CN112866945A - 一种基于传感器网络及大数据分析的传染病防控追溯系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于传感器网络及大数据分析的传染病防控追溯系统，包括核心追溯系统、辅助接驳系统；核心追溯系统包括通用移动终端、服务器终端平台；通用移动终端为多个，核心追溯系统使用分布式多传感器协同感知算法与多个通用移动终端形成传感器网络；通用移动终端用于通过无线电感知及识别技术获取使用者的接触信息，并上传到服务器终端平台；服务器终端平台用于根据接触信息，生成特定使用者的传染病防控追溯数据；辅助接驳系统用于接驳核心追溯系统、外部系统。本发明可以解决采用人工调查的方式对病例分析传染病传播链条时，人工工作量大、调查效率低、时间长，致使待查目标激增，可能会导致传染链扩张的技术问题。

Description

一种基于传感器网络及大数据分析的传染病防控追溯系统
技术领域
本发明涉及传染病防控技术领域，具体涉及一种基于传感器网络及大数据分析的传染病防控追溯系统。
背景技术
在新型冠状病毒全球肆虐的背景下，为推进长期防疫与复工复产，国内各地普遍推进防疫措施。在某个病例确诊后，通过人工调查的方式，对该病例的密切接触者及与这些密切接触者所关联的子代密切接触者进行传染链调查，分析传染病传播链条，对传染病的传播遏制提供重要的数据支撑。目前在进行传染链调查时，如图1所示，还大量采用人工调查的方式，对确诊病例进行走访、问询、记录、分析等，确定与其相关的密切接触者，实现层级化、链式追踪。
但是上述技术方案存在不足，如图2所示，具体如下：
(1)传染链的走访、调查对人工的工作量需求极大。
(2)调查过程依赖病例对其活动区域、接触人员等信息的深刻记忆，但人的记忆不见得准确、可靠。
(3)传染链调查一般具有链式效应，调查层级多，链条长，难以实现快速筛查，导致调查效率低。调查所需的时间长，导致传染链扩张，波及范围的扩大，致使待查目标激增，从而形成恶性循环。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提出一种基于传感器网络及大数据分析的传染病防控追溯系统，以解决现有技术中存在的采用人工调查的方式对病例分析传染病传播链条时，人工工作量大、调查效率低、时间长，致使待查目标激增，可能会导致传染链扩张的技术问题。
本发明采用的技术方案是，一种基于传感器网络及大数据分析的传染病防控追溯系统，包括核心追溯系统、辅助接驳系统；
核心追溯系统包括通用移动终端、服务器终端平台；
通用移动终端为多个，核心追溯系统使用分布式多传感器协同感知算法与多个通用移动终端形成传感器网络；通用移动终端用于通过无线电感知及识别技术获取使用者的接触信息，并上传到服务器终端平台；
服务器终端平台用于根据接触信息，生成特定使用者的传染病防控追溯数据；
辅助接驳系统用于接驳核心追溯系统、外部系统。
上述技术方案的有益技术效果为：
(1)使用分布式移动传感器网络，将部分离散的地理信息与个体绑定的策略，转化为记录相对连续的进入使用者社交距离的其他使用者标识及时间的策略。对病例分析传染病传播链条时，基于传感器网络，连续记录进入使用者的社交距离的其它使用者的标识及时间。利用人群接触史的大数据信息快速生成传染链，传染链生成的效率高、时间短、准确性高，大幅降低传染病调查工作的人工成本。
(2)采用分布式多传感器协同感知算法，利用分布式系统，借助后端服务器终端平台的强大算力将前端通过多个通用移动终端收集到的接触信息进行融合，使用多个使用者所持有的小量局部信息还原出完整的关系网信息，可以降低通用移动终端的通信复杂度和数据交互量、降低通用移动终端功耗、便于将通用移动终端做成便携式设备，实现大面积推广使用。
在一种可实现方式中，通用移动终端包括：
射频模块，用于通过无线电感知及识别技术感知多个通用移动终端之间的相对距离，并进行通用移动终端之间的数据交互，生成接触信息；
存储模块，与射频模块电连接，用于记录接触信息；
物联网模块，与存储模块电连接，用于与服务器终端平台进行数据交互；
动作传感器，用于感知使用者当前的运动状态；
控制器，分别与动作传感器、射频模块电连接，用于根据动作传感器的感知结果，控制通用移动终端的数据交互模式；及
状态展示模块，与物联网模块电连接，用于根据物联网模块接收到的服务器终端平台下发的防疫信息，并进行展示。
在一种可实现方式中，数据交互模式包括主动数据交互模式、被动数据交互模式；
当使用者处于运动时，通用移动终端进入主动数据交互模式；
当使用者处于静止时，通用移动终端进入被动数据交互模式。在本可实现方式中，有益技术效果为：将数据交互模式分为主动、被动，在被动状态下，只有其它通用移动终端扫描到使用者所携带的通用移动终端时，使用者所携带的通用移动终端才被激活与其它通用移动终端交换数据，而不需要一直保持固有频率扫描周围的通用移动终端，这样能降低通用移动终端的功耗。
在一种可实现方式中，服务器终端平台包括：
信息交互子系统，分别与存储子系统、核心算法模块相连接，用于与通用移动终端进行数据交互；
存储子系统，用于存储多个使用者的接触信息、传染风险状态；及
核心算法模块，与存储子系统相连接，用于遍历多个使用者的接触信息，生成特定使用者的传染病防控追溯数据。
在一种可实现方式中，外部系统包括防疫数据库系统、健康码数据库系统、国家机构信息库系统、通信网络运营商信息系统。
在一种可实现方式中，防疫数据库系统通过辅助接驳系统接驳核心追溯系统，将特定使用者的传染病防控追溯数据与确诊感染者的个人信息相关联。在本可实现方式中，有益技术效果为：可以实现疾控部门基于自然人的传染病调查
在一种可实现方式中，健康码数据库系统通过辅助接驳系统接驳核心追溯系统，获取当前使用者是否有过传染病接触史。在本可实现方式中，有益技术效果为：可以将所记录的接触信息与健康码相结合，实现对现有健康码的时效性、准确性的补足。
在一种可实现方式中，国家机构信息库系统通过辅助接驳系统接驳核心追溯系统，向核心追溯系统传输国家机构发布的疫情信息，并接收核心追溯系统疫情信息传输的传染网络图谱、密切接触者列表。
在一种可实现方式中，辅助接驳系统接驳通信网络运营商信息系统，通过通信网络运营商向特定使用者推送防疫指导意见。
在一种可实现方式中，服务器终端平台还包括服务伺服子系统、数据服务子系统；
服务伺服子系统，以多线程、并发的形式完成对需求的响应，对上传的接触信息以任务的形式存放于共享缓存区中；
数据服务子系统，以单线程的形式对数据进行写的访问，当共享缓存区出现新的数据任务后，数据服务子系统对数据进行处理融合。在本可实现方式中，有益技术效果为：可以很好的解决在进行大数据分析时，共享存储空间中频繁出现的"多读多写"，降低读、写操作发生相互冲突的概率，提升系统效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明背景技术中的传染病防疫流程示意图；
图2为本发明背景技术中的人工调查传染链的缺陷示意图；
图3为本发明实施例1的传染病防控追溯辅助系统架构图；
图4为本发明实施例1的分布式多传感器协同感知算法在通用移动终端的逻辑图；
图5为本发明实施例1的多个使用者相互接触的示意图。
图6为本发明实施例2的数据处理逻辑图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
实施例1
本实施例提供了一种基于传感器网络及大数据分析的传染病防控追溯系统，包括核心追溯系统、辅助接驳系统；
核心追溯系统包括通用移动终端、服务器终端平台；
通用移动终端为多个，核心追溯系统使用分布式多传感器协同感知算法对多个通用移动终端进行组网，形成传感器网络；通用移动终端用于通过无线电感知及识别技术获取使用者的接触信息，并上传到服务器终端平台；
服务器终端平台用于根据接触信息，生成特定使用者的传染病防控追溯数据；
辅助接驳系统用于接驳核心追溯系统、外部系统。
以下对实施例1工作原理进行详细说明：
本实施例提供的传染病防控追溯辅助系统包括核心追溯系统、辅助接驳系统。如图3所示，核心追溯系统包括通用移动终端、服务器终端平台。下文将通用移动终端的持有人简称为使用者。
1、核心追溯系统
(1)通用移动终端
通用移动终端具体包括：
射频模块，使用无线电感知及识别技术，感知多个通用移动终端之间的相对距离，并进行通用移动终端之间点对点的数据交互，生成接触信息。接触信息包括进入使用者社交距离的其它使用者的通用移动终端标识及进入时间。在本实施例中，进入时间即为接触时间点。本实施例使用的无线电感知及识别技术，是指通过阅读器与标签之间进行非接触式的数据通信，达到识别目标的效果。无线电感知及识别技术的使用不作限定，可以使用RFID、蓝牙。RFID、蓝牙均可获得不小于10米的通信距离，这样系统可以根据传染病的传染强度灵活设置安全社交距离。比如传染强度大，社交距离就设1米；比如传染强度小，社交距离就设2米、3米、5米。
存储模块，与射频模块电连接，用于记录接触信息。
物联网模块，与存储模块电连接，用于通用移动终端与服务器终端平台的数据交互，包括将存储模块记录的信息传输给服务器终端平台、接收服务器终端平台下发的防疫信息。物联网模块的选用不作限定，在本实施例中举例说明，选用NB-IOT模块。NB-IOT模块是基于蜂窝网络的窄带物联网，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，覆盖范围广、功耗低、能够支撑海量连接。
状态展示模块，与物联网模块电连接，用于根据物联网模块接收到的服务器终端平台下发的防疫信息，向第三方(比如安检人员)展示使用者的传染风险状态、信息有效性状态。展示的实现方式不作限定，在本实施例中举例说明，状态展示模块使用液晶显示屏进行展示。
在本实施例中，通用移动终端为便携式设备，便于使用者随身携带，通用移动终端的供电由电池提供。通用移动终端的尺寸、形状、外壳材质不作限定。多个通用移动终端形成了传感器网络。
(2)分布式多传感器协同感知算法
在本实施例中，核心追溯系统使用分布式多传感器协同感知算法进行传感器网络的组网，该算法在通用移动终端仅对局部信息进行感知、记录，以及在条件允许下进行同步。分布式多传感器协同感知算法的工作方式具体如下：对于通用移动终端，如图4所示，当通用移动终端启动工作后，根据携带通用移动终端的使用者当前的运动状态，选择数据交互模式。在本实施例中，通用移动终端还包括动作传感器、控制器。控制器分别与动作传感器、射频模块电连接，控制器通过动作传感器判定使用者当前的运动状态，再控制通用移动终端的数据交互模式。当使用者处于运动时进入主动数据交互模式；当使用者处于静止时进入被动数据交互模式。多个通用移动终端在数据交互时，将每一个通用移动终端视为一个节点。在被动数据交互模式下，通用移动终端不再主动扫描周围节点信息，而是当有新的其它节点扫描到该节点时，其才会与对方交换信息。在主动数据交互模式下，通用移动终端主动扫描周围的节点信息，并记录新出现的节点信息及时间。无论系统处于何种模式下，都将定期将接触信息通过物联网模块与上报服务器终端平台。将数据交互模式分为主动、被动，可以在被动状态下，只有其它通用移动终端扫描到使用者所携带的通用移动终端时，使用者所携带的通用移动终端才被激活与其它通用移动终端交换数据，而不需要一直保持固有频率扫描周围的通用移动终端，这样能降低通用移动终端的功耗。
(3)服务器终端平台
在本实施例中，服务器终端平台具体包括：
信息交互子系统，分别与存储子系统、核心算法模块相连接，用于与通用移动终端进行数据交互，将从通用移动终端获取的数据传输给存储子系统；还用于将服务器终端平台生成的防疫信息下发给通用移动终端。
存储子系统，用于存储多个使用者的传染风险状态，以及接触信息。
核心算法模块，与存储子系统相连接；核心算法模块通过遍历存储子系统中记录的多个使用者的接触信息，生成特定使用者的传染病防控追溯数据。具体的，首先根据接触信息，形成特定使用者的接触网络图；然后以接触网络图为基础，形成与该特定使用者相关的传染网络图谱，再生成密切接触者列表，对密切接触者的传染风险进行相应调整。
使用本实施例提供的分布式多传感器协同感知算法，利用分布式系统，借助后端服务器终端平台的强大算力将前端通过多个通用移动终端收集到的接触信息进行融合，使用多个使用者所持有的小量局部信息还原出完整的关系网信息，可以降低通用移动终端的通信复杂度和数据交互量、降低通用移动终端功耗、便于将通用移动终端做成便携式设备，实现大面积推广使用。
在本实施例中，服务器终端平台生成的防疫信息包括：使用者的传染风险状态、信息有效性状态。
2、辅助接驳系统
辅助接驳系统用于接驳核心追溯系统和外部系统；外部系统举例说明：包括防疫数据库系统、健康码数据库系统、国家机构信息库系统、通信网络运营商信息系统。在本实施例的技术方案实际运行时，接驳的外部系统还可以根据实际需要进行增加。
辅助接驳系统接驳防疫数据库系统，防疫数据库系统中有确诊感染者的相关个人信息。防疫数据库系统可以将特定使用者的传染病防控追溯数据与确诊感染者的个人信息相关联。根据确诊感染者的相关个人信息，通过核心追溯系统搜索确诊感染者的密切接触者信息，辅助传染病防控追溯调查工作。
辅助接驳系统接驳健康码数据库系统。当使用者通过健康码终端(比如支付宝、微信中的健康码)提出健康码刷新信息时，健康码数据库系统可通过核心追溯系统获取当前使用者是否有过相关传染病接触史，当有接触史时，健康码刷新后会提示警示信息，比如从绿色变为黄色或红色。为健康码数据库系统引入实时接触史信息，增强健康码的数据有效性。
辅助接驳系统接驳国家机构信息库系统。核心追溯系统按预设周期接收国家机构的疫情信息发布，根据疫情信息向国家机构信息库系统传输传染网络图谱、密切接触者列表，提供相应的传染链追溯。可为政府相关职能部门提供密切接触者列表信息，辅助对密切接触者的通知与服务，提高防控效率。
辅助接驳系统接驳通信网络运营商信息系统，通过通信网络运营商向特定使用者推送防疫指导意见，并组织防疫工作，进一步提高疫情防控的效率。
具体的，在本实施例中，辅助接驳系统物理上被部署于核心追溯系统的服务器终端平台上。辅助接驳系统将在外部系统与核心追溯系统之间提供一个隔离屏障及互通接口，在本实施中举例说明，通过REST API接口形式实现。
以下对实施例1工作原理进行详细说明：
如图5所示，以图中的使用者1作为主体进行描述。使用者2、使用者3、使用者4与使用者1的距离分别是R1、R2、R3，R3>R0>R2>R1。与当使用者 2进入使用者1的社交距离R0内时，使用者1与使用者2可通过各自携带的通用移动终端，进行ID层级的信息交换，同时记录信息交换时间。这种信息交换，仅仅记录通用移动终端的ID，以及发生信息交换的时间，不是数据层级的实质数据交换。社交距离R0的设置可根据传染病的感染安全距离设定，在本实施例中，参考新型冠状病毒防疫的安全距离，社交距离R0设为1米。
如图5所示，使用者1仅与进入其社交距离的使用者2、使用者3，进行信息交换，而不与未进入其社交区域的使用者4进行数据交换。进入使用者1 社交距离R0的使用者2、使用者3所携带的通用移动终端ID信息，以及通用移动终端ID信息发生交换的时间，即使用者2、使用者3进入使用者1社交距离范围内的时间点，会通过使用者1携带的通用移动终端定期与服务器终端平台同步；同步的间隔周期不作限定，可根据传染病疫情的严重程度进行设置，比如按小时、按天进行同步。同步的ID信息仅为使用者2、使用者3携带的通用移动终端ID号，进行最小信息交互；这样可以尽可能的隐藏使用者2、使用者3的其它个人信息，在保护使用者2、使用者3隐私的情况下，完成对人群接触史的记录。
服务器终端平台通过信息交互子系统接收到使用者1所携带的通用移动终端上传的接触信息，接触信息包括使用者2、使用者3携带的通用移动终端 ID号，将以及使用者2、使用者3进入使用者1社交距离的时间。然后将接触信息存储到存储子系统中，因系统中有多个使用者，所以存储子系统会存储多份接触信息。再通过核心算法模块遍历存储子系统中记录的多个接触信息，形成特定使用者的接触网络图，以接触网络图为基础，形成与该特定使用者相关的传染网络图谱，并生成该特定使用者的密切接触者列表。根据传染网络图谱、该特定使用者的密切接触者，可以分析出传染病的源头及传播路径。
核心追溯系统为保护使用者隐私，将使用者身份相关敏感信息与ID相分离。使得核心追溯系统可仅以使用者ID的形式维护使用者间的关系信息，而无法通过这些信息定位到使用者本人。这样的设计很好的保护了使用者的隐私，但是，独立的核心追溯系统将无法完成疾控部门基于自然人的传染病调查。与使用者身份相关的敏感信息，将由相关部门或其授权单位掌管，这些信息类似当前已有的户籍信息。使用辅助接驳系统，当有使用者被感染需要快速调查其接触史时，在得到主管部门授权后，将使用者所携带的通用移动终端ID信息与使用者身份相关的敏感信息进行结合，可快速准确地获取使用者一定时间内 (比如14天内)的密切接触、间接接触者等信息，用于传染病防控。在本实施中，使用者所携带的通用移动终端ID信息由核心追溯系统提供，使用者身份相关的敏感信息由外部系统提供。当辅助接驳系统收到外部系统发出的历史接触信息查询请求后，将相关接触者信息以列表的形式返回外部系统，并在外部系统中完成与使用者的关联。
本实施例提供的技术方案，使用分布式移动传感器网络，将部分离散的地理信息与个体绑定的策略，转化为记录相对连续的进入使用者社交距离的其他使用者标识及时间的策略。
对病例分析传染病传播链条时，基于传感器网络，连续记录进入使用者的社交距离的其它使用者的标识及时间。利用人群接触史的大数据信息快速生成传染链，传染链生成的效率高、时间短、准确性高，大幅降低传染病调查工作的人工成本。
通过辅助接驳系统接驳外部系统，结合核心追溯系统，可以实现疾控部门基于自然人的传染病调查；还可以将所记录的接触信息与健康码相结合，实现对现有健康码的时效性、准确性的补足。
实施例2
对于服务器终端平台，需要提供服务响应功能，响应使用者及辅助接驳系统提交的服务请求；还需要提供数据融合功能，对使用者上传的接触数据进行整理融合。对于大数据分析，服务响应功能要求服务器终端平台具备对大量并发服务的快速响应能力，数据融合功能要求服务器终端平台能对数据进行处理并写入数据库。为实现上述需求，在实施例1的基础上进一步优化，采用以下技术方案：
服务器终端平台还包括服务伺服子系统、数据服务子系统，如图6所示。
服务伺服子系统，如图6所示，服务伺服子模块以多线程、并发的形式完成对需求的响应，此处需求包含辅助接驳系统接入的各种请求、各移动终端上传的接触信息；主要以"读"的形式对数据进行访问，对于使用者上传的接触信息以任务的形式存放于共享缓存区中。
数据服务子系统，如图6所示，数据服务子系统则以单线程的形式对数据进行"写"的访问。当共享缓存区出现新的数据任务(即接触信息)后，数据服务子系统对数据进行处理融合，并写入数据库中完成对信息的更新及维护。
通过本实施例的技术方案，可以很好的解决在进行大数据分析时，共享存储空间中频繁出现的"多读多写"，降低读、写操作发生相互冲突的概率，提升系统效率。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种基于传感器网络及大数据分析的传染病防控追溯系统，其特征在于，包括核心追溯系统、辅助接驳系统；
所述核心追溯系统包括通用移动终端、服务器终端平台；
所述通用移动终端为多个，所述核心追溯系统使用分布式多传感器协同感知算法与多个通用移动终端形成传感器网络；所述通用移动终端用于通过无线电感知及识别技术获取使用者的接触信息，并上传到所述服务器终端平台；
所述服务器终端平台用于根据所述接触信息，生成特定使用者的传染病防控追溯数据；
所述辅助接驳系统用于接驳所述核心追溯系统、外部系统。
2.根据权利要求1所述的基于传感器网络及大数据分析的传染病防控追溯系统，其特征在于，所述通用移动终端包括：
射频模块，用于通过无线电感知及识别技术感知多个通用移动终端之间的相对距离，并进行通用移动终端之间的数据交互，生成接触信息；
存储模块，与所述射频模块电连接，用于记录所述接触信息；
物联网模块，与所述存储模块电连接，用于与所述服务器终端平台进行数据交互；
动作传感器，用于感知使用者当前的运动状态；
控制器，分别与所述动作传感器、射频模块电连接，用于根据所述动作传感器的感知结果，控制通用移动终端的数据交互模式；及
状态展示模块，与所述物联网模块电连接，用于根据所述物联网模块接收到的所述服务器终端平台下发的防疫信息，并进行展示。
3.根据权利要求2所述的基于传感器网络及大数据分析的传染病防控追溯系统，其特征在于：所述数据交互模式包括主动数据交互模式、被动数据交互模式；
当使用者处于运动时，所述通用移动终端进入主动数据交互模式；
当使用者处于静止时，所述通用移动终端进入被动数据交互模式。
4.根据权利要求1所述的基于传感器网络及大数据分析的传染病防控追溯系统，其特征在于，所述服务器终端平台包括：
信息交互子系统，分别与存储子系统、核心算法模块相连接，用于与所述通用移动终端进行数据交互；
存储子系统，用于存储多个使用者的接触信息、传染风险状态；及
核心算法模块，与存储子系统相连接，用于遍历多个使用者的接触信息，生成特定使用者的传染病防控追溯数据。
5.根据权利要求1所述的基于传感器网络及大数据分析的传染病防控追溯系统，其特征在于：所述外部系统包括防疫数据库系统、健康码数据库系统、国家机构信息库系统、通信网络运营商信息系统。
6.根据权利要求5所述的基于传感器网络及大数据分析的传染病防控追溯系统，其特征在于：所述防疫数据库系统通过辅助接驳系统接驳核心追溯系统，将特定使用者的传染病防控追溯数据与确诊感染者的个人信息相关联。
7.根据权利要求5所述的基于传感器网络及大数据分析的传染病防控追溯系统，其特征在于：所述健康码数据库系统通过辅助接驳系统接驳核心追溯系统，获取当前使用者是否有过传染病接触史。
8.根据权利要求5所述的基于传感器网络及大数据分析的传染病防控追溯系统，其特征在于：所述国家机构信息库系统通过辅助接驳系统接驳核心追溯系统，向所述核心追溯系统传输国家机构发布的疫情信息，并接收所述核心追溯系统疫情信息传输的传染网络图谱、密切接触者列表。
9.根据权利要求5所述的基于传感器网络及大数据分析的传染病防控追溯系统，其特征在于：所述辅助接驳系统接驳通信网络运营商信息系统，通过通信网络运营商向特定使用者推送防疫指导意见。
10.根据权利要求1所述的基于传感器网络及大数据分析的传染病防控追溯系统，其特征在于：所述服务器终端平台还包括服务伺服子系统、数据服务子系统；
所述服务伺服子系统，以多线程、并发的形式完成对需求的响应，对上传的接触信息以任务的形式存放于共享缓存区中；
所述数据服务子系统，以单线程的形式对数据进行写的访问，当共享缓存区出现新的数据任务后，数据服务子系统对数据进行处理融合。
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