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摘 要:为了实现发生突发公共卫生事件时快速地启动应急预案,达到有效地组织指挥调度和最小化事件的影响,移动协同的卫生应急系统运用现代信息技术和网络结合形成基于移动终端和指挥中心的协同决策处理。系统在运行过程中使用突变论的基本原理对可能导致系统进入应急模式的控制变量进行监控,一旦爆发突发公共卫生事件,则利用相识度在数据仓库中进行案例检索,协助指挥中心做出高效的决策。系统仿真实验证明,监控临界值启动进入预警,能够有效提高决策响应速度。
关键词:突发公共卫生事件 应急决策 移动协同 突变论 相识度
中图分类号:TP277 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2013)01(a)-00-03
隨着现代科学技术的迅猛发展和社会文明的进步,人们越来越趋近于密度大、移动快速、联系紧密和节奏快的现代生活。这种社会活动形式的变化往往导致一些突发公共卫生事件的爆发和迅速扩展[1]。突发公共卫生事件,通常会造成人员的伤亡,社会财富的损失,事件一旦出现,应急系统需要立即作出反应,组织专家分析,实现救治队伍的组织及药品、设备、材料等各种医疗资源的调度,对事件的危害程度和发展趋势进行精确的判定,科学地制定应对措施,合理部署医疗卫生资源实施防控和救治工作[2],借助现代信息技术和网络手段的辅助,高效、快速的完成突发事件的指挥处置。
对突发事件最小代价、最合理的处理方式,不仅需要专业的技术队伍,还需要完善的组织管理和应急机制。随着移动互联网络、通信技术的发展,移动智能终端、物联网和云计算等应用为实现处置过程中实时的信息交流提供了重要的载体。移动协同通信计算技术为实现应急事件处置过程中的信息实时交流和协同工作提供了有力的技术支撑[3,4]。事件处理过程中把突发公共卫生事件爆发地区自然状况、卫生调查结果(爆发时间、扩大范围等)采集的样本点、以及应急处置决策方案的先例实施及其专家的人工决策有效结合并快速反馈应急系统。指挥中心参与指挥的专家、领导及工作人员与事件各个现场和卫生救援实施机构实时交流,协同会商,快速部署并且实施应急处置方案。因此可见,现代移动协同信息技术,对于高效、快速的完成应对突发公共卫生事件的指挥处置提供辅助手段。
1 移动协同公共卫生应急系统模型
1.1 移动协同公共卫生应急系统特点和
组成
在发生重大突发公共卫生事件时,应急指挥系统存在信息采集困难和无法实时交互等问题,由于无法实现医疗资源信息数据的实时交换,难以实时掌握事故现场及医院相关部门的救治情况,导致相应决策救治方案难以有效开展[5]。根据突发事件特点及应急系统快速反应的要求,设计了基于突变决策控制的移动协同公共卫生应急系统[6]。该系统主要考虑解决如下
问题:
采用移动协同的数据信息技术,将虚拟现实、远程会议、移动协同、图像压缩结合在网络平台的支撑下,建立实时交互的公共卫生应急系统。
该平台采用无线多种接入技术,增强了移动智能终端的交互能力,移动客户端因其随时随地交互的特性可以实时提供现场信息,实时参与交流,为问题的解决提供了现场支持,加快了问题解决速度。
在应急处置中,一般有一个政府指挥中心、多个部门指挥中心和更多的远程协同终端等多个主体参与。多个不同类型、层次的指挥中心和执行机构组合在一起,分工协作、联合行动,采用最有效的方式完成应急处置。应急系统集成突发事件现场相关各种基础信息,建立综合数据库以及模拟现场环境,集成现场采集的具有位置信息的资料,及关于现场环境的多种遥感信息,实时掌握最新的现场事件发展态势。指挥中心专家及工作人员利用平台快速了解相关地区的情况,抽取历史案例,结合自己的专业背景知识,在平台开展多种可能条件下的应急反应模拟,参考历史案例以及法律法规制定不同的应急预案。
系统在虚拟环境平台和无线移动通信技术的支撑下,建立协同交互工作模型,如图1所示,实现多种交互模式。
1.2 基于突变理论提供辅助决策
人类社会生活的运行过程作为一个复杂系统,其系统存在脆性,结合卫生病学防疫理论和群体移动性等特点导致爆发的卫生事件在各种内、外因素作用下本身性能严重恶化,以至于产生突变形成公共卫生紧急事件[7,8]。
突变理论主要研究动态系统在连续发展变化过程中出现的不连续突然变化现象及其与连续变化因素之间的关系,通过研究临界点之间的相互转化来分析系统的过程特征。在正常情况下,控制变量的值对应了系统状态变量的值,系统处于稳定运行状态[9];而非正常情况下,当控制变量的取值对应多个可能状态时,系统处于相对不稳定的状态,因为控制变量稍微发生变化,或系统的轻微扰动,导致系统从稳定状态跃迁到动荡状态。
根据一个系统的势函数把它的临界点分类,研究各类临界点附近非连续变化状态之特征,从而归纳出七个初等突变模型[10]。每一种突变都是由一个势能函数决定的,平衡曲面为满足势能函数的一阶导数(或两个一阶偏导数)为零的所有点的集合。某种类型的突变过程的全貌可通过其相应的平衡曲面来描述。
设,t=1,2,…k为公共卫生应急系统的总视图上子系统的输出观测序列,对,i=1,2,…l用j个不同模型获得预测值,j=1,2,…l,将j个模型对的组合预测值记为如下形式:
,为第j个模型的参数权重,满足约束 (1)
根据复杂系统理论可知,k个模型观测值为离散型随机变量。考虑每个子模型的影响力,引入控制变量ω1,模型的分布如下:
为第i个模型的观测概率 (2)
满足 (3)
结合复杂系统理论,得到移动协同卫生应急系统的状态分布函数为
(4)
根据突变模型理论,当控制变量不大于四个时,共有七种初等突变模型。移动协同卫生应急系统根据紧急卫生事件的源头,规模以及地理信息等情况,查询相关历史数据案例,确定该紧急卫生事件的类型分布,根据公式(4)的系统状态分布函数,确定突变势函数Δδ,定义平衡曲面M=∫Δδdx,而系统的奇点集S=∫∫Δδdx。根据上述的奇点集和平衡曲面理论,可以量化应急系统的控制变量,比如,卫生疫情人数分级的人数范围,卫生紧急事件爆发的时间限制等等。 突变模型理论应用在移动协同卫生应急系统,将突发紧急卫生事件加以分类,以系统的理论对控制和影响紧急事件的参量模型化和量化。
突发公共卫生事件一旦发生,就会对社会产生很大的危害,由于其发生的突然性,应对起来难免仓促、不全面。可考虑对各种突发公共卫生事件进行分类,将国内外各类突发公共卫生事件的具体处置措施与方法进行编辑、分类与整理,提取模型与指标的相关参数,对每一种突发公共卫生事件做出应急预案。对事件进行采样、探索、修正、建模、评估等过程的仿真分析研究,从而确定模型,为应急系统提供理论决策支持。
2 突变决策算法
突发事件一旦出現,有关部门立即组成应急指挥部,启动应急指挥系统,结合现场的信息数据,协同做出统一决策,及时采取相应的处置措施[11]。系统决策支持模块中数据仓库保存了大量过往可借鉴的国内外案例信息,提供可查询案例参数[12]。决策支持系统在提供决策时,检索相似案例用相似度匹配算法进行相似度匹配,根据突变理论监控事件临界信息,协同系统指挥中心和现场专家等人工决策共同制定最终决策。
决策支持系统数据仓库存储案例使用二维方式,便于快速检索,其中一维是案例向量信息,即保留案例信息的关键字、核心信息,并对它们进行编码(表示成向量的形式),以较简洁的方式存放;另一维信息是案例内容,保留案例较完整和较丰富的信息,尤其保留决策信息,保证其提供参考的完整有效性。
定义案例相似度为突发公共卫生事件案例与数据仓库中某一案例的症状特征相同的程度,两者拥有相同的特征数量越多,相似度越大。将突发事件案例与案例库中案例进行比较,选取最大相识度的一个或一组案例,作为决策参考。
定义1:设T为数据仓库案例症状集合,m为集合的秩。,
定义2:F为某一事件,根据突变理论,P表示事件的控制变量,个数是n,n≤m。,P为突发事件F的描述。
定义3:设向量U,维数m,。,,表示P中的;表示P中的;向量为突发事件F的向量描述。
定理1:突发事件和案例之间的相似度可以根据突发事件的向量描述和案例的向量描述之间的相识度确定。
相识度(acquaintance degree)
证明:由几何数学知识可知,两向量相识度可以根据两向量夹角余弦确定。两个向量之间的夹角余弦值反映了两个向量的差异程度,因此可以将和的夹角余弦值视为两向量的相似性程度的标尺,确定为突发事件向量与案例向量之间的夹角余弦值。
将所有的案例与突发事件进行相似度计算,可以得出若干相似度值,取其中最大的一个相似度值,并得到与之对应的一个或一组案例,即为最大相似度案例。算法步骤如下:
Algorithm:get the acquaintance degree
1 Set the,,null,set the, null
2 read the,get the P according mutationism theory,get the ,,
3 calculate the acquaintance degree of,,then compare it.If match return 4 else return 5
4 match,write the ,
5 else,go to 3.
6 if compare all the case in the data warehouse.
End
3 模型实现及仿真效果
为了测试基于突变决策控制的移动协同卫生应急系统性能和各个子系统的运行,采用了仿真的方式对整个系统平台进行评估。系统的运行步骤是:
(1)各系统正常运行,监控系统开启,监控某个区域的某种疾病的爆发率。以流行性感冒为例,可以观测其在某个时间区间的案例数目。
(2)当该区域的爆发率达到突变理论的阀值,比如,门诊数目,发热门诊数和住院门诊数等相关控制变量超过阀值,预警系统开始运行,记录为突发卫生事件,获得相关病患信息并限制行动观察。同时立即向应急管理部门报告。
(3)应急管理部门接报后,应立即派出相关专业人员赶赴现场调查、采样、快速检测。
(4)应急指挥中心专家及领导要对突发公共卫生事件进行决策。根据决策系统的相似度算法辅助决策信息,采取相应措施。包括估计突发公共卫生事件的类型和性质、影响面及严重程度、目前已采取的措施和控制效果、发展趋势、是否需要启动应急预案等。根据需要启动应急预案,对突发事件进行快速处置。
(5)根据实时情况,协同终端各种信息,保证应急系统正常运行,控制该卫生紧急事件,直到突变指标进入正常值范围,宣布疫情得到控制,应急系统进入正常监测阶段。
图2(a)为一个时间段内某地区的流感爆发率。达到阀值引起突变引发应急系统的预警。
图2(b)为预警指标响应时间和控制时间。从图示指标可以看出,该应急系统能够有效监测并辅助决策控制突发公共卫生事件。
4 结语
突发公共卫生事件需要快速启动应急预案,有效的组织指挥调度,包括突发事件的现场处置,人员、物资的紧急调集,必要时的人员疏散或隔离,群体防护措施的实施及公共场所的管理等。本系统作为突发公共卫生事件的应急指挥和监控系统,通过如下方式来做到迅速响应和快速决策。
(1)移动协同的处理信息,使得现场信息和指挥信息能够同步实时交互。提高了系统的响应和决策能力。
(2)使用突变理论实时监测,任何一个公共卫生事件需要有效的监控和预防,突变论引入能够有效屏蔽非决定性参数,抽取控制变量,对突发事件做出警告和定性。
(3)使用相识度理论,提供辅助决策,辅助决策的引入有助于全面控制该事件,提高应急指挥系统的决策能力和决策速度。 参考文献
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[2] X.Pan.Computational Modeling of Human and Social Behaviors for Emergency Egress Analysis”[C],PhD Thesis,Civil and Environmental Engineering Dept,Stanford University,June,2005.
[3] 史馨,史濟峰,杨向东,等.卫生监督突发事件应急处置远程指挥系统建设探讨[J].中国卫生监督杂志,2012,19(2);125-128.
[4] 邵庆东.突发公共卫生事件应急指挥与决策系统平台设计[J].中国数字医学,2011,6(1):69-72.
[5] 李伟,李燕,江其生,等.城市突发公共卫生事件应急指挥系统信息化建设的探索[J].医疗卫生装备,2010,31(2):99-100,102.
[6] 陈文伟,廖建文.决策支持系统及其开发[M].3版.清华大学出版社,2008:87-96.
[7] 钟诗胜,王知行,何新贵.一个混合属性的实例检索模型[J].软件学报,1999,10(5):521-526.
[8] 何凯,姜星明,基于逆运动学的虚拟人行走[J].系统仿真学报,2004,16(6):1343-1345.
[9] Wolfe,N.D.,Dunavan,C.P.,Diamond,J.Origins of major human infectious diseases[J].2007,447:279-283.
[10] SteinMollerbaug.Usefulvulnerabilityassessment.InformationSecurityTechnicalReport,2003,8(4):78-84.
[11] 张议丹,郝艳华,吴群红.对建构突发公共卫生事件应急培训评估模型的探讨[J].中国初级卫生保健,2009,23(8):14-16.
[12] 肖静,邱力军,漆家学,等.无线网络环境下实施基于HIS的数字化野战医疗所[J].医疗卫生装备,2008(5):
44-45.
关键词:突发公共卫生事件 应急决策 移动协同 突变论 相识度
中图分类号:TP277 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2013)01(a)-00-03
隨着现代科学技术的迅猛发展和社会文明的进步,人们越来越趋近于密度大、移动快速、联系紧密和节奏快的现代生活。这种社会活动形式的变化往往导致一些突发公共卫生事件的爆发和迅速扩展[1]。突发公共卫生事件,通常会造成人员的伤亡,社会财富的损失,事件一旦出现,应急系统需要立即作出反应,组织专家分析,实现救治队伍的组织及药品、设备、材料等各种医疗资源的调度,对事件的危害程度和发展趋势进行精确的判定,科学地制定应对措施,合理部署医疗卫生资源实施防控和救治工作[2],借助现代信息技术和网络手段的辅助,高效、快速的完成突发事件的指挥处置。
对突发事件最小代价、最合理的处理方式,不仅需要专业的技术队伍,还需要完善的组织管理和应急机制。随着移动互联网络、通信技术的发展,移动智能终端、物联网和云计算等应用为实现处置过程中实时的信息交流提供了重要的载体。移动协同通信计算技术为实现应急事件处置过程中的信息实时交流和协同工作提供了有力的技术支撑[3,4]。事件处理过程中把突发公共卫生事件爆发地区自然状况、卫生调查结果(爆发时间、扩大范围等)采集的样本点、以及应急处置决策方案的先例实施及其专家的人工决策有效结合并快速反馈应急系统。指挥中心参与指挥的专家、领导及工作人员与事件各个现场和卫生救援实施机构实时交流,协同会商,快速部署并且实施应急处置方案。因此可见,现代移动协同信息技术,对于高效、快速的完成应对突发公共卫生事件的指挥处置提供辅助手段。
1 移动协同公共卫生应急系统模型
1.1 移动协同公共卫生应急系统特点和
组成
在发生重大突发公共卫生事件时,应急指挥系统存在信息采集困难和无法实时交互等问题,由于无法实现医疗资源信息数据的实时交换,难以实时掌握事故现场及医院相关部门的救治情况,导致相应决策救治方案难以有效开展[5]。根据突发事件特点及应急系统快速反应的要求,设计了基于突变决策控制的移动协同公共卫生应急系统[6]。该系统主要考虑解决如下
问题:
采用移动协同的数据信息技术,将虚拟现实、远程会议、移动协同、图像压缩结合在网络平台的支撑下,建立实时交互的公共卫生应急系统。
该平台采用无线多种接入技术,增强了移动智能终端的交互能力,移动客户端因其随时随地交互的特性可以实时提供现场信息,实时参与交流,为问题的解决提供了现场支持,加快了问题解决速度。
在应急处置中,一般有一个政府指挥中心、多个部门指挥中心和更多的远程协同终端等多个主体参与。多个不同类型、层次的指挥中心和执行机构组合在一起,分工协作、联合行动,采用最有效的方式完成应急处置。应急系统集成突发事件现场相关各种基础信息,建立综合数据库以及模拟现场环境,集成现场采集的具有位置信息的资料,及关于现场环境的多种遥感信息,实时掌握最新的现场事件发展态势。指挥中心专家及工作人员利用平台快速了解相关地区的情况,抽取历史案例,结合自己的专业背景知识,在平台开展多种可能条件下的应急反应模拟,参考历史案例以及法律法规制定不同的应急预案。
系统在虚拟环境平台和无线移动通信技术的支撑下,建立协同交互工作模型,如图1所示,实现多种交互模式。
1.2 基于突变理论提供辅助决策
人类社会生活的运行过程作为一个复杂系统,其系统存在脆性,结合卫生病学防疫理论和群体移动性等特点导致爆发的卫生事件在各种内、外因素作用下本身性能严重恶化,以至于产生突变形成公共卫生紧急事件[7,8]。
突变理论主要研究动态系统在连续发展变化过程中出现的不连续突然变化现象及其与连续变化因素之间的关系,通过研究临界点之间的相互转化来分析系统的过程特征。在正常情况下,控制变量的值对应了系统状态变量的值,系统处于稳定运行状态[9];而非正常情况下,当控制变量的取值对应多个可能状态时,系统处于相对不稳定的状态,因为控制变量稍微发生变化,或系统的轻微扰动,导致系统从稳定状态跃迁到动荡状态。
根据一个系统的势函数把它的临界点分类,研究各类临界点附近非连续变化状态之特征,从而归纳出七个初等突变模型[10]。每一种突变都是由一个势能函数决定的,平衡曲面为满足势能函数的一阶导数(或两个一阶偏导数)为零的所有点的集合。某种类型的突变过程的全貌可通过其相应的平衡曲面来描述。
设,t=1,2,…k为公共卫生应急系统的总视图上子系统的输出观测序列,对,i=1,2,…l用j个不同模型获得预测值,j=1,2,…l,将j个模型对的组合预测值记为如下形式:
,为第j个模型的参数权重,满足约束 (1)
根据复杂系统理论可知,k个模型观测值为离散型随机变量。考虑每个子模型的影响力,引入控制变量ω1,模型的分布如下:
为第i个模型的观测概率 (2)
满足 (3)
结合复杂系统理论,得到移动协同卫生应急系统的状态分布函数为
(4)
根据突变模型理论,当控制变量不大于四个时,共有七种初等突变模型。移动协同卫生应急系统根据紧急卫生事件的源头,规模以及地理信息等情况,查询相关历史数据案例,确定该紧急卫生事件的类型分布,根据公式(4)的系统状态分布函数,确定突变势函数Δδ,定义平衡曲面M=∫Δδdx,而系统的奇点集S=∫∫Δδdx。根据上述的奇点集和平衡曲面理论,可以量化应急系统的控制变量,比如,卫生疫情人数分级的人数范围,卫生紧急事件爆发的时间限制等等。 突变模型理论应用在移动协同卫生应急系统,将突发紧急卫生事件加以分类,以系统的理论对控制和影响紧急事件的参量模型化和量化。
突发公共卫生事件一旦发生,就会对社会产生很大的危害,由于其发生的突然性,应对起来难免仓促、不全面。可考虑对各种突发公共卫生事件进行分类,将国内外各类突发公共卫生事件的具体处置措施与方法进行编辑、分类与整理,提取模型与指标的相关参数,对每一种突发公共卫生事件做出应急预案。对事件进行采样、探索、修正、建模、评估等过程的仿真分析研究,从而确定模型,为应急系统提供理论决策支持。
2 突变决策算法
突发事件一旦出現,有关部门立即组成应急指挥部,启动应急指挥系统,结合现场的信息数据,协同做出统一决策,及时采取相应的处置措施[11]。系统决策支持模块中数据仓库保存了大量过往可借鉴的国内外案例信息,提供可查询案例参数[12]。决策支持系统在提供决策时,检索相似案例用相似度匹配算法进行相似度匹配,根据突变理论监控事件临界信息,协同系统指挥中心和现场专家等人工决策共同制定最终决策。
决策支持系统数据仓库存储案例使用二维方式,便于快速检索,其中一维是案例向量信息,即保留案例信息的关键字、核心信息,并对它们进行编码(表示成向量的形式),以较简洁的方式存放;另一维信息是案例内容,保留案例较完整和较丰富的信息,尤其保留决策信息,保证其提供参考的完整有效性。
定义案例相似度为突发公共卫生事件案例与数据仓库中某一案例的症状特征相同的程度,两者拥有相同的特征数量越多,相似度越大。将突发事件案例与案例库中案例进行比较,选取最大相识度的一个或一组案例,作为决策参考。
定义1:设T为数据仓库案例症状集合,m为集合的秩。,
定义2:F为某一事件,根据突变理论,P表示事件的控制变量,个数是n,n≤m。,P为突发事件F的描述。
定义3:设向量U,维数m,。,,表示P中的;表示P中的;向量为突发事件F的向量描述。
定理1:突发事件和案例之间的相似度可以根据突发事件的向量描述和案例的向量描述之间的相识度确定。
相识度(acquaintance degree)
证明:由几何数学知识可知,两向量相识度可以根据两向量夹角余弦确定。两个向量之间的夹角余弦值反映了两个向量的差异程度,因此可以将和的夹角余弦值视为两向量的相似性程度的标尺,确定为突发事件向量与案例向量之间的夹角余弦值。
将所有的案例与突发事件进行相似度计算,可以得出若干相似度值,取其中最大的一个相似度值,并得到与之对应的一个或一组案例,即为最大相似度案例。算法步骤如下:
Algorithm:get the acquaintance degree
1 Set the,,null,set the, null
2 read the,get the P according mutationism theory,get the ,,
3 calculate the acquaintance degree of,,then compare it.If match return 4 else return 5
4 match,write the ,
5 else,go to 3.
6 if compare all the case in the data warehouse.
End
3 模型实现及仿真效果
为了测试基于突变决策控制的移动协同卫生应急系统性能和各个子系统的运行,采用了仿真的方式对整个系统平台进行评估。系统的运行步骤是:
(1)各系统正常运行,监控系统开启,监控某个区域的某种疾病的爆发率。以流行性感冒为例,可以观测其在某个时间区间的案例数目。
(2)当该区域的爆发率达到突变理论的阀值,比如,门诊数目,发热门诊数和住院门诊数等相关控制变量超过阀值,预警系统开始运行,记录为突发卫生事件,获得相关病患信息并限制行动观察。同时立即向应急管理部门报告。
(3)应急管理部门接报后,应立即派出相关专业人员赶赴现场调查、采样、快速检测。
(4)应急指挥中心专家及领导要对突发公共卫生事件进行决策。根据决策系统的相似度算法辅助决策信息,采取相应措施。包括估计突发公共卫生事件的类型和性质、影响面及严重程度、目前已采取的措施和控制效果、发展趋势、是否需要启动应急预案等。根据需要启动应急预案,对突发事件进行快速处置。
(5)根据实时情况,协同终端各种信息,保证应急系统正常运行,控制该卫生紧急事件,直到突变指标进入正常值范围,宣布疫情得到控制,应急系统进入正常监测阶段。
图2(a)为一个时间段内某地区的流感爆发率。达到阀值引起突变引发应急系统的预警。
图2(b)为预警指标响应时间和控制时间。从图示指标可以看出,该应急系统能够有效监测并辅助决策控制突发公共卫生事件。
4 结语
突发公共卫生事件需要快速启动应急预案,有效的组织指挥调度,包括突发事件的现场处置,人员、物资的紧急调集,必要时的人员疏散或隔离,群体防护措施的实施及公共场所的管理等。本系统作为突发公共卫生事件的应急指挥和监控系统,通过如下方式来做到迅速响应和快速决策。
(1)移动协同的处理信息,使得现场信息和指挥信息能够同步实时交互。提高了系统的响应和决策能力。
(2)使用突变理论实时监测,任何一个公共卫生事件需要有效的监控和预防,突变论引入能够有效屏蔽非决定性参数,抽取控制变量,对突发事件做出警告和定性。
(3)使用相识度理论,提供辅助决策,辅助决策的引入有助于全面控制该事件,提高应急指挥系统的决策能力和决策速度。 参考文献
[1] 周秋林,王可,何聚.基于物联网技术的应急卫生物资管理系统的研发[J].医疗卫生装备,2011,32(10);45-48.
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