武警哨兵国产CPU 芯片集成多生理参数及环境信息智能监测系统的设计与应用研究

程乃俊，周金治，周建丽，吴 斌，韩 宾,罗 卢

随着信息化水平的不断提高,武警哨位的信息化程度不断提高,极大地满足部队执勤哨位的安全和处置突发事件的应急速度和能力,目前国内外关于人体生理信号参数和环境信息参数的单独监测系统已有相关的研究，使用的技术手段各不相同。然而，基于对武警部队哨兵生理参数及环境信息测的集中智能监测却少有报道,国产CPU芯片应用于医疗信息化监测系统，还未见相关报道。国产CPU芯片的发展打破了国外的技术壁垒，已经有成熟的产品开始商用,它所展现出来的高安全性毋庸置疑。基于部队的特殊性和对网络安全的高要求,笔者针对目前部队武警哨位无哨兵生理监测和武警环境监测的现状研制了的武警哨兵国产CPU芯片集成多生理参数及环境信息智能监测系统,实现对武警哨兵心率、血压、血氧、呼吸、体温等不同的生理体征数据的进行监测，给出了心电图QRS波群的检测方法[1]，实现了哨位周边温度、湿度、烟雾等环境信息的监测, 解决了哨位由于其特定职能,其内部对于环境、人流、重要病区管制、特殊医疗区域监控以及防盗等有其严格的要求[2], 并应用大数据和人工智能，在一个集成融合的监控中心实现对武警哨兵的生理信号参数和哨位环境信息参数进行实时监测分析 ,为执勤监控站点及上级管理站点预警。

1 系统总体设计

系统主要由监测前端、数据处理终端、数据安全传输三大部分组成(图1)。监测前端由生理参数监测设备与智能网关两部分组成。生理参数监测设备实时监测患者的生理参数和位置信息；智能网关基于国产CPU设计，既是网关也完成对环境信息的监测。生理监测设备通过短距离通信与网关进行数据传输，网关把数据加密打包后通过主干网络，将数据传输到监控中心服务器。监测终端的信息处理系统对前端的数据进行存储、显示并接入到专家系统进行分析决策。

图1 基于国产CPU 芯片的武警哨兵集成多生理参数及环境信息智能监测系统框架

2 系统构成设计

2.1 监测前端设计

2.1.1 生理信息参数的监测 根据武警某部通过问卷调查和体格检查发现，从某部拟参加5 km越野训练的460名官兵中筛选的高危组异常心电图的比例高于正常对照组,运动前，高危组异常心电图比例为33.33%;运动后高危组出现异常心电图的比例高于对照组,分别为52.38%和7.14%,可见通过心电图筛查军事训练中运动性猝死高危人员有一定的实际意义[3]。利用传感器对武警哨兵的心率、血氧饱和度、体温、血压的参数进行采集，实现对哨位执勤哨兵的各种生理状况全方位监测，将采集的数据汇总后传输到中央处理器进行分析，时时掌握执勤哨兵在的生理性参数并结合医疗指标设定警戒上下线，一旦出现有损执勤哨兵的身体健康的问题及时报警，为不熟悉医疗知识的基层主管提供提前预警，避免发生工作性猝死事故的发生。

2.1.2 环境信息参数的监测 根据武警某部对2016年高温高湿环境下执行抗洪救灾任务发病规律结合参照国际疾病分类标准ICD-10分析,在救灾过程中前期皮肤病比例多,逐渐外科训练伤就诊比例逐渐增多,在救灾末期达到最多(49.69%),内科疾病在整个任务期间比例大致持平(10%～18%)[4]。仅高温环境均是如此，可见执勤环境的优劣对执勤任务完成的保障存在至关重要的作用，利用环境监测传感器对哨位周边的温度、湿度、PM2.5含量、烟雾浓度、有毒气体等进行采集，特别是一些重点高危哨位的周边环境进行全方位监测，掌握执勤环境数据，制定各种突发环境处置预案，为执勤的的安全提供有力的保障。

2.1.3 短距离无线通信协议 目前，市场上多使用通过CDMA网络上传的英特网送至专家系统，实现远程远程电子双向的互诊[5]，本系统采用蓝牙5.0技术，是最新发布的蓝牙标准，具有功耗极低、有效距离远、可室内定位、针对物联网优化等优点，广泛应用于智能家居、智能手环等产品，非常适合本系统的设计需要。

2.1.4 智能网关功能设计 智能网关主要是对生理监测设备的连接、管理，同时对监测数据进行加密转发。由于网关与公网连接，传输的数据是敏感的医疗信息，因此对数据安全性要求高。采用国产CPU芯片为主控制器，从源头保障信息安全。

2.2 监测终端功能设计 监测终端是整个系统的中枢，由信息处理系统和综合监控系统组成，通常设置在执勤监控站点及上级管理站点监控中心。

2.2.1 信息处理综合系统 接收各个前端发出的数据，并进行解密、分析和存储能操作，并送入专家系统，进行决策。终端系统是对在网的各个前端数据的汇集处理，其系统安全性尤其重要，必须从软硬件两方面都做到自主可控。采用国产桌面级的CPU作为终端的主控芯片；软件系统基于国产操作系统进行终端管理系统的开发，数据库，图形界面的软件设计基于开源软件进行信息系统的开发，保证软件的自主可控。

2.2.2 综合智能监控系统 将信息处理系统收集到的所有数据经过分析和计算，向远程医疗服务中心进行数据的上传、备份、分析与反馈[6],在执勤监控站点及上级管理站点监控中心的平台上形象的显示出来，并结合医疗数据的要求设置报警标识，为武警哨位的管理者提供处置依据和应急方案。

2.2.3 大数据人工智能分析 终端信息处理系统用于分析患者的生理指标和医院环境信息，判别患者当前的生理状态，如果有患者生理状态出现异常情况，及时预警和提醒，以确保及时采取措施。参照相应的生理和环境的标准指标，对当前病员生理指标与医院环境信息数据进行数学建模，经过算法进行分析决策，并做出相应的指示，应用大数据和人工智能方法对病员生理信号参数和环境信息参数，给出科学决策。

3 应用效果分析及进一步研究方向

3.1 哨兵生理参数的实时采集与监测分析 采集患者的如脉率、体温、血压、呼吸、血氧饱和度等生理参数，与标准值进行实时或历史比对分析，提高对武警哨兵的有效看护。当紧急情况出现时，可通过武警哨兵的一键呼叫功能，对武警哨兵进行应急处置并进一步将从应急处置机制出发研究根据监测结果对应的应急处置方案和早期救治方案，严防哨位猝死事件的发生。

3.2 哨位环境信息数据的实时采集与监测分析 采集哨位范围内特别是重点区域的如温度、湿度、PM2.5、噪声、空气细菌数量等环境信息数据，与相关标准值进行比对分析，从而提高武警管理者对环境信息的有效掌控，为武警过程中的其他正常活动的开展提供基础保障并进一步将有针对性的逐一分析所搜集的环境数据，比如说守桥哨位的噪声污染对哨兵身体的影响等[7]，针对不同的地域和工作环境定制开发出适合不同需要的环境防护装备。

3.3 执勤监控站点多哨位点多生理参数和环境信息的集成融合智能监控 在统一的监管平台下，实现对武警哨兵生理参数和哨位环境信息的集成采集、集成监控、集成管理，从而进一步提高监管效率。当被监测的病员生理参数或环境信息数据发生上限定或下限定超标时，可在统一的监管屏幕上动态实时显示，并发出超标报警信号，从而提醒执勤监控站点及上级管理站点迅速采取有效应对措施。充分应用人工智能技术实现对各类数据的智能分析并与相应预案联动，逐步做到发现问题和解决问题的同步实现。

3.4 部队数据信息的安全性保障及国产CPU芯片在哨位信息化监控系统中的应用研究 无线网络的不断发展，根据目前信息系统的现状，随着新的攻击技术及方法的陆续出现，需要信息技术人员持续对现有网络软硬件系统持续完善改进，以确保移动网络运行长期安全稳定[8-10]；基于可信计算技术，通过采用国产CPU处理器芯片，从计算平台的源头对用户认证、操作检查、访问控制、网络连接等方面设置并实施可靠安全措施，从而达到对不安全因素的有效防范和控制，加大国产CPU处理器芯片在部队哨位信息化各种模块的应用研究，逐步摆脱对进口CPU处理器芯片的依赖，提高抗计算机病毒的综合能力，确保部队的网络安全。

[1] 王钧铭，王选钢.赵力穿戴式无线生理参数采集装置的设计与实现[J].电子器件，2008，31(6):1918-1920.

[2] 王汝涛.智能医院环境监测系统设计[J].自动化与仪器仪表,2011, 19(12):104-105.

[3] 尚冬梅,马 燕 .军事训练中运动性猝死高危人员初步筛查方法探讨[J].武警医学,2017, 28(4): 329-331.

[4] 刘红梅, 苏 彬, 武 周, 等 .武警官兵高温高湿环境下执行抗洪救灾任务发病规律分析[J] .武警医学,2017,28(7): 660-663.

[5] 王 骥，沈玉利.基于无线传感器网络生理参数采集系统的设计[J].电子测量与仪器学报,2009,23(2):94-99.

[6] 苌飞霸，尹 军.一种便携式多生理参数采集系统的设计[J].计算机测量与控制,2015,23(7):2574-2576.

[7] 冯爱民.武警某部守桥官兵疾病调查与分析 [J].武警医学,2004，15(7)：789-790.

[8] 罗宇红, 段少军. 移动医疗医院信息网络安全分析措施[J].中国医学装备,2016,13(6):21-22.

[9] 郭 炜，杨 波. 手机终端体系化的安全策略[J].中国无线电,2014, 8(1):51-54.

[10] 尹建东，郭启勇.基于无线网络技术拓展现有医院信息系统[J].中国医学装备,2008,23(2):52-54.