager 的方法生成JWT 存入Redis中完成登錄流程；若匹配失敗，則將被過濾器ExceptionTranslationFilter 捕獲，拋出異常并返回給前端。

登錄時(shí)序圖如圖9所示。

圖9 登錄時(shí)序

認(rèn)證過程中出現(xiàn)異常的核心代碼如下：

4 結(jié)語

寵物線上問診平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了智能化的醫(yī)生推薦、查看篩選附近診所、線上問診、平臺(tái)購買與訂單管理等功能。系統(tǒng)界面簡(jiǎn)潔大方，運(yùn)行流暢，可擴(kuò)展性高，Spring Security 與JWT 的結(jié)合使得平臺(tái)還有更多權(quán)限變更的操作空間。使用該平臺(tái)，不僅用戶能夠突破周邊醫(yī)療資源的匱乏困境，而且寵物也能在萬里之外獲得優(yōu)質(zhì)醫(yī)生的診斷，同時(shí)醫(yī)院與醫(yī)生也能通過該平臺(tái)獲取額外的知名度。目前寵物醫(yī)療與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合在國(guó)內(nèi)仍是一片巨大的藍(lán)海，相信在未來，線上寵物問診能夠讓更多養(yǎng)寵人士受益，助力于寵物經(jīng)濟(jì)的良性發(fā)展。