疫苗冷链全生命周期管理系统设计

王艳玮，王拖拖

（陕西师范大学国际商学院，陕西 西安 710062）

所谓“疫苗冷链”是指疫苗产品从生产到使用的一条持续的低温链条以及其运转过程的总称［1］。在我国，疫苗的研发和生产环节具有较高的水平，有些甚至达到或者超过国际水平，但疫苗冷链储运环节仍得不到保证，经常发生“断链”的情况，造成大量的经济损失和严重的医药恶果［2］，这在很大程度上是由于我国疫苗冷链储运环节缺乏有效的监管所致。利用现代信息技术，建立一个覆盖疫苗全生命周期的管理系统，实现对疫苗冷链的全程监控与管理，及时采取措施消除疫苗冷链过程中可能出现的各种隐患，对于保证疫苗质量安全具有重要的意义。

随着无线射频技术（radio frequency identification，RFID）、通用分组无线服务技术（general packet radio service，GPRS）和传感技术的不断发展与完善，建设一个覆盖疫苗全生命周期的管理系统在技术上成为可能。RFID是一种非接触式的自动识别技术，具有可识别移动物体、同时识别多个对象、远距离读取和非接触方式等优点［3］。伴随着RFID技术的快速发展，将RFID技术与传感技术相结合，既可以实现对冷链全程温度、湿度等敏感信息的采集，又可以实现采集信息的及时传递。GPRS技术是一种无线传输网络技术，特别适用于间断、突发性的和频繁、少量的数据传输，也适合于偶尔的大数据量传输，具有永远在线、实时传输数据、传输速率高、快速接入、价格合理，以及基于IP协议可以访问整个Internet等优势［4－5］。

笔者融合RFID技术、传感技术、GPRS技术和Internet技术等先进的电子商务技术，构建了一个能够覆盖疫苗全生命周期的管理信息系统，提供了一个从疫苗制造厂到疫苗分发使用全程的解决方案。

1 系统分析

1.1 疫苗冷链全程监控的需求分析

在整个疫苗冷链中存在着多个参与者，如物流承运企业、疫苗接种单位、生产企业、接种个体和疫苗安全监管部门，不同的参与者对疫苗冷链信息的需求也各不相同。在每个不同的冷链环节可能使用多种冷藏储运设备来实现疫苗产品的储运，其中任何一个环节或者冷藏节点的断链都可能引发疫苗产品的质量变化，为了能够明确责任、强化管理，必须对疫苗冷链的全程实施监控。另外，随着疫苗接种数量的增加和疑似预防接种异常反应报告的敏感性逐年增强（2009年报告近5万例），疫苗的安全性日益受到社会关注［6］，当接种异常事件发生时，需要快速地找出事故发生的原因，及时地召回其他可能发生质量变化的疫苗产品，从而防止恶性事件的不断扩大。

因此，建立疫苗冷链全生命周期管理信息系统既是冷链参与方安全监管的要求，也是实现应急响应的要求。通过覆盖疫苗全生命周期的管理信息系统，对疫苗冷链温度、湿度和位置变化进行实时的监控，形成连续的温度记录，动态监测运输环境是否超标，不仅能够提高疫苗冷链过程的透明度，而且能够提升疫苗冷链的安全监管水平，为安全监管部门提供充分的监管依据，为消费者提供安全的质量保障，为承运商、生产企业和疫苗接种单位提供及时的控制依据［7］。一旦有传染病暴发、流行或者出现接种异常反应报告时，该系统可以作为应急指挥系统的一部分，提供疫苗的购销记录、库存分布、统计查询和冷链温度等信息，为政府的疫苗调配提供决策依据。

1.2 疫苗冷链业务流程分析

疫苗冷链实质上是一个由线连接起多个节点的低温链条，为保证疫苗品质及降低损耗，链条中的节点和线均需进行温度控制。典型的疫苗冷链节点包括生产节点、存储节点和使用节点，连接这些节点的线主要有疫苗冷藏运输线和疫苗冷藏中转线。

从整体来看，不同的疫苗冷链涉及到的节点和线可能各不相同，例如:疫苗可以直接从生产节点经过中转进入到使用节点，也可以从生产节点出发经过多次冷藏运输、中转和存储，然后进入使用节点，因此现实中的冷链并不存在固定的业务流程。为了能够实现对疫苗冷链的全程监控，规范疫苗冷链的标准化操作，笔者将疫苗冷链的业务流程抽象为:出发地冰箱（冷藏库）—冷藏周转箱—冷藏运输车辆—冷藏周转箱—目的地冰箱（冷藏库），即疫苗冷链首先从出发地的冰箱开始，经过冷藏周转箱的中转，然后进入冷藏运输车辆，通过运输到达目的地，再经过冷藏周转箱的中转，移入目的地冰箱。

根据以上分析，要实现对整个业务流程的监控，就必须对疫苗产品所经过的冷藏库、冷藏周转箱、冷藏运输车辆进行温度环境检测、实时定位和产品追踪。

2 系统设计

2.1 系统总体框架

疫苗冷链全生命周期管理系统总体框架图如图1所示。

图1 疫苗冷链全生命周期管理系统总体框架图

系统主要由3大部分组成:数据采集、数据传输、数据处理和应用。数据采集是通过在疫苗冷链的不同载体设备（冷藏库、冷藏车、冷藏周转箱）上安装数据采集终端，实现对疫苗冷链全程的实时数据采集，并通过无线传输模块进行数据的发送；数据传输是将采集终端的数据通过GPRS无线网络和Internet互联网络汇集到冷链监控中心，并负责将来自冷链监控中心的指令数据传送至不同的终端设备；数据处理和应用是通过冷链监控中心实现对数据的分析、处理、储存和权限设置，以不同的方法和形式展示给不同的信息需求者，满足信息需求者对冷链全程的监控，进而指导疫苗在整个生命周期内的储运，确保受众群体的用药安全。

2.2 数据采集子系统设计

疫苗冷链全程信息的采集主要依靠智能采集节点来实现。温度传感器、GPS接收器、RFID阅读器、GPRS无线传输模块以及微控制器共同组成了一个智能节点，如图2所示。智能节点按照一定的密度嵌入到各种不同的冷藏设备内。疫苗生产商在产品的包装箱/袋上贴有较为便宜的无源RFID标签，当带有RFID标签的疫苗产品进入到安装了智能节点的“智能冷藏设备”时，节点内RFID阅读器主动读取RFID标签中的疫苗产品信息，同时温度传感器开始自动采集箱内的温度信息，GPS接收模块也开始接收卫星信号，解算出定位信息，微控制器将温度传感器检测到的温度信息、RFID阅读器读取的标签信息和GPS解算的定位信息进行简单的打包处理，并将打包后的信息通过GPRS无线传输模块及时地传送至冷链监控中心。监控中心可以通过识别节点ID，及时掌握智能冷藏设备的动态使用状况。

图2 智能采集节点设计

2.2.1 智能节点嵌入密度设计

在该系统中为了实现疫苗产品的自动定位，准确掌握不同空间位置的温度环境，在布置智能节点时，首先将各种不同的冷藏设备参照RFID阅读器的射频范围，划分为不同的立体空间区域；然后在每个划分好的立体空间区域的顶点上都放置智能节点，并给每个智能节点编号，将编号信息与实际的空间位置（X，Y，Z）进行关联，智能节点在传送信息时将其编号一起传送，因而冷链监控中心就能够及时了解疫苗产品的环境信息，准确定位异常发生的位置，及时地采取行动。

2.2.2 数据采集驱动设计

系统中的数据采集驱动包括两种方式，一种是通过疫苗产品的进入、移出动作触发而进行的随机数据采集驱动，另一种是通过微控制器控制的定时数据采集驱动。带有RFID电子标签的疫苗产品进入、移出智能冷藏设备时，智能节点自动地进行即时数据的采集，同时智能节点内的微控制器开始计时，在设定的时间之内如果疫苗产品未离开该冷藏设备，进行再次数据采集，完成再次数据采集后，计时器自动归零并开始再次计时，如果在设定的时间内疫苗离开冷藏设备，由第一种驱动方式进行数据采集，计时器自动归零。

2.2.3 数据格式设计

智能节点投入使用后需要首先在冷链监控中心进行注册，只有注册以后才能通过冷链监控中心对智能冷藏设备进行实时地跟踪和管理。疫苗产品在冷链物流起点需要将运输货物的信息通过智能冷藏节点传送到监控中心，其主要作用是将疫苗产品的信息与智能节点进行关联，并提供疫苗产品的温度、湿度阈值。

智能节点与冷链监控中心在交互通信过程中，所采集到的主要数据包括智能节点ID、疫苗产品ID、环境温度数据和GPS定位数据。

数据的发送格式如图3所示。

图3 数据发送格式

2.3 数据传输子系统

数据传输子系统的中心是Internet网络，数据采集终端将采集到的数据经由GPRS网络传送至Internet网络，冷链监控中心通过接入Internet获得采集终端传来的实时数据，不同的冷链参与者通过接入Internet网络访问冷链监控中心，实现对疫苗冷链的全程监控。数据从GPRS网络到Internet网络需要进行数据格式的转化。

智能节点中的GPRS信息传输模块将采集到的疫苗信息及时地传送至与之最近的GPRS基站，GPRS基站将信息传递到GPRS的服务支持节点（SGSN），SGSN与网关支持节点（GGSN）进行通信，将信息传送至GGSN，GGSN对数据进行相应的处理后将数据传送到Internet网络节点，冷链监控中心通过接入Internet获取即时的冷链信息［8］。相反，来自冷链监控中心的指令信息，由GGSN接收然后转发到SGSN，再传送至不同的移动终端，从而实现自动报警、温度调整等。其中SGSN的主要作用是记录移动终端的当前位置，并且实现移动终端与GGSN之间的数据发送与接收。GGSN可以实现与多种不同的数据网络连接，将数据传输到目标网络。

2.4 监控中心子系统

冷链物流监控中心作为整个系统的中枢神经，负责接收来自数据采集子系统的数据，进行实时的数据分析、处理和存储，并将数据转化为显示信息，形成直观的操作界面，进行查询权限的设置，提供及时的预警，便于进行监控和管理［9］。

冷链物流监控中心由7个模块组成，如图4所示。

图4 冷链物流监控子系统

2.4.1 信息采集模块

信息采集模块用于采集疫苗全生命周期的所有信息数据，并把采集到的数据及时准确地传输到环境监控与预警系统，保证产品追溯功能的实现，实现温度、湿度、智能冷藏设备等信息的追踪功能［10］，为监控子系统中的其他模块提供数据支持。

2.4.2 信息传输模块

信息传输模块主要是通过GPRS通信技术与Internet将采集到的信息发送至冷链监控中心，同时保证冷链监控中心发出的指令也能够及时地传递到各个冷链终端。

2.4.3 分析预测模块

分析预测模块可以根据对疫苗冷链全程的监控数据，通过各种数据之间的关联关系，利用各种分析预测模型，预测疫苗在经历了特定温度、湿度之后的保质期，预测疫苗产品的生产数量、储备数量等，并在查询系统中直观地显示出来。

2.4.4 预警模块

预警模块包括温度、湿度超标预警，设备异常预警，疫苗收货、发货数量与品种预警，疫苗储备数量预警等功能，各种预警模块可以通过信息传输模块向联系人发布预警信息，及时对预警事件进行处理。

2.4.5 基本信息管理模块

基本信息管理模块主要是对相关者、冷藏设备、疫苗产品进行管理，给车辆、周转箱、冷库一个固定的ID，以此来实现对冷链节点的识别与管理，增强冷链监管系统的主动性，提高冷链物流的效率。

2.4.6 查询模块

查询模块主要负责查询界面的显示设置和权限设定，冷链监控中心管理平台可以根据用户权限实现数据的共享。中心数据系统的信息和简单的相关者对信息的权限关系如表1所示［11］。

表1 相关者信息查询权限

2.4.7 GIS 地理信息模块

GIS地理信息模块主要是实现运输车辆的定位、行车路线的规划和紧急援助的调配等。智能节点向冷链监控中心上报GPS定位信息，监控中心根据GPS信息，查询GIS地图数据库获得车辆所在位置的地理名称，并显示其电子地图，根据地图显示进行最优线路选择、紧急援助等。

3 结论

笔者介绍的疫苗全生命周期管理系统，针对一条完整的疫苗冷链，采用一种相同的数据采集和传输格式，将动态的数据信息传送至一个冷链监控中心，成功地解决了信息孤岛问题，实现了信息共享，满足了不同疫苗冷链参与方的信息需求，达到了真正意义上的全程冷链监控，对于保证疫苗产品的质量安全，提高疫苗冷链整体绩效，以及加强我国疫苗防疫工作都具有重大的意义。但系统的设计仍存在一些不足之处，如数据传递的实时性与通信费用之间存在一定的矛盾，需要进一步解决。

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